JP2013041742A - Negative electrode and secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、負極及び二次電池に関する。 The present invention relates to a negative electrode and a secondary battery.
リチウムイオンを吸蔵及び放出が可能な物質(負極活物質)を板状の負極集電体に塗布した二次電池(例えば特許文献1,2参照)は、エネルギー密度が高く、しかもサイクル特性に優れた電池である。板状の負極集電体の両面には負極活物質が塗布されて負極活物質層が形成されており、負極活物質層が充放電時にリチウムイオンを吸蔵及び放出する。負極活物質層は、リチウムイオンを吸蔵すると体積増加し、リチウムイオンを放出すると体積減少する。 A secondary battery in which a material capable of inserting and extracting lithium ions (negative electrode active material) is applied to a plate-shaped negative electrode current collector (see, for example, Patent Documents 1 and 2) has high energy density and excellent cycle characteristics. Battery. A negative electrode active material is applied to both surfaces of the plate-like negative electrode current collector to form a negative electrode active material layer, and the negative electrode active material layer occludes and releases lithium ions during charge and discharge. The negative electrode active material layer increases in volume when lithium ions are occluded and decreases in volume when lithium ions are released.
特許文献1,2に開示のように薄い負極を巻き回す構成は、負極の反応面積を大きくする上で好ましい。負極を巻く(曲げる)と、曲げられた負極の凹面側が圧縮する方向の応力を生じるが、負極の凹面側の負極活物質層がリチウムイオンを吸蔵すると、負極の凹面側の負極活物質層には前記応力の反対方向に伸長しようとする応力が発生する。この応力は、前記圧縮応力が存在するため逃げ場が無く、負極の凹面側の負極活物質層に応力が集中し、負極の凹面側の負極活物質層にクラックが生じて凹面側の負極活物質層が剥離あるいは脱落する可能性がある。負極の凹面側の負極活物質層が剥離あるいは脱落すると、サイクル特性が低下する。 A configuration in which a thin negative electrode is wound as disclosed in Patent Documents 1 and 2 is preferable in increasing the reaction area of the negative electrode. When the negative electrode is wound (bent), stress is generated in the direction in which the concave surface of the bent negative electrode is compressed, but when the negative electrode active material layer on the concave surface side of the negative electrode occludes lithium ions, the negative electrode active material layer on the concave surface side of the negative electrode Generates a stress that tends to extend in the opposite direction of the stress. This stress has no escape because there is the compressive stress, stress concentrates on the negative electrode active material layer on the concave side of the negative electrode, cracks occur in the negative electrode active material layer on the concave side of the negative electrode, and the negative electrode active material on the concave side Layers can peel or fall off. When the negative electrode active material layer on the concave surface side of the negative electrode is peeled or dropped, the cycle characteristics are deteriorated.
本発明は、サイクル特性を向上できる二次電池における負極を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the negative electrode in the secondary battery which can improve cycling characteristics.
請求項1乃至請求項4の発明は、負極集電体と、前記負極集電体に設けられた負極活物質層とを備えたシート状の負極を対象とし、請求項1の発明では、前記負極は、曲げられた湾曲部を有し、前記負極の外面側の少なくとも一部である前記湾曲部の凸面には第1負極活物質層が形成されており、前記負極の内面側の少なくとも一部である前記湾曲部の凹面には第2負極活物質層が形成されており、前記第1負極活物質層は、第1活物質と、前記第1活物質よりもリチウムの吸収または放出による体積変化率の小さい第2活物質とを含み、前記第2負極活物質層は、前記第2活物質を含み、前記第2負極活物質層における前記第2活物質の重量%は、前記第1負極活物質層における前記第2活物質の重量%よりも大きい。 The inventions of claims 1 to 4 are directed to a sheet-like negative electrode including a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer provided on the negative electrode current collector. The negative electrode has a bent portion that is bent, and a first negative electrode active material layer is formed on a convex surface of the curved portion that is at least part of the outer surface side of the negative electrode, and at least one of the inner surface side of the negative electrode. A second negative electrode active material layer is formed on the concave surface of the curved portion, which is a portion, and the first negative electrode active material layer is formed by absorption or release of lithium from the first active material and the first active material. A second active material having a small volume change rate, wherein the second negative electrode active material layer includes the second active material, and the weight percent of the second active material in the second negative electrode active material layer is the second active material. It is larger than the weight% of the second active material in one negative electrode active material layer.
