JP2012009209A - Negative electrode for lithium ion secondary battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium ion compensation method for effectively performing compensation of irreversible capacity and suppressing formation of an excess solid electrolyte interface (SEI) coat on a negative electrode in a lithium ion secondary battery.SOLUTION: A negative electrode 1 of a lithium ion secondary battery has a structure in which a lithium layer 4 including metal lithium is arranged between a collector 2 and a negative electrode active material layer 3. Thereby, supply of electrolyte which reacts with the lithium in a pre-doping reaction is restricted and thus, formation of an SEI coat generated by a reductive decomposition reaction of the electrolyte is suppressed.

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池用負極に関する。   The present invention relates to a negative electrode for a lithium ion secondary battery.

近年、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 global warming, reduction of the amount of carbon dioxide is eagerly 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、およ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、全ての電池の中で比較的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 a relatively high theoretical energy among all the batteries are attracting attention, and are currently being developed rapidly.

リチウムイオン二次電池は、一般に、バインダを用いて正極活物質等を集電体の表面に塗布した正極と、バインダを用いて負極活物質等を集電体の表面に塗布した負極とが、電解質層を介して接続され、電池ケースに収納される構成を有している。   Generally, a lithium ion secondary battery includes a positive electrode in which a positive electrode active material or the like is applied to the surface of the current collector using a binder, and a negative electrode in which a negative electrode active material or the like is applied to the surface of the current collector using a binder. It is connected via an electrolyte layer and is configured to be stored in a battery case.

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、特に黒鉛系材料が用いられてきた。また、最近では、高容量の負極活物質として、リチウムと合金化しうる材料などが研究されている。例えば、Si材料は、充放電において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4200mAh/g程度もの理論容量を有する。このようにリチウムと合金化しうる材料は電極のエネルギー密度を増加させることができるため、車両用途における負極材料として期待されている。 Conventionally, carbon that is advantageous in terms of charge / discharge cycle life and cost, particularly graphite-based materials, has been used for the negative electrode of a lithium ion secondary battery. Recently, materials capable of being alloyed with lithium have been studied as high-capacity negative electrode active materials. For example, Si material occludes and releases 4.4 mol of lithium ions per mol during charge / discharge, and Li 22 Si 5 has a theoretical capacity of about 4200 mAh / g. Thus, since the material which can be alloyed with lithium can increase the energy density of an electrode, it is anticipated as a negative electrode material in a vehicle use.

しかしながら、このような大容量を有する炭素材料やリチウムと合金化する材料を負極活物質として用いたリチウムイオン二次電池の多くは、初期充放電時の不可逆容量が大きい。このため、充填された正極の容量利用率が低下し、電池のエネルギー密度が低下するという問題がある。ここで、不可逆容量とは、リチウムイオン二次電池において、初期充電で負極中に吸蔵されたリチウムの全てを放電によって放出することはできず、放電後も負極中に残留するリチウム量のことを意味する。この不可逆容量の問題は、高容量が要求される車両用途への実用化において大きな開発課題となっており、不可逆容量を抑制する試みが盛んに行われている。   However, many of the lithium ion secondary batteries using such a carbon material having a large capacity or a material alloyed with lithium as a negative electrode active material have a large irreversible capacity during initial charge / discharge. For this reason, there exists a problem that the capacity utilization factor of the filled positive electrode falls and the energy density of a battery falls. Here, the irreversible capacity refers to the amount of lithium remaining in the negative electrode even after the discharge in the lithium ion secondary battery, in which all of the lithium occluded in the negative electrode during the initial charge cannot be released by the discharge. means. This problem of irreversible capacity has become a major development issue in the practical application to vehicle applications that require high capacity, and attempts to suppress the irreversible capacity have been actively made.

このような不可逆容量に相当するリチウムを補填する技術として、例えば、特許文献1に開示されている技術が挙げられる。この技術は、リチウム金属箔を負極表面に重ね合わせ、負極へリチウムをプレドープするというものである。   As a technique for supplementing lithium corresponding to such irreversible capacity, for example, a technique disclosed in Patent Document 1 can be cited. In this technique, a lithium metal foil is superposed on the negative electrode surface, and lithium is pre-doped into the negative electrode.

特開平9−283179号公報JP-A-9-283179

しかしながら、特許文献1に記載の技術では、プレドープ反応時、リチウム層と負極活物質層との電位差が卑であるため、電解液の還元分解が促進され、過剰な固体電解質被膜(SEI被膜)が形成されてしまうという問題があった。   However, in the technique described in Patent Document 1, since the potential difference between the lithium layer and the negative electrode active material layer is base during the pre-doping reaction, the reductive decomposition of the electrolytic solution is promoted, and an excessive solid electrolyte coating (SEI coating) is formed. There was a problem of being formed.

そこで本発明は、過剰なSEI被膜の形成を抑制する手段を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a means for suppressing the formation of an excessive SEI film.

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、負極活物質層内に金属リチウムを含むリチウム層を有するリチウムイオン二次電池用負極により、上記課題が解決することを見出した。   The inventors of the present invention have made extensive studies in view of the above problems. As a result, it has been found that the above problem can be solved by a negative electrode for a lithium ion secondary battery having a lithium layer containing metallic lithium in the negative electrode active material layer.

プレドープ反応時にリチウムと反応する電解液の供給が抑制されるため、電解液の還元分解反応によって生成されるSEI被膜形成物質の量を抑制することができる。   Since the supply of the electrolytic solution that reacts with lithium during the pre-doping reaction is suppressed, the amount of the SEI film forming substance generated by the reductive decomposition reaction of the electrolytic solution can be suppressed.

積層型リチウムイオン二次電池の構造を示す断面概略図である。1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a stacked lithium ion secondary battery. 第1実施形態のリチウムイオン二次電池用負極を示す断面概略図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a negative electrode for a lithium ion secondary battery according to a first embodiment. 第1実施形態のリチウムイオン二次電池用負極を示す平面概略図である。1 is a schematic plan view showing a negative electrode for a lithium ion secondary battery according to a first embodiment. 第2実施形態のリチウムイオン二次電池用負極を示す断面概略図である。It is the cross-sectional schematic which shows the negative electrode for lithium ion secondary batteries of 2nd Embodiment. 第3実施形態のリチウムイオン二次電池用負極を示す断面概略図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the negative electrode for lithium ion secondary batteries of 3rd Embodiment. リチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。It is a perspective view showing the appearance of a lithium ion secondary battery.

まず、好ましい実施形態である非水電解質リチウムイオン二次電池について説明するが、以下の実施形態のみには制限されない。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。   First, although the nonaqueous electrolyte lithium ion secondary battery which is preferable embodiment is demonstrated, it is not restrict | limited only to the following embodiment. 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.

リチウムイオン二次電池の構造・形態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。   When distinguished by the structure and form of the lithium ion secondary battery, it is not particularly limited, such as a stacked (flat) battery or a wound (cylindrical) battery, and can be applied to any conventionally known structure.

同様に、電解質の形態で区別した場合にも、特に制限はない。例えば、非水電解液をセパレータに含浸させた液体電解質型電池、ポリマー電池とも称される高分子ゲル電解質型電池および固体高分子電解質(全固体電解質)型電池のいずれにも適用されうる。高分子ゲル電解質および固体高分子電解質に関しては、これらを単独で使用することもできるし、これら高分子ゲル電解質や固体高分子電解質をセパレータに含浸させて使用することもできる。   Similarly, there is no particular limitation when distinguished by the form of electrolyte. For example, the present invention can be applied to any of a liquid electrolyte type battery in which a separator is impregnated with a nonaqueous electrolytic solution, a polymer gel electrolyte type battery also called a polymer battery, and a solid polymer electrolyte (all solid electrolyte) type battery. With respect to the polymer gel electrolyte and the solid polymer electrolyte, these can be used alone, or the polymer gel electrolyte or the solid polymer electrolyte can be used by impregnating the separator.

[電池の全体構造]
図1は、扁平型(積層型)の非水電解質リチウムイオン二次電池(以下、単に「積層型電池」ともいう)の一実施形態の基本構成を示す概略図である。図1に示すように、本実施形態の積層型電池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、外装体である電池外装材29の内部に封止された構造を有する。ここで、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、負極、電解質層および正極がこの順に積層されている。
[Battery overall structure]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the basic configuration of an embodiment of a flat (stacked) nonaqueous electrolyte lithium ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as “stacked battery”). As shown in FIG. 1, the stacked 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 battery exterior material 29 that is an exterior body. Have. Here, in the power generation element 21, the positive electrode in which the positive electrode active material layer 13 is disposed on both surfaces of the positive electrode current collector 11, the electrolyte layer 17, and the negative electrode active material layer 15 is disposed on both surfaces of the negative electrode current collector 12. It has a configuration in which a negative electrode is laminated. Specifically, the negative electrode, the electrolyte layer, and the positive 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、本実施形態の積層型電池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。なお、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13が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。また、図1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または両面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 stacked battery 10 of the present embodiment has a configuration in which a plurality of the single battery layers 19 are stacked and electrically connected in parallel. In addition, although the positive electrode active material layer 13 is arrange | positioned only at one side in the outermost layer positive electrode collector located in both outermost layers of the electric power generation element 21, an active material layer may be provided in both surfaces. That is, instead of using a current collector dedicated to the outermost layer provided with an active material layer only on one side, a current collector having an active material layer on both sides may be used as it is as an outermost current collector. In addition, the arrangement of the positive electrode and the negative electrode is reversed from that in FIG. 1, so that the outermost layer negative electrode current collector is positioned on both outermost layers of the power generation element 21, and the outermost layer negative electrode current collector is disposed on one or both surfaces. A negative electrode active material layer may be disposed.

正極集電体11および負極集電体12は、各電極(正極および負極)と導通される正極集電板25および負極集電板27がそれぞれ取り付けられ、電池外装材29の端部に挟まれるようにして電池外装材29の外部に導出される構造を有している。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。   The positive electrode current collector 11 and the negative electrode current collector 12 are respectively attached with a positive electrode current collector plate 25 and a negative electrode current collector plate 27 that are electrically connected to the respective electrodes (positive electrode and negative electrode), and are sandwiched between end portions of the battery exterior material 29. Thus, it has a structure led out of the battery exterior material 29. 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.

