JP2015156361A - Negative electrode for lithium primary battery, manufacturing method thereof, lithium primary battery, and method of manufacturing the same - Google Patents

Negative electrode for lithium primary battery, manufacturing method thereof, lithium primary battery, and method of manufacturing the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a negative electrode used for a lithium primary battery of low cost in which rising of an internal resistance from unused state to a last stage of discharging is suppressed when compared with a battery in which conventional Li alloy is used for a negative electrode.
SOLUTION: A lithium primary battery includes a positive electrode 5, a negative electrode 10, a separator 4 disposed between the positive electrode 5 and the negative electrode 10, and an electrolyte containing at least a supporting electrolyte and organic solvent. The negative electrode 5 includes at least two layers, or, an Li layer 11 made from lithium (Li) and an LiSi layer 12 containing an alloy of Li and silicon (Si).
COPYRIGHT: (C)2015,JPO&INPIT

Description

本発明は、リチウム一次電池に関するものである。   The present invention relates to a lithium primary battery.

金属中で最大のイオン化傾向を持つリチウム(Li)を負極に使ったリチウム一次電池は、正極と負極との間に高い電位差が生じるため高い電池電圧が得られる。そのため、このリチウム一次電池は電子機器のメモリバックアップや、電子鍵などの用途に広く用いられている。   A lithium primary battery using lithium (Li) having the largest ionization tendency among metals as a negative electrode has a high battery voltage because a high potential difference is generated between the positive electrode and the negative electrode. Therefore, this lithium primary battery is widely used for applications such as memory backup of electronic devices and electronic keys.

また、リチウム一次電池は活物質に貴金属を使用せず、他の一次電池、例えば活物質に貴金属である銀を使用する酸化銀電池等と比べて低コストで作製することができる。そのため、リチウム一次電池は低価格な製品として既存の一次電池の置き換えとしても期待されている。   In addition, a lithium primary battery does not use a noble metal as an active material, and can be manufactured at a lower cost than other primary batteries, for example, a silver oxide battery using silver which is a noble metal as an active material. Therefore, lithium primary batteries are expected to replace existing primary batteries as low-cost products.

一方、リチウム一次電池は負極にLiを使用し、電解液は非水溶媒を使用する。そのため、イオン伝導度の大きなアルカリ水溶液を用いる酸化銀電池などと比べて内部抵抗が大きい。また、使用するLi箔は表面積が小さいため、さらに内部抵抗が大きくなる。そこで、Liとアルミニウム(Al)等の金属とを合金化させた負極を用いることで、内部抵抗を低くしたリチウム一次電池が従来から用いられてきた(例えば、特許文献1及び特許文献2)。   On the other hand, the lithium primary battery uses Li for the negative electrode, and the electrolyte uses a non-aqueous solvent. Therefore, the internal resistance is larger than that of a silver oxide battery using an alkaline aqueous solution having a high ion conductivity. Moreover, since the Li foil to be used has a small surface area, the internal resistance is further increased. Thus, lithium primary batteries having a low internal resistance have been conventionally used by using a negative electrode obtained by alloying Li and a metal such as aluminum (Al) (for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).

特開平2−144848号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2-144848 特開昭61−74264号公報JP-A 61-74264

しかしながら、これらのリチウム一次電池でも内部抵抗の低減には充分ではない。特に未使用電池を放電させると放電とともに内部抵抗が上昇し、電池を使い終わる頃(以下放電末期という)には内部抵抗が数倍にも大きくなる。このように内部抵抗が大きい電池は、放電電圧が低下するため、電子機器が誤動作してしまう。そのため、Li合金を負極に用いたリチウム一次電池は、内部抵抗の変化の影響を受けにくい、初期の内部抵抗値の小さな電池に適用が限られてきた。   However, these lithium primary batteries are not sufficient for reducing the internal resistance. In particular, when an unused battery is discharged, the internal resistance increases with the discharge, and the internal resistance increases several times when the battery is used up (hereinafter referred to as the end of discharge). In such a battery having a large internal resistance, the discharge voltage decreases, and the electronic device malfunctions. Therefore, a lithium primary battery using a Li alloy as a negative electrode has been limited in application to a battery having a small initial internal resistance value that is not easily affected by changes in internal resistance.

この放電による内部抵抗上昇の原因は、放電とともに負極に配置したLiの厚みが徐々に薄くなり、正極−負極間の距離が大きくなるためである。リチウム一次電池は放電によって負極のLiが溶解し正極に移動するため、Li厚の減少は避けられない。   The cause of the increase in internal resistance due to the discharge is that the thickness of Li arranged on the negative electrode gradually decreases with the discharge, and the distance between the positive electrode and the negative electrode increases. In the lithium primary battery, Li of the negative electrode is dissolved by the discharge and moves to the positive electrode, so that a reduction in Li thickness is inevitable.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、従来のLi合金を負極に用いた電池に比べて未使用から放電末期までの内部抵抗上昇を抑制することができ、かつ安価なリチウム一次電池の提供を目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and can suppress an increase in internal resistance from unused to the end of discharge as compared with a battery using a conventional Li alloy as a negative electrode, and is inexpensive lithium primary. The purpose is to provide batteries.

本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討を行い、放電しても負極の厚みを一定とすることで、電池の内部抵抗上昇が抑えられる知見を得た。
すなわち、本発明に係るリチウム一次電池用負極は、リチウム(Li)からなるLi層と、Liと珪素(Si)との合金を含むLiSi層の少なくとも2層を有することを特徴とする。
本発明によれば、放電によってLiの量が減少しても、LiSi層の膨張によりLi層の体積減少が補われる。このため負極の厚みが一定となり、未使用から放電末期まで正極と負極の間の距離を維持することができる。これにより、放電末期においても電池の内部抵抗の上昇を抑えることができる。
The inventors of the present invention have made extensive studies to solve the above problems, and have obtained knowledge that the increase in the internal resistance of the battery can be suppressed by making the thickness of the negative electrode constant even when discharged.
That is, the negative electrode for a lithium primary battery according to the present invention has at least two layers of a Li layer made of lithium (Li) and a LiSi layer containing an alloy of Li and silicon (Si).
According to the present invention, even if the amount of Li is reduced by discharge, the volume reduction of the Li layer is compensated by the expansion of the LiSi layer. For this reason, the thickness of the negative electrode becomes constant, and the distance between the positive electrode and the negative electrode can be maintained from unused to the end of discharge. Thereby, an increase in the internal resistance of the battery can be suppressed even at the end of discharge.

本発明に係るリチウム一次電池用負極において、前記負極中のLiとSiのモル比は、Li/Si>4.4であることを特徴とする。
本発明によれば、負極のLiとSiとの合金化後に負極がLiSi層とLi層の2層となる。これにより、内部抵抗上昇を抑制でき、かつ高容量とすることができる。また、負極中のLiとSiとのモル比が15≦Li/Si≦100であれば、内部抵抗が低く、かつ高容量とすることができるため、より好ましい。
In the negative electrode for a lithium primary battery according to the present invention, the molar ratio of Li to Si in the negative electrode is Li / Si> 4.4.
According to the present invention, the negative electrode becomes two layers of the LiSi layer and the Li layer after the alloying of Li and Si of the negative electrode. Thereby, an internal resistance raise can be suppressed and it can be set as a high capacity | capacitance. Further, it is more preferable that the molar ratio of Li and Si in the negative electrode is 15 ≦ Li / Si ≦ 100 because the internal resistance is low and the capacity can be increased.

本発明に係るリチウム一次電池用負極において、前記LiSi層は、炭素及び樹脂の少なくとも一種をさらに含むことを特徴とする。
本発明によれば、微量のSiを用いてLiSi層を形成する場合において、Li層上のSi量を一定にすることができる。これによりLiSi層を容易に形成することができる。
In the negative electrode for a lithium primary battery according to the present invention, the LiSi layer further includes at least one of carbon and resin.
According to the present invention, when the LiSi layer is formed using a small amount of Si, the amount of Si on the Li layer can be made constant. Thereby, the LiSi layer can be easily formed.

本発明に係るリチウム一次電池用負極において、前記正極と対向する面において、前記LiSi層の面積は、前記Li層の面積の50%以上であることを特徴とする。
本発明によれば、スラリーを用いてLiSi層が形成された構成でも、電池の内部抵抗低減効果を有する。これにより、LiSi層の形成をより容易にすることができる。
In the negative electrode for a lithium primary battery according to the present invention, the area of the LiSi layer on the surface facing the positive electrode is 50% or more of the area of the Li layer.
According to the present invention, even when the LiSi layer is formed using slurry, the battery has an internal resistance reduction effect. Thereby, formation of a LiSi layer can be made easier.

本発明に係るリチウム一次電池用負極において、前記LiSi層は、金属Liと、粒子径(D50)が2μm以上であるSi粉末とから形成されることを特徴とする。
本発明に係るリチウム一次電池用負極において、前記LiSi層は、前記LiとSiとの合金の粒子径は2μm以上であることを特徴とする。
本発明によれば、出発原料である金属Liと、粒子径が2μm以上であるSi粉末が用いられると、LiとSiとの合金化で粒子の割れが多くなる。またこのとき、LiとSiとの合金は割れによっても2μm以上の粒子径となる。このような合金化の際に、LiSi層は粒子の割れにより膨張しようとするが、外装により圧縮されるためLiSi層の粒子同士の接触が多くなる。これにより、電池の内部抵抗を低くすることができる。
In the negative electrode for a lithium primary battery according to the present invention, the LiSi layer is formed of metal Li and Si powder having a particle diameter (D 50 ) of 2 μm or more.
In the negative electrode for a lithium primary battery according to the present invention, the LiSi layer has a particle diameter of an alloy of Li and Si of 2 μm or more.
According to the present invention, when metal Li as a starting material and Si powder having a particle diameter of 2 μm or more are used, particle cracking increases due to alloying of Li and Si. At this time, the alloy of Li and Si has a particle diameter of 2 μm or more even when cracked. During such alloying, the LiSi layer tends to expand due to cracking of the particles. However, since the LiSi layer is compressed by the exterior, contact between the particles of the LiSi layer increases. Thereby, the internal resistance of the battery can be lowered.

