JP2013175313A - Lithium ion secondary battery, and vehicle - Google Patents

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正孝 仲西
Kimitoshi Murase
仁俊 村瀬
Toshio Odagiri
俊雄 小田切
Kyoichi Kinoshita
恭一 木下
Katsuaki Tanaka
勝章 田中
Manabu Miyoshi
学 三好
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium ion secondary battery having a high capacity and excellent cycle characteristics, and a vehicle equipped with the lithium ion secondary battery.SOLUTION: The lithium ion secondary battery includes a positive electrode and a negative electrode. The positive electrode contains a positive electrode active material containing no Li, the negative electrode contains a negative electrode active material, and at least one of the positive electrode and the negative electrode contains a binder. The binder is a cured alkoxysilyl-containing resin with a structure represented by the formula (I): RSiO, where m represents an integer from 0 to 2, and Rrepresents an alkyl or aryl group with a carbon number of 8 or smaller.

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池およびそのリチウムイオン二次電池を搭載した車両に関するものである。   The present invention relates to a lithium ion secondary battery and a vehicle equipped with the lithium ion secondary battery.

電子機器の小型化、軽量化が進み、小型化、軽量化された電子機器の電源として、エネルギー密度の高い二次電池が望まれている。実用化されている高いエネルギー密度を持つ二次電池はリチウムイオン二次電池である。そのなかでも、有機電解液系リチウムイオン二次電池(以下単に「リチウムイオン二次電池」と記す)の普及がすすんでいる。   As electronic devices become smaller and lighter, secondary batteries with high energy density are desired as power sources for electronic devices that are reduced in size and weight. A secondary battery having a high energy density in practical use is a lithium ion secondary battery. Among them, organic electrolyte-based lithium ion secondary batteries (hereinafter simply referred to as “lithium ion secondary batteries”) are in widespread use.

リチウムイオン二次電池には、正極活物質として主にリチウムコバルト複合酸化物等のリチウム含有金属複合酸化物が用いられ、負極の活物質としてはリチウムイオンの層間への挿入および層間からのリチウムイオンの放出が可能な多層構造を有する炭素系材料が主に用いられている。正極および負極の極板は、以下のように作製される。活物質とバインダー樹脂とを溶剤に分散させてスラリーとする。そのスラリーを集電体である金属箔上に塗布する。スラリーの溶剤を乾燥除去して、金属箔上に合剤層を形成する。表面上に合剤層を形成された金属箔をロールプレス機で圧縮成形し、バインダー樹脂を硬化して正極および負極の極板を作製する。   In lithium ion secondary batteries, lithium-containing metal composite oxides such as lithium cobalt composite oxide are mainly used as the positive electrode active material, and lithium ion insertion and intercalation of lithium ions from the interlayer are used as the negative electrode active material. A carbon-based material having a multilayer structure capable of releasing is mainly used. The positive and negative electrode plates are produced as follows. An active material and a binder resin are dispersed in a solvent to form a slurry. The slurry is applied onto a metal foil as a current collector. The solvent of the slurry is removed by drying to form a mixture layer on the metal foil. The metal foil having the mixture layer formed on the surface is compression-molded with a roll press, and the binder resin is cured to produce positive and negative electrode plates.

バインダー樹脂として、両極ともポリフッ化ビニリデン(以下「PVdF」と略す)が多用されている。このPVdFはフッ素系の樹脂のため、PVdFと金属である集電体とは密着しにくい。そのため、バインダー樹脂にPVdFを用いると、集電体から活物質が脱落するかもしれない。   As a binder resin, polyvinylidene fluoride (hereinafter abbreviated as “PVdF”) is frequently used for both electrodes. Since this PVdF is a fluorine-based resin, it is difficult for PVdF and the metal current collector to be in close contact with each other. Therefore, when PVdF is used for the binder resin, the active material may fall off from the current collector.

また近年リチウムイオン二次電池の負極活物質として炭素系材料の理論容量を大きく超える充放電容量を持つ負極活物質の開発が進められている。例えば負極活物質として、SiやSnなどリチウムと合金化可能な元素を含む材料が期待されている。SiやSnを含む材料を負極活物質に用いる場合、充放電時のLiの吸蔵・放出に伴うSiやSnの体積変化が大きいため、フッ素系樹脂をバインダー樹脂に用いると、集電体と活物質との結着状態を良好に維持することが難しい。   In recent years, a negative electrode active material having a charge / discharge capacity that greatly exceeds the theoretical capacity of a carbon-based material has been developed as a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery. For example, a material containing an element that can be alloyed with lithium, such as Si or Sn, is expected as a negative electrode active material. When a material containing Si or Sn is used for the negative electrode active material, the volume change of Si or Sn due to insertion / extraction of Li during charge / discharge is large. It is difficult to maintain a good binding state with the substance.

本発明の発明者等は、鋭意研究の結果、今までリチウムイオン二次電池電極用バインダー樹脂として利用されていなかった特定の樹脂、すなわちアルコキシシリル基含有樹脂を電極用バインダー樹脂として利用することにより活物質の集電体からの剥離、脱落を抑制し、優れたサイクル特性を有するリチウムイオン二次電池用電極を提供することができることを見いだした。   As a result of earnest research, the inventors of the present invention have used a specific resin that has not been used as a binder resin for lithium ion secondary battery electrodes, that is, by using an alkoxysilyl group-containing resin as a binder resin for an electrode. It has been found that an electrode for a lithium ion secondary battery having excellent cycle characteristics can be provided by suppressing separation and dropping of the active material from the current collector.

例えば、特許文献1に開示するように、アルコキシシリル基含有樹脂を電極用バインダー樹脂として利用することにより、リチウムイオン二次電池のサイクル特性を向上させ得る。   For example, as disclosed in Patent Document 1, by using an alkoxysilyl group-containing resin as an electrode binder resin, the cycle characteristics of a lithium ion secondary battery can be improved.

特開2009−043678号公報JP 2009-043678 A

近年リチウムイオン二次電池の用途拡大につれて、大きな充放電容量が得られ、かつサイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池が要求されている。従来では正極活物質としては、主にリチウムコバルト複合酸化物等のリチウム含有金属複合酸化物が用いられている。しかしリチウムイオン二次電池に用いるために各種正極活物質が検討されている。   In recent years, with the expansion of applications of lithium ion secondary batteries, there is a demand for lithium ion secondary batteries that have a large charge / discharge capacity and are excellent in cycle characteristics. Conventionally, lithium-containing metal composite oxides such as lithium cobalt composite oxides are mainly used as positive electrode active materials. However, various positive electrode active materials have been studied for use in lithium ion secondary batteries.

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、正極活物質にリチウム含有金属複合酸化物を用いずに、大きな充放電容量が得られ、かつ優れたサイクル特性を有するリチウムイオン二次電池およびそのリチウムイオン二次電池を搭載した車両を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and lithium ions having a large charge / discharge capacity and excellent cycle characteristics can be obtained without using a lithium-containing metal composite oxide as a positive electrode active material. An object of the present invention is to provide a secondary battery and a vehicle equipped with the lithium ion secondary battery.

上記課題を解決する本発明のリチウムイオン二次電池は、正極と、負極と、を有するリチウムイオン二次電池であって、正極はLiを含まない正極活物質を有し、負極は負極活物質を有し、正極および負極のうちの少なくとも一方は、バインダーを有し、バインダーは式(I):R SiO(4−m)/2(m=0〜2の整数、Rは炭素数8以下のアルキル基またはアリール基を示す)で示される構造を有するアルコキシシリル基含有樹脂硬化物であることを特徴とする。 The lithium ion secondary battery of the present invention that solves the above problems is a lithium ion secondary battery having a positive electrode and a negative electrode, wherein the positive electrode has a positive electrode active material not containing Li, and the negative electrode is a negative electrode active material And at least one of the positive electrode and the negative electrode has a binder, and the binder is represented by the formula (I): R 1 m SiO (4-m) / 2 (m = integer of 0 to 2, R 1 is carbon It is an alkoxysilyl group-containing resin cured product having a structure represented by the following formula (8).

Liを含まない正極活物質とは、例えば一般的に正極活物質として用いられるリチウム含有金属複合酸化物を用いないという意味である。   The positive electrode active material not containing Li means that, for example, a lithium-containing metal composite oxide generally used as a positive electrode active material is not used.