図2は、リチウムイオン二次電池10で用いられる負極(第1実施形態)を示す断面概略図である。また、図3は、第1実施形態の負極を示す平面概略図である。図2に示す第1実施形態の負極1は、集電体2と、集電体2の片面に形成された負極活物質層3と、負極活物質層3内に配置された金属リチウムを含むリチウム層4と、を有する。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a negative electrode (first embodiment) used in the lithium ion secondary battery 10. FIG. 3 is a schematic plan view showing the negative electrode of the first embodiment. A negative electrode 1 according to the first embodiment shown in FIG. 2 includes a current collector 2, a negative electrode active material layer 3 formed on one surface of the current collector 2, and metallic lithium disposed in the negative electrode active material layer 3. A lithium layer 4.

プレドープを適用しないリチウムイオン二次電池においては、初回の充電時に正極活物質層から負極活物質層へリチウムイオンが移動する。その際、電解液の電位窓に関連して、初期段階や卑な電位では電解液の還元分解が負極活物質層の表面付近で進行して、その分解物により固体電解質被膜(SEI被膜)が形成される。このSEI被膜が形成された後には、SEI被膜により直接電解質層と負極活物質層とが接することを妨げることになるため、電解液の還元分解はそれ以上進行せず、安定した充放電挙動を示すことになる。また、リチウムイオンと正極・負極との電子移動反応をスムースに行なわせるため、可逆性が高いSEI被膜を形成させる必要がある。他方、プレドープ反応は、通常の充放電と比較しても、より卑な電位で反応が進行するため、リチウム層を負極活物質層上に配置する構成においては、電解液の還元分解の進行も顕著なものとなり、SEI被膜形成物質が過剰に生成される。   In a lithium ion secondary battery to which pre-doping is not applied, lithium ions move from the positive electrode active material layer to the negative electrode active material layer during the first charge. At that time, in relation to the potential window of the electrolytic solution, reductive decomposition of the electrolytic solution proceeds near the surface of the negative electrode active material layer at an initial stage or a base potential, and the decomposition product causes a solid electrolyte coating (SEI coating) to be formed. It is formed. After the SEI coating is formed, the SEI coating prevents direct contact between the electrolyte layer and the negative electrode active material layer, so that the reductive decomposition of the electrolyte does not proceed any further, and stable charge / discharge behavior is achieved. Will show. In addition, in order to smoothly perform the electron transfer reaction between the lithium ion and the positive electrode / negative electrode, it is necessary to form an SEI film having high reversibility. On the other hand, the pre-dope reaction proceeds at a lower potential even when compared with normal charge / discharge, and therefore, in the configuration in which the lithium layer is arranged on the negative electrode active material layer, the reductive decomposition of the electrolyte also proceeds. Prominent and excessive production of SEI film forming material.

しかしながら、本実施形態の負極においては、負極活物質層内に金属リチウムを含むリチウム層を有している。かような構成であれば、プレドープ反応が進行する反応場となるのは、負極活物質層内部に形成されたリチウム層、リチウム層と接する負極活物質層、および負極活物質層の空孔に含浸される電解液、の3者の共存下である。これにより、当該反応場への電解液の供給が抑制され、結果として電解液の還元分解反応による生成物、すなわちSEI被膜形成物質の量も抑えられることになる。すなわち、過剰な電解液の分解物の生成を負極活物質層内部および外部の双方で抑制することができ、その結果、セル抵抗が増大する現象を抑制しつつ、不可逆容量に相当するリチウムを補填することが可能となる。   However, the negative electrode of the present embodiment has a lithium layer containing metallic lithium in the negative electrode active material layer. With such a configuration, the reaction field where the pre-doping reaction proceeds is in the lithium layer formed inside the negative electrode active material layer, the negative electrode active material layer in contact with the lithium layer, and the vacancies in the negative electrode active material layer It is under the coexistence of the electrolyte solution to be impregnated. As a result, the supply of the electrolytic solution to the reaction field is suppressed, and as a result, the amount of the product resulting from the reductive decomposition reaction of the electrolytic solution, that is, the SEI film forming substance is also suppressed. In other words, the generation of excessive electrolyte decomposition products can be suppressed both inside and outside the negative electrode active material layer, and as a result, while suppressing the phenomenon that cell resistance increases, lithium corresponding to irreversible capacity is compensated. It becomes possible to do.

以下、本実施形態の負極の各構成要素について、詳細に説明する。   Hereinafter, each component of the negative electrode of the present embodiment will be described in detail.

[集電体]
集電体2は導電性材料から構成される。集電体2を構成する材料は、導電性を有するものであれば特に制限されず、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、白金などの金属;ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアクリロニトリル、ポリオキサジアゾールなどの導電性高分子が挙げられる。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2の厚さは特に限定されないが、通常は1〜100μm程度である。
[Current collector]
The current collector 2 is made of a conductive material. The material which comprises the electrical power collector 2 will not be restrict | limited especially if it has electroconductivity, For example, a metal and a conductive polymer may be employ | adopted. Specifically, metals such as iron, chromium, nickel, manganese, titanium, molybdenum, vanadium, niobium, aluminum, copper, silver, gold, and platinum; polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, polyparaphenylene, polyphenylene vinylene, poly Examples thereof include conductive polymers such as acrylonitrile and polyoxadiazole. 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 the electrical power collector 2 is not specifically limited, Usually, it is about 1-100 micrometers.

[負極活物質層]
負極活物質層3は負極活物質を含み、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。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer 3 contains a negative electrode active material, and if necessary, a conductive additive, binder, electrolyte (polymer matrix, ion conductive polymer, electrolytic solution, etc.) for increasing electrical conductivity, and ion conductivity. The electrolyte support salt (lithium salt) may be further included.

負極活物質層3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、選択されうる。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、負極活物質層3の厚さは、2〜100μm程度である。   The compounding ratio of the components contained in the negative electrode active material layer 3 is not particularly limited, and can be selected by appropriately referring to known knowledge about the lithium ion secondary battery. 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 negative electrode active material layer 3 is about 2 to 100 μm.

(負極活物質)
負極活物質はリチウムを可逆的に吸蔵および放出できるものであれば特に制限されないが、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 can reversibly occlude and release lithium, but preferably contains an element that can be alloyed with lithium. Examples of the form 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。   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.

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い。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。酸化物としては、一酸化ケイ素(SiO)、二酸化スズ(SnO)、一酸化スズ(SnO)などを用いることができる。これらは1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。 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, 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. It is more preferable that an element of Si or Sn is included, and it is particularly preferable that Si is included. As the oxide, silicon monoxide (SiO), tin dioxide (SnO 2 ), tin monoxide (SnO), or the like can be used. These may be used individually by 1 type and may use 2 or more types together.

この他、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が使用可能である。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, carbon materials such as graphite, soft carbon, and hard carbon, metal materials such as lithium metal, lithium-transition metal composite oxides such as lithium-titanium composite oxide (lithium titanate: Li 4 Ti 5 O 12 ), In addition, other conventionally known negative electrode active materials can 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 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 preferred form, specifically, in the negative electrode active material, the active material containing an element capable of alloying with lithium is 60% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, still more preferably 90% by mass or more, particularly preferably. 100% by mass is contained.

(導電助剤)
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。
(Conductive aid)
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)
活物質層に用いられるバインダとしては、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、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正極電位、負極電位双方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種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
(Binder)
Although it does not specifically limit as a binder used for an active material layer, For example, the following materials are mentioned. Polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile, 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 its hydrogenated product, styrene / isoprene / styrene block copolymer and its hydrogenated product, etc. Thermoplastic polymer, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), Tet Fluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyfluorinated Fluorine resin such as vinyl (PVF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-based fluororubber (VDF-HFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-HFP-TFE-based fluorine) Rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-based fluoro rubber (VDF-PFP-based fluoro rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based 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 (VDF) Vinylidene fluoride fluororubbers such as (-CTFE fluororubber) and epoxy resins. 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, are stable at both the positive electrode potential and the negative electrode potential, and can be used for the active material layer. These binders may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.

負極活物質層中に含まれるバインダ量は、活物質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、0.5〜15質量%であり、より好ましくは1〜10質量%である。   The amount of the binder contained in the negative electrode active material layer is not particularly limited as long as it is an amount capable of binding the active material, but preferably 0.5 to 15% by mass with respect to the active material layer. More preferably, it is 1-10 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。
(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.

支持塩(リチウム塩)としては、以下に制限されないが、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiTaF、LiAlCl、Li10Cl10等の無機酸陰イオン塩;LiCFSO、Li(CFSON、Li(CSON等の有機酸陰イオン塩が挙げられる。これらの支持塩は、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。 The supporting salt (lithium salt), but are not limited to, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiAlCl 4, inorganic acid anion salts such as Li 2 B 10 Cl 10; LiCF 3 SO 3 , organic acid anion salts such as Li (CF 3 SO 2 ) 2 N and Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N. These supporting salts may be used alone or in combination of two or more.

[リチウム層]
上述のように、リチウム層は金属リチウムを含んで構成される。負極活物質へのドープが可能であれば、前記金属リチウムはリチウム合金の形態であってもよい。リチウム合金としては、(a)負極活物質の項で説明した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のリチウム合金を好ましく使用することができる。リチウム層の形態も特に制限されず、リチウム金属箔をそのまま使用してもよいし、リチウム粒子やリチウム合金粒子の集合体を使用してもよい。リチウム粒子とは、金属リチウムが微細に粉砕されたリチウムの粉末を意味する。なお、リチウム粒子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。
[Lithium layer]
As described above, the lithium layer includes metallic lithium. The metallic lithium may be in the form of a lithium alloy as long as the negative electrode active material can be doped. As the lithium alloy, lithium alloys such as simple elements which can be alloyed with lithium described in the section of (a) negative electrode active material, and oxides and carbides containing these elements can be preferably used. The form of the lithium layer is not particularly limited, and a lithium metal foil may be used as it is, or an aggregate of lithium particles or lithium alloy particles may be used. The lithium particles mean lithium powder in which metallic lithium is finely pulverized. The shape of the lithium particles 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.