本発明に係るリチウム一次電池は、本発明に係るリチウム一次電池用負極と、正極と、非水電解質とを備えていることを特徴とする。
本発明によれば、これらの構成を備えたリチウム一次電池とすることにより、未使用から放電末期までの内部抵抗上昇を抑制することができ、かつ安価なリチウム一次電池とすることができる。
A lithium primary battery according to the present invention includes the negative electrode for a lithium primary battery according to the present invention, a positive electrode, and a nonaqueous electrolyte.
According to the present invention, by using a lithium primary battery having these configurations, an increase in internal resistance from unused to the end of discharge can be suppressed, and an inexpensive lithium primary battery can be obtained.

本発明に係るリチウム一次電池において、前記LiSi層は前記負極の前記正極と対向する面に形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、負極において表面積が大きく、電解液を含みやすいLiSi層が正極と対向している。これにより、電池の内部抵抗を低くすることができる。
In the lithium primary battery according to the present invention, the LiSi layer is formed on a surface of the negative electrode facing the positive electrode.
According to the present invention, the LiSi layer that has a large surface area and easily contains an electrolyte solution is opposed to the positive electrode. Thereby, the internal resistance of the battery can be lowered.

本発明に係るリチウム一次電池は、前記正極が酸化銅(II)を含むことを特徴とする。
本発明によれば、放電による正極の膨張によって、LiSi層の密度を高めることができる。これにより、電池の内部抵抗をさらに低減することができる。
The lithium primary battery according to the present invention is characterized in that the positive electrode contains copper (II) oxide.
According to the present invention, the density of the LiSi layer can be increased by expansion of the positive electrode due to discharge. Thereby, the internal resistance of the battery can be further reduced.

本発明に係るリチウム一次電池は、前記正極と、前記負極と、前期非水電解質と、これらを収納する正極缶、負極缶、及びガスケットとを備え、前記LiSi層がカシメ封口により圧縮されていることを特徴とする。
本発明によれば、LiSi層が電池内でカシメの力により圧縮されることにより膨張が抑制されている。これにより、放電末期においても内部抵抗の上昇を抑制することができる。
A lithium primary battery according to the present invention includes the positive electrode, the negative electrode, a non-aqueous electrolyte, and a positive electrode can, a negative electrode can, and a gasket that house them, and the LiSi layer is compressed by a caulking seal. It is characterized by that.
According to the present invention, the LiSi layer is compressed by the caulking force in the battery, so that the expansion is suppressed. Thereby, an increase in internal resistance can be suppressed even at the end of discharge.

本発明に係るリチウム一次電池用負極の製造方法は、リチウム(Li)からなるLi層を形成する工程と、前記Li層上に珪素(Si)若しくはSiを含む混合物からなるSi層を形成する工程と、前記Li層のLiと前記Si層中のSiとを合金化させ、前記Li層とLiSi層の少なくとも2層を形成する合金化工程と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、電池内部でLiとSiとを合金化させることによりLiSi層を形成することができる。これにより、容易にLiSi層を作製することができる。
The method for producing a negative electrode for a lithium primary battery according to the present invention includes a step of forming a Li layer made of lithium (Li) and a step of forming a Si layer made of silicon (Si) or a mixture containing Si on the Li layer. And an alloying step in which Li in the Li layer and Si in the Si layer are alloyed to form at least two layers of the Li layer and the LiSi layer.
According to the present invention, the LiSi layer can be formed by alloying Li and Si inside the battery. Thereby, a LiSi layer can be easily produced.

本発明に係るリチウム一次電池の用負極の製造方法において、前記負極中におけるLi及びSiは、モル比がLi/Si>4.4であることを特徴とする。
本発明によれば、負極中のLiとSiとの合金化後に、LiSi層とLi層との2層からなる負極を形成することができる。これにより、電池の内部抵抗上昇を抑制でき、かつ高容量とすることができる。
In the method for manufacturing a negative electrode for a lithium primary battery according to the present invention, Li and Si in the negative electrode have a molar ratio of Li / Si> 4.4.
According to the present invention, after the alloying of Li and Si in the negative electrode, a negative electrode composed of two layers of a LiSi layer and a Li layer can be formed. Thereby, an increase in the internal resistance of the battery can be suppressed and the capacity can be increased.

本発明に係るリチウム一次電池用負極の製造方法は、前記合金化工程は、前記Li層と前記Si層とを積層方向に圧縮させ、LiとSiとを合金化させることにより行うことにより行うことを特徴とする。
本発明によれば、Li層とSi層の上下(積層方向)から圧縮することでLiとSiとの反応を容易に進めることができ、高密度なLiSi層を形成できる。また、圧縮によりLiSi層の膨張が抑えられることから、放電が進んでも正極と負極との実質的な距離を保つことができる。これにより、電池の内部抵抗の低減や、放電による内部抵抗の上昇を抑制することができる。
In the method for manufacturing a negative electrode for a lithium primary battery according to the present invention, the alloying step is performed by compressing the Li layer and the Si layer in a stacking direction and alloying Li and Si. It is characterized by.
According to the present invention, the reaction between Li and Si can be facilitated by compressing the Li layer and the Si layer from above and below (stacking direction), and a high-density LiSi layer can be formed. Further, since the expansion of the LiSi layer is suppressed by the compression, a substantial distance between the positive electrode and the negative electrode can be maintained even when the discharge proceeds. Thereby, reduction of the internal resistance of a battery and the raise of the internal resistance by discharge can be suppressed.

本発明に係るリチウム一次電池の製造方法は、前記正極と、前記負極と、前記非水電解質と、これらを収納する正極缶、負極缶、及びガスケットを備えたリチウム一次電池の製造方法であって、前記合金化工程は、前記正極缶と前記負極缶とをカシメ封口することにより、前記Li層と前記Si層とを積層方向に圧縮することを特徴とする。
本発明によれば、電池の正極缶と負極缶とのカシメ封口により、Li層とSi層とを十分に圧縮することができる。これにより、放電末期においても内部抵抗の低いコイン型のリチウム一次電池を容易に作製することができる。
A method for manufacturing a lithium primary battery according to the present invention is a method for manufacturing a lithium primary battery including the positive electrode, the negative electrode, the nonaqueous electrolyte, a positive electrode can, a negative electrode can, and a gasket that house them. The alloying step compresses the Li layer and the Si layer in the stacking direction by caulking and sealing the positive electrode can and the negative electrode can.
According to the present invention, the Li layer and the Si layer can be sufficiently compressed by the caulking sealing between the positive electrode can and the negative electrode can of the battery. Thereby, a coin-type lithium primary battery with low internal resistance can be easily manufactured even at the end of discharge.

本発明によれば、未使用から放電末期まで内部抵抗の上昇を抑制することができるリチウム一次電池を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the lithium primary battery which can suppress a raise of internal resistance from unused to the last stage of discharge can be provided.

本発明の実施形態のリチウム一次電池を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the lithium primary battery of embodiment of this invention. 本発明の実施形態のリチウム一次電池を示す断面図であって、合金化前の状態を示すものである。It is sectional drawing which shows the lithium primary battery of embodiment of this invention, Comprising: The state before alloying is shown. 本発明の実施形態のリチウム一次電池を示す断面図であって、放電末期の状態を示すものである。It is sectional drawing which shows the lithium primary battery of embodiment of this invention, Comprising: The state of the end stage of discharge is shown. 従来のリチウム一次電池を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the conventional lithium primary battery. 従来のリチウム一次電池を示す断面図であって、放電末期の状態を示すものである。It is sectional drawing which shows the conventional lithium primary battery, Comprising: The state at the end of discharge is shown. 本発明の実施形態のリチウム一次電池の断面図であって、正極の膨張が大きい場合における放電末期の状態を示すものである。It is sectional drawing of the lithium primary battery of embodiment of this invention, Comprising: The state of the end stage of discharge in case the expansion | swelling of a positive electrode is large is shown. 本発明の実施形態のリチウム一次電池を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the lithium primary battery of embodiment of this invention. 本発明の実施形態のリチウム一次電池を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the lithium primary battery of embodiment of this invention. 実施例1及び比較例1〜5に示す負極材料による内部抵抗の違いを示すグラフである。It is a graph which shows the difference in internal resistance by the negative electrode material shown in Example 1 and Comparative Examples 1-5. 実施例2における、負極のLiとSiとのモル比を変化させたときの、放電に伴う内部抵抗の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the internal resistance accompanying discharge when changing the molar ratio of Li of a negative electrode in Example 2, and Si. 実施例3における、原料Si粉末の未整粒時及び粉砕後の粒度分布を示すグラフである。It is a graph which shows the particle size distribution at the time of the un-sized particle of raw material Si powder in Example 3, and after crushing. 実施例3における、Siの粒子径(D50)を変化させたときの、放電に伴う内部抵抗の変化を示すグラフである。In Example 3, when changing the particle diameter of Si (D 50), it is a graph showing changes in the internal resistance due to discharge. 実施例3における、LiとSi合金化前後におけるSi粒子の走査型電子顕微鏡(SEM)による観察像である。It is an observation image by the scanning electron microscope (SEM) of Si particle | grains before and after Li and Si alloying in Example 3. FIG.

以下、本発明に係るリチウム一次電池の実施形態として、コイン(ボタン)形のリチウム一次電池の実施形態を挙げ、この各構成について図面を参照しながら説明する。なお、本発明の構成はコイン(ボタン)形に限られず、アルミラミネート形、角形、円筒形など他の容器の形態においても適用可能である。   Hereinafter, as an embodiment of a lithium primary battery according to the present invention, an embodiment of a coin (button) type lithium primary battery will be described, and each configuration will be described with reference to the drawings. The configuration of the present invention is not limited to the coin (button) shape, but can be applied to other container forms such as an aluminum laminate shape, a square shape, and a cylindrical shape.