Liを含まない正極活物質は、硫黄単体、硫黄とカーボンとの複合体、二酸化マンガンおよび酸化バナジウムから選ばれる少なくとも1つを含むものであることが好ましい。   The positive electrode active material not containing Li preferably contains at least one selected from simple sulfur, a composite of sulfur and carbon, manganese dioxide, and vanadium oxide.

バインダーが式(I):R SiO(4−m)/2(m=0〜2の整数、Rは炭素数8以下のアルキル基またはアリール基を示す)で示される構造を有するアルコキシシリル基含有樹脂硬化物であることによって、無機基材である集電体や活物質とバインダーとの密着性がよくなる。 Alkoxy having a structure in which the binder is represented by the formula (I): R 1 m SiO (4-m) / 2 (m = 0 to 2 integer, R 1 represents an alkyl group or aryl group having 8 or less carbon atoms) By being a silyl group-containing resin cured product, the adhesion between the current collector or active material, which is an inorganic base material, and the binder is improved.

アルコキシシリル基含有樹脂硬化物として、アルコキシ基含有シラン変性ビスフェノールA型エポキシ樹脂硬化物、アルコキシ基含有シラン変性ノボラック型エポキシ樹脂硬化物、アルコキシ基含有シラン変性アクリル樹脂硬化物、アルコキシ基含有シラン変性フェノール樹脂硬化物、アルコキシ基含有シラン変性ポリイミド樹脂硬化物、アルコキシ基含有シラン変性可溶性ポリイミド樹脂硬化物、アルコキシ基含有シラン変性ポリウレタン樹脂硬化物およびアルコキシ基含有シラン変性ポリアミドイミド樹脂硬化物から選ばれるいずれか一つを用いることができる。   As an alkoxysilyl group-containing resin cured product, an alkoxy group-containing silane-modified bisphenol A type epoxy resin cured product, an alkoxy group-containing silane-modified novolac-type epoxy resin cured product, an alkoxy group-containing silane-modified acrylic resin cured product, an alkoxy group-containing silane-modified phenol Cured resin, alkoxy group-containing silane-modified polyimide resin cured product, alkoxy group-containing silane-modified soluble polyimide resin cured product, alkoxy group-containing silane-modified polyurethane resin cured product, and alkoxy group-containing silane-modified polyamideimide resin cured product One can be used.

バインダーに上記アルコキシシリル基含有樹脂硬化物を用いることによって、バインダーは集電体や活物質との密着性がよく、耐熱性に優れる。   By using the alkoxysilyl group-containing resin cured product for the binder, the binder has good adhesion to the current collector and the active material and is excellent in heat resistance.

バインダーは、式(II)で示される構造を有するアルコキシシリル基含有樹脂を硬化させることによって得られるものであることが好ましい。   The binder is preferably obtained by curing an alkoxysilyl group-containing resin having a structure represented by the formula (II).

Figure 2013175313
(Rは、炭素数1〜8のアルキル基、Rは、炭素数1〜8のアルキル基、又はアルコキシ基、qは1〜100の整数)
Figure 2013175313
(R 1 is an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, R 2 is an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms or an alkoxy group, and q is an integer of 1 to 100)

アルコキシシリル基含有樹脂として、アルコキシ基含有シラン変性ビスフェノールA型エポキシ樹脂、アルコキシ基含有シラン変性ノボラック型エポキシ樹脂、アルコキシ基含有シラン変性アクリル樹脂、アルコキシ基含有シラン変性フェノール樹脂、アルコキシ基含有シラン変性ポリアミック酸樹脂、アルコキシ基含有シラン変性可溶性ポリイミド樹脂、アルコキシ基含有シラン変性ポリウレタン樹脂およびアルコキシ基含有シラン変性ポリアミドイミド樹脂のうちから選ばれるいずれか一つを用いることができる。   As alkoxysilyl group-containing resins, alkoxy group-containing silane-modified bisphenol A type epoxy resins, alkoxy group-containing silane-modified novolac type epoxy resins, alkoxy group-containing silane-modified acrylic resins, alkoxy group-containing silane-modified phenol resins, alkoxy group-containing silane-modified polyamics Any one selected from an acid resin, an alkoxy group-containing silane-modified soluble polyimide resin, an alkoxy group-containing silane-modified polyurethane resin, and an alkoxy group-containing silane-modified polyamideimide resin can be used.

特にアルコキシシリル基含有樹脂をアルコキシ基含有シラン変性ポリアミック酸樹脂又はアルコキシ基含有シラン変性ポリアミドイミド樹脂とするとより好ましい。アルコキシ基含有シラン変性ポリアミック酸樹脂およびアルコキシ基含有シラン変性ポリアミドイミド樹脂は、作業性がよく取り扱いが簡便である。   In particular, the alkoxysilyl group-containing resin is more preferably an alkoxy group-containing silane-modified polyamic acid resin or an alkoxy group-containing silane-modified polyamideimide resin. The alkoxy group-containing silane-modified polyamic acid resin and the alkoxy group-containing silane-modified polyamideimide resin have good workability and are easy to handle.

負極活物質は、炭素系材料、リチウムと合金化可能な元素およびリチウムと合金化可能な元素を有する元素化合物の少なくとも一つを含むことが好ましい。   The negative electrode active material preferably contains at least one of a carbon-based material, an element that can be alloyed with lithium, and an element compound that has an element that can be alloyed with lithium.

リチウムと合金化可能な元素は、Siかつ/またはSnを含むことが好ましい。   The element that can be alloyed with lithium preferably contains Si and / or Sn.

本発明の車両は、上記リチウムイオン二次電池を搭載したことを特徴とする。   A vehicle according to the present invention includes the lithium ion secondary battery.

本発明のリチウムイオン二次電池は、大きな充放電容量を有し、かつ優れたサイクル特性を有する。   The lithium ion secondary battery of the present invention has a large charge / discharge capacity and excellent cycle characteristics.

本発明の車両は、上記リチウムイオン二次電池を搭載しているため、サイクル特性に優れた電池を搭載でき、高性能の車両とすることができる。   Since the vehicle of the present invention is equipped with the lithium ion secondary battery, it can be equipped with a battery having excellent cycle characteristics and can be a high-performance vehicle.

試験例1〜4のサイクル特性を比較するグラフを示す。The graph which compares the cycle characteristics of Test Examples 1-4 is shown. 試験例1および試験例4の一サイクル目のサイクル試験の充放電曲線を比較するグラフを示す。The graph which compares the charging / discharging curve of the 1st cycle test of the test example 1 and the test example 4 is shown.

(リチウムイオン二次電池)
本発明のリチウムイオン二次電池は、Liを含まない正極活物質を有する正極と、負極活物質を有する負極と、を有する。
(Lithium ion secondary battery)
The lithium ion secondary battery of the present invention has a positive electrode having a positive electrode active material not containing Li, and a negative electrode having a negative electrode active material.

Liを含まない正極活物質として、リチウム(Li)と反応可能でリチウムと反応時の電位が高い材料を用いることが好ましい。Liを含まない正極活物質として、金属化合物あるいは高分子材料を用いることができる。金属化合物としては、例えば酸化チタン、酸化バナジウムあるいは二酸化マンガンなどの酸化物、または硫化チタンあるいは硫化モリブデンなどの二硫化物、硫黄単体、硫黄とカーボンの複合体が使用できる。   As the positive electrode active material not containing Li, it is preferable to use a material that can react with lithium (Li) and has a high potential during the reaction with lithium. As the positive electrode active material not containing Li, a metal compound or a polymer material can be used. Examples of the metal compound that can be used include oxides such as titanium oxide, vanadium oxide and manganese dioxide, disulfides such as titanium sulfide and molybdenum sulfide, sulfur alone, and a composite of sulfur and carbon.

硫黄とカーボンの複合体とは、カーボンの細孔内に硫黄が配置され、硫黄とカーボンが複合体となっているものを指し、カーボンとしてアセチレンブラックやメソポーラスカーボンが使用できる。高分子材料としては例えばポリアニリンあるいはポリチオフェンなどの導電性高分子が使用できる。   The composite of sulfur and carbon refers to a composite in which sulfur is disposed in the pores of carbon and sulfur and carbon are combined, and acetylene black or mesoporous carbon can be used as the carbon. As the polymer material, for example, a conductive polymer such as polyaniline or polythiophene can be used.