リチウム粒子を用いる場合、その平均粒子径は特に制限されないが、好ましくは1〜60μmであり、より好ましくは2〜55μmであり、特に好ましくは3〜50μmである。リチウム粒子の平均粒子径が上記範囲であれば、取り扱いが容易であるため好ましい。   When lithium particles are used, the average particle diameter is not particularly limited, but is preferably 1 to 60 μm, more preferably 2 to 55 μm, and particularly preferably 3 to 50 μm. If the average particle diameter of the lithium particles is within the above range, it is preferable because the handling is easy.

さらに、前記リチウム粒子のBET一点法により測定した比表面積は、好ましくは0.1〜10m/gであり、より好ましくは0.5〜8m/gである。 Furthermore, the specific surface area of the lithium particles measured by the BET single point method is preferably 0.1 to 10 m 2 / g, more preferably 0.5 to 8 m 2 / g.

リチウム層の厚みは、特に制限されないが、1〜100μmであることが好ましく、より好ましくは2〜95μmである。リチウム層の厚みが1μm未満であると、プレドープによる不可逆容量の改善効果が不十分となる虞がある。一方、100μmを超えると、負極活物質層の厚みより厚くなる虞がある。   The thickness of the lithium layer is not particularly limited, but is preferably 1 to 100 μm, more preferably 2 to 95 μm. If the thickness of the lithium layer is less than 1 μm, the effect of improving the irreversible capacity by pre-doping may be insufficient. On the other hand, when it exceeds 100 μm, the thickness of the negative electrode active material layer may be larger.

リチウム粒子を用いる場合、リチウム層は他の成分を含んでもよい。他の成分としては、負極活物質、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)などが挙げられる。リチウム層中の成分の配合比は特に限定されない。しかしながら、リチウム層から負極活物質層へのリチウムのプレドープという機能を重視すると、リチウム層中のリチウムの存在比率は、好ましくは3質量%以上、より好ましくは5質量%以上、さらに好ましくは8質量%以上である。リチウム層は、図2に示す第1実施形態のように負極活物質層中に1層のみ存在する形態であってもよいし、図4および図5に示す実施形態のように、負極活物質層中に複数存在する形態であってもよい。   When lithium particles are used, the lithium layer may contain other components. Other components include a negative electrode active material, a conductive aid for increasing electrical conductivity, a binder, an electrolyte (polymer matrix, ion conductive polymer, electrolyte, etc.), and an electrolyte supporting salt (lithium for increasing ionic conductivity). Salt). The compounding ratio of the components in the lithium layer is not particularly limited. However, when importance is attached to the function of lithium pre-doping from the lithium layer to the negative electrode active material layer, the abundance ratio of lithium in the lithium layer is preferably 3% by mass or more, more preferably 5% by mass or more, and further preferably 8% by mass. % Or more. The lithium layer may have a form in which only one layer is present in the negative electrode active material layer as in the first embodiment shown in FIG. 2, or the negative electrode active material as in the embodiment shown in FIGS. There may be a form in which a plurality exist in the layer.

また、リチウム層の積層方向の配置は、負極活物質層内部に配置されていれば特に制限されないが、集電体と負極活物質層との界面に接していることが好ましい。かような配置とすることにより、当該反応場への電解液の供給がより抑制され、電解液の還元分解反応による生成物、すなわちSEI被膜形成物質の量もより抑制することができる。   Further, the arrangement of the lithium layers in the stacking direction is not particularly limited as long as the lithium layer is arranged inside the negative electrode active material layer, but it is preferably in contact with the interface between the current collector and the negative electrode active material layer. By adopting such an arrangement, the supply of the electrolytic solution to the reaction field is further suppressed, and the amount of the product resulting from the reductive decomposition reaction of the electrolytic solution, that is, the SEI film forming substance can be further suppressed.

前記負極活物質層および前記リチウム層が集電体と直接接触する面積の総和に対する、前記負極活物質層と前記リチウム層中のリチウム成分とが直接接触する面積の比率は、20〜80%であることが好ましい。当該比率が80%を超えると、リチウムプレドープ反応によりリチウム層中のリチウム成分が消失することにより、負極活物質層と集電体の剥離が起きる可能性が大きくなる虞がある。また、当該比率が20%未満となると、負極活物質中のリチウムイオンの面方向への移動、拡散に要する時間が長くなる虞がある。   The ratio of the area in which the negative electrode active material layer and the lithium component in the lithium layer are in direct contact to the total area in which the negative electrode active material layer and the lithium layer are in direct contact with the current collector is 20 to 80%. Preferably there is. When the ratio exceeds 80%, the lithium component in the lithium layer disappears due to the lithium pre-doping reaction, which may increase the possibility of peeling of the negative electrode active material layer and the current collector. If the ratio is less than 20%, the time required for movement and diffusion of lithium ions in the negative electrode active material in the surface direction may be increased.

なお、当該比率の算出方法は、以下の方法による。すなわち、集電体上に形成された負極活物質層ごと断面加工し、集電体−負極活物質層界面付近を光学顕微鏡で観察する。これにより、負極活物質層および前記リチウム層が集電体と直接接触する面積の総和に対する、前記負極活物質層と前記リチウム層中のリチウム成分とが直接接触する面積の比率を求めることができる。この操作を少なくとも5回以上実施して、接触比率の平均を取る。   In addition, the calculation method of the said ratio is based on the following method. That is, the negative electrode active material layer formed on the current collector is cross-sectional processed, and the vicinity of the current collector-negative electrode active material layer interface is observed with an optical microscope. Thereby, the ratio of the area where the negative electrode active material layer and the lithium component in the lithium layer are in direct contact with the sum of the areas where the negative electrode active material layer and the lithium layer are in direct contact with the current collector can be obtained. . This operation is performed at least 5 times, and the average of the contact ratio is taken.

本実施形態においては、リチウム層から活物質層へのリチウムのプレドープ後には、集電体と負極活物質層との間に配置されていたリチウム層中のリチウム成分が消失する。消失した箇所の負極活物質層との境界面にはSEIが形成されるが、負極活物質層中の導電パスは十分に確保されている。よって、負極活物質層から集電体への電子伝導性の悪影響は最低限に抑えられるため、電池の抵抗値にはほとんど影響を与えない。さらに、イオン伝導性は、通常の負極活物質中の空孔に加えて、プレドープ反応後のリチウム成分消失箇所も寄与することになり、より向上することになる。   In this embodiment, after lithium pre-doping from the lithium layer to the active material layer, the lithium component in the lithium layer disposed between the current collector and the negative electrode active material layer disappears. Although SEI is formed at the boundary surface between the disappeared portion and the negative electrode active material layer, a conductive path in the negative electrode active material layer is sufficiently secured. Therefore, since the adverse effect of the electron conductivity from the negative electrode active material layer to the current collector can be minimized, the battery resistance value is hardly affected. Furthermore, in addition to the vacancies in the normal negative electrode active material, the ionic conductivity also contributes to the location where the lithium component disappears after the pre-dope reaction, and is further improved.

本実施形態のリチウムイオン二次電池用負極の製造方法としては、特に制限されるものではなく、従来公知の方法を適用して作製することができる。詳細については、リチウムイオン二次電池の製造方法と併せて、後述する。   The method for producing the negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present embodiment is not particularly limited, and can be produced by applying a conventionally known method. Details will be described later together with a method of manufacturing a lithium ion secondary battery.

以上説明した第1実施形態のリチウムイオン二次電池用負極は、以下の効果を有する。   The negative electrode for a lithium ion secondary battery according to the first embodiment described above has the following effects.

第1実施形態のリチウムイオン二次電池用負極は、負極活物質層内に金属リチウムを含むリチウム層を有する。これにより、プレドープ反応時にリチウムと反応する電解液の供給が抑制されるため、電解液の還元分解反応によって生成されるSEI被膜形成物質の量を抑制することができる。   The negative electrode for a lithium ion secondary battery of the first embodiment has a lithium layer containing metallic lithium in the negative electrode active material layer. Thereby, since the supply of the electrolytic solution that reacts with lithium during the pre-doping reaction is suppressed, the amount of the SEI film forming substance generated by the reductive decomposition reaction of the electrolytic solution can be suppressed.

図4は、第2実施形態のリチウムイオン二次電池用負極を示す断面概略図であり、図5は、第3実施形態のリチウムイオン二次電池用負極を示す断面概略図である。図4および図5に示す実施形態においては、集電体の両面にリチウム層3が形成されている。かような構成により、上記の効果がより得られやすくなる。なお、集電体の一の面に形成されるリチウム層の形状と、集電体の他の面に形成されるリチウム層の形状・層数は、図4に示すように同じでもよいし、図5に示すように異なっていてもよい。   FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the negative electrode for a lithium ion secondary battery of the second embodiment, and FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the negative electrode for a lithium ion secondary battery of the third embodiment. In the embodiment shown in FIGS. 4 and 5, the lithium layer 3 is formed on both surfaces of the current collector. With such a configuration, the above effect can be obtained more easily. The shape of the lithium layer formed on one surface of the current collector and the shape / number of layers of the lithium layer formed on the other surface of the current collector may be the same as shown in FIG. It may be different as shown in FIG.

また、リチウム層の面積方向の形状も特に制限されず、円形状、楕円形状、四角形状、アレイ状に配置した構造、櫛形状など、いずれの形状であってもよい。   The shape of the lithium layer in the area direction is not particularly limited, and may be any shape such as a circular shape, an elliptical shape, a quadrangular shape, a structure arranged in an array shape, or a comb shape.

上記で説明したリチウムイオン二次電池は、負極に特徴を有する。以下、その他の主要な構成部材について説明する。   The lithium ion secondary battery described above is characterized by a negative electrode. Hereinafter, other main components will be described.