(リチウム一次電池の概略)
図1に示すコイン形リチウム一次電池は、有底円筒状の本体部である正極缶2と、正極缶2の開口部を塞ぐ有蓋円筒状の蓋部である負極缶1とを備えている。また正極缶2の開口部の内周面に沿ってガスケット3が設けられ、正極缶2の開口部周縁が内側にカシメることにより固定されている。
(Outline of lithium primary battery)
The coin-type lithium primary battery shown in FIG. 1 includes a positive electrode can 2 that is a bottomed cylindrical main body and a negative electrode can 1 that is a covered cylindrical lid that closes the opening of the positive electrode can 2. Moreover, the gasket 3 is provided along the inner peripheral surface of the opening part of the positive electrode can 2, and the opening part periphery of the positive electrode can 2 is being fixed by crimping inside.

正極缶2及び負極缶1によって形成される電池内部は、正極5と、負極10と、正極5と負極10との間に配置されたセパレータ4と、少なくとも支持塩及び有機溶媒を含む電解液(図示しない)とを備えている。正極5は正極缶2の内面に電気的に接続され、負極10は負極缶1の内面に電気的に接続されている。正極缶2は正極5の集電体として機能し、負極缶1は負極10の集電体として機能している。   The inside of the battery formed by the positive electrode can 2 and the negative electrode can 1 includes a positive electrode 5, a negative electrode 10, a separator 4 disposed between the positive electrode 5 and the negative electrode 10, and an electrolytic solution containing at least a supporting salt and an organic solvent ( (Not shown). The positive electrode 5 is electrically connected to the inner surface of the positive electrode can 2, and the negative electrode 10 is electrically connected to the inner surface of the negative electrode can 1. The positive electrode can 2 functions as a current collector for the positive electrode 5, and the negative electrode can 1 functions as a current collector for the negative electrode 10.

正極缶2と負極缶1の材質は、オーステナイト系ステンレス、フェライト系ステンレス、オーステナイト・フェライト二相ステンレスなど従来公知のものを用いることができる。   As materials for the positive electrode can 2 and the negative electrode can 1, conventionally known materials such as austenitic stainless steel, ferritic stainless steel, and austenitic / ferrite duplex stainless steel can be used.

(負極)
図1に示すように、本実施形態における負極10は、負極缶1の内面に接続しているLi層11と、Li層11の正極と対向する面に形成されるLiSi層12からなる。Li層11はLiからなり、また、LiSi層12はLiとSiとの合金を含む層である。
(Negative electrode)
As shown in FIG. 1, the negative electrode 10 in this embodiment includes a Li layer 11 connected to the inner surface of the negative electrode can 1 and a LiSi layer 12 formed on the surface of the Li layer 11 facing the positive electrode. The Li layer 11 is made of Li, and the LiSi layer 12 is a layer containing an alloy of Li and Si.

負極10の材料として用いるSiの理論容量は4198mAh/g(Li4.4Si)で、現在知られている中で最も高容量な負極活物質である。この理論容量はリチウムイオン二次電池の負極で使われている炭素(LiC6 372mAh/g)、リチウム一次電池の負極で使われているアルミニウム(LiAl 993mAh/g)よりも大きい。 The theoretical capacity of Si used as the material of the negative electrode 10 is 4198 mAh / g (Li 4.4 Si), which is the highest capacity negative electrode active material currently known. This theoretical capacity is larger than carbon (LiC 6 372 mAh / g) used in the negative electrode of the lithium ion secondary battery and aluminum (LiAl 993 mAh / g) used in the negative electrode of the lithium primary battery.

一方、SiはLiと反応させると、炭素やアルミニウムがLiと反応する場合に比べてより激しく膨張する。本発明において、発明者らは、このようにSiがLiと反応する際に激しく膨張する性質を利用してリチウム一次電池を作製すると、内部抵抗上昇を抑制できることを見出した。これを、以下例を挙げて説明する。   On the other hand, when Si reacts with Li, it expands more violently than when carbon or aluminum reacts with Li. In the present invention, the inventors have found that when a lithium primary battery is manufactured using such a property that Si violently expands when reacting with Li, an increase in internal resistance can be suppressed. This will be described below with an example.

本実施形態のリチウム一次電池の合金化前の状態を図2に示す。これはリチウム一次電池が組み立てられた直後の状態である。負極缶1上にはLiからなるLi層11が形成され、このLi層11の上に粉末のSiからなるSi層13が形成されている。また電池内部には電解液が充填されている。   The state before alloying of the lithium primary battery of this embodiment is shown in FIG. This is the state immediately after the lithium primary battery is assembled. An Li layer 11 made of Li is formed on the negative electrode can 1, and an Si layer 13 made of powdered Si is formed on the Li layer 11. The battery is filled with an electrolytic solution.

その後、負極10においてLiとSiとが徐々に反応し、図1に示すLiSi層12が形成される。この反応により生じるLiSi合金の組成はLixSi(0≦x≦4.4)であり、LiとSiとが最大限反応した場合にLi4.4Siとなる。そのため、LiとSiのモル比がLi/Si>4.4であるとき、負極10では未反応のLiからなるLi層11と反応後の合金からなるLiSi層12の2層が形成される。 Thereafter, Li and Si gradually react in the negative electrode 10 to form the LiSi layer 12 shown in FIG. The composition of the LiSi alloy generated by this reaction is Li x Si (0 ≦ x ≦ 4.4). When Li and Si react to the maximum, Li 4.4 Si is obtained. Therefore, when the molar ratio of Li and Si is Li / Si> 4.4, two layers of the Li layer 11 made of unreacted Li and the LiSi layer 12 made of the alloy after the reaction are formed in the negative electrode 10.

電池を放電すると、負極10中において、LiSi層12から正極5へLiが放出されると同時に、Li層11からLiSi層12へLiが補われる。このため、LiSi層12の組成は常にLi4.4Siとなる。特に合金化前のLi層11のLi量を、正極容量とSiの不可逆容量の合計を超える容量に相当する量としておけば、放電末期までLi層11からLiSi層12へLiを供給し続けることができる。そのため、LiSi層12の組成は未使用電池から放電末期まで常にLi4.4Siとなる。 When the battery is discharged, in the negative electrode 10, Li is released from the LiSi layer 12 to the positive electrode 5, and at the same time, Li is supplemented from the Li layer 11 to the LiSi layer 12. For this reason, the composition of the LiSi layer 12 is always Li 4.4 Si. In particular, if the amount of Li in the Li layer 11 before alloying is set to an amount that exceeds the total of the positive electrode capacity and the irreversible capacity of Si, the supply of Li from the Li layer 11 to the LiSi layer 12 is continued until the end of discharge. Can do. Therefore, the composition of the LiSi layer 12 is always Li 4.4 Si from the unused battery to the end of discharge.

また、Si層13は反応させるLi量が多いほど合金化による膨張が大きく、合金組成がLi4.4Siで膨張が最大となる。そのため、負極に十分な量のLiが供給されたSi層13は未使用電池から放電末期まで常に最大の膨張が得られることになる。 Further, the Si layer 13 has a larger expansion due to alloying as the amount of Li to be reacted is larger, and the expansion is maximized when the alloy composition is Li 4.4 Si. Therefore, the Si layer 13 to which a sufficient amount of Li is supplied to the negative electrode always obtains the maximum expansion from the unused battery to the end of discharge.

図2に示す合金化前のリチウム一次電池において、Si層13は正極缶2と負極缶1及びガスケット3によるカシメの力で圧縮されている。Si層13はLiと反応するとLiSi合金を形成し膨張しようとするが、カシメの力で圧縮されているため膨張が抑制される。これにより、図1のような高密度なLiSi層12が形成される。   In the lithium primary battery before alloying shown in FIG. 2, the Si layer 13 is compressed by the caulking force of the positive electrode can 2, the negative electrode can 1, and the gasket 3. When the Si layer 13 reacts with Li, it forms a LiSi alloy and tries to expand. However, since the Si layer 13 is compressed by the caulking force, the expansion is suppressed. Thereby, a high-density LiSi layer 12 as shown in FIG. 1 is formed.

この電池を放電したときの断面を図3に示す。放電によりLiが消費されるに従い、Li層11が減少する。その一方、Li層11の減少分だけ、カシメにより圧縮されていたLiSi層12が膨張し密度が低くなる。リチウム一次電池は、LiSi層12の密度が低くなった分だけ若干の内部抵抗上昇があるが、LiSi層12の粒子間に電解液が含まれているため導電性が保たれる。よって、電池の未使用から放電末期までの状態を通して、正極5−負極10間に実質的な隙間が生じず、正極−負極間の距離が保たれるため、電池の内部抵抗上昇を抑制することができる。   FIG. 3 shows a cross section when the battery is discharged. As Li is consumed by the discharge, the Li layer 11 decreases. On the other hand, the LiSi layer 12 that has been compressed by caulking is expanded by the amount of decrease of the Li layer 11 and the density is lowered. The lithium primary battery has a slight increase in internal resistance as much as the density of the LiSi layer 12 is lowered, but the conductivity is maintained because the electrolyte solution is contained between the particles of the LiSi layer 12. Therefore, since a substantial gap does not occur between the positive electrode 5 and the negative electrode 10 and the distance between the positive electrode and the negative electrode is maintained throughout the state from the unused period of the battery to the end of discharge, the increase in the internal resistance of the battery is suppressed. Can do.

一方、負極10のLiとSiのモル比を、Li/Si≦4.4とすると、負極10はLiSi層12の1層だけとなり2層とならない。このようにLi量が少ないと、放電の際のLiSi層12の膨張が小さいため、正極5−負極10の隙間をLiSi層12により埋めにくくなり内部抵抗が大きくなる。またLi量が少ないことから、電池容量も小さくなる。   On the other hand, when the molar ratio of Li and Si in the negative electrode 10 is Li / Si ≦ 4.4, the negative electrode 10 has only one LiSi layer 12 and does not have two layers. Thus, when the amount of Li is small, the expansion of the LiSi layer 12 during discharge is small, so that it is difficult to fill the gap between the positive electrode 5 and the negative electrode 10 with the LiSi layer 12, and the internal resistance increases. Further, since the amount of Li is small, the battery capacity is also small.