Liを含まない正極活物質は、硫黄単体、硫黄とカーボンとの複合体、二酸化マンガンおよび酸化バナジウムから選ばれる少なくとも1つを含むことが好ましい。これらの正極活物質を正極に用いることで、電池容量の大きいリチウムイオン二次電池を得ることができる。例えば、硫黄単体を正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池の充放電容量は、一般的な正極材料であるコバルト酸リチウムを用いたリチウムイオン二次電池の充放電容量の約6倍である。   The positive electrode active material not containing Li preferably contains at least one selected from simple sulfur, a composite of sulfur and carbon, manganese dioxide, and vanadium oxide. By using these positive electrode active materials for the positive electrode, a lithium ion secondary battery having a large battery capacity can be obtained. For example, the charge / discharge capacity of a lithium ion secondary battery using sulfur alone as a positive electrode active material is about 6 times the charge / discharge capacity of a lithium ion secondary battery using lithium cobaltate, which is a common positive electrode material. .

負極活物質としては、リチウムを吸蔵、放出可能な炭素系材料、リチウムと合金化可能な元素、リチウムと合金化可能な元素を有する元素化合物、あるいは高分子材料などを用いることができる。   As the negative electrode active material, a carbon-based material that can occlude and release lithium, an element that can be alloyed with lithium, an elemental compound that has an element that can be alloyed with lithium, or a polymer material can be used.

炭素系材料としては、難黒鉛化性炭素、人造黒鉛、コークス類、グラファイト類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭あるいはカーボンブラック類が挙げられる。ここで、有機高分子化合物焼成体とは、フェノール類やフラン類などの高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものをいう。   Examples of the carbon-based material include non-graphitizable carbon, artificial graphite, coke, graphite, glassy carbon, organic polymer compound fired body, carbon fiber, activated carbon, or carbon black. Here, the organic polymer compound fired body refers to a material obtained by firing and carbonizing a polymer material such as phenols and furans at an appropriate temperature.

リチウムと合金化可能な元素は、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Ti、Ag、Zn、Cd、Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Biの少なくとも1種を有するとよい。中でも、リチウムを合金化可能な元素は、珪素(Si)または錫(Sn)であるとよい。   Elements that can be alloyed with lithium are Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Ti, Ag, Zn, Cd, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn. , Pb, Sb, Bi may be included. Among them, the element capable of alloying lithium is preferably silicon (Si) or tin (Sn).

リチウムと合金化可能な元素を有する元素化合物としては、例えば、ZnLiAl、AlSb、SiB、SiB、MgSi、MgSn、NiSi、TiSi、MoSi、CoSi、NiSi、CaSi、CrSi、CuSi、FeSi、MnSi、NbSi、TaSi、VSi、WSi、ZnSi、SiC、Si、SiO、SiO(0<v≦2)、SnO(0<w≦2)、SnSiO、LiSiOあるいはLiSnOなどが使用できる。リチウムと合金化反応可能な元素を有する元素化合物は珪素化合物または錫化合物であることがよい。珪素化合物は、SiO(0.5≦x≦1.5)であることがよい。錫化合物は、例えば、スズ合金(Cu−Sn合金、Co−Sn合金等)などが使用できる。 Examples of elemental compounds having elements that can be alloyed with lithium include ZnLiAl, AlSb, SiB 4 , SiB 6 , Mg 2 Si, Mg 2 Sn, Ni 2 Si, TiSi 2 , MoSi 2 , CoSi 2 , NiSi 2 , CaSi 2, CrSi 2, Cu 5 Si, FeSi 2, MnSi 2, NbSi 2, TaSi 2, VSi 2, WSi 2, ZnSi 2, SiC, Si 3 N 4, Si 2 N 2 O, SiO v (0 <v ≦ 2), SnO w (0 <w ≦ 2), SnSiO 3 , LiSiO or LiSnO can be used. The elemental compound having an element capable of alloying with lithium is preferably a silicon compound or a tin compound. The silicon compound is preferably SiO x (0.5 ≦ x ≦ 1.5). As the tin compound, for example, a tin alloy (Cu-Sn alloy, Co-Sn alloy, or the like) can be used.

中でも、負極活物質は、珪素(Si)を有するとよく、更にはSiO(0.5≦x≦1.5)を有するとよい。珪素は、理論容量が大きい一方で、充放電時の体積変化が大きいため、SiOとすることで体積変化を少なくすることができる。 Among these, the negative electrode active material may have silicon (Si), and may further have SiO x (0.5 ≦ x ≦ 1.5). Silicon has a large theoretical capacity, but has a large volume change at the time of charge / discharge. Therefore, the volume change can be reduced by using SiO x .

高分子材料としては、ポリアセチレン、ポリピロールなどが使用できる。   As the polymer material, polyacetylene, polypyrrole, or the like can be used.

本発明のリチウムイオン二次電池において、リチウム(Li)と反応可能で反応時の電位が高い材料を正極活物質とし、反応時の電位が低い材料を負極活物質とする組み合わせで、正極活物質と負極活物質とを用いることが好ましい。   In the lithium ion secondary battery of the present invention, a positive electrode active material is a combination of a material capable of reacting with lithium (Li) and having a high potential during reaction as a positive electrode active material, and a material having a low potential during reaction as a negative electrode active material. And a negative electrode active material are preferably used.

正極活物質は、Liを含有しないので、負極活物質にLiを外部より供給する必要がある。負極活物質として、Liを含まない負極活物質、例えば炭素系材料、リチウムと合金化可能な元素、リチウムと合金化可能な元素を有する元素化合物、あるいは高分子材料を用いる場合、負極活物質にLiをドープ(挿入)する必要がある。   Since the positive electrode active material does not contain Li, it is necessary to supply Li to the negative electrode active material from the outside. When a negative electrode active material that does not contain Li, for example, a carbon-based material, an element that can be alloyed with lithium, an elemental compound that has an element that can be alloyed with lithium, or a polymer material is used as the negative electrode active material, It is necessary to dope (insert) Li.

負極活物質にLiをドープする方法としては、Liを負極活物質にあらかじめ挿入(プレドープ)する方法を用いてもよいし、電池として使用するときにLiが負極活物質に挿入されるようにする方法を用いてもよい。   As a method of doping Li into the negative electrode active material, a method of inserting Li into the negative electrode active material in advance (pre-doping) may be used, or Li may be inserted into the negative electrode active material when used as a battery. A method may be used.

例えば負極活物質にLiをプレドープする方法として、対極に金属リチウムを用いて半電池を組み、電気化学的にLiをドープする電解ドープ法によってLiを挿入する方法;金属リチウム箔を電極に貼り付けたあと電解液の中に放置し電極へのリチウムの拡散を利用してドープする貼り付けプレドープ法によりLiを挿入する方法などが挙げられる。このような方法でLiをあらかじめ挿入した後、対極と組み合わせて電池を構成すればよい。   For example, as a method of pre-doping Li into the negative electrode active material, a half-cell is assembled using metallic lithium as the counter electrode, and Li is inserted by electrolytic doping method in which Li is electrochemically doped; a metallic lithium foil is attached to the electrode After that, there is a method in which Li is inserted by a pasting pre-doping method in which it is left in an electrolytic solution and doped using diffusion of lithium to the electrode. After inserting Li in advance by such a method, the battery may be configured in combination with the counter electrode.

また電池として使用するときにLiが負極活物質に挿入されるようにする方法としては、予め負極の表面および/または内部にLi源(例えば金属Li等)を一体化して負極を形成する方法が使用できる。   As a method for inserting Li into the negative electrode active material when used as a battery, there is a method in which a negative electrode is formed by previously integrating a Li source (for example, metal Li) on the surface and / or inside of the negative electrode. Can be used.

負極活物質にプレドープするLiの量または負極に一体化するLiの量は、正極活物質、負極活物質、電解液等の種類やその組み合わせ、電圧等の電池の使用条件に応じて種々に異なる。このため、Liの量は、製造する電池の構成に応じて適宜実測または計算して求めれば良い。   The amount of Li pre-doped into the negative electrode active material or the amount of Li integrated into the negative electrode varies depending on the use conditions of the battery such as the positive electrode active material, the negative electrode active material, the electrolytic solution, and the like, and the voltage. . For this reason, the amount of Li may be obtained by actual measurement or calculation according to the configuration of the battery to be manufactured.