[活物質層]
(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。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、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勿論である。
[Active material layer]
(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. As the positive electrode active material, for example, LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , Li (Ni—Co—Mn) O 2, and lithium-such as those in which a part of these transition metals are substituted with other elements Examples include transition metal composite oxides, lithium-transition metal phosphate compounds, and lithium-transition metal sulfate compounds. In some cases, two or more positive electrode active materials may be used in combination. Preferably, a lithium-transition metal composite oxide is used as the positive electrode active material from the viewpoint of capacity and output characteristics. 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。   The positive electrode active material layer 13 includes a binder.

活物質層に用いられるバインダとしては、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、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正極電位、負極電位双方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、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。   Although it does not specifically limit as a binder used for an active material layer, For example, the following materials are mentioned. Polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile, 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 its hydrogenated product, styrene / isoprene / styrene block copolymer and its hydrogenated product, etc. Thermoplastic polymer, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), Tet Fluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyfluorinated Fluorine resin such as vinyl (PVF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-based fluororubber (VDF-HFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-HFP-TFE-based fluorine) Rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-based fluoro rubber (VDF-PFP-based fluoro rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluoro rubber (VDF-PFP-TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene fluorine rubber (VDF-PFMVE-TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene fluorine rubber (VDF) Vinylidene fluoride fluororubbers such as (-CTFE fluororubber) and epoxy resins. 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, are stable at both the positive electrode potential and the negative electrode potential, and can be used for the active material layer. These binders may be used independently and may use 2 or more types together.

正極活物質層中に含まれるバインダ量は、活物質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、0.5〜15質量%であり、より好ましくは1〜10質量%である。   The amount of the binder contained in the positive electrode active material layer is not particularly limited as long as it is an amount capable of binding the active material, but is preferably 0.5 to 15% by mass with respect to the active material layer. More preferably, it is 1-10 mass%.

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、電解質塩(リチウム塩)、イオン伝導性ポリマー等が挙げられる。   Examples of other additives that can be included in the positive electrode active material layer include a conductive additive, an electrolyte salt (lithium salt), and an ion conductive polymer.

導電助剤とは、正極活物質層の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。導電助剤としては、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、気相成長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 support agent means the additive mix | blended in order to improve the electroconductivity of a positive electrode active material layer. Examples of the conductive assistant include carbon materials such as carbon black such as acetylene black, graphite, and vapor grown 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.

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.

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、非水溶媒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、選択されうる。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、各活物質層の厚さは、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 selected by appropriately referring to known knowledge about the non-aqueous solvent secondary battery. The thickness of the active material layer is not particularly limited, and conventionally known knowledge about the battery can be referred to as appropriate. For example, the thickness of each 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.

[タブおよびリード]
電池外部に電流を取り出す目的で、タブを用いてもよい。タブは最外層集電体や集電板に電気的に接続され、電池外装材であるラミネートシートの外部に取り出される。
[Tab and Lead]
A tab may be used for the purpose of extracting the current outside the battery. The tab is electrically connected to the outermost layer current collector or current collector plate, and is taken out of the laminate sheet which is a battery exterior material.

タブを構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用のタブ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。タブ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く、より好ましくは軽量、耐食性、高導電性の観点からアルミニウム、銅などが好ましい。なお、正極タブと負極タブとでは、同一の材質が用いられてもよいし、異なる材質が用いられてもよい。   The material which comprises a tab in particular is not restrict | limited, The well-known highly electroconductive material conventionally used as a tab for lithium ion secondary batteries can be used. As a constituent material of the tab, for example, metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferable, and aluminum, copper, and the like are more preferable from the viewpoint of light weight, corrosion resistance, and high conductivity. Is preferred. Note that the same material may be used for the positive electrode tab and the negative electrode tab, or different materials may be used.

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。   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 or the like.

[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。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という観点から、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 the power generation 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. A laminate film is desirable from the viewpoint that it is excellent in high output and cooling performance, and can be suitably used for a battery for large equipment for EV and HEV.

[負極の製造方法・リチウムイオン二次電池の製造方法]
以下、リチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池の製造方法を説明するが、下記の形態のみに限定されるものではない。
[Method for producing negative electrode / method for producing lithium ion secondary battery]
Hereinafter, although the manufacturing method of the negative electrode for lithium ion secondary batteries and a lithium ion secondary battery is demonstrated, it is not limited only to the following form.

負極の製造方法は特に制限されない。しかしながら、集電体の表面に、金属リチウムを含むリチウム層を形成する工程(リチウム層形成工程)と、リチウム層が配置された前記集電体の表面に、負極活物質層を形成する工程(負極活物質層形成工程)と、を含む製造方法が好ましい。   The method for producing the negative electrode is not particularly limited. However, a step of forming a lithium layer containing metallic lithium on the surface of the current collector (lithium layer forming step), and a step of forming a negative electrode active material layer on the surface of the current collector on which the lithium layer is disposed ( Negative electrode active material layer forming step).

(1)リチウム層形成工程
本工程では、まず、集電体表面にリチウム層を形成する。リチウム層の形成方法について特に制限はなく、例えば、金属リチウムを適当な溶媒に分散させた分散液(スラリー)を集電体の表面に塗布し、乾燥させる方法が例示されうる。また、他の方法としては、リチウム箔を集電体または負極活物質層の表面に貼付または圧着させる方法や、真空蒸着によりリチウム層を集電体表面に形成する方法なども採用されうる。真空蒸着は、リチウム箔では工業的に製造が難しい薄膜リチウム層を形成できるという点で、好ましい方法である。負極活物質、導電助剤、バインダ、およびリチウム金属を含むスラリーを、後述する負極活物質層形成工程と同様の方法で集電体表面に塗布、乾燥する方法も好ましい態様である。このスラリーで用いられる溶媒としては、例えば、γ−ブチロラクトン(GBL)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルホルムアミドなどが挙げられる。
(1) Lithium layer forming step In this step, first, a lithium layer is formed on the current collector surface. There is no restriction | limiting in particular about the formation method of a lithium layer, For example, the method of apply | coating the dispersion liquid (slurry) which disperse | distributed metallic lithium to the appropriate solvent on the surface of an electrical power collector, and drying can be illustrated. In addition, as other methods, a method of sticking or press-bonding a lithium foil to the surface of the current collector or the negative electrode active material layer, a method of forming a lithium layer on the surface of the current collector by vacuum deposition, or the like can be employed. Vacuum deposition is a preferred method in that it can form a thin film lithium layer that is difficult to manufacture industrially with lithium foil. A method in which a slurry containing a negative electrode active material, a conductive additive, a binder, and lithium metal is applied to the surface of the current collector and dried in the same manner as in the negative electrode active material layer forming step described later is also a preferred embodiment. Examples of the solvent used in this slurry include γ-butyrolactone (GBL), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylformamide and the like. It is done.

なお、リチウム箔を集電体や負極活物質層の表面に貼付または圧着させる方法においては、後述の(2)負極活物質層形成工程の途中に、リチウム箔の貼付または圧着を行ってもよい。   In addition, in the method of affixing or press-bonding a lithium foil on the surface of a collector or a negative electrode active material layer, the lithium foil may be affixed or pressure-bonded during the later-described (2) negative electrode active material layer forming step. .

(2)負極活物質層形成工程
本工程では、まず、負極活物質、ならびに必要に応じて導電助剤、バインダ、電解質などを含む電極材料を、適当なスラリー粘度調整溶媒に分散させて、負極活物質スラリーを調製する。
(2) Negative electrode active material layer forming step In this step, first, a negative electrode active material and, if necessary, an electrode material containing a conductive additive, a binder, an electrolyte, and the like are dispersed in an appropriate slurry viscosity adjusting solvent to form a negative electrode. An active material slurry is prepared.

スラリー粘度調整溶媒としては、特に制限されないが、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルホルムアミドなどが挙げられる。スラリーは、ホモジナイザーまたは混練装置などを用いて溶媒および固形分よりインク化される。   The slurry viscosity adjusting solvent is not particularly limited, and examples thereof include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylformamide and the like. The slurry is converted into ink from the solvent and the solid content using a homogenizer or a kneader.

次いで、上記で作製したリチウム層形成済みの集電体の表面に、上記で調製した負極活物質スラリーを塗布する。スラリーを集電体に塗布するための塗布手段は、特に制限されないが、例えば、自走型コーター、ドクターブレード法、スプレー法などの一般に用いられる手段が採用されうる。   Next, the negative electrode active material slurry prepared above is applied to the surface of the current collector on which the lithium layer has been formed. The application means for applying the slurry to the current collector is not particularly limited, and generally used means such as a self-propelled coater, a doctor blade method, and a spray method can be employed.

続いて、リチウム層形成済みの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。ただし、金属リチウムの融点が180℃であることから、乾燥温度は180℃未満であることが好ましい。得られた乾燥物はプレスすることによって電極密度、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、本実施形態のリチウムイオン二次電池用負極が形成される。なお、図3および4に示す形態のように集電体の両面にリチウム層が配置された負極を製造する場合は、集電体の両面に対して上記の処理を施せばよい。   Subsequently, the coating film formed on the surface of the current collector on which the lithium layer has been formed 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. However, since the melting point of metallic lithium is 180 ° C, the drying temperature is preferably less than 180 ° C. The dried product obtained is pressed to adjust the electrode density, porosity, and thickness. This press treatment may be performed before drying. Thereby, the negative electrode for lithium ion secondary batteries of this embodiment is formed. In addition, when manufacturing the negative electrode by which a lithium layer is arrange | positioned on both surfaces of a collector like the form shown to FIG. 3 and 4, what is necessary is just to perform said process with respect to both surfaces of a collector.

上記工程により、負極活物質層の内部に金属リチウムを含むリチウム層が形成された負極前駆体が得られる。   Through the above process, a negative electrode precursor in which a lithium layer containing metallic lithium is formed inside the negative electrode active material layer is obtained.