このように負極10のLi上にSiを設け、モル比をLi/Si>4.4とすれば、未使用から放電末期までの内部抵抗上昇を抑制することができ、かつ高容量なリチウム一次電池とすることができる。   Thus, if Si is provided on Li of the negative electrode 10 and the molar ratio is Li / Si> 4.4, an increase in internal resistance from unused to the end of discharge can be suppressed, and high capacity lithium primary It can be a battery.

負極10におけるLiとSiのモル比Li/Siは、上記のようにLi/Si>4.4であれば、Li層11とLiSi層12の2層が形成され、本願の効果を奏するものである。特にLiとSiのモル比がLi/Si≧15となる関係であれば、高容量で内部抵抗が小さいリチウム一次電池を作成することができ好ましい。また、Li/Siが大きくなると、LiSi層12の充分な膨張が得られず、内部抵抗が大きくなる。そのため、LiとSiのモル比はLi/Si≦100であることが好ましく、Li/Si≦50であればより好ましい。また、最適なLi/Siの値は負極の厚みに依存する。このため、所定の電池サイズでLi/Si比の最適化をすれば、高容量かつ内部抵抗の低い電池を作成することができる。   When the Li / Si molar ratio Li / Si in the negative electrode 10 is Li / Si> 4.4 as described above, two layers of the Li layer 11 and the LiSi layer 12 are formed, and the effects of the present application are achieved. is there. In particular, if the molar ratio of Li to Si is Li / Si ≧ 15, a lithium primary battery having a high capacity and a low internal resistance can be produced. Further, when Li / Si increases, sufficient expansion of the LiSi layer 12 cannot be obtained, and the internal resistance increases. Therefore, the molar ratio of Li to Si is preferably Li / Si ≦ 100, and more preferably Li / Si ≦ 50. The optimum Li / Si value depends on the thickness of the negative electrode. For this reason, if the Li / Si ratio is optimized with a predetermined battery size, a battery having a high capacity and a low internal resistance can be produced.

比較としてLiSi層を形成しない場合の電池の構成を図4及び図5に示す。図4は未使用状態の電池を示す図である。負極10はLi層11のみで構成されている。
図5は放電が進んだ放電末期における電池の状態を示すものである。電池を放電させると、負極10のLiは正極と対向する面から溶け出し正極を還元させる。正極5と負極10(Li層11)との距離は、電池が未使用の場合はセパレータ4の厚みだけである。放電が進むと、放電とともにLiの体積が減少し、正極5と負極10との間に隙間20が生じる。これにより正極5と負極10との距離は徐々に大きくなり、電池の内部抵抗が高くなる。放電末期はLi層11がなくなるため、正極5と負極10との隙間20が最大となり内部抵抗も最大となる。負極10の厚みが大きいほどこの影響が顕著になる。
As a comparison, FIGS. 4 and 5 show the structure of the battery when the LiSi layer is not formed. FIG. 4 is a diagram showing a battery in an unused state. The negative electrode 10 is composed of only the Li layer 11.
FIG. 5 shows the state of the battery at the end of discharge when the discharge has progressed. When the battery is discharged, Li of the negative electrode 10 melts from the surface facing the positive electrode and reduces the positive electrode. The distance between the positive electrode 5 and the negative electrode 10 (Li layer 11) is only the thickness of the separator 4 when the battery is not used. As the discharge progresses, the volume of Li decreases with the discharge, and a gap 20 is generated between the positive electrode 5 and the negative electrode 10. As a result, the distance between the positive electrode 5 and the negative electrode 10 gradually increases, and the internal resistance of the battery increases. Since the Li layer 11 disappears at the end of discharge, the gap 20 between the positive electrode 5 and the negative electrode 10 is maximized and the internal resistance is also maximized. This effect becomes more prominent as the thickness of the negative electrode 10 increases.

本発明における負極10は、Li層11とLiSi層12の少なくとも2層を有するものである。例えば、Liは酸素、窒素、二酸化炭素、水分など大気中の成分と反応しやすいため、取り扱いなどでLi表面に薄い層ができる場合がある。またLiと電解液成分で反応し、Li層11やLiSi層13の表面に薄い層ができる場合がある。   The negative electrode 10 in the present invention has at least two layers of a Li layer 11 and a LiSi layer 12. For example, since Li easily reacts with components in the atmosphere such as oxygen, nitrogen, carbon dioxide, and moisture, a thin layer may be formed on the Li surface by handling. Moreover, it reacts with Li and an electrolyte component, and a thin layer may be formed on the surface of the Li layer 11 or the LiSi layer 13 in some cases.

また本実施形態における負極10は、Li層11とLiSi層12の2層の他に、さらに別の層を有していてもよい。例えば、図7に示すように第3層14を設けてもよい。この第3層14は、Li層11と負極缶1を固定するための炭素粒子とバインダーが含有されている接着層や、LiとAl、Pb、Zn、Sn、Bi、In、Ga、Mgなどの合金層とすることができる。   In addition, the negative electrode 10 in this embodiment may have another layer in addition to the two layers of the Li layer 11 and the LiSi layer 12. For example, a third layer 14 may be provided as shown in FIG. The third layer 14 includes an adhesive layer containing carbon particles and a binder for fixing the Li layer 11 and the negative electrode can 1, Li, Al, Pb, Zn, Sn, Bi, In, Ga, Mg, and the like. It can be set as an alloy layer.

本実施形態におけるLiSi層12は、図1に示すように、正極5と対向する面に形成されている。電池の内部抵抗低減のために必要なことは、正極5と負極10の対向面積を大きく、正極5−負極10間の距離を短く、また正極5−負極10間に充分な量の電解液を含ませることである。粉末のLiSi層12を正極5と対向する面に形成することで負極10の表面積を大きくすることができ、また電解液を含みやすいため内部抵抗低減に有利となる。   As shown in FIG. 1, the LiSi layer 12 in the present embodiment is formed on the surface facing the positive electrode 5. What is necessary for reducing the internal resistance of the battery is that the facing area between the positive electrode 5 and the negative electrode 10 is large, the distance between the positive electrode 5 and the negative electrode 10 is short, and a sufficient amount of electrolyte is provided between the positive electrode 5 and the negative electrode 10. It is to include. By forming the powdered LiSi layer 12 on the surface facing the positive electrode 5, the surface area of the negative electrode 10 can be increased, and it is easy to contain an electrolytic solution, which is advantageous for reducing internal resistance.

Liと合金化前のSi粒子、及び、合金化後のLixSi粒子について、走査型電子顕微鏡(SEM)による観察像を図13に示す。レーザ回折・散乱法で測定した粒度分布における中位径(D50)で表される粒子径が11.6μmである合金化前のSi粒子は、合金化により細かく割れ、合金化前後で大きな変化があった。一方、粒子径が小さい場合(1.6μm及び0.2μm)には、合金化前後の粒子径変化は小さかった。特に粒子径が0.2μmのSi粒子はほとんど変化がなかった。これらのSi粒子を用いた電池の放電時の内部抵抗の変化を図12に示す。Si粒子径が11.6μmを使いLiSi層を形成した電池は内部抵抗が小さかった。これに対し、粒子径が1.6μm及び0.2μmの粉末Siを使った電池の内部抵抗は、11.6μmの場合に比べ大きかった。 FIG. 13 shows images observed with a scanning electron microscope (SEM) of Li and Si particles before alloying and Li x Si particles after alloying. The pre-alloyed Si particles with a median diameter (D 50 ) of 11.6 μm in the particle size distribution measured by the laser diffraction / scattering method are finely cracked by alloying and change greatly before and after alloying. was there. On the other hand, when the particle size was small (1.6 μm and 0.2 μm), the particle size change before and after alloying was small. In particular, Si particles having a particle diameter of 0.2 μm hardly changed. FIG. 12 shows changes in internal resistance during discharge of a battery using these Si particles. A battery in which a LiSi layer was formed using a Si particle diameter of 11.6 μm had a low internal resistance. On the other hand, the internal resistance of the battery using powder Si having particle diameters of 1.6 μm and 0.2 μm was larger than that of 11.6 μm.

すなわち、粒子径の大きなSi粒子は、Liとの合金化反応による粒子の割れが多く、膨張が大きいLiSi層が得られる。このため、電池の内部抵抗を低くすることができる。これに対し、小さい粒子になるほど合金化による粒子の割れが少なくなりLiSi層の膨張が小さいため、電池の内部抵抗も高くなってしまう。   That is, Si particles having a large particle diameter are often cracked due to an alloying reaction with Li, and a LiSi layer having a large expansion can be obtained. For this reason, the internal resistance of a battery can be made low. On the other hand, the smaller the particles, the smaller the particle cracking due to alloying, and the smaller the expansion of the LiSi layer, the higher the internal resistance of the battery.

ここで図13に示すように、Si粒子径が11.6μmの場合には、合金化後のLiSiの粒子径は2μm以上となっている。一方、Si粒子径が1.6μmの場合には、合金化後の粒子径の変化は小さい。このことから、LiSi層12におけるLiSiの粒子径が2μmとなるような粒子径のSiをSi層13に用いることが好ましい。   Here, as shown in FIG. 13, when the Si particle diameter is 11.6 μm, the particle diameter of LiSi after alloying is 2 μm or more. On the other hand, when the Si particle diameter is 1.6 μm, the change in the particle diameter after alloying is small. Therefore, it is preferable to use Si having a particle diameter such that the LiSi particle diameter in the LiSi layer 12 is 2 μm for the Si layer 13.

Si層13に用いるSi粉末は、粉砕前のものをそのまま用いる場合には粒子径は数十μm程度となり、ボールミル等により適宜粒子径を調整して用いることができる。粉末状であれば、Si層13の厚みの範囲内でSi粒子径は大きいほど好ましい。   The Si powder used for the Si layer 13 has a particle diameter of about several tens of μm when the powder before pulverization is used as it is, and can be used by appropriately adjusting the particle diameter by a ball mill or the like. If it is a powder form, the Si particle diameter is preferably as large as possible within the range of the thickness of the Si layer 13.