ここにおける体積変化率とは、リチウムイオンの吸蔵及び放出に対する体積変化のことである。負極の凹面側の第2負極活物質層は、リチウムイオンの吸蔵及び放出に対する体積変化率を小さくしているため、第2負極活物質層における応力集中が緩和される。その結果、凹面側の第2負極活物質層の剥離あるいは脱落が抑制され、サイクル特性が向上する。 The volume change rate here is a volume change with respect to insertion and extraction of lithium ions. Since the second negative electrode active material layer on the concave surface side of the negative electrode has a small volume change rate with respect to insertion and extraction of lithium ions, stress concentration in the second negative electrode active material layer is relaxed. As a result, the peeling or dropping of the second negative electrode active material layer on the concave surface side is suppressed, and the cycle characteristics are improved.
好適な例では、前記第1活物質は、SiOx(0.3≦x≦1.6)で表されるケイ素酸化物であり、前記第2活物質は、炭素系材料である。
好適な例では、前記第1活物質は、SiOx(0.3≦x≦1.6)で表されるケイ素酸化物であり、前記第2活物質は、黒鉛である。
In a preferred example, the first active material is a silicon oxide represented by SiOx (0.3 ≦ x ≦ 1.6), and the second active material is a carbon-based material.
In a preferred example, the first active material is a silicon oxide represented by SiOx (0.3 ≦ x ≦ 1.6), and the second active material is graphite.
好適な例では、前記第2負極活物質層は、前記第1活物質を含み、前記第2負極活物質層における前記第1活物質に対する前記第2活物質の重量%は、前記第1負極活物質層における前記第1活物質に対する前記第2活物質の重量%よりも大きい。 In a preferred example, the second negative electrode active material layer includes the first active material, and the weight percent of the second active material with respect to the first active material in the second negative electrode active material layer is the first negative electrode. It is larger than the weight% of the second active material with respect to the first active material in the active material layer.
なお、第1負極活物質層と第2負極活物質層との重量%の比較は、第1負極活物質層と第2負極活物質層との単位層厚当たりに対して行われる。
負極活物質として、酸化ケイ素(SiOx:xは0.5≦x≦1.5程度)の使用が検討されている。SiOxは熱処理されると、SiとSiO2とに分解することが知られている。これは不均化反応といい、SiとOとの比が概ね1:1の均質な固体の一酸化ケイ素SiOであれば、固体の内部反応によりSi相とSiO2相の二相に分離する。分離して得られるSi相は非常に微細である。つまり、SiOx(0.3≦x≦1.6)で表されるケイ素酸化物は、熱処理されると、SiとSiO2とに分解するSiとSiO2との複合材料を指す。
In addition, the comparison of the weight% of a 1st negative electrode active material layer and a 2nd negative electrode active material layer is performed with respect to per unit layer thickness of a 1st negative electrode active material layer and a 2nd negative electrode active material layer.
As the negative electrode active material, use of silicon oxide (SiOx: x is about 0.5 ≦ x ≦ 1.5) has been studied. It is known that SiOx decomposes into Si and SiO2 when heat-treated. This is called a disproportionation reaction, and if it is a homogeneous solid silicon monoxide SiO having a ratio of Si to O of approximately 1: 1, it is separated into two phases of Si phase and SiO 2 phase by solid internal reaction. The Si phase obtained by separation is very fine. That is, the silicon oxide represented by SiOx (0.3 ≦ x ≦ 1.6) refers to a composite material of Si and SiO2 that decomposes into Si and SiO2 when heat-treated.
なお、炭素系材料とは、炭素を主成分とする材料を指し、具体的には、黒鉛の他に、熱分解炭素類、コークス類(ピッチコークス,ニードルコークス,石油コークス等)、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体(フラン樹脂等を適当な温度で焼成し炭素化したもの)、炭素繊維、活性炭等を指す。 Carbon-based materials refer to carbon-based materials. Specifically, in addition to graphite, pyrolytic carbons, cokes (pitch coke, needle coke, petroleum coke, etc.), glassy carbon Organic polymer compound fired body (furan resin etc. fired at an appropriate temperature and carbonized), carbon fiber, activated carbon and the like.
黒鉛における体積変化率は、SiとSiO2との複合材料の体積変化率よりも小さく、黒鉛と複合材料との重量%を変えれば、負極活物質層の体積変化率を変えることができる。つまり、黒鉛と複合材料との混合物は、望ましい体積変化率を得るのに好適な負極活物質である。 The volume change rate of graphite is smaller than the volume change rate of the composite material of Si and SiO 2, and the volume change rate of the negative electrode active material layer can be changed by changing the weight percent of graphite and the composite material. That is, a mixture of graphite and a composite material is a negative electrode active material suitable for obtaining a desired volume change rate.