上記負極前駆体を用いたリチウムイオン二次電池の製造方法は特に制限されない。例えば、上記負極前駆体を用いて発電要素を形成する工程(発電要素形成工程)と、金属リチウムを負極活物質層にドープすることにより前記負極前駆体を負極に変換する工程(リチウムドープ工程)とを行うことにより、リチウムイオン二次電池が製造されうる。以下、工程順に説明する。   The manufacturing method of the lithium ion secondary battery using the negative electrode precursor is not particularly limited. For example, a step of forming a power generation element using the negative electrode precursor (power generation element formation step) and a step of converting the negative electrode precursor to a negative electrode by doping metallic lithium into the negative electrode active material layer (lithium doping step) By performing the above, a lithium ion secondary battery can be manufactured. Hereinafter, it demonstrates in order of a process.

(3)発電要素作製工程
上記で得られた負極前駆体と正極とを電解質層を介して積層させ、発電要素を作製する。
(3) Electric power generation element production process The negative electrode precursor and positive electrode obtained above are laminated via an electrolyte layer to produce an electric power generation element.

まず、正極を作製する。正極の作製方法は特に限定されず、リチウムイオン二次電池について公知の方法を好ましく使用することができる。具体的には、負極活物質層の形成と同様にして、正極活物質ならびに必要に応じてバインダ、導電助剤および電解質などを含む電極材料をスラリー粘度調整溶媒に分散して、正極活物質スラリーを調製する。そして、負極活物質層の形成と同様にして、正極活物質スラリーを集電体上に塗布して乾燥させた後にプレスすることにより、集電体の表面(片面または両面)に正極活物質層が形成された正極が得られる。   First, a positive electrode is produced. The method for producing the positive electrode is not particularly limited, and a known method can be preferably used for the lithium ion secondary battery. Specifically, in the same manner as in the formation of the negative electrode active material layer, a positive electrode active material and, if necessary, an electrode material containing a binder, a conductive additive, an electrolyte, and the like are dispersed in a slurry viscosity adjusting solvent to obtain a positive electrode active material slurry. To prepare. Then, in the same manner as in the formation of the negative electrode active material layer, the positive electrode active material slurry is applied on the current collector, dried, and then pressed, thereby pressing the positive electrode active material layer on the surface (one side or both sides) of the current collector. Thus, a positive electrode in which is formed is obtained.

次いで、前記正極および前記負極前駆体を、セパレータ(電解質層に相当)を介して正極活物質層と負極活物質層とが対向するように積層させることにより発電要素を作製することができる。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。   Next, the power generation element can be manufactured by laminating the positive electrode and the negative electrode precursor so that the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer face each other via a separator (corresponding to an electrolyte layer). 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、正極、負極前駆体のそれぞれに集電板および/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、積層体をアルミニウムのラミネートフィルムバッグに収容する。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して発電要素(電池)とする。   Then, a current collector plate and / or a lead is connected to each of the positive electrode and the negative electrode precursor, and the laminate is accommodated in an aluminum laminate film bag so that the current collector plate or the lead is led out. Thereafter, the electrolytic solution is injected by a liquid injector, and the end portion is sealed under reduced pressure to obtain a power generation element (battery).

上記では電解質が液体電解質である場合の発電要素(電池)を例に挙げて説明した。ゲル電解質や真性ポリマー電解質を用いた発電要素(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ため、ここでは詳細な説明を省略する。   The power generation element (battery) in the case where the electrolyte is a liquid electrolyte has been described above as an example. The production of a power generation element (battery) using a gel electrolyte or an intrinsic polymer electrolyte can also be performed with reference to a known technique, and thus detailed description thereof is omitted here.

(4)リチウムドープ工程
続いて、リチウム層の金属リチウムを負極活物質にドープすることにより負極前駆体を負極に変換する。具体的には、電解液の注液により、リチウム層内のリチウムが負極活物質にドープされる。なお、リチウム層が金属リチウムから構成される場合、すなわち、リチウム層がリチウム元素のみから構成される場合には、リチウムのドープ後にはリチウム層が消失し、負極前駆体は負極へと変換される。一方、リチウム層がリチウム合金のようにリチウム元素以外の材料を含んで構成される場合には、リチウムのドープ後においてもリチウム層(例えば、リチウム合金の場合にはリチウムと合金化する元素)が残存する。これにより、リチウムイオンがドープされた負極活物質を含む負極活物質層を有するリチウムイオン二次電池が得られる。
(4) Lithium doping step Subsequently, the negative electrode precursor is converted into a negative electrode by doping the lithium metal in the lithium layer into the negative electrode active material. Specifically, lithium in the lithium layer is doped into the negative electrode active material by injection of the electrolytic solution. When the lithium layer is composed of metallic lithium, that is, when the lithium layer is composed only of lithium element, the lithium layer disappears after doping with lithium, and the negative electrode precursor is converted into a negative electrode. . On the other hand, when the lithium layer is configured to include a material other than lithium element, such as a lithium alloy, the lithium layer (for example, an element that forms an alloy with lithium in the case of a lithium alloy) is present even after doping with lithium. Remains. Thereby, a lithium ion secondary battery having a negative electrode active material layer including a negative electrode active material doped with lithium ions is obtained.

上記電解液の注液後に、リチウムイオン二次電池は、好ましくは所定の時間エージング(静置)される。当該処理は1回のみ行われてもよいし、複数回行われてもよい。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。   After the injection of the electrolytic solution, the lithium ion secondary battery is preferably aged for a predetermined time. The process may be performed only once or a plurality of times. By performing the aging process, the amount of lithium 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、リチウム量の均一化のために必要な時間(エージング時間)を短縮する点で好ましくは20〜80℃、より好ましくは40〜60℃である。また、エージング時間は、リチウムのドープ量により異なるが、通常24〜240時間程度である。   The aging temperature is preferably 20 to 80 ° C., more preferably 40 to 60 ° C. in terms of shortening the time (aging time) required for making the amount of lithium uniform. The aging time is usually about 24 to 240 hours, although it varies depending on the doping amount of lithium.

上記では電解質が液体電解質である場合の積層型電池を例に挙げて説明したが、ゲル電解質や真性ポリマー電解質を用いた場合についても、公知の技術を参照して実施可能であり、ここでは省略する。   In the above description, the laminated battery in the case where the electrolyte is a liquid electrolyte has been described as an example, but the case where a gel electrolyte or an intrinsic polymer electrolyte is used can be implemented with reference to a known technique, and is omitted here. To do.

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ず、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, and for example, a method of charging at 20 to 60 ° C. for 10 minutes by a constant current method (current: 0.5 C) may be used.

<リチウムイオン二次電池の外観構成>
図6は、二次電池の代表的な実施形態である扁平な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. 6 is a perspective view showing the appearance of a flat lithium ion secondary battery which is a typical embodiment of the secondary battery.

図6に示すように、扁平なリチウムイオン二次電池50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58、負極タブ59が引き出されている。発電要素57は、リチウムイオン二次電池50の電池外装材52によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素57は、正極タブ58および負極タブ59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57は、先に説明した図1に示すリチウムイオン二次電池10の発電要素21に相当するものである。発電要素57は、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. 6, the flat lithium ion secondary battery 50 has a rectangular flat shape, and a positive electrode tab 58 and a negative electrode tab 59 for taking out electric power are drawn out from both sides thereof. Yes. The power generation element 57 is encased by the battery outer packaging material 52 of the lithium ion secondary battery 50, and the periphery thereof is heat-sealed. The power generation element 57 is sealed with the positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 pulled out to the outside. Has been. Here, the power generation element 57 corresponds to the power generation element 21 of the lithium ion secondary battery 10 shown in FIG. 1 described above. The power generation element 57 is formed by laminating a plurality of single battery layers (single cells) 19 including a positive electrode (positive electrode active material layer) 13, an electrolyte layer 17, and a negative electrode (negative electrode active material layer) 15.

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い。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。   The lithium ion secondary battery is not limited to a stacked flat shape. The wound lithium ion secondary battery may have a cylindrical shape, or may have a shape that is a flattened rectangular shape by deforming such a cylindrical shape. There is no particular limitation. 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 is covered with an aluminum laminate film. With this configuration, weight reduction can be achieved.

また、図6に示すタブ58、59の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。正極タブ58と負極タブ59とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極タブ58と負極タブ59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6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 removal of the tabs 58 and 59 shown in FIG. 6 is not particularly limited. The positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 may be drawn out from the same side, or the positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 may be divided into a plurality of parts and taken out from each side, as shown in FIG. It is not limited to. Further, in a wound type lithium ion battery, instead of a tab, for example, a terminal may be formed using a cylindrical can (metal can).

上記リチウムイオン二次電池は、電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの大容量電源として、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好適に利用することができる。   The lithium ion secondary battery is used as a power source for driving a vehicle or an auxiliary power source that requires a high volume energy density and a high volume output density as a large capacity power source for an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a fuel cell vehicle, and a hybrid fuel cell vehicle. It can be suitably used.

以下、上記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を、実施例を通じてさらに詳細に説明するが、下記の実施例に何ら限定されるものではない。   Hereinafter, although the said negative electrode for lithium ion secondary batteries and a lithium ion secondary battery using the same are demonstrated in detail through an Example, it is not limited to the following Example at all.

(実施例1)
下記の方法により、図2に示す構造の負極を有する試験用セルを作製した。
Example 1
A test cell having a negative electrode having the structure shown in FIG. 2 was produced by the following method.

(1)リチウム層形成工程
負極集電体として、厚さ15μmの銅箔を準備した。次いで、銅箔の一方の面にマスキングをして基板として、リチウム金属をターゲットとして真空蒸着により銅箔上に34mm×22mmのリチウム層を形成した。リチウム層は銀白色であり、厚みは4μmであった。
(1) Lithium layer forming step A copper foil having a thickness of 15 μm was prepared as a negative electrode current collector. Next, one side of the copper foil was masked to form a 34 mm × 22 mm lithium layer on the copper foil as a substrate by vacuum deposition using lithium metal as a target. The lithium layer was silver white and the thickness was 4 μm.