本実施形態におけるLiSi層12は、LiSi合金に加えて、炭素や樹脂を含んでもよい。電池のサイズが小さい場合は、LiSi層12の形成に用いるSi量が微量になるため、Li層11の上に加えるSi量をプロセス上一定にすることが難しくなる。また、Siは粉末であることから取り扱いが困難である。そのためSi層13は、Si粉末に炭素粉末や樹脂を加えて量や厚みを増やしたものを使用することにより、大量生産を容易にすることができる。   The LiSi layer 12 in this embodiment may contain carbon or resin in addition to the LiSi alloy. When the size of the battery is small, the amount of Si used to form the LiSi layer 12 becomes a very small amount, so it is difficult to keep the amount of Si added on the Li layer 11 constant in the process. Further, since Si is a powder, it is difficult to handle. Therefore, the Si layer 13 can be easily mass-produced by using a carbon powder or resin added to the Si powder to increase the amount or thickness.

炭素材料としては、電池の電極の導電助剤として用いられるグラファイトや、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどを用いることができる。また、樹脂としては、電池の電極のバインダーとして用いられる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)、カルボキシビニルポリマー、ポリアクリル酸ナトリウム、カルボキシメチルセルロース(CMC)の他、種々の材料を用いることができる。   As the carbon material, graphite, acetylene black, ketjen black, or the like used as a conductive aid for battery electrodes can be used. In addition, as a resin, various materials other than polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), carboxyvinyl polymer, sodium polyacrylate, carboxymethylcellulose (CMC) used as a binder for battery electrodes can be used. Can be used.

このような炭素や樹脂を含んだLiSi層12は、Si粉末と炭素や樹脂を含んだSi層13が電池内でLiと反応することにより形成される。例えば、Si粉末と炭素粉末と樹脂とを混合し、圧縮成型により形成したペレットをSi層13とすることができる。このペレットを十分に乾燥させた後Li層11の上に載置し、電池を組み立てることによりLiSi層12とすることができる。   Such a LiSi layer 12 containing carbon or resin is formed by reacting Si powder and Si layer 13 containing carbon or resin with Li in the battery. For example, Si powder, carbon powder, and resin can be mixed, and the pellet formed by compression molding can be used as the Si layer 13. The pellets are sufficiently dried and then placed on the Li layer 11 to form the LiSi layer 12 by assembling the battery.

また、Si粉末と炭素粉末と樹脂と溶媒を混合したスラリーを作製し、Li層11の上に滴下し乾燥させることにより溶媒を除去しSi層13を形成することもできる。このときの溶媒としては、Liと反応しない非水溶媒を用いる。また、樹脂はこの溶媒に可溶なものが好ましい。例えば、非水溶媒として、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、樹脂にPVDFなどを用いることができる。   Alternatively, a slurry in which Si powder, carbon powder, resin, and solvent are mixed is prepared, and dropped onto the Li layer 11 and dried to remove the solvent, thereby forming the Si layer 13. As the solvent at this time, a non-aqueous solvent that does not react with Li is used. The resin is preferably soluble in this solvent. For example, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) can be used as the non-aqueous solvent, and PVDF can be used as the resin.

このようなスラリーを用いるLiSi層12の形成方法では、図8に示すように、LiSi層12がLi層11の全面に広がらないことがある。このような場合であっても、負極10において、LiSi層12の面積がLi層11の面積の50%以上あれば、負極10がLi層11とLiSi層12の2層を含むことによる内部抵抗低減効果が得られる。一方、LiSi層12の面積がLi層11の面積の50%未満の場合、このような内部抵抗低減効果がほとんどなくなる。   In the method of forming the LiSi layer 12 using such a slurry, the LiSi layer 12 may not spread over the entire surface of the Li layer 11 as shown in FIG. Even in such a case, in the negative electrode 10, if the area of the LiSi layer 12 is 50% or more of the area of the Li layer 11, the internal resistance due to the negative electrode 10 including two layers of the Li layer 11 and the LiSi layer 12. A reduction effect is obtained. On the other hand, when the area of the LiSi layer 12 is less than 50% of the area of the Li layer 11, such an internal resistance reduction effect is almost lost.

(正極)
正極5は、リチウム一次電池の材料として用いられる正極活物質を用いることができる。特に、二酸化マンガン、フッ化黒鉛、硫化鉄、酸化銅(II)などを用いることが好ましい。これらの正極活物質は電気伝導性に乏しいため、炭素などの導電助剤とバインダーとが正極5に添加される。これらの正極材料を造粒して顆粒にしたものを圧縮成形しペレットにすることにより、正極5として用いることができる。また、これらの材料を溶媒に分散させスラリーとし、アルミニウム等の金属箔に塗布したものを正極5として用いることができる。
(Positive electrode)
As the positive electrode 5, a positive electrode active material used as a material for a lithium primary battery can be used. In particular, it is preferable to use manganese dioxide, graphite fluoride, iron sulfide, copper (II) oxide, or the like. Since these positive electrode active materials have poor electrical conductivity, a conductive additive such as carbon and a binder are added to the positive electrode 5. These positive electrode materials can be used as the positive electrode 5 by granulating and granulating them into pellets. Further, a material in which these materials are dispersed in a solvent to form a slurry and applied to a metal foil such as aluminum can be used as the positive electrode 5.

導電助剤としては、グラファイトや、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどを用いることができる。また、バインダーとしては、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)、カルボキシビニルポリマー、ポリアクリル酸ナトリウム、カルボキシメチルセルロース(CMC)などを用いることができる。   As the conductive assistant, graphite, acetylene black, ketjen black, or the like can be used. As the binder, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), carboxyvinyl polymer, sodium polyacrylate, carboxymethyl cellulose (CMC), or the like can be used.

また、正極も放電すると膨らむ場合がある。図1に示すリチウム一次電池の構成において、正極活物質に二酸化マンガンを用いた場合と酸化銅(II)を用いた場合とで比較を行った。電池を作製し完全放電した後、透過X線により正極を観察したところ、二酸化マンガンを用いた電池は図3に示すような、ほとんど正極の膨らみがない構造が観察された。これに対し、酸化銅(II)を使った電池では、図6に示すような、正極が激しく膨張する構造が観察された。このように正極が膨張しやすい正極活物質を用いると、放電してもLiSi層12の密度が低くなりにくいため、内部抵抗を低くする効果がある。   Also, the positive electrode may swell when discharged. In the configuration of the lithium primary battery shown in FIG. 1, a comparison was made between the case where manganese dioxide was used as the positive electrode active material and the case where copper (II) oxide was used. After the battery was produced and completely discharged, the positive electrode was observed by transmission X-ray. As a result, the battery using manganese dioxide had a structure with almost no positive electrode swelling as shown in FIG. On the other hand, in the battery using copper (II) oxide, a structure in which the positive electrode swells violently as shown in FIG. 6 was observed. Thus, when the positive electrode active material in which the positive electrode is easy to expand is used, the density of the LiSi layer 12 is not easily lowered even when discharged, and thus the internal resistance is reduced.

(セパレータ)
セパレータ4は、大きなイオン透過度を有し、機械的強度を有する絶縁膜を用いることができる。例えば、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミド、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチエン、ガラス繊維、セルロース、ポリオレフィンなどがある。
(Separator)
For the separator 4, an insulating film having high ion permeability and mechanical strength can be used. For example, polyphenylene sulfide, polyamide, polyimide, polytetrafluoroethylene, glass fiber, cellulose, polyolefin, and the like can be given.

(ガスケット)
ガスケット3は、図1に示すように、正極缶2の内周面に沿って円環状に形成され、その環状溝の内部に負極缶1の端部が配置される。ガスケット3の材質としては、例えば、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、液晶ポリマー、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樹脂(PFA)、ポリエーテルエーテルケトン樹脂(PEEK)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエーテルニトリル樹脂(PEN)、ポリエーテルケトン樹脂(PEK)、ポリアリレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂(PBT)、ポリシクロヘキサンジメチレンテレフタレート樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂(PES)、ポリアミノビスマレイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、フッ素樹脂等の樹脂を用いることができる。
(gasket)
As shown in FIG. 1, the gasket 3 is formed in an annular shape along the inner peripheral surface of the positive electrode can 2, and the end of the negative electrode can 1 is disposed inside the annular groove. Examples of the material of the gasket 3 include polypropylene resin, polyethylene terephthalate, polyamide, liquid crystal polymer, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer resin (PFA), polyether ether ketone resin (PEEK), polyphenylene sulfide (PPS), Polyether nitrile resin (PEN), polyether ketone resin (PEK), polyarylate resin, polybutylene terephthalate resin (PBT), polycyclohexanedimethylene terephthalate resin, polyether sulfone resin (PES), polyamino bismaleimide resin, polyether Resins such as imide resins and fluororesins can be used.

(非水電解質)
非水電解質としては、例えばアセトニトリル、ジエチルエーテル、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボーネート、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトンなどを1種、または複数混合した非水溶媒に、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、ホウフッ化リチウム(LiBF4)、六フッ化砒素リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム[LiN(CF3SO22]などの支持塩を溶解した非水電解液を用いることができる。また、液体、ゲル状、イオン液体、固体電解質など、実質的に水を含まず従来から知られているものを非水電解質として用いることができる。
(Nonaqueous electrolyte)
Examples of the non-aqueous electrolyte include acetonitrile, diethyl ether, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, propylene carbonate, ethylene carbonate, γ-butyrolactone, and the like, or a non-aqueous solvent in which a plurality of them are mixed. In addition, lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium borofluoride (LiBF 4 ), lithium hexafluoroarsenide (LiAsF 6 ), lithium trifluorometasulfonate (LiCF 3 SO) 3 ) A nonaqueous electrolytic solution in which a supporting salt such as bistrifluoromethylsulfonylimide lithium [LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ] is dissolved can be used. Moreover, what is known conventionally and does not contain water substantially, such as a liquid, a gel form, an ionic liquid, and a solid electrolyte, can be used as a non-aqueous electrolyte.