本発明のリチウムイオン二次電池は、正極および負極のうちの少なくとも一方は、バインダーを有する。バインダーは、式(I):R SiO(4−m)/2(m=0〜2の整数、Rは炭素数8以下のアルキル基またはアリール基を示す)で示される構造を有するアルコキシシリル基含有樹脂硬化物である。 In the lithium ion secondary battery of the present invention, at least one of the positive electrode and the negative electrode has a binder. The binder has a structure represented by the formula (I): R 1 m SiO (4-m) / 2 (m = 0 to 2 and R 1 represents an alkyl group or aryl group having 8 or less carbon atoms). It is an alkoxysilyl group-containing resin cured product.

式(I)で示される構造はゲル化した微細なシリカ部位構造(シロキサン結合の高次網目構造)である。この構造はシロキサン結合よりなる有機珪素ポリマーの構造であり、下記式(A)のシラノールの重縮合によって得られる構造である。
nRSi(OH)4−m → (RSiO(4−m)/2・・・・式(A)
(R:有機基,m=1〜3,n>1)
アルコキシシリル基含有樹脂硬化物は、アルコキシ基含有シラン変性ビスフェノールA型エポキシ樹脂硬化物、アルコキシ基含有シラン変性ノボラック型エポキシ樹脂硬化物、アルコキシ基含有シラン変性アクリル樹脂硬化物、アルコキシ基含有シラン変性フェノール樹脂硬化物、アルコキシ基含有シラン変性ポリイミド樹脂硬化物、アルコキシ基含有シラン変性ポリウレタン樹脂硬化物およびアルコキシ基含有シラン変性ポリアミドイミド樹脂硬化物から選ばれるいずれか一つを用いることができる。
The structure represented by the formula (I) is a gelled fine silica site structure (high-order network structure of siloxane bonds). This structure is a structure of an organosilicon polymer composed of a siloxane bond, and is a structure obtained by polycondensation of silanol of the following formula (A).
nR m Si (OH) 4- m → (R m SiO (4-m) / 2) n ···· formula (A)
(R: organic group, m = 1 to 3, n> 1)
The alkoxysilyl group-containing resin cured product includes an alkoxy group-containing silane-modified bisphenol A-type epoxy resin cured product, an alkoxy group-containing silane-modified novolak-type epoxy resin cured product, an alkoxy group-containing silane-modified acrylic resin cured product, and an alkoxy group-containing silane-modified phenol. Any one selected from a cured resin, an alkoxy group-containing silane-modified polyimide resin cured product, an alkoxy group-containing silane-modified polyurethane resin cured product, and an alkoxy group-containing silane-modified polyamideimide resin cured product can be used.

上記バインダーは、式(II)で示される構造を有するアルコキシシリル基含有樹脂を硬化させることによって得られるものであることが好ましい。   The binder is preferably obtained by curing an alkoxysilyl group-containing resin having a structure represented by the formula (II).

Figure 2013175313
(Rは、炭素数1〜8のアルキル基、Rは、炭素数1〜8のアルキル基、又はアルコキシ基、qは1〜100の整数)
Figure 2013175313
(R 1 is an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, R 2 is an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms or an alkoxy group, and q is an integer of 1 to 100)

式(II)で示される構造はゾルゲル反応部位構造を含み、アルコキシシリル基含有樹脂は有機材料である樹脂と無機材料であるシリカとのハイブリッド体となっている。アルコキシシリル基含有樹脂は樹脂とシリカとのハイブリッド体であることによって、無機成分である集電体、活物質および導電助剤のいずれとも密着性がよく、集電体に活物質や導電助剤を強固に保持できる。   The structure represented by the formula (II) includes a sol-gel reaction site structure, and the alkoxysilyl group-containing resin is a hybrid of a resin that is an organic material and silica that is an inorganic material. Since the alkoxysilyl group-containing resin is a hybrid of resin and silica, it has good adhesion to any of the current collector, active material, and conductive additive, which are inorganic components. Can be held firmly.

ゾルゲル反応部位構造とはゾルゲル法を行う際の反応に寄与する構造である。ゾルゲル法とは無機、有機金属塩の溶液を出発溶液とし、この溶液を加水分解および縮重合反応によりコロイド溶液(Sol)とし、更に反応を促進させることにより流動性を失った固体(Gel)を形成させる方法である。一般的にゾルゲル法では金属アルコキシド(M(OR)で表される化合物、Mは金属、Rはアルキル基)を原料とする。M(OR)で表される化合物は加水分解によって下記式(B)のように反応する。 The sol-gel reaction site structure is a structure that contributes to a reaction when performing the sol-gel method. In the sol-gel method, a solution of an inorganic or organometallic salt is used as a starting solution, this solution is converted into a colloidal solution (Sol) by hydrolysis and condensation polymerization reaction, and a solid (Gel) that loses fluidity by further promoting the reaction is obtained. It is a method of forming. In general, the sol-gel method uses a metal alkoxide (a compound represented by M (OR) x , M is a metal, and R is an alkyl group) as a raw material. The compound represented by M (OR) x reacts as shown in the following formula (B) by hydrolysis.

nM(OR)+nHO→nM(OH)(OR)x−1+nROH・・・(B)
ここで示した反応が更に促進されると最終的にM(OH)となり、ここで生成した2分子の水酸化物間で縮重合反応がおこると下記式(C)のように反応する。
nM (OR) x + nH 2 O → nM (OH) (OR) x−1 + nROH (B)
When the reaction shown here is further promoted, it finally becomes M (OH) x , and when a polycondensation reaction occurs between the two molecules of hydroxide generated here, it reacts as shown in the following formula (C).

M(OH)+M(OH)→(OH)x−1M−O−M(OH)x−1+HO・・・(C)
この時全てのOH基は重縮合することが可能であり、また末端にOH基を持つ有機高分子とも脱水縮重合反応することが可能である。
M (OH) x + M (OH) x → (OH) x-1 M-OM (OH) x-1 + H 2 O (C)
At this time, all the OH groups can be polycondensed, and a dehydration condensation polymerization reaction with an organic polymer having an OH group at the terminal is also possible.

そのためバインダー樹脂の硬化時にゾルゲル反応も起こる。そのゾルゲル反応は、ゾルゲル反応部位同士で反応したり、またゾルゲル反応部位は樹脂のOH基とも反応する。また、ゾルゲル反応部位は集電体表面と反応することも考えられる。そのため、アルコキシシリル基含有樹脂は、集電体および活物質と強固に結着することができる。   Therefore, a sol-gel reaction also occurs when the binder resin is cured. The sol-gel reaction reacts between sol-gel reaction sites, and the sol-gel reaction site also reacts with the OH group of the resin. It is also conceivable that the sol-gel reaction site reacts with the current collector surface. Therefore, the alkoxysilyl group-containing resin can be strongly bound to the current collector and the active material.

この時、有機材料である樹脂として、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、ポリアミック酸樹脂、可溶性ポリイミド樹脂、ポリウレタン樹脂およびポリアミドイミド樹脂を用いることができる。これらの樹脂とシリカとはゾルゲル法によって式(II)で示される構造を有するハイブリッド体とすることができ、それぞれアルコキシ基含有シラン変性ビスフェノールA型エポキシ樹脂、アルコキシ基含有シラン変性ノボラック型エポキシ樹脂、アルコキシ基含有シラン変性アクリル樹脂、アルコキシ基含有シラン変性フェノール樹脂、アルコキシ基含有シラン変性ポリアミック酸樹脂、アルコキシ基含有シラン変性可溶性ポリイミド樹脂、アルコキシ基含有シラン変性ポリウレタン樹脂或いはアルコキシ基含有シラン変性ポリアミドイミド樹脂となる。   At this time, bisphenol A type epoxy resin, novolac type epoxy resin, acrylic resin, phenol resin, polyamic acid resin, soluble polyimide resin, polyurethane resin, and polyamideimide resin can be used as the resin that is an organic material. These resins and silica can be made into a hybrid having a structure represented by the formula (II) by a sol-gel method, and each alkoxy group-containing silane-modified bisphenol A type epoxy resin, alkoxy group-containing silane-modified novolak type epoxy resin, Alkoxy group-containing silane-modified acrylic resin, alkoxy group-containing silane-modified phenol resin, alkoxy group-containing silane-modified polyamic acid resin, alkoxy group-containing silane-modified soluble polyimide resin, alkoxy group-containing silane-modified polyurethane resin or alkoxy group-containing silane-modified polyamideimide resin It becomes.