請求項4の発明は、正極と、負極と、前記正極及び前記負極が浸漬される非水電解液とを容器に収容した二次電池を対象とし、前記負極として請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の負極を用いた。 The invention of claim 4 is directed to a secondary battery in which a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte in which the positive electrode and the negative electrode are immersed are contained in a container, and the negative electrode is described in claims 1 to 3. The negative electrode described in any one of the items was used.
本発明は、二次電池のサイクル特性を向上できるという優れた効果を奏する。 The present invention has an excellent effect that the cycle characteristics of the secondary battery can be improved.
以下、本発明を具体化した第1の実施形態を図1及び図2に基づいて説明する。
図1に示すように、二次電池10を構成する容器11は、上に開口する器部12と、器部12の上部開口を塞ぐ蓋13とから構成されている。
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
As shown in FIG. 1, the
図2に示すように、器部12内には巻回された巻回電極14及び非水電解液が収容されている。巻回電極14は、非水電解液に浸漬されている。非水電解液としては、リチウム塩を電解質としてこれを有機溶媒に溶解したものが用いられる。
As shown in FIG. 2, the
巻回電極14は、シート状の負極15と、シート状の正極16と、負極15と正極16との間に介在されたセパレータ17とから構成されている。正極16と負極15とは、セパレータ17を挟んで互いに沿い合った状態で巻き回された形状に形成されている。
The
図1に示すように、負極15には負極リード24が電気的に接続されており、負極リード24は、器部12に電気的に接続されている。正極16には正極リード25が電気的に接続されており、正極リード25は、蓋13に止着された正極ピン26に電気的に接続されている。
As shown in FIG. 1, a
図2に示すように、負極15は、シート状の負極集電体18と、負極集電体18の外面181側(負極15の外面側であって巻回されて凸面が生じる側)に負極活物質を塗布されて形成された第1負極活物質層19と、負極集電体18の内面182側(負極15の内面側であって巻回されて凹面が生じる側)に負極活物質を塗布されて形成された第2負極活物質層20とから構成されている。本実施形態では、第1負極活物質層19の厚みと第2負極活物質層20の厚みとは、ほぼ同じにされている。図2には、巻回電極14の湾曲部141(負極15の湾曲部)が拡大して図示されており、外面181の凸面181C及び内面182の凹面182Cが拡大して図示されている。
As shown in FIG. 2, the
正極16は、シート状の正極集電体21と、正極集電体21の外面211側(巻回されて凸面が生じる側)及び内面212側(巻回されて凹面が生じる側)に正極活物質を塗布されて形成された正極活物質層22,23とから構成されている。
The
正極集電体21は、例えばアルミニウム製であり、正極活物質層22,23は、例えば、リチウムと遷移金属の複合酸化物であるLixMO2(但し、Mは1種以上の遷移金属を表し、xは例えば0.05〜1.10)とを正極活物質として含有する。リチウム複合酸化物には黒鉛が導電剤として加えられており、バインダとしては例えばポリフッ化ビニリデンが用いられる。
The positive electrode
負極集電体18は、例えば銅製である。負極集電体18の外面181側に形成された第1負極活物質層19は、リチウムイオンを吸蔵及び放出が可能な第1活物質としてのSiOx(0.3≦x≦1.6)で表されるケイ素酸化物〔以下、SiOxと記す〕と、リチウムイオンを吸蔵及び放出が可能な第2活物質としての炭素系材料(本実施形態では黒鉛)とを含んでいる。又、第1負極活物質層19は、導電剤としてのアセチレンブラックあるいはケッチェンブラックと、バインダとしてのポリアミドイミドとを含んでいる。
The negative electrode
負極集電体18の内面182側に形成された第2負極活物質層20におけるSiOxに対する黒鉛の重量%は、第1負極活物質層19におけるSiOxに対する黒鉛の重量%よりも大きい。黒鉛とSiOxとの重量%の総和を100重量%とすると、第1負極活物質層19における黒鉛の重量%とSiOxの重量%とは、黒鉛:SiOxが30重量%:70重量%〜40重量%:60重量%である。一方、第2負極活物質層20における黒鉛とSiOxとの重量%の割合は、黒鉛:SiOxが70重量%:30重量%〜60重量%:40重量%である。
The weight percent of graphite relative to SiOx in the second negative electrode
つまり、第2負極活物質層20は、第1活物質としてのSiOxと、第2活物質としての黒鉛(炭素系材料)とを含んでおり、第2負極活物質層20における黒鉛(第2活物質)の重量%は、第1負極活物質層19における黒鉛(第2活物質)の重量%よりも大きい。
That is, the second negative electrode
次に、第1の実施形態の作用を説明する。
正極16及び負極15をセパレータ17を介して巻回して巻回電極14とする際には、負極15の内面側に外面側より大きな応力が生じる。又、リチウムイオンの吸収または放出が行なわれると、負極15における黒鉛及びSiOxの体積が変化する。
Next, the operation of the first embodiment will be described.