(電池の製造)
次に、本実施形態におけるリチウム一次電池の製造方法について示す。図1に示すコイン形リチウム一次電池は、正極缶2上に正極5を形成する工程と、負極缶1上に負極10を形成する工程と、セパレータ4を正極5上に載置し、セパレータ4、正極5、負極10に電解液を注液し含浸させる工程と、正極缶2と負極缶1とをガスケット3を介してカシメ封口により電池を組み立てる工程とにより製造することができる。
(Manufacture of batteries)
Next, the manufacturing method of the lithium primary battery in this embodiment is shown. The coin-type lithium primary battery shown in FIG. 1 includes a step of forming the positive electrode 5 on the positive electrode can 2, a step of forming the negative electrode 10 on the negative electrode can 1, and a separator 4 placed on the positive electrode 5. The positive electrode 5 and the negative electrode 10 can be manufactured by injecting an electrolyte solution and impregnating the positive electrode can 2 and the negative electrode can 1 through the gasket 3 and assembling the battery by caulking.

ここで本実施形態において、負極10を形成する工程は、負極缶1上にLi層11を形成する工程と、Li層11上にSi層13を形成する工程と、電池内部でLiとSiとを合金化させLiSi層12を形成する工程とからなる。このように電池内部でLiとSiとを合金化させることにより、組立直後においてLiSi層12は電池内部で圧縮され膨張が抑制される。また、図3に示すように、放電末期においては、Li層11が減少する分だけLiSi層12が膨張し、正極と負極の間の実質的な隙間が発生しなくなる。これにより、放電末期においても内部抵抗上昇を抑制することができる。
この他に、LiとSiとの合金を予め作製し、これをLi層11の上に載置した後、電池を組み立てることにより、図1に示すLiSi層12を形成することができる。
Here, in the present embodiment, the step of forming the negative electrode 10 includes the step of forming the Li layer 11 on the negative electrode can 1, the step of forming the Si layer 13 on the Li layer 11, and Li and Si inside the battery. And forming a LiSi layer 12. In this way, by alloying Li and Si inside the battery, the LiSi layer 12 is compressed inside the battery and the expansion is suppressed immediately after assembly. Further, as shown in FIG. 3, at the end of discharge, the LiSi layer 12 expands by the amount of decrease of the Li layer 11, and no substantial gap is generated between the positive electrode and the negative electrode. Thereby, an increase in internal resistance can be suppressed even at the end of discharge.
In addition, the LiSi layer 12 shown in FIG. 1 can be formed by preparing an alloy of Li and Si in advance, placing this on the Li layer 11, and then assembling the battery.

また、本実施形態におけるリチウム一次電池において、正極活物質に酸化銅(II)を用いる場合には、電池作製の際に、正極を還元させることにより所定の公称電圧で使用される。このリチウム一次電池では、組立て後の開路電圧が約3Vあるのに対し、JISC8500に規定されている公称電圧が1.5Vのため、電圧を下げる必要がある。電圧を下げる方法としては例えば、電池組立後に外部回路を通じて予備放電し負極リチウムの一部で正極を還元させる方法や、電池組立の際に、あらかじめ正極にリチウムを接触させ正極の一部を還元させておく方法がある。これらの方法で所定の電圧とすることができる。   In the lithium primary battery according to this embodiment, when copper (II) oxide is used as the positive electrode active material, the positive electrode is reduced and used at a predetermined nominal voltage when the battery is manufactured. In this lithium primary battery, the open circuit voltage after assembly is about 3V, whereas the nominal voltage specified in JISC8500 is 1.5V, so the voltage needs to be lowered. As a method for lowering the voltage, for example, a predischarge is performed through an external circuit after the battery is assembled, and the positive electrode is reduced with a part of the negative electrode lithium. There is a way to keep it. A predetermined voltage can be obtained by these methods.

(電池形状)
本実施形態では、コイン(ボタン)形のリチウム一次電池を例に挙げ説明した。コイン(ボタン)形のリチウム一次電池では、正極缶2と負極缶1とをカシメ封口することにより、LiSi層12の膨張を抑制し高密度なLiSi層を形成することができる。
(Battery shape)
In the present embodiment, a coin (button) type lithium primary battery has been described as an example. In the coin (button) lithium primary battery, the positive electrode can 2 and the negative electrode can 1 are caulked and sealed, thereby suppressing the expansion of the LiSi layer 12 and forming a high-density LiSi layer.

また、本実施形態はLiSi層12に力をかけ膨張を抑制することができれば他の電池形状を用いることができる。電池形状としては例えば、アルミラミネート形、角形、円筒型などが挙げられる。   Further, in the present embodiment, other battery shapes can be used as long as a force can be applied to the LiSi layer 12 to suppress expansion. Examples of the battery shape include an aluminum laminate shape, a square shape, and a cylindrical shape.

アルミラミネート形は、金属箔に電極材料を塗布したものを正極、負極とし、間にセパレータを挟み積層電極とし、これらをアルミラミネート製の袋にいれ、袋内を減圧することで、正極、負極、セパレータを潰す力を得ることができる。また、角形は積層電極の厚みを外装缶の内径より大きくすることで力を得ることができる。円筒型は金属箔に電極材料を塗布したものを正極、負極とし、間にセパレータを挟んだものを、巻くことで力を得ることができる。このとき電極形状は、電池形状に合わせて、ペレット電極、巻回電極、積層電極など種々の形状のものを用いることができる。   The aluminum laminate type consists of a metal foil coated with an electrode material as a positive electrode and a negative electrode, with a separator sandwiched between them to form a laminated electrode, which is placed in an aluminum laminate bag, and the bag is decompressed to produce a positive electrode and a negative electrode The force which crushes a separator can be obtained. In addition, the square can obtain a force by making the thickness of the laminated electrode larger than the inner diameter of the outer can. The cylindrical type can obtain force by winding a metal foil coated with an electrode material as a positive electrode and a negative electrode and sandwiching a separator between them. At this time, various electrode shapes such as a pellet electrode, a wound electrode, and a laminated electrode can be used in accordance with the battery shape.

このようにどのような形状の電池も、内部抵抗低減のため、正負極電極は外装などの力を利用して正極は負極側へ、負極は正極側へ力をかけることができる。このため、負極のリチウムが放電によって減少しても、LiSi層の密度が低くなるだけで、実質的に正極と負極との隙間が生じず、低い内部抵抗のリチウム一次電池を作製できる。   As described above, in any shape of the battery, the positive and negative electrodes can apply force to the negative electrode side and the negative electrode can apply force to the negative electrode side and the negative electrode to the positive electrode side in order to reduce internal resistance. For this reason, even if lithium in the negative electrode decreases due to discharge, the density of the LiSi layer only decreases, so that a gap between the positive electrode and the negative electrode is not substantially generated, and a lithium primary battery with low internal resistance can be manufactured.

次に、実施例及び比較例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。
(実施例1)
実施例1においては、図1に示すようなコイン型リチウム一次電池を作製した。正極は酸化銅(II)とグラファイトとカルボキシメチルセルロースを混合、造粒し顆粒としたものを圧縮成型によりペレット状とし、乾燥した後ステンレス製の正極缶の上に置いた。
Next, an Example and a comparative example are shown and this invention is demonstrated further more concretely.
Example 1
In Example 1, a coin-type lithium primary battery as shown in FIG. 1 was produced. The positive electrode was prepared by mixing and granulating copper (II) oxide, graphite, and carboxymethyl cellulose into a pellet by compression molding, drying, and placing on a stainless steel positive electrode can.

負極はLi箔を打ち抜きLi層とし、ステンレス製の負極缶の上に貼り付けた。またSiは、純度96%以上のものを用いた。このSiの粒子径をレーザ回折・散乱法で測定したところ、D50=11.6μmであった。Si層は、Si95重量%とカルボキシメチルセルロース5重量%を混合したものを圧縮成型し、厚さ100μmのペレット状のSi層を得、乾燥した後Li層の上に貼り付けた。このとき、負極におけるLiとSiとのモル比はLi/Si=17とした。 As the negative electrode, a Li foil was punched out to form a Li layer, which was attached onto a stainless steel negative electrode can. Si having a purity of 96% or more was used. When the particle diameter of this Si was measured by a laser diffraction / scattering method, it was D 50 = 11.6 μm. As the Si layer, a mixture of 95% by weight of Si and 5% by weight of carboxymethyl cellulose was compression-molded to obtain a pellet-shaped Si layer having a thickness of 100 μm, dried, and pasted on the Li layer. At this time, the molar ratio between Li and Si in the negative electrode was Li / Si = 17.

電解液はエチレンカーボネートと1,2−ジメトキシエタンの混合溶媒にLiPF6を溶解したものを用いた。セパレータはポリオレフィン微多孔膜を用いた。そしてセパレータと正極とSi層に電解液を含浸させ、負極缶の上から力をかけ、ポリプロピレン製のガスケットとステンレス製の正極缶でカシメ封口し、外径6.8mm、厚み2.6mmのコイン型リチウム一次電池を作製した。 The electrolytic solution used was a solution of LiPF 6 in a mixed solvent of ethylene carbonate and 1,2-dimethoxyethane. The separator used was a polyolefin microporous membrane. The separator, the positive electrode, and the Si layer are impregnated with an electrolytic solution, and a force is applied from above the negative electrode can, and it is sealed with a polypropylene gasket and a stainless steel positive electrode can, and a coin having an outer diameter of 6.8 mm and a thickness of 2.6 mm Type lithium primary battery was produced.

電池をカシメ封口してから7日経過した後、電池の厚みを測定したところ、2.7mmとなっており、電池封口直後より0.1mm膨らんでいた。これはLiとSiの反応により負極が膨張したことによる。そのため、再度負極缶の上から力をかけ、カシメ封口を行い、電池厚みを2.6mmに戻した。その後、電池を分解しLiSi層の厚みを測定した。電池の内部抵抗の測定は、各放電深度まで放電した後、−10℃中で行った。測定方法はIEC60086−3に規定されている通り、開路電圧と、2kΩの負荷抵抗を7.8mS接続した後の閉路電圧との差から求めた。   After 7 days had passed since the battery was sealed, the thickness of the battery was measured to be 2.7 mm, which was 0.1 mm larger than immediately after the battery was sealed. This is because the negative electrode expanded due to the reaction between Li and Si. Therefore, force was again applied from above the negative electrode can to perform caulking sealing, and the battery thickness was returned to 2.6 mm. Thereafter, the battery was disassembled and the thickness of the LiSi layer was measured. The internal resistance of the battery was measured at −10 ° C. after discharging to each discharge depth. The measurement method was determined from the difference between the open circuit voltage and the closed circuit voltage after connecting a load resistance of 2 kΩ to 7.8 mS, as defined in IEC 60086-3.