上記バインダー樹脂はそれぞれ公知の技術によって合成することができる。例えばバインダー樹脂をアルコキシ基含有シラン変性ポリアミック酸樹脂とする場合、前駆体であるカルボン酸無水物成分とジアミン成分とからなるポリアミック酸と、アルコキシシラン部分縮合物とを反応させて形成することができる。アルコキシシラン部分縮合物は加水分解性アルコキシシランモノマーを、酸又は塩基触媒、および水の存在下で部分的に縮合させて得られるものが用いられる。この時アルコキシシラン部分縮合物はあらかじめエポキシ化合物と反応させ、エポキシ基含有アルコキシシラン部分縮合物としてからポリアミック酸と反応させてアルコキシ基含有シラン変性ポリアミック酸樹脂を形成してもよい。   Each of the binder resins can be synthesized by a known technique. For example, when the binder resin is an alkoxy group-containing silane-modified polyamic acid resin, it can be formed by reacting a polyamic acid composed of a carboxylic acid anhydride component and a diamine component as a precursor with an alkoxysilane partial condensate. . The alkoxysilane partial condensate is obtained by partially condensing a hydrolyzable alkoxysilane monomer in the presence of an acid or base catalyst and water. At this time, the alkoxysilane partial condensate may be reacted with an epoxy compound in advance to form an epoxy group-containing alkoxysilane partial condensate and then reacted with a polyamic acid to form an alkoxy group-containing silane-modified polyamic acid resin.

また上記のバインダー樹脂は、市販品を好適に用いることができる。例えばアルコキシ基含有シラン変性ビスフェノールA型エポキシ樹脂又はアルコキシ基含有シラン変性ノボラック型エポキシ樹脂である商品名「コンポセランE」(荒川化学工業社製)、アルコキシ基含有シラン変性アクリル樹脂である商品名「コンポセランAC」(荒川化学工業社製)、アルコキシ基含有シラン変性フェノール樹脂である商品名「コンポセランP」(荒川化学工業社製)、アルコキシ基含有シラン変性ポリアミック酸樹脂である商品名「コンポセランH800」(荒川化学工業社製)、アルコキシ基含有シラン変性可溶性ポリイミド樹脂である商品名「コンポセランH700」(荒川化学工業社製)、アルコキシ基含有シラン変性ポリウレタン樹脂である商品名「ユリアーノU」(荒川化学工業社製)或いはアルコキシ基含有シラン変性ポリアミドイミド樹脂である商品名「コンポセランH900」(荒川化学工業社製)等種々の市販品がある。   Moreover, a commercial item can be used suitably for said binder resin. For example, the trade name “COMPOCERAN E” (manufactured by Arakawa Chemical Industries), which is an alkoxy group-containing silane-modified bisphenol A type epoxy resin or an alkoxy group-containing silane-modified novolak type epoxy resin, and the trade name “COMPOCELAN”, which is an alkoxy group-containing silane-modified acrylic resin. AC ”(manufactured by Arakawa Chemical Industries Co., Ltd.), trade name“ Composeran P ”(manufactured by Arakawa Chemical Industries Co., Ltd.) which is an alkoxy group-containing silane-modified phenolic resin, and trade name“ Composeran H800 ”which is an alkoxy group-containing silane-modified polyamic acid resin ( Arakawa Chemical Industries, Ltd.), trade name “Composeran H700” (made by Arakawa Chemical Industries) which is an alkoxy group-containing silane-modified soluble polyimide resin, and trade name “Yuliano U” (Arakawa Chemical Industries, which is an alkoxy group-containing silane-modified polyurethane resin). Or alkoxy group A chromatic silane-modified polyamideimide resin has the trade name "Compoceran H900" (manufactured by Arakawa Chemical Industries, Ltd.) and the like various commercial products.

上記商品名「コンポセランE」(荒川化学工業社製)、商品名「コンポセランAC」(荒川化学工業社製)、商品名「コンポセランP」(荒川化学工業社製)、商品名「コンポセランH800」(荒川化学工業社製)、或いは商品名「コンポセランH900」(荒川化学工業社製)の基本骨格の化学式を下記に示す。   The above-mentioned product name “COMPOCERAN E” (manufactured by Arakawa Chemical Industry Co., Ltd.), the product name “COMPOCELAN AC” (manufactured by Arakawa Chemical Industry Co., Ltd.), the product name “COMPOCERAN P” (manufactured by Arakawa Chemical Industries Ltd.), the product name “COMPOCERAN H800” ( The chemical formula of the basic skeleton of Arakawa Chemical Industries, Ltd.) or the trade name “COMPOCERAN H900” (Arakawa Chemical Industries, Ltd.) is shown below.

(ビスフェノールA型エポキシタイプの商品名「コンポセランE」)

Figure 2013175313
(Bisphenol A epoxy type trade name "Composeran E")
Figure 2013175313

(フェノールノボラックエポキシタイプの商品名「コンポセランE」)

Figure 2013175313
(Product name of phenol novolac epoxy type “COMPOCERAN E”)
Figure 2013175313

(商品名「コンポセランAC」)

Figure 2013175313
(Product name “Composeran AC”)
Figure 2013175313

(商品名「コンポセランP」)

Figure 2013175313
(Product name “Composeran P”)
Figure 2013175313

(商品名「コンポセランH800」)

Figure 2013175313
(Product name “Composeran H800”)
Figure 2013175313

(商品名「コンポセランH900」)

Figure 2013175313
(Product name “Composeran H900”)
Figure 2013175313

これらのリチウムイオン二次電池の正極および負極の少なくとも一方は、下記方法で製造できる。電極の製造方法は、塗布工程と硬化工程とを有する。塗布工程は集電体の表面に上記で説明したバインダー樹脂と活物質を塗布する工程である。また塗布工程において導電助剤も合わせて塗布してもよい。硬化工程は、バインダー樹脂を硬化して活物質を集電体表面に結着する工程である。   At least one of the positive electrode and the negative electrode of these lithium ion secondary batteries can be produced by the following method. The manufacturing method of an electrode has an application | coating process and a hardening process. The coating process is a process of coating the binder resin and the active material described above on the surface of the current collector. Moreover, you may apply | coat a conductive support agent together in an application | coating process. The curing step is a step of curing the binder resin and binding the active material to the current collector surface.

集電体は放電或いは充電の間、電極に電流を流し続けるための化学的に不活性な電子高伝導体のことである。集電体は箔、板等の形状を採用することができるが、目的に応じた形状であれば特に限定されない。集電体として、例えば銅箔、ニッケル箔、アルミニウム箔、ステンレス箔などの金属箔を好適に用いることができる。   A current collector is a chemically inert electronic high conductor that keeps current flowing through an electrode during discharging or charging. The current collector can adopt a shape such as a foil or a plate, but is not particularly limited as long as it has a shape according to the purpose. As the current collector, for example, a metal foil such as a copper foil, a nickel foil, an aluminum foil, or a stainless steel foil can be suitably used.

塗布とは集電体にバインダー樹脂および活物質を載せることができればよい。塗布方法として、ロールコート法、ディップコート法、ドクターブレード法、スプレーコート法、カーテンコート法など電極を作製する際に一般的に用いる塗布方法を用いることができる。   What is necessary is that the binder resin and the active material can be placed on the current collector. As a coating method, a coating method generally used for producing electrodes such as a roll coating method, a dip coating method, a doctor blade method, a spray coating method, and a curtain coating method can be used.

集電体の表面に活物質とあわせて導電助剤を塗布することができる。導電助剤は、電極の導電性を高めるために添加される。導電助剤として、炭素質微粒子であるカーボンブラック、黒鉛、アセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)、気相法炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber:VGCF)等を単独でまたは二種以上組み合わせて添加することができる。導電助剤の使用量については、特に限定的ではないが、例えば、活物質100質量部に対して、20〜100質量部程度とすることができる。   A conductive additive can be applied to the surface of the current collector together with the active material. The conductive assistant is added to increase the conductivity of the electrode. Carbon black, graphite, acetylene black (AB), ketjen black (KB), vapor grown carbon fiber (VGCF), etc., which are carbonaceous fine particles, are used alone or in combination as a conductive additive. Can be added. The amount of the conductive auxiliary agent used is not particularly limited, but can be, for example, about 20 to 100 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the active material.