(2)負極活物質層形成工程
負極活物質としてハードカーボン(80質量部)、導電助剤としてアセチレンブラック(10質量部)、およびバインダとしてPVdF(10質量部)を準備した。これらをスラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)の適量に分散させ、負極活物質スラリーを調製した。
(2) Negative electrode active material layer formation process Hard carbon (80 mass parts) was prepared as a negative electrode active material, acetylene black (10 mass parts) as a conductive support agent, and PVdF (10 mass parts) was prepared as a binder. These were dispersed in an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), which is a slurry viscosity adjusting solvent, to prepare a negative electrode active material slurry.

上記(1)で作製したリチウム層を担持させた銅箔の片面に、上記で調製した負極活物質スラリーを塗布し、60℃にて乾燥させて、プレス処理し、負極活物質層(片面の厚さ=85μm、負極活物質密度=9mg/cm)を形成し、負極前駆体を得た。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、リチウム層が中央に位置するように、かつ電極部サイズが36mm×26mmとなるように打ち抜いた。リチウム層は、負極活物質層に完全に覆われた位置にあり、打ち抜き後も観察することはできなかった。なお、負極活物質層およびリチウム層が集電体と直接接触する面積の総和に対する、負極活物質層とリチウム層中のリチウム成分とが直接接触する面積の比率は80%であった。 The negative electrode active material slurry prepared above is applied to one side of the copper foil carrying the lithium layer prepared in (1) above, dried at 60 ° C., pressed, and subjected to a negative electrode active material layer (single side Thickness = 85 μm, negative electrode active material density = 9 mg / cm 2 ) to form a negative electrode precursor. A nickel current extraction tab was joined to the obtained negative electrode by ultrasonic welding, and punched out so that the lithium layer was located in the center and the electrode part size was 36 mm × 26 mm. The lithium layer was in a position completely covered with the negative electrode active material layer and could not be observed even after punching. The ratio of the area where the negative electrode active material layer and the lithium component in the lithium layer were in direct contact to the total area where the negative electrode active material layer and the lithium layer were in direct contact with the current collector was 80%.

(3)発電要素作製工程
別途、正極活物質としてLiMn(84質量部)、導電助剤としてアセチレンブラック(6質量部)、およびバインダとしてPVdF(10質量部)を、スラリー粘度調整溶媒であるNMPの適量に分散させ、正極活物質スラリーを調製した。
(3) Power generation element preparation step Separately, LiMn 2 O 4 (84 parts by mass) as a positive electrode active material, acetylene black (6 parts by mass) as a conductive auxiliary, and PVdF (10 parts by mass) as a binder, slurry viscosity adjusting solvent Was dispersed in an appropriate amount of NMP to prepare a positive electrode active material slurry.

一方、正極集電体として、厚さ20μmのアルミニウム箔を準備した。この集電体の片面に、上記で調製した正極活物質スラリーを塗布した。その後、80℃にて乾燥を行い、プレス処理し、正極活物質層(厚さ=102μm、正極活物質密度=25mg/cm)を形成して、正極を完成させた。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。 On the other hand, an aluminum foil having a thickness of 20 μm was prepared as a positive electrode current collector. The positive electrode active material slurry prepared above was applied to one side of the current collector. Thereafter, drying was performed at 80 ° C., and press treatment was performed to form a positive electrode active material layer (thickness = 102 μm, positive electrode active material density = 25 mg / cm 2 ), thereby completing a positive electrode. 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.

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、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)との等体積混合液にリチウム塩であるLiPFが1Mの濃度で溶解した溶液を準備した。 A polyethylene microporous membrane (thickness = 25 μm) was prepared as a separator. Further, as an electrolytic solution, a solution in which LiPF 6 as a lithium salt was dissolved at a concentration of 1M in an equal volume mixed solution of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) was prepared.

上記で作製・準備した負極前駆体(リチウム層含む)、セパレータ、および正極を積層して、発電要素を作製した。   The negative electrode precursor (including the lithium layer), separator, and positive electrode prepared / prepared above were laminated to produce a power generation element.

(4)リチウムドープ工程
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。電解液の含浸により、負極活物質層にリチウムがドープされ、負極前駆体が負極へと変換される。
(4) Lithium dope process The obtained electric power generation element was mounted in the bag made from the aluminum laminate sheet which is an exterior, and the electrolyte 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. By the impregnation with the electrolytic solution, the negative electrode active material layer is doped with lithium, and the negative electrode precursor is converted into a negative electrode.

上記で作製した試験用セルに対して、55℃、120時間の条件でエージング処理を施した。これにより、上述のリチウム層に含まれるリチウムが負極活物質層内における単位面積当たりのリチウム量を均一化させた。なお、エージング後のセル電圧は3.8Vであった。   The test cell produced above was subjected to aging treatment at 55 ° C. for 120 hours. Thereby, the lithium contained in the lithium layer described above made the amount of lithium per unit area in the negative electrode active material layer uniform. The cell voltage after aging was 3.8V.

(実施例2)
実施例1の(1)リチウム層形成工程において、リチウム層の面積および厚さをそれぞれ、26mm×18mm、6μmとした以外は、実施例1と同様の方法により、試験用セルを作製し、さらにエージング工程を行った。エージング後のセル電圧は3.8Vであった。なお、負極活物質層およびリチウム層が集電体と直接接触する面積の総和に対する、負極活物質層とリチウム層中のリチウム成分とが直接接触する面積の比率は50%であった。
(Example 2)
In the (1) lithium layer forming step of Example 1, a test cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the area and thickness of the lithium layer were 26 mm × 18 mm and 6 μm, respectively. An aging process was performed. The cell voltage after aging was 3.8V. The ratio of the area where the negative electrode active material layer and the lithium component in the lithium layer were in direct contact to the total area where the negative electrode active material layer and the lithium layer were in direct contact with the current collector was 50%.

(実施例3)
実施例1の(1)リチウム層形成工程において、リチウム層の面積および厚さをそれぞれ、18mm×13mm、13μmとした以外は、実施例1と同様の方法により、試験用セルを作製し、さらにエージング工程を行った。エージング後のセル電圧は3.8Vであった。なお、負極活物質層およびリチウム層が集電体と直接接触する面積の総和に対する、負極活物質層とリチウム層中のリチウム成分とが直接接触する面積の比率は25%であった。
(Example 3)
In the (1) lithium layer forming step of Example 1, a test cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the area and thickness of the lithium layer were 18 mm × 13 mm and 13 μm, respectively. An aging process was performed. The cell voltage after aging was 3.8V. The ratio of the area in which the negative electrode active material layer and the lithium component in the lithium layer were in direct contact to the total area in which the negative electrode active material layer and the lithium layer were in direct contact with the current collector was 25%.

(比較例1)
実施例1の(1)リチウム層形成工程を行わず、かつ(2)負極活物質層形成工程の後に、厚さ20μmのリチウム圧延箔(17mm×4mm)を負極活物質層上に貼付した以外は、上述した実施例1と同様の方法により、試験用セルを作製した。さらにエージング工程を行なった。なお、負極活物質層およびリチウム層が集電体と直接接触する面積の総和に対する、負極活物質層とリチウム層中のリチウム成分とが直接接触する面積の比率は7%であった。
(Comparative Example 1)
Example 1 (1) The lithium layer forming step was not performed, and (2) after the negative electrode active material layer forming step, a 20 μm thick lithium rolled foil (17 mm × 4 mm) was pasted on the negative electrode active material layer Produced a test cell by the same method as in Example 1 described above. Further, an aging process was performed. The ratio of the area in which the negative electrode active material layer and the lithium component in the lithium layer were in direct contact to the total area in which the negative electrode active material layer and the lithium layer were in direct contact with the current collector was 7%.

(比較例2)
実施例1の(1)リチウム層形成工程を行わなかったこと以外は、実施例1と同様の方法により、試験用セルを作製し、さらにエージング工程を行なった。
(Comparative Example 2)
A test cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that (1) the lithium layer formation step in Example 1 was not performed, and an aging step was further performed.

[試験用セルの評価]
上記でエージング処理を施した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:0.5C、電圧:4.2V)で3時間充電処理を行なった。次いで30分間休止後、定電流方式(CC、電流:0.5C)で2.5Vまで放電処理を行なった。この際、初回放電容量、充放電効率(初回放電容量/初回充電容量)、および抵抗値を算出した。なお、抵抗値については、充電および放電の後、定電流方式(CC、電流:0.5C)でSOC50%まで充電した後に、電流:1C、2C、3Cで20秒間放電した時のセル電圧変化(ΔV)および電流値から平均値として算出した。評価結果を表1に示す。
[Evaluation of test cell]
Each test cell subjected to the above aging treatment was charged for 3 hours in the atmosphere at 25 ° C. by a constant current constant voltage method (CCCV, current: 0.5 C, voltage: 4.2 V). Next, after a 30-minute pause, discharge treatment was performed to 2.5 V by a constant current method (CC, current: 0.5 C). At this time, initial discharge capacity, charge / discharge efficiency (initial discharge capacity / initial charge capacity), and resistance value were calculated. As for the resistance value, after charging and discharging, the cell voltage changes when charging to SOC 50% by constant current method (CC, current: 0.5C) and then discharging at current: 1C, 2C, 3C for 20 seconds. The average value was calculated from (ΔV) and the current value. The evaluation results are shown in Table 1.

Figure 2012009209
Figure 2012009209

表1に示す評価結果から、実施例1〜3において、比較例2よりも高い充放電効率が確保されていることがわかる。これは、リチウムプレドープ工程において、リチウム層から負極活物質へのリチウムのプレドープ反応が不足なく進行したことによるものと考えられる。   From the evaluation results shown in Table 1, it can be seen that in Examples 1 to 3, higher charge / discharge efficiency than that of Comparative Example 2 is ensured. This is considered to be due to the fact that the lithium pre-doping reaction from the lithium layer to the negative electrode active material proceeded without a shortage in the lithium pre-doping step.

(実施例4)
以下に示す方法により、図2に示す形態の負極を有する試験用セルを作製した。
Example 4
A test cell having a negative electrode having the form shown in FIG. 2 was produced by the method described below.