(比較例1)
比較のために、図4のように負極をLiだけで構成し、その他は実施例1と同様の電池を作製した。
(比較例2)
比較のために、負極をLiの上に厚み100μmのAl箔に変えた他は実施例1と同様の電池を作製した。
(比較例3)
比較のために、負極をLiの上にグラファイト95重量%とカルボキシメチルセルロース5重量%を混合したものを圧縮成型し、厚さ100μmのグラファイト層に変えた他は実施例1と同様の電池を作製した。
(比較例4)
比較のために、負極をLiの上にSiO95重量%とカルボキシメチルセルロース5重量%を混合したものを圧縮成型し、厚さ100μmのSiO層に変えた他は実施例1と同様の電池を作製した。
(比較例5)
比較のために、負極をLiの上にLi4Ti51295重量%とカルボキシメチルセルロース5重量%を混合したものを圧縮成型し、厚さ100μmのLi4Ti512層に変えた他は実施例1と同様の電池を作製した。
(Comparative Example 1)
For comparison, a battery was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode was composed only of Li as shown in FIG.
(Comparative Example 2)
For comparison, a battery was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode was changed to an Al foil having a thickness of 100 μm on Li.
(Comparative Example 3)
For comparison, a battery was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the anode was compression-molded with 95% by weight of graphite and 5% by weight of carboxymethylcellulose mixed on Li and changed to a graphite layer with a thickness of 100 μm. did.
(Comparative Example 4)
For comparison, a battery was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode was a mixture of 95% by weight of SiO and 5% by weight of carboxymethylcellulose formed on Li by compression molding and changing to a 100 μm thick SiO layer. .
(Comparative Example 5)
For comparison, the negative electrode was compression-molded with a mixture of 95% by weight of Li 4 Ti 5 O 12 and 5% by weight of carboxymethyl cellulose on Li, and changed to a Li 4 Ti 5 O 12 layer having a thickness of 100 μm. Produced the same battery as in Example 1.

実施例1と比較例1〜5の測定結果を表1と図9に示す。表1に示すように、これらの中でSiを使った層(実施例1)だけが激しく膨張し、電池膨らみが発生した。また未放電時における内部抵抗は実施例1で最も低くなった。さらに図9に示すように、実施例1は各放電深度で内部抵抗が最も低かった。放電後、実施例1の電池を分解したところ図6に示すように正極が膨張し、Liが減少していた。   The measurement results of Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 are shown in Table 1 and FIG. As shown in Table 1, only the layer using Si (Example 1) among these expanded violently and battery swelling occurred. The internal resistance when not discharged was lowest in Example 1. Furthermore, as shown in FIG. 9, Example 1 had the lowest internal resistance at each discharge depth. After discharging, the battery of Example 1 was disassembled. As shown in FIG. 6, the positive electrode expanded and Li decreased.

(実施例2)
実施例2においては、LiとSiの最適な組成比を調べた。LiとSiの量を表2に示した量とした他は、実施例1と同じ条件で実施例2−1乃至2−7の電池を作製した。また、負極の厚みは全て同じになるように調整した。電池封口後と、封口から7日後の電池厚みを測定し、その差を電池膨らみとした。そして実施例1と同様に、負極缶の上から力をかけ、再度カシメ封口を行い、電池厚みを2.6mmに戻した。
(Example 2)
In Example 2, the optimal composition ratio of Li and Si was examined. Batteries of Examples 2-1 to 2-7 were produced under the same conditions as in Example 1 except that the amounts of Li and Si were changed to those shown in Table 2. Moreover, the thickness of the negative electrode was adjusted to be the same. The battery thickness after battery sealing and 7 days after sealing was measured, and the difference was defined as battery swelling. In the same manner as in Example 1, a force was applied from above the negative electrode can, and caulking was performed again to return the battery thickness to 2.6 mm.

これら電池を作製後に分解したところ、実施例2−7(Li/Si=4.4)ではLi層はなくなり、すべてLiSi層となっていた。一方2−1乃至2−6の各実施例(Li/Si>4.4)では、Li層とLiSi層の2層が観察された。電池の膨らみは、Li/Siが小さいほど膨らんでいた。すなわちLiSi層が厚いほど、負極の膨張が大きいことがわかった。   When these batteries were disassembled after production, in Example 2-7 (Li / Si = 4.4), the Li layer disappeared and all became LiSi layers. On the other hand, in each of Examples 2-1 to 2-6 (Li / Si> 4.4), two layers of a Li layer and a LiSi layer were observed. The battery swelled as Li / Si was small. That is, it was found that the thicker the LiSi layer, the larger the expansion of the negative electrode.

作製した電池の内部抵抗は実施例1と同様に−10℃中で測定した。各実施例における放電時における放電容量に対する内部抵抗の変化を図10に示す。実施例2−4(Li/Si=15.0)では、高容量で内部抵抗が低かった。また、よりLi/Siが大きい、すなわちLiSi層が薄い実施例2−1乃至2−3では内部抵抗が大きくなった。これは正極と負極の隙間を埋めるLiSi層の量が不十分であることによる。一方、よりLi/Siが小さい、すなわちLiSi層が厚い実施例2−5及び2−6では、図10に示すように、容量が小さかった。これは正極と負極の隙間を埋めるLiSi層の量は十分であるが、Siの不可逆容量増加、Li量不足のため、容量が低下してしまうことによる。   The internal resistance of the produced battery was measured at −10 ° C. as in Example 1. FIG. 10 shows the change in internal resistance with respect to the discharge capacity during discharge in each example. In Example 2-4 (Li / Si = 15.0), the internal resistance was low with a high capacity. Further, in Examples 2-1 to 2-3 in which Li / Si is larger, that is, the LiSi layer is thin, the internal resistance is increased. This is because the amount of the LiSi layer that fills the gap between the positive electrode and the negative electrode is insufficient. On the other hand, in Examples 2-5 and 2-6 in which Li / Si was smaller, that is, the LiSi layer was thicker, the capacity was small as shown in FIG. This is because the amount of the LiSi layer that fills the gap between the positive electrode and the negative electrode is sufficient, but the capacity is reduced due to an increase in the irreversible capacity of Si and an insufficient amount of Li.

(実施例3)
実施例3においては、電池の負極に用いるSiの粒子径の大きさを変え、電池の内部抵抗が変化するかどうかを調べた。
原料のSi粉末は、粒度未調整の粉体(実施例3−1)と、この実施例3−1のSi粉末をボールミルで粉砕したものを用いた(実施例3−2及び実施例3−3)。実施例3−1〜3−3のSi粉末の粒径をレーザ回折・散乱法により測定した粒度分布を図11に示す。図11(a)、図11(b)、図11(c)がそれぞれ、実施例3−1、3−2、3−3における粒度分布に相当する。
(Example 3)
In Example 3, it was examined whether the internal resistance of the battery was changed by changing the particle size of Si used for the negative electrode of the battery.
The raw material Si powder used was an unadjusted powder (Example 3-1) and a powder obtained by pulverizing the Si powder of Example 3-1 with a ball mill (Example 3-2 and Example 3-). 3). The particle size distribution obtained by measuring the particle size of the Si powders of Examples 3-1 to 3-3 by the laser diffraction / scattering method is shown in FIG. FIG. 11A, FIG. 11B, and FIG. 11C correspond to the particle size distributions in Examples 3-1, 3-2, and 3-3, respectively.

図11(a)、図11(b)、図11(c)において、中位径(D50)はそれぞれ、D50=11.6μm、D50=1.6μm、及び、D50=0.2μmであった。また、2μm以上の粒径の割合はそれぞれ92%、60%、0%であった。 11 (a), 11 (b), and 11 (c), the median diameter (D 50 ) is D 50 = 11.6 μm, D 50 = 1.6 μm, and D 50 = 0. It was 2 μm. Further, the proportions of particle diameters of 2 μm or more were 92%, 60%, and 0%, respectively.

このSi粉末に、樹脂としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)、溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を加えて混合することによりスラリーを得た。そして、このスラリーを電池の負極のLi層の上に滴下し、乾燥させSi層を作製した。このとき負極のLiとSiのモル比はLi/Si=15とした。他は実施例1と同様に作製することにより、LiとSiとの合金化によりLiSi層が形成された、実施例3−1〜3−3のSi粉末を原料とするコイン型リチウム一次電池を作製した。このリチウム一次電池について、実施例1と同様に電池膨らみと−10℃中での内部抵抗を測定した。結果を表3と図12に示す。   To this Si powder, polyvinylidene fluoride (PVDF) as a resin and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent were added and mixed to obtain a slurry. And this slurry was dripped on Li layer of the negative electrode of a battery, and it was made to dry and produced Si layer. At this time, the molar ratio of Li and Si in the negative electrode was Li / Si = 15. Others were manufactured in the same manner as in Example 1, and a coin-type lithium primary battery using the Si powder of Examples 3-1 to 3-3 as a raw material, in which a LiSi layer was formed by alloying Li and Si. Produced. The lithium primary battery was measured for battery swelling and internal resistance at −10 ° C. in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3 and FIG.