バインダー樹脂はこれらの活物質、導電助剤を集電体に塗布する際の結着剤として用いられる。バインダー樹脂はなるべく少ない量で活物質、導電助剤を結着させることが求められ、その量は活物質、導電助剤およびバインダー樹脂を合計したものの0.5質量%〜50質量%が望ましい。   The binder resin is used as a binder when these active materials and conductive assistants are applied to the current collector. The binder resin is required to bind the active material and the conductive assistant in as small an amount as possible, and the amount is desirably 0.5% by mass to 50% by mass of the total of the active material, the conductive auxiliary and the binder resin.

塗布工程ではバインダー樹脂と活物質をあらかじめ混合し、溶媒等を加えてスラリーとしてから集電体に塗布する。導電助剤も合わせてスラリーとして塗布してもよい。塗布厚みは10μm〜300μmが好ましい。またバインダー樹脂と活物質の混合割合は重量部で活物質:バインダー樹脂=99:1〜70:30が好ましい。導電助剤を含む場合の混合割合は活物質:導電助剤:バインダー樹脂=98:1:1〜60:20:20が好ましい。   In the coating step, the binder resin and the active material are mixed in advance, and a solvent or the like is added to form a slurry, which is then applied to the current collector. The conductive auxiliary agent may also be applied as a slurry. The coating thickness is preferably 10 μm to 300 μm. In addition, the mixing ratio of the binder resin and the active material is preferably by weight, and the active material: binder resin = 99: 1 to 70:30. The mixing ratio in the case of containing a conductive auxiliary agent is preferably active material: conductive auxiliary agent: binder resin = 98: 1: 1 to 60:20:20.

硬化工程はバインダー樹脂を硬化する工程である。バインダー樹脂を硬化することによって活物質を集電体表面に結着する。導電助剤を含む場合は導電助剤も同様に結着する。バインダー樹脂の硬化は、使用するバインダー樹脂の硬化条件に合わせて硬化すればよい。またバインダー樹脂の硬化の際、バインダー樹脂が有する式(II)で示される構造によってゾルゲル硬化反応もおこる。ゾルゲル硬化反応がおこったアルコキシシリル基含有樹脂はゲル化した微細なシリカ部位構造(シロキサン結合の高次網目構造)を有するため、活物質、導電助剤および集電体と密着性がよい。   The curing step is a step of curing the binder resin. The active material is bound to the current collector surface by curing the binder resin. When the conductive assistant is included, the conductive assistant is also bound in the same manner. What is necessary is just to harden | cure binder resin according to the hardening conditions of binder resin to be used. Further, when the binder resin is cured, a sol-gel curing reaction is also caused by the structure represented by the formula (II) of the binder resin. Since the alkoxysilyl group-containing resin in which the sol-gel curing reaction has occurred has a fine gelled silica site structure (high-order network structure of siloxane bonds), it has good adhesion to the active material, the conductive auxiliary agent and the current collector.

本発明のリチウムイオン二次電池は、電池構成要素として、上記した正極、負極に加えてセパレータ、電解液を用いる。   The lithium ion secondary battery of the present invention uses a separator and an electrolyte in addition to the above-described positive electrode and negative electrode as battery components.

セパレータは正極と負極とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。セパレータは、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、あるいはポリエチレンなどの合成樹脂製の多孔質膜、またはセラミックス製の多孔質膜が使用できる。   The separator separates the positive electrode and the negative electrode and allows lithium ions to pass through while preventing a short circuit of current due to contact between the two electrodes. As the separator, for example, a porous film made of synthetic resin such as polytetrafluoroethylene, polypropylene, or polyethylene, or a porous film made of ceramics can be used.

電解液はリチウムイオン二次電池用に用いることのできる電解液が使用できる。電解液は、溶媒とこの溶媒に溶解された電解質とを含んでいる。   As the electrolytic solution, an electrolytic solution that can be used for a lithium ion secondary battery can be used. The electrolytic solution includes a solvent and an electrolyte dissolved in the solvent.

例えば溶媒として環状エステル類、鎖状エステル類、エーテル類が使用できる。環状エステル類として、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ガンマブチロラクトン、ビニレンカーボネート、2−メチル−ガンマブチロラクトン、アセチル−ガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトン等が使用できる。鎖状エステル類として、例えばジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルエチルカーボネート、プロピオン酸アルキルエステル、マロン酸ジアルキルエステル、酢酸アルキルエステル等が使用できる。エーテル類として、例えばテトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン等が使用できる。   For example, cyclic esters, chain esters, and ethers can be used as the solvent. Examples of cyclic esters include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, gamma butyrolactone, vinylene carbonate, 2-methyl-gamma butyrolactone, acetyl-gamma butyrolactone, and gamma valerolactone. Examples of chain esters include dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dibutyl carbonate, dipropyl carbonate, methyl ethyl carbonate, propionic acid alkyl ester, malonic acid dialkyl ester, and acetic acid alkyl ester. Examples of ethers that can be used include tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, 1,2-dibutoxyethane, and the like.

また上記電解液に溶解させる電解質として、例えばLiClO、LiAsF、LiPF、LiBF、LiCFSO、LiN(CFSO等のリチウム塩を使用することができる。 As the electrolyte dissolved in the electrolytic solution, for example, a lithium salt such as LiClO 4 , LiAsF 6 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 can be used.

例えば、電解液として、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネートなどの溶媒にLiClO、LiPF、LiBF、LiCFSOなどのリチウム塩を0.5mol/lから1.7mol/l程度の濃度で溶解させた溶液を使用することができる。 For example, as an electrolytic solution, 0.5 mol / l to 1.7 mol / l of a lithium salt such as LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 in a solvent such as ethylene carbonate, dimethyl carbonate, propylene carbonate, and dimethyl carbonate. A solution dissolved at a certain concentration can be used.

(車両)
本発明の車両は、上記リチウムイオン二次電池を搭載したものである。本発明の車両は優れたサイクル特性を有するリチウムイオン二次電池を搭載でき、高性能の車両とすることができる。なお車両としては、電池による電気エネルギーを動力源の全部または一部に使用する車両であればよく、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド鉄道車両、フォークリフト、電気車椅子、電動アシスト自転車、電動二輪車が挙げられる。
(vehicle)
The vehicle of the present invention is equipped with the lithium ion secondary battery. The vehicle of the present invention can be equipped with a lithium ion secondary battery having excellent cycle characteristics and can be a high-performance vehicle. The vehicle may be a vehicle that uses electric energy from a battery as a whole or a part of a power source. For example, an electric vehicle, a hybrid vehicle, a plug-in hybrid vehicle, a hybrid railway vehicle, a forklift, an electric wheelchair, an electric assist. Bicycles and electric motorcycles are examples.

以上、本発明のリチウムイオン二次電池、並びに車両の実施形態を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。   As mentioned above, although the lithium ion secondary battery of this invention and embodiment of the vehicle were demonstrated, this invention is not limited to the said embodiment. The present invention can be implemented in various forms without departing from the gist of the present invention, with modifications and improvements that can be made by those skilled in the art.

以下、実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明する。本発明のリチウムイオン二次電池を以下のように作製し、評価用モデル電池を用いて充放電サイクル試験を行った。試験はリチウムイオン二次電池の負極を評価極とし、コイン型のリチウムイオン二次電池を用いた。
<評価用電極作製>
(負極1、負極2、負極3および負極4)
負極活物質としてSi粉末を用いた。Si粉末として、粒子径4μm以下のSi粒子(高純度化学製)を準備した。Si粉末85重量部に、バインダー樹脂をN-メチルピロリドン(NMP)に溶解させたペースト10重量部とケッチェンブラック(KB)5重量部を添加し、混合してスラリ−を調製した。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. The lithium ion secondary battery of this invention was produced as follows, and the charge / discharge cycle test was done using the model battery for evaluation. In the test, a negative electrode of a lithium ion secondary battery was used as an evaluation electrode, and a coin-type lithium ion secondary battery was used.
<Production of electrode for evaluation>
(Negative electrode 1, negative electrode 2, negative electrode 3, and negative electrode 4)
Si powder was used as the negative electrode active material. Si particles (manufactured by High-Purity Chemical) having a particle diameter of 4 μm or less were prepared as Si powder. To 85 parts by weight of Si powder, 10 parts by weight of a paste in which a binder resin was dissolved in N-methylpyrrolidone (NMP) and 5 parts by weight of ketjen black (KB) were added and mixed to prepare a slurry.