(1)リチウム層形成工程
負極集電体として、厚さ15μmの銅箔を準備した。次いで、銅箔の一方の面にマスキングをして基板として、リチウム金属をターゲットとして真空蒸着により銅箔上に34mm×22mmのリチウム層を形成した。リチウム層は銀白色であり、厚みは8μmであった。
(1) Lithium layer forming step A copper foil having a thickness of 15 μm was prepared as a negative electrode current collector. Next, one side of the copper foil was masked to form a 34 mm × 22 mm lithium layer on the copper foil as a substrate by vacuum deposition using lithium metal as a target. The lithium layer was silver white and had a thickness of 8 μm.

(2)負極活物質層形成工程
負極活物質としてハードカーボン(80質量部)、導電助剤としてアセチレンブラック(10質量部)、およびバインダとしてPVdF(10質量部)を準備した。これらをスラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)の適量に分散させ、負極活物質スラリーを調製した。
(2) Negative electrode active material layer formation process Hard carbon (80 mass parts) was prepared as a negative electrode active material, acetylene black (10 mass parts) as a conductive support agent, and PVdF (10 mass parts) was prepared as a binder. These were dispersed in an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), which is a slurry viscosity adjusting solvent, to prepare a negative electrode active material slurry.

上記(1)で作製したリチウム層を担持させた銅箔の片面に、上記で調製した負極活物質スラリーを塗布し、60℃にて乾燥させて、プレス処理し、負極活物質層(片面の厚さ=172μm、負極活物質密度=18mg/cm)を形成した。こうして得られた負極前駆体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。リチウム層は、負極活物質層に完全に覆われた位置にあり、打ち抜き後も観察することはできなかった。なお、負極活物質層およびリチウム層が集電体と直接接触する面積の総和に対する、負極活物質層とリチウム層中のリチウム成分とが直接接触する面積の比率は80%であった。 The negative electrode active material slurry prepared above is applied to one side of the copper foil carrying the lithium layer prepared in (1) above, dried at 60 ° C., pressed, and subjected to a negative electrode active material layer (single side Thickness = 172 μm, negative electrode active material density = 18 mg / cm 2 ). A nickel current extraction tab was joined to the negative electrode precursor thus obtained by ultrasonic welding, and punched out so that the electrode part size was 36 mm × 26 mm. The lithium layer was in a position completely covered with the negative electrode active material layer and could not be observed even after punching. The ratio of the area where the negative electrode active material layer and the lithium component in the lithium layer were in direct contact to the total area where the negative electrode active material layer and the lithium layer were in direct contact with the current collector was 80%.

(3)発電要素作製工程
別途、正極活物質としてLiNi0.80Co0.15Al0.05(84質量部)、導電助剤としてアセチレンブラック(6質量部)、およびバインダとしてPVdF(10質量部)を準備した。これらをスラリー粘度調整溶媒であるNMPの適量に分散させ、正極活物質スラリーを調製した。
(3) Power generation element manufacturing step Separately, LiNi 0.80 Co 0.15 Al 0.05 O 2 (84 parts by mass) as a positive electrode active material, acetylene black (6 parts by mass) as a conductive additive, and PVdF (binder as a binder) 10 parts by mass) was prepared. These were dispersed in an appropriate amount of NMP, which is a slurry viscosity adjusting solvent, to prepare a positive electrode active material slurry.

一方、正極集電体として、厚さ20μmのアルミニウム箔を準備した。この集電体の片面に、上記で調製した正極活物質スラリーを塗布し、80℃にて乾燥させて、プレス処理し、正極活物質層(厚さ=92μm、正極活物質密度=25mg/cm)を形成して、正極を完成させた。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。 On the other hand, an aluminum foil having a thickness of 20 μm was prepared as a positive electrode current collector. The positive electrode active material slurry prepared above was applied to one side of the current collector, dried at 80 ° C., and pressed, and the positive electrode active material layer (thickness = 92 μm, positive electrode active material density = 25 mg / cm 2 ) was formed to complete the positive electrode. 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.

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、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)との等体積混合液にリチウム塩であるLiPFが1Mの濃度で溶解した溶液を準備した。 A polyethylene microporous membrane (thickness = 25 μm) was prepared as a separator. Further, as an electrolytic solution, a solution in which LiPF 6 as a lithium salt was dissolved at a concentration of 1M in an equal volume mixed solution of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) was prepared.

上記で作製・準備した負極前駆体(リチウム層含む)、セパレータ、および正極を積層して、発電要素を作製した。   The negative electrode precursor (including the lithium layer), separator, and positive electrode prepared / prepared above were laminated to produce a power generation element.

(4)リチウムドープ工程
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。電解液の含浸により、負極活物質層にリチウムがドープされ、負極前駆体が負極へと変換される。
(4) Lithium dope process The obtained electric power generation element was mounted in the bag made from the aluminum laminate sheet which is an exterior, and the electrolyte 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. By the impregnation with the electrolytic solution, the negative electrode active material layer is doped with lithium, and the negative electrode precursor is converted into a negative electrode.

上記で作製した試験用セルに対して、55℃、120時間の条件でエージング処理を施した。これにより、上述のリチウム層に含まれるリチウムが負極活物質層内における単位面積当たりのリチウム量を均一化させた。なお、エージング後のセル電圧は3.5Vであった。   The test cell produced above was subjected to aging treatment at 55 ° C. for 120 hours. Thereby, the lithium contained in the lithium layer described above made the amount of lithium per unit area in the negative electrode active material layer uniform. The cell voltage after aging was 3.5V.

(実施例5)
実施例5の(1)リチウム層形成工程において、リチウム層の面積および厚さをそれぞれ、26mm×18mm、13μmとした以外は、実施例5と同様の方法により、試験用セルを作製し、さらにエージング工程を行った。エージング後のセル電圧は3.5Vであった。なお、負極活物質層およびリチウム層が集電体と直接接触する面積の総和に対する、負極活物質層とリチウム層中のリチウム成分とが直接接触する面積の比率は50%であった。
(Example 5)
A test cell was prepared in the same manner as in Example 5 except that the area and thickness of the lithium layer were 26 mm × 18 mm and 13 μm, respectively, in the (1) lithium layer formation step of Example 5, An aging process was performed. The cell voltage after aging was 3.5V. The ratio of the area where the negative electrode active material layer and the lithium component in the lithium layer were in direct contact to the total area where the negative electrode active material layer and the lithium layer were in direct contact with the current collector was 50%.

(実施例6)
実施例5の(1)リチウム層形成工程において、リチウム層の面積および厚さをそれぞれ、18mm×13mm、26μmとして、かつ真空蒸着ではなくリチウム圧延箔を銅箔に直接貼付した以外は、実施例5と同様の方法により、試験用セルを作製した。さらにエージング工程を行った。エージング後のセル電圧は3.5Vであった。なお、負極活物質層およびリチウム層が集電体と直接接触する面積の総和に対する、負極活物質層とリチウム層中のリチウム成分とが直接接触する面積の比率は25%であった。
(Example 6)
In Example 5 (1) Lithium layer forming step, except that the area and thickness of the lithium layer were 18 mm × 13 mm and 26 μm, respectively, and the lithium rolled foil was directly attached to the copper foil instead of vacuum deposition. A test cell was prepared in the same manner as in No. 5. Further, an aging process was performed. The cell voltage after aging was 3.5V. The ratio of the area in which the negative electrode active material layer and the lithium component in the lithium layer were in direct contact to the total area in which the negative electrode active material layer and the lithium layer were in direct contact with the current collector was 25%.

(比較例3)
実施例5の(1)リチウム層形成工程を行わず、かつ(2)負極活物質層形成工程の後に、厚さ95μmのリチウム圧延箔(17mm×4mm)を負極活物質層上に貼付したこと以外は、実施例5と同様の方法により、試験用セルを作製した。さらにエージング工程を行なった。エージング後のセル電圧は3.65Vであった。なお、負極活物質層およびリチウム層が集電体と直接接触する面積の総和に対する、負極活物質層とリチウム層中のリチウム成分とが直接接触する面積の比率は7%であった。
(Comparative Example 3)
Example 5 (1) Lithium layer forming step was not performed, and (2) 95 μm thick lithium rolled foil (17 mm × 4 mm) was pasted on the negative electrode active material layer after the negative electrode active material layer forming step. A test cell was produced in the same manner as in Example 5 except for the above. Further, an aging process was performed. The cell voltage after aging was 3.65V. The ratio of the area in which the negative electrode active material layer and the lithium component in the lithium layer were in direct contact to the total area in which the negative electrode active material layer and the lithium layer were in direct contact with the current collector was 7%.

(比較例4)
実施例5の(1)リチウム層形成工程を行わなかったこと以外は、実施例5と同様の方法により、試験用セルを作製し、さらにエージング工程を行った。エージング後のセル電圧は3.65Vであった。
(Comparative Example 4)
A test cell was produced in the same manner as in Example 5 except that (1) the lithium layer formation step in Example 5 was not performed, and an aging step was further performed. The cell voltage after aging was 3.65V.

(実施例7)
以下に示す方法により、図2に示す構造の負極を有する電池を作製した。
(Example 7)
A battery having a negative electrode having the structure shown in FIG. 2 was produced by the method described below.

(1)リチウム層形成工程
負極集電体として、厚さ15μmの銅箔を準備した。負極活物質としてハードカーボン(73質量部)、導電助剤としてアセチレンブラック(9質量部)、バインダとしてSBR(9質量部)、およびリチウム源としてリチウム粉末(平均粒径:50μm、9重量部)を準備した。これらをスラリー粘度調整溶媒であるγ−ブチロラクトン(GBL)の適量に分散させ、リチウム成分を含有する負極活物質スラリーを調製した。
(1) Lithium layer forming step A copper foil having a thickness of 15 μm was prepared as a negative electrode current collector. Hard carbon (73 parts by mass) as a negative electrode active material, acetylene black (9 parts by mass) as a conductive auxiliary agent, SBR (9 parts by mass) as a binder, and lithium powder (average particle size: 50 μm, 9 parts by weight) as a lithium source Prepared. These were dispersed in an appropriate amount of γ-butyrolactone (GBL), which is a slurry viscosity adjusting solvent, to prepare a negative electrode active material slurry containing a lithium component.