When the
Si単体では体積変化率が大きいが、SiOxは、体積変化によるサイクル特性の低下を抑制する上で好ましい材料の1つである。黒鉛の体積変化率は、SiOxの体積変化率よりも小さい。従って、黒鉛の重量%がSiOxの重量%よりも大きい第2負極活物質層20の体積変化率は、黒鉛の重量%よりもSiOxの重量%が大きい第1負極活物質層19の体積変化率よりも小さい。その結果、第2負極活物質層20の体積変化率は、第1負極活物質層19の体積変化率よりも小さくなる。
Si alone has a large volume change rate, but SiOx is one of the preferable materials for suppressing deterioration of cycle characteristics due to volume change. The volume change rate of graphite is smaller than the volume change rate of SiOx. Therefore, the volume change rate of the second negative electrode
第2負極活物質層20の体積変化率の低減化は、応力集中し易い負極15の湾曲部141の凹面182C側の第2負極活物質層20における応力集中を緩和する。その結果、第2負極活物質層20におけるクラックの発生、ひいては第2負極活物質層20の剥落や脱落が抑制される。
The reduction in the volume change rate of the second negative electrode
第1の実施形態では以下の効果が得られる。
(1)負極15の凹面側の第2負極活物質層20では、リチウムイオンの吸蔵及び放出に対する体積変化率が小さい負極活物質が選択されている。そのため、第2負極活物質層20における応力集中が緩和される。その結果、応力集中し易い負極15の凹面182C側の第2負極活物質層20の剥離あるいは脱落が抑制され、サイクル特性が向上する。
In the first embodiment, the following effects can be obtained.
(1) In the second negative electrode
(2)黒鉛における体積変化率は、SiとSiO2との複合材料(SiOx)の体積変化率よりも小さく、黒鉛とSiOxとの重量%の割合を変えれば、負極活物質層19,20の体積変化率を変えることができる。つまり、黒鉛とSiOxとの混合物は、望ましい体積変化率を得るのに好適な負極活物質である。 (2) The volume change rate in graphite is smaller than the volume change rate of the composite material of Si and SiO 2 (SiOx), and the volume of the negative electrode active material layers 19 and 20 can be changed by changing the weight percentage of graphite and SiOx. The rate of change can be changed. That is, a mixture of graphite and SiOx is a negative electrode active material suitable for obtaining a desirable volume change rate.
次に、図3(a),(b)の第2の実施形態を説明する。
図3(a)に示すように、二次電池28を構成する容器29は、上に開口する器部30と、器部30の上部開口を塞ぐ蓋31とから構成されている。
Next, the second embodiment shown in FIGS. 3A and 3B will be described.
As shown in FIG. 3A, the container 29 that constitutes the
図3(b)に示すように、器部30内にはシート状の複数の負極32とシート状の複数の正極33とを交互に積層した積層セル34が収納されている。積層セル34は、U字形状に折り曲げられた形状に形成されている。隣接する負極32と正極33との間には絶縁性のセパレータ35が介在されている。セパレータ35は、負極32と正極33との電気的接触を阻止する。
As shown in FIG. 3 (b), the container unit 30 accommodates a
各負極32には集電端子36が電気的に接続されており、集電端子36には負極リード端子37が電気的に接続されている。負極リード端子37は、蓋31を貫通して容器29外へ突出している。各正極33には集電端子38が電気的に接続されており、集電端子38には正極リード端子39が電気的に接続されている。正極リード端子39は、蓋31を貫通して容器29外へ突出している。
A current collecting
負極32は、シート状の負極集電体40と、負極集電体40の外面401側(折り曲げられて凸面が生じる側)に負極活物質を塗布されて形成された第1負極活物質層41と、負極集電体40の内面402側(折り曲げられて凹面が生じる側)に負極活物質を塗布されて形成された第2負極活物質層42とから構成されている。本実施形態では、第1負極活物質層41の厚みと第2負極活物質層42の厚みとは、ほぼ同じにされている。
The
正極33は、シート状の正極集電体43と、正極集電体43の外面431側(折り曲げられて凸面が生じる側)及び内面432側(折り曲げられて凹面が生じる側)に正極活物質を塗布されて形成された正極活物質層44,45とから構成されている。
The
第1負極活物質層41における黒鉛とSiOxとの重量%の割合は、30重量%:70重量%〜40重量%:60重量%である。一方、第2負極活物質層42における黒鉛とSiOxとの重量%の割合は、70重量%:30重量%〜60重量%:40重量%である。
The ratio of the weight percent of graphite and SiOx in the first negative electrode
第2の実施形態においても第1の実施形態と同じ効果が得られる。
本発明では以下のような実施形態も可能である。
○第1,2の実施形態では、負極の内面側の全体に第2負極活物質層20を形成したが、負極の内面側の凹面にのみ第2負極活物質層20を形成し、負極の内面側の残りには第1負極活物質層19を形成してもよい。つまり、負極の内面側の少なくとも一部に第2負極活物質層20が形成されていてもよい。
In the second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
In the present invention, the following embodiments are also possible.