負極1は、バインダー樹脂にアルコキシ基含有シラン変性ポリアミドイミド樹脂(荒川化学工業株式会社製、商品名コンポセラン、品番H901−2、溶剤組成:NMP/キシレン(Xyl)、硬化残分30%、粘度8000mPa・s、硬化残分中のシリカ、2wt%、硬化残分とは樹脂硬化させ揮発性成分を除いた固形分を意味する)を用いた。負極1で用いたアルコキシ基含有シラン変性ポリアミドイミド樹脂は、上記した商品名コンポセランH900シリーズの一つであり、[化7]に示した構造を有する。   The negative electrode 1 has an alkoxy group-containing silane-modified polyamideimide resin (trade name Composeran, product number H901-2, solvent composition: NMP / xylene (Xyl), curing residue 30%, viscosity 8000 mPas as a binder resin. -S, silica in the cured residue, 2 wt%, and the cured residue means a resin-cured solid content excluding volatile components). The alkoxy group-containing silane-modified polyamideimide resin used in the negative electrode 1 is one of the above-mentioned trade name Composeran H900 series and has the structure shown in [Chemical Formula 7].

負極2は、バインダー樹脂としてアルコキシ含有シラン変性ポリアミック酸樹脂(荒川化学工業株式会社製、商品名コンポセラン、品番H850D、溶剤組成:N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、硬化残分15%、粘度5000mPa・s、硬化残分中のシリカ、2wt%)を用いた。負極2で用いたアルコキシ含有シラン変性ポリアミック酸樹脂は上記した商品名コンポセランH800シリーズの一つであり、[化6]に示した構造を有する。   The negative electrode 2 has an alkoxy-containing silane-modified polyamic acid resin (manufactured by Arakawa Chemical Industry Co., Ltd., trade name Composeran, product number H850D, solvent composition: N, N-dimethylacetamide (DMAc), 15% cure residue, viscosity 5000 mPa as binder resin. S, silica in the cured residue, 2 wt%). The alkoxy-containing silane-modified polyamic acid resin used in the negative electrode 2 is one of the above-mentioned trade name Composeran H800 series and has the structure shown in [Chemical Formula 6].

負極3は、バインダー樹脂としてPVdF(クレハ製)を用いた。負極4はバインダー樹脂として、ポリアミドイミド樹脂(荒川化学工業製)を用いた。   The negative electrode 3 used PVdF (made by Kureha) as a binder resin. The negative electrode 4 used polyamideimide resin (made by Arakawa Chemical Industries) as binder resin.

スラリー調整後、厚さ20μmの電解銅箔に上記スラリ−を乗せて、ドクターブレードを用いて銅箔上に成膜した。得られたシートを80℃で20分間乾燥してNMPを揮発させて除去した後、ロ−ルプレス機により、電解銅箔からなる集電体と上記複合粉体からなる負極層を強固に密着接合させた。これを1cmの円形ポンチで抜き取り、負極1および負極2は200℃で3時間、負極3は140℃で3時間、負極4は200℃で3時間、真空乾燥させて厚さ100μm以下の電極とした。 After the slurry was adjusted, the slurry was placed on an electrolytic copper foil having a thickness of 20 μm, and a film was formed on the copper foil using a doctor blade. After the obtained sheet was dried at 80 ° C. for 20 minutes to volatilize and remove NMP, the current collector made of electrolytic copper foil and the negative electrode layer made of the above composite powder were firmly adhered and bonded by a roll press machine. I let you. This was extracted with a 1 cm 2 circular punch, the negative electrode 1 and the negative electrode 2 were vacuum dried at 200 ° C. for 3 hours, the negative electrode 3 was 140 ° C. for 3 hours, and the negative electrode 4 was vacuum dried at 200 ° C. for 3 hours. It was.

<コイン型電池作製>
(試験例1、試験例2、試験例3、試験例4)
上記した電極(負極1、負極2、負極3および負極4)を負極とし、金属リチウムを対極とし、1モルのLiPF6/エチレンカ−ボネ−ト(EC)+ジエチルカ−ボネ−ト(DEC)(EC:DEC=1:1(体積比))溶液を電解液として、ドライルーム内でコイン型モデル電池(CR2032タイプ)を作製した。コイン型モデル電池は、スペーサー、対極となる厚み500μmのLi箔、セパレータ(セルガード社製 商標名Celgard #2400)、および各負極を順に重ね、かしめ加工して、試験例1〜試験例4のモデル電池を作製した。
<Production of coin-type battery>
(Test Example 1, Test Example 2, Test Example 3, Test Example 4)
The above-described electrodes (negative electrode 1, negative electrode 2, negative electrode 3 and negative electrode 4) were used as negative electrodes, lithium metal was used as a counter electrode, and 1 mol of LiPF 6 / ethylene carbonate (EC) + diethyl carbonate (DEC) ( A coin-type model battery (CR2032 type) was produced in a dry room using an EC: DEC = 1: 1 (volume ratio) solution as an electrolyte. A coin-type model battery is a model of Test Example 1 to Test Example 4 in which a spacer, a Li foil with a thickness of 500 μm as a counter electrode, a separator (trade name Celgard # 2400 manufactured by Celgard), and each negative electrode are sequentially stacked and caulked. A battery was produced.

(実施例1)
負極2と金属リチウム箔を用いて半電池を組み、温度:25℃、レート:1/100C、カットオフ:0CV〜0.01V でプレドープを行ってLiを挿入した負極21を用意した。
Example 1
A half cell was assembled using the negative electrode 2 and a metal lithium foil, and a negative electrode 21 in which Li was inserted by pre-doping at a temperature of 25 ° C., a rate of 1/100 C, and a cutoff of 0 CV to 0.01 V was prepared.

集電体として20μmのアルミニウム箔を準備し、正極活物質として酸化バナジウム(V)を準備し、バインダー樹脂としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を準備し、負極と同様な方法で正極1を作製した。負極21および正極1を使用する以外は試験例1と同様にして、実施例1のモデル電池を作製した。
<コイン型電池評価>
このモデル電池における評価を次の方法で行った。まず、モデル電池を、0.2mAの定電流で0Vに達するまで放電し、5分間の休止後、0.2mAの定電流で2.0Vに達するまで充電した。これを、1サイクルとして、繰り返し充放電を行って放電容量を調べた。
A 20 μm aluminum foil is prepared as a current collector, vanadium oxide (V 2 O 5 ) is prepared as a positive electrode active material, polyvinylidene fluoride (PVDF) is prepared as a binder resin, and the positive electrode 1 is prepared in the same manner as the negative electrode. Produced. A model battery of Example 1 was produced in the same manner as in Test Example 1 except that the negative electrode 21 and the positive electrode 1 were used.
<Coin-type battery evaluation>
This model battery was evaluated by the following method. First, the model battery was discharged at a constant current of 0.2 mA until reaching 0 V, and after resting for 5 minutes, it was charged until it reached 2.0 V at a constant current of 0.2 mA. This was made into 1 cycle, charging / discharging was performed repeatedly and the discharge capacity was investigated.

試験例1〜4のモデル電池について、サイクル数と放電容量を示すグラフを図1に示す。図1から明らかなように、試験例1および試験例2のモデル電池は、試験例3および試験例4のモデル電池に比べて初期放電容量の減少量が小さいことがわかる。   About the model battery of Test Examples 1-4, the graph which shows the cycle number and discharge capacity is shown in FIG. As can be seen from FIG. 1, the model batteries of Test Example 1 and Test Example 2 have a smaller decrease in initial discharge capacity than the model batteries of Test Example 3 and Test Example 4.