次いで、上記の銅箔の片面に、上記で調製したリチウム成分を含有する負極活物質スラリーを塗布し、130℃にて乾燥させて、リチウム層を形成した。   Next, the negative electrode active material slurry containing the lithium component prepared above was applied to one side of the copper foil and dried at 130 ° C. to form a lithium layer.

(2)負極活物質層形成工程
一方、負極活物質としてハードカーボン(80質量部)、導電助剤としてアセチレンブラック(10重量部)、およびバインダとしてPVdF(10質量部)を準備した。これらをスラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)の適量に分散させ、負極活物質スラリーを調製した。
(2) Negative electrode active material layer forming step On the other hand, hard carbon (80 parts by mass) was prepared as the negative electrode active material, acetylene black (10 parts by weight) as the conductive auxiliary agent, and PVdF (10 parts by mass) as the binder. These were dispersed in an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), which is a slurry viscosity adjusting solvent, to prepare a negative electrode active material slurry.

上記(1)で作製したリチウム層を担持させた銅箔の片面に、上記で調製した負極活物質スラリーを塗布し、60℃にて乾燥させて、プレス処理し、負極活物質層を形成した。リチウム層と負極活物質層の両方を加味して、片面の厚さ=179μm、負極活物質密度=18mg/cmとした。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。リチウム層と負極活物質層との厚さの比率は1:4とした。なお、負極活物質層およびリチウム層が集電体と直接接触する面積の総和に対する、負極活物質層とリチウム層中のリチウム成分とが直接接触する面積の比率は23%であった。なお、負極活物質層とリチウム層中のリチウム成分とが直接接触する面積の比率は、以下の方法による。すなわち、集電体上に形成された負極活物質層ごと断面加工し、集電体−負極活物質層界面付近を光学顕微鏡で観察する。これにより、負極活物質層および前記リチウム層が集電体と直接接触する面積の総和に対する、前記負極活物質層と前記リチウム層中のリチウム成分とが直接接触する面積の比率を求めた。この操作を少なくとも5回以上実施して、接触比率の平均を取った。 The negative electrode active material slurry prepared above was applied to one side of the copper foil carrying the lithium layer prepared in (1) above, dried at 60 ° C., and pressed to form a negative electrode active material layer. . Taking into account both the lithium layer and the negative electrode active material layer, the thickness of one surface = 179 μm and the negative electrode active material density = 18 mg / cm 2 . 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 ratio between the lithium layer and the negative electrode active material layer was 1: 4. The ratio of the area in which the negative electrode active material layer and the lithium component in the lithium layer were in direct contact to the total area in which the negative electrode active material layer and the lithium layer were in direct contact with the current collector was 23%. In addition, the ratio of the area where the negative electrode active material layer and the lithium component in the lithium layer are in direct contact depends on the following method. That is, the negative electrode active material layer formed on the current collector is cross-sectional processed, and the vicinity of the current collector-negative electrode active material layer interface is observed with an optical microscope. Thereby, the ratio of the area where the negative electrode active material layer and the lithium component in the lithium layer were in direct contact with respect to the total area where the negative electrode active material layer and the lithium layer were in direct contact with the current collector was determined. This operation was performed at least 5 times, and the average of the contact ratio was taken.

(3)発電要素作製工程
別途、正極活物質としてLiNi0.80Co0.15Al0.05(84質量部)、導電助剤としてアセチレンブラック(6質量部)、およびバインダとしてPVdF(10質量部)を、スラリー粘度調整溶媒であるNMPの適量に分散させ、正極活物質スラリーを調製した。
(3) Power generation element manufacturing step Separately, LiNi 0.80 Co 0.15 Al 0.05 O 2 (84 parts by mass) as a positive electrode active material, acetylene black (6 parts by mass) as a conductive additive, and PVdF (binder as a binder) 10 parts by mass) was dispersed in an appropriate amount of NMP, which is a slurry viscosity adjusting solvent, to prepare a positive electrode active material slurry.

一方、正極集電体として、厚さ20μmのアルミニウム箔を準備した。この集電体の片面に、上記で調製した正極活物質スラリーを塗布し、80℃にて乾燥させて、プレス処理し、正極活物質層(厚さ=92μm、正極活物質密度=25mg/cm)を形成して、正極を完成させた。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。 On the other hand, an aluminum foil having a thickness of 20 μm was prepared as a positive electrode current collector. The positive electrode active material slurry prepared above was applied to one side of the current collector, dried at 80 ° C., and pressed, and the positive electrode active material layer (thickness = 92 μm, positive electrode active material density = 25 mg / cm 2 ) was formed to complete the positive electrode. 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.

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、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)との等体積混合液にリチウム塩であるLiPFが1Mの濃度で溶解した溶液を準備した。 A polyethylene microporous membrane (thickness = 25 μm) was prepared as a separator. Further, as an electrolytic solution, a solution in which LiPF 6 as a lithium salt was dissolved at a concentration of 1M in an equal volume mixed solution of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) was prepared.

上記で作製・準備した負極前駆体(リチウム層含む)、セパレータ、および正極を積層して、発電要素を作製した。   The negative electrode precursor (including the lithium layer), separator, and positive electrode prepared / prepared above were laminated to produce a power generation element.

(4)リチウムドープ工程
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。電解液の含浸により、負極活物質層にリチウムがドープされ、負極前駆体が負極へと変換される。
(4) Lithium dope process The obtained electric power generation element was mounted in the bag made from the aluminum laminate sheet which is an exterior, and the electrolyte 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. By the impregnation with the electrolytic solution, the negative electrode active material layer is doped with lithium, and the negative electrode precursor is converted into a negative electrode.

上記で作製した試験用セルに対して、55℃、48時間の条件でエージング処理を施した。エージング後のセル電圧は3.5Vであった。   The test cell produced above was subjected to aging treatment at 55 ° C. for 48 hours. The cell voltage after aging was 3.5V.

実施例4〜7および比較例3〜4の試験用セルを評価した結果を表2に示す。   Table 2 shows the results of evaluating the test cells of Examples 4 to 7 and Comparative Examples 3 to 4.

Figure 2012009209
Figure 2012009209

表2に示す評価結果から、実施例4〜7において、比較例4よりも高い充放電効率が確保されていることがわかる。これは、リチウムプレドープ工程において、リチウム層から負極活物質へのリチウムのプレドープ反応が不足なく進行したことによるものと考えられる。   From the evaluation results shown in Table 2, it can be seen that in Examples 4 to 7, higher charge / discharge efficiency than that of Comparative Example 4 is ensured. This is considered to be due to the fact that the lithium pre-doping reaction from the lithium layer to the negative electrode active material proceeded without a shortage in the lithium pre-doping step.

実施例7の構成によれば、リチウム層中のリチウム粒子の比表面積が大きいため、プレドープ反応速度が速くなり好ましい。実施例7で用いたリチウム層中のリチウム粒子のBET一点法により測定した比表面積は、0.8m/gであった。 According to the structure of Example 7, since the specific surface area of the lithium particle in a lithium layer is large, a pre dope reaction rate becomes quick and is preferable. The specific surface area of the lithium particles in the lithium layer used in Example 7, measured by the BET single point method, was 0.8 m 2 / g.

1 負極、
2 集電体、
3、15 負極活物質層、
4 リチウム層、
10、50 リチウムイオン二次電池、
11 正極集電体、
12 負極集電体、
13 正極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21、57 発電要素、
25 正極集電板、
27 負極集電板、
29、52 電池外装材、
58 正極タブ、
59 負極タブ。
1 negative electrode,
2 current collector,
3, 15 negative electrode active material layer,
4 Lithium layer,
10, 50 lithium ion secondary battery,
11 positive electrode current collector,
12 negative electrode current collector,
13 positive electrode active material layer,
17 electrolyte layer,
19 cell layer,
21, 57 power generation element,
25 positive current collector,
27 negative current collector,
29, 52 Battery exterior material,
58 positive electrode tab,
59 Negative electrode tab.

Claims (7)

負極活物質層内部に金属リチウムを含むリチウム層を有する、リチウムイオン二次電池用負極。   A negative electrode for a lithium ion secondary battery, having a lithium layer containing metallic lithium inside the negative electrode active material layer. 前記リチウム層が、集電体と前記負極活物質層との界面に接している、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 the lithium layer is in contact with an interface between the current collector and the negative electrode active material layer. 前記負極活物質層および前記リチウム層が前記集電体と直接接触する面積の総和に対する、前記負極活物質層と前記リチウム層中のリチウム成分とが直接接触する面積の比率が20〜80%である、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 ratio of the area in which the negative electrode active material layer and the lithium component in the lithium layer are in direct contact to the total area in which the negative electrode active material layer and the lithium layer are in direct contact with the current collector is 20 to 80%. The negative electrode for lithium ion secondary batteries of Claim 1 or 2. 前記リチウム層の厚さが1〜100μmである、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 lithium layer has a thickness of 1 to 100 µm. 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を用いた、リチウムイオン二次電池。   The lithium ion secondary battery using the negative electrode for lithium ion secondary batteries of any one of Claims 1-4. 集電体の表面に金属リチウムを含むリチウム層を配置する工程と、
リチウム層が配置された集電体の表面に負極活物質層を形成する工程と、
を含む、リチウムイオン二次電池用負極の製造方法。
Disposing a lithium layer containing metallic lithium on the surface of the current collector;
Forming a negative electrode active material layer on the surface of the current collector on which the lithium layer is disposed;
The manufacturing method of the negative electrode for lithium ion secondary batteries containing.
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の前駆体を用いて発電要素を形成する工程と、
金属リチウムを負極活物質層にドープすることにより前記リチウムイオン二次電池用負極の前駆体を負極に変換する工程と、
を含む、リチウムイオン二次電池の製造方法。
Forming a power generation element using the precursor of the negative electrode for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 4,
Converting the precursor of the negative electrode for a lithium ion secondary battery into a negative electrode by doping metallic lithium into the negative electrode active material layer;
A method for producing a lithium ion secondary battery, comprising:
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