In the first and second embodiments, the second negative electrode
○負極活物質として、黒鉛の代わりに、熱分解炭素類、コークス類(ピッチコークス,ニードルコークス,石油コークス等)、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体(フラン樹脂等を適当な温度で焼成し炭素化したもの)、炭素繊維、活性炭等の炭素系材料を用いてもよい。 ○ As a negative electrode active material, instead of graphite, pyrolytic carbons, cokes (pitch coke, needle coke, petroleum coke, etc.), glassy carbons, organic polymer compound fired bodies (furan resin, etc.) at an appropriate temperature Carbon-based materials such as those obtained by firing and carbonization), carbon fiber, activated carbon and the like may be used.
○第1活物質としてケイ素酸化物の他に、酸化チタンであってもよい。
前記した実施形態から把握できる技術思想について以下に記載する。
(イ)前記正極と前記負極とは、互いに沿い合った状態で巻き回された形状に形成されている請求項4に記載の二次電池。
In addition to silicon oxide, titanium oxide may be used as the first active material.
The technical idea that can be grasped from the embodiment described above will be described below.
(B) The secondary battery according to claim 4, wherein the positive electrode and the negative electrode are formed in a shape wound in a state of being along each other.
10,27…二次電池。11,29…容器。14…巻回電極。141…湾曲部。15,32…負極。16,33…正極。18,40…負極集電体。181,401…外面。181C…凸面。182…内面。182C…凹面。19,41…第1負極活物質層。20,42…第2負極活物質層。(SiOx)…第1活物質としての複合材料。 10, 27 ... Secondary battery. 11, 29 ... container. 14: A wound electrode. 141: curved portion. 15, 32 ... negative electrode. 16, 33 ... positive electrode. 18, 40 ... negative electrode current collector. 181, 401 ... external surface. 181C ... Convex surface. 182 ... The inner surface. 182C ... concave surface. 19, 41 ... 1st negative electrode active material layer. 20, 42 ... second negative electrode active material layer. (SiOx) A composite material as the first active material.
Claims (6)
前記負極は、曲げられた湾曲部を有し、
前記負極の外面側の少なくとも一部である前記湾曲部の凸面には第1負極活物質層が形成されており、
前記負極の内面側の少なくとも一部である前記湾曲部の凹面には第2負極活物質層が形成されており、
前記第1負極活物質層は、第1活物質と、前記第1活物質よりもリチウムの吸収または放出による体積変化率の小さい第2活物質とを含み、
前記第2負極活物質層は、前記第2活物質を含み、
前記第2負極活物質層における前記第2活物質の重量%は、前記第1負極活物質層における前記第2活物質の重量%よりも大きいことを特徴とする負極。 In a sheet-like negative electrode comprising a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer provided on the negative electrode current collector,
The negative electrode has a bent portion bent,
A first negative electrode active material layer is formed on the convex surface of the curved portion, which is at least part of the outer surface side of the negative electrode,
A second negative electrode active material layer is formed on the concave surface of the curved portion that is at least a part of the inner surface side of the negative electrode,
The first negative electrode active material layer includes a first active material and a second active material having a smaller volume change rate due to absorption or release of lithium than the first active material,
The second negative electrode active material layer includes the second active material,
The negative electrode characterized in that the weight percent of the second active material in the second negative electrode active material layer is greater than the weight percent of the second active material in the first negative electrode active material layer.
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