負極のバインダー樹脂に従来のバインダー樹脂であるPVdFを用いた試験例3のモデル電池は一回のサイクル試験で、放電容量が殆ど1割程度まで急落しているのに対し、試験例1および試験例2のモデル電池では7〜8割程度放電容量を維持していた。しかも試験例3、試験例4のモデル電池の20サイクル後の放電容量が0であるのに対し、試験例2のモデル電池では20サイクル後の放電容量も1割以上維持されていることが判った。   The model battery of Test Example 3 using PVdF, which is a conventional binder resin, as the binder resin for the negative electrode shows a sudden drop in discharge capacity to about 10% in one cycle test, whereas Test Model 1 and Test In the model battery of Example 2, the discharge capacity was maintained by about 70 to 80%. Moreover, the discharge capacity after 20 cycles of the model batteries of Test Example 3 and Test Example 4 is 0, whereas the discharge capacity after 20 cycles of the model battery of Test Example 2 is maintained at 10% or more. It was.

活物質をSi粒子とした場合、初回の放電容量は3000mAh/gを超えている。活物質として黒鉛を用いた場合、通常初回の放電容量は400mAh/g以下である。試験例2のモデル電池において20サイクル後の放電容量が375mAh/g程度である。この放電容量の値は、黒鉛を活物質として用いた電池の初回の放電容量とあまり変わらない。   When the active material is Si particles, the initial discharge capacity exceeds 3000 mAh / g. When graphite is used as the active material, the initial discharge capacity is usually 400 mAh / g or less. In the model battery of Test Example 2, the discharge capacity after 20 cycles is about 375 mAh / g. This discharge capacity value is not much different from the initial discharge capacity of a battery using graphite as an active material.

また試験例1のモデル電池における負極1のバインダー樹脂はアルコキシ基含有シラン変性ポリアミドイミド樹脂であって、ポリアミドイミド樹脂にシリカが2%含有されているのに対し、試験例4のモデル電池における負極4のバインダー樹脂はポリアミドイミド樹脂であり、シリカが入っていない。図1に示されるように試験例1のモデル電池の放電特性のほうが試験例4のモデル電池の放電特性より優れていることがわかった。試験例1のモデル電池と試験例4のモデル電池の1サイクル目のサイクル試験の充放電曲線の比較を図2に示す。図2に見られるように試験例1のモデル電池の1サイクル目の放電特性は試験例4のモデル電池に比べてほぼ2倍も優れていることがわかった。正極活物質として酸化バナジウムを用いた実施例1のモデル電池も試験例2のモデル電池と同様の効果が得られると考えられる。   The binder resin of the negative electrode 1 in the model battery of Test Example 1 is an alkoxy group-containing silane-modified polyamideimide resin, and the polyamideimide resin contains 2% of silica, whereas the negative electrode in the model battery of Test Example 4 The binder resin 4 is a polyamide-imide resin and does not contain silica. As shown in FIG. 1, it was found that the discharge characteristics of the model battery of Test Example 1 were superior to the discharge characteristics of the model battery of Test Example 4. A comparison of the charge / discharge curves of the first cycle test of the model battery of Test Example 1 and the model battery of Test Example 4 is shown in FIG. As can be seen from FIG. 2, the discharge characteristics at the first cycle of the model battery of Test Example 1 were almost twice as good as the model battery of Test Example 4. The model battery of Example 1 using vanadium oxide as the positive electrode active material is considered to have the same effect as the model battery of Test Example 2.

Claims (8)

正極と、負極と、を有するリチウムイオン二次電池であって、
前記正極はLiを含まない正極活物質を有し、
前記負極は負極活物質を有し、
前記正極および前記負極のうちの少なくとも一方は、バインダーを有し、
前記バインダーは式(I):R SiO(4−m)/2(m=0〜2の整数、Rは炭素数8以下のアルキル基またはアリール基を示す)で示される構造を有するアルコキシシリル基含有樹脂硬化物であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
A lithium ion secondary battery having a positive electrode and a negative electrode,
The positive electrode has a positive electrode active material containing no Li,
The negative electrode has a negative electrode active material,
At least one of the positive electrode and the negative electrode has a binder,
The binder has a structure represented by the formula (I): R 1 m SiO (4-m) / 2 (m = 0 to 2 and R 1 represents an alkyl group or aryl group having 8 or less carbon atoms). A lithium ion secondary battery, which is an alkoxysilyl group-containing resin cured product.
前記正極活物質は、硫黄単体、硫黄とカーボンとの複合体、二酸化マンガンおよび酸化バナジウムから選ばれる少なくとも1つを含む請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。   2. The lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the positive electrode active material includes at least one selected from simple sulfur, a composite of sulfur and carbon, manganese dioxide, and vanadium oxide. 前記アルコキシシリル基含有樹脂硬化物は、アルコキシ基含有シラン変性ビスフェノールA型エポキシ樹脂硬化物、アルコキシ基含有シラン変性ノボラック型エポキシ樹脂硬化物、アルコキシ基含有シラン変性アクリル樹脂硬化物、アルコキシ基含有シラン変性フェノール樹脂硬化物、アルコキシ基含有シラン変性ポリイミド樹脂硬化物、アルコキシ基含有シラン変性可溶性ポリイミド樹脂硬化物、アルコキシ基含有シラン変性ポリウレタン樹脂硬化物およびアルコキシ基含有シラン変性ポリアミドイミド樹脂硬化物から選ばれるいずれか一つである請求項1または2に記載のリチウムイオン二次電池。   The alkoxysilyl group-containing resin cured product is an alkoxy group-containing silane-modified bisphenol A type epoxy resin cured product, an alkoxy group-containing silane-modified novolak type epoxy resin cured product, an alkoxy group-containing silane-modified acrylic resin cured product, or an alkoxy group-containing silane-modified product. Any one selected from a cured phenol resin, a cured silane-modified polyimide resin containing an alkoxy group, a cured silane-modified soluble polyimide resin containing an alkoxy group, a cured silane-modified polyurethane resin containing an alkoxy group, and a cured silane-modified polyamideimide resin containing an alkoxy group The lithium ion secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the number is one. 前記バインダーは、式(II)で示される構造を有するアルコキシシリル基含有樹脂を硬化させることによって得られるものである請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。
Figure 2013175313
(Rは、炭素数1〜8のアルキル基、Rは、炭素数1〜8のアルキル基、又はアルコキシ基、qは1〜100の整数)
The lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the binder is obtained by curing an alkoxysilyl group-containing resin having a structure represented by the formula (II).
Figure 2013175313
(R 1 is an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, R 2 is an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms or an alkoxy group, and q is an integer of 1 to 100)
前記アルコキシシリル基含有樹脂は、アルコキシ基含有シラン変性ビスフェノールA型エポキシ樹脂、アルコキシ基含有シラン変性ノボラック型エポキシ樹脂、アルコキシ基含有シラン変性アクリル樹脂、アルコキシ基含有シラン変性フェノール樹脂、アルコキシ基含有シラン変性ポリアミック酸樹脂、アルコキシ基含有シラン変性可溶性ポリイミド樹脂、アルコキシ基含有シラン変性ポリウレタン樹脂およびアルコキシ基含有シラン変性ポリアミドイミド樹脂から選ばれるいずれか一つである請求項4に記載のリチウムイオン二次電池。   The alkoxysilyl group-containing resin includes an alkoxy group-containing silane-modified bisphenol A type epoxy resin, an alkoxy group-containing silane-modified novolac type epoxy resin, an alkoxy group-containing silane-modified acrylic resin, an alkoxy group-containing silane-modified phenol resin, and an alkoxy group-containing silane-modified resin. 5. The lithium ion secondary battery according to claim 4, which is any one selected from a polyamic acid resin, an alkoxy group-containing silane-modified soluble polyimide resin, an alkoxy group-containing silane-modified polyurethane resin, and an alkoxy group-containing silane-modified polyamideimide resin. 前記負極活物質は、炭素系材料、リチウムと合金化可能な元素およびリチウムと合金化可能な元素を有する元素化合物の少なくとも一つを含む請求項1〜5のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。   The lithium ion according to claim 1, wherein the negative electrode active material includes at least one of a carbon-based material, an element that can be alloyed with lithium, and an elemental compound that has an element that can be alloyed with lithium. Secondary battery. 前記リチウムと合金化可能な元素は、Siかつ/またはSnを含む請求項6に記載のリチウムイオン二次電池。   The lithium ion secondary battery according to claim 6, wherein the element that can be alloyed with lithium includes Si and / or Sn. 請求項1〜7のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池を搭載した車両。   A vehicle equipped with the lithium ion secondary battery according to claim 1.
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