実施例3−1〜3−3について、Siの各粒子径(D50)における封口後の電池膨らみ及び未放電時の内部抵抗を表3に示す。また、放電時における放電容量に対する内部抵抗の変化を図12に示す。これらの表3及び図12から、出発原料であるSiの粒子径が大きいほど電池の内部抵抗が小さく、負極膨張による電池膨らみも大きいことがわかった。特に実施例3−1では、電池の内部抵抗は他の実施例に比べて顕著に小さく、一方で電池膨らみもみられた。 Regarding Examples 3-1 to 3-3, Table 3 shows the battery swelling after sealing and the internal resistance at the time of non-discharge in each particle diameter (D 50 ) of Si. FIG. 12 shows the change in internal resistance with respect to the discharge capacity during discharge. From these Table 3 and FIG. 12, it was found that the larger the particle size of Si as the starting material, the smaller the internal resistance of the battery and the larger the battery swelling due to negative electrode expansion. In particular, in Example 3-1, the internal resistance of the battery was significantly smaller than in the other examples, while battery swelling was also observed.

ここで、実施例3−1〜3−3の各実施例に用いるスラリーを乾燥したもの(合金化前のSi粒子)と、各実施例の電池を分解して得られた合金化後のLixSi粒子の走査型電子顕微鏡(SEM)の観察像を図13に示す。この図13では、実施例3−1のSEM観察像を倍率1000倍で観察し、実施例3−2及び3−3のSEM観察像を倍率10000倍で観察した写真を縮小して表示している。以下、SEMの観察像で得られた個々のSi粒子及びLixSi粒子の最大寸法を粒子径と見做し説明する。 Here, what dried the slurry used for each example of Examples 3-1 to 3-3 (Si particles before alloying), and Li after the alloying obtained by disassembling the battery of each example A scanning electron microscope (SEM) observation image of x Si particles is shown in FIG. In FIG. 13, the SEM observation image of Example 3-1 was observed at a magnification of 1000 times, and the photographs obtained by observing the SEM observation images of Examples 3-2 and 3-3 at a magnification of 10000 times were reduced and displayed. Yes. Hereinafter, the maximum size of each individual Si particle and Li x Si particle obtained from the SEM observation image will be considered as the particle diameter.

実施例3−1(SiのD50=11.6μm条件)では、合金化前のSi粒子が観察されている。中には数十μmもの大きいSi粒子も存在している。これは粉砕前のSiであるためである。このSi粒子を合金化させると、2μmを超える程度の大きさのLixSi粒子がほとんどを占めていた。これは、合金化後に粒子が割れたためである。 In Example 3-1 (Si D 50 = 11.6 μm condition), Si particles before alloying are observed. There are also Si particles as large as several tens of μm. This is because it is Si before pulverization. When the Si particles were alloyed, most of the Li x Si particles with a size exceeding 2 μm were occupied. This is because the particles were cracked after alloying.

一方、実施例3−2(SiのD50=1.6μm条件)でも、合金化前のSi粒子は合金化後に割れることにより、ほとんどが1μm程度の粒子径のLixSi粒子となり、若干小さくなっていた。しかしながら、実施例3−1よりは変化の程度は小さかった。
さらに、実施例3−3(SiのD50=0.2μm条件)では、合金化前のSi粒子と合金化後のLixSi粒子とで、粒子径の変化が見られなかった。
On the other hand, even in Example 3-2 (Si D 50 = 1.6 μm condition), Si particles before alloying are cracked after alloying, so that most of them become Li x Si particles having a particle diameter of about 1 μm, which is slightly smaller. It was. However, the degree of change was smaller than in Example 3-1.
Furthermore, in Example 3-3 (Si D 50 = 0.2 μm condition), no change in particle diameter was observed between the Si particles before alloying and the Li x Si particles after alloying.

また表3に示すように、実施例3−1(SiのD50=11.6μm条件)の電池は、封口後電池が膨らみ、負極が膨張していた。一方、実施例3−2(SiのD50=1.6μm条件)と実施例3−3(SiのD50=0.2μm条件)の電池では封口後の膨らみがなく負極の膨張も少なかった。
上記の結果から、Si粒子が大きいほど合金化によりSi層の膨張が大きくなり、低い内部抵抗の電池を得ることができる。
As shown in Table 3, the battery of Example 3-1 (Si D 50 = 11.6 μm condition) had the battery expanded after sealing and the negative electrode expanded. On the other hand, in the batteries of Example 3-2 (Si D 50 = 1.6 μm condition) and Example 3-3 (Si D 50 = 0.2 μm condition), there was no swelling after sealing and there was little expansion of the negative electrode. .
From the above results, the larger the Si particles, the larger the expansion of the Si layer due to alloying, and a battery with low internal resistance can be obtained.

1…負極缶
2…正極缶
3…ガスケット
4…セパレータ
5…正極
10…負極
11…Li層
12…LiSi層
13…Si層
14…第3層
20…隙間
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Negative electrode can 2 ... Positive electrode can 3 ... Gasket 4 ... Separator 5 ... Positive electrode 10 ... Negative electrode 11 ... Li layer 12 ... LiSi layer 13 ... Si layer 14 ... 3rd layer 20 ... Gap

Claims (15)

リチウム(Li)からなるLi層と、Liと珪素(Si)との合金を含むLiSi層の少なくとも2層を有することを特徴とするリチウム一次電池用負極。   A negative electrode for a lithium primary battery, comprising at least two layers of a Li layer made of lithium (Li) and a LiSi layer containing an alloy of Li and silicon (Si). 前記負極中におけるLi及びSiは、モル比がLi/Si>4.4であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム一次電池用負極。   2. The negative electrode for a lithium primary battery according to claim 1, wherein the molar ratio of Li and Si in the negative electrode is Li / Si> 4.4. 前記負極中におけるLi及びSiは、モル比が15≦Li/Si≦100であることを特徴とする請求項2に記載のリチウム一次電池用負極。   3. The negative electrode for a lithium primary battery according to claim 2, wherein the molar ratio of Li and Si in the negative electrode is 15 ≦ Li / Si ≦ 100. 前記LiSi層は、炭素及び樹脂の少なくとも一種をさらに含むことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のリチウム一次電池用負極。   The said LiSi layer further contains at least 1 type of carbon and resin, The negative electrode for lithium primary batteries as described in any one of Claim 1 to 3 characterized by the above-mentioned. 前記LiSi層は、前記Li層に対し50%以上の面積で形成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のリチウム一次電池用負極。   The negative electrode for a lithium primary battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the LiSi layer is formed with an area of 50% or more with respect to the Li layer. 前記LiSi層は、Liと、粒子径(D50)が2μm以上であるSi粉末とから形成されることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載のリチウム一次電池用負極。 The LiSi layer, Li and, particle diameter (D 50) a negative electrode for a lithium primary battery according to claim 1, any one of 5, characterized in that it is formed from Si powder is 2μm or more. 前記LiSi層は、前記LiとSiとの合金の粒子径が2μm以上であることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載のリチウム一次電池用負極。   The negative electrode for a lithium primary battery according to any one of claims 1 to 6, wherein the LiSi layer has a particle diameter of an alloy of Li and Si of 2 µm or more. 請求項1から7のいずれか一項に記載のリチウム一次電池用負極と、正極と、非水電解質とを備えていることを特徴とするリチウム一次電池。   A lithium primary battery comprising the negative electrode for a lithium primary battery according to any one of claims 1 to 7, a positive electrode, and a nonaqueous electrolyte. 前記LiSi層が、前記負極において前記正極との対向面に形成されていることを特徴とする請求項8に記載のリチウム一次電池。   The lithium primary battery according to claim 8, wherein the LiSi layer is formed on a surface of the negative electrode facing the positive electrode. 前記正極が酸化銅(II)を含むことを特徴とする請求項8または請求項9に記載のリチウム一次電池。   The lithium primary battery according to claim 8 or 9, wherein the positive electrode contains copper (II) oxide. 前記正極と、前記負極と、前記非水電解質と、これらを収納する正極缶、負極缶、及びガスケットとを備え、前記LiSi層がカシメ封口により圧縮されていることを特徴とする請求項7から10のいずれか一項に記載のリチウム一次電池。   The positive electrode, the negative electrode, the non-aqueous electrolyte, and a positive electrode can, a negative electrode can, and a gasket that house them, and the LiSi layer is compressed by a caulking seal. The lithium primary battery according to any one of 10. リチウム(Li)からなるLi層を形成する工程と、
前記Li層上に珪素(Si)若しくはSiを含む混合物からなるSi層を形成する工程と、
前記Li層のLiと前記Si層中のSiとを合金化させ、前記Li層とLiSi層とを含む少なくとも2層を形成する合金化工程と、
を備えたリチウム一次電池用負極の製造方法。
Forming a Li layer made of lithium (Li);
Forming a Si layer made of silicon (Si) or a mixture containing Si on the Li layer;
An alloying step of alloying Li in the Li layer and Si in the Si layer to form at least two layers including the Li layer and the LiSi layer;
The manufacturing method of the negative electrode for lithium primary batteries provided with.
前記負極中におけるLi及びSiは、モル比がLi/Si>4.4であることを特徴とする請求項12に記載のリチウム一次電池用負極の製造方法。   The method for producing a negative electrode for a lithium primary battery according to claim 12, wherein the molar ratio of Li and Si in the negative electrode is Li / Si> 4.4. 前記合金化工程は、前記Li層と前記Si層とを積層方向に圧縮させ、LiとSiとを合金化させることにより行うことを特徴とする請求項12または13に記載のリチウム一次電池用負極の製造方法。   14. The negative electrode for a lithium primary battery according to claim 12, wherein the alloying step is performed by compressing the Li layer and the Si layer in a stacking direction and alloying Li and Si. Manufacturing method. 前記正極と、前記負極と、前記非水電解質と、これらを収納する正極缶、負極缶、及びガスケットを備えたリチウム一次電池の製造方法であって、
前記合金化工程は、前記正極缶と前記負極缶とをカシメ封口することにより、前記Li層と前記Si層とを積層方向に圧縮することを特徴とする請求項12から14のいずれか一項に記載のリチウム一次電池の製造方法。



A method for producing a lithium primary battery comprising the positive electrode, the negative electrode, the non-aqueous electrolyte, a positive electrode can that accommodates these, a negative electrode can, and a gasket,
The said alloying process compresses the said Li layer and the said Si layer in the lamination direction by crimping the said positive electrode can and the said negative electrode can, The any one of Claims 12-14 characterized by the above-mentioned. The manufacturing method of the lithium primary battery as described in any one of.



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