JP2016066529A - Negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery, and nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a negative electrode which enables the rise in battery capacity, and the enhancement in cycle characteristics and initial charge and discharge characteristics.SOLUTION: A negative electrode 10 for a nonaqueous electrolyte secondary battery comprises: a silicon compound (SiO: 0.5≤x≤1.6) containing a Li compound as a negative electrode active material 12; and polyacrylic acid or its metal salt. In the negative electrode 10 for a nonaqueous electrolyte secondary battery, the polyacrylic acid or its metal salt has a basic skeleton represented by the formula (1) below, and has peaks in ranges of 4-4.5 ppm and 1-2 ppm as chemical shift values determined fromH-NMR spectra. (M represents H, Li, Na or K.)SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、非水電解質二次電池用負極及び非水電解質二次電池に関する。   The present invention relates to a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery and a non-aqueous electrolyte secondary battery.

近年、モバイル端末などに代表される小型の電子機器が広く普及しており、さらなる小型化、軽量化及び長寿命化が強く求められている。このような市場要求に対し、特に小型かつ軽量で高エネルギー密度を得ることが可能な二次電池の開発が進められている。この二次電池は、小型の電子機器に限らず、自動車などに代表される大型の電子機器、家屋などに代表される電力貯蔵システムへの適用も検討されている。   In recent years, small electronic devices typified by mobile terminals have been widely used, and further downsizing, weight reduction, and long life have been strongly demanded. In response to such market demands, development of secondary batteries capable of obtaining a high energy density, in particular, being small and light is underway. This secondary battery is not limited to a small electronic device, but is also considered to be applied to a large-sized electronic device represented by an automobile or the like, or an electric power storage system represented by a house.

その中でも、リチウムイオン二次電池は小型かつ高容量化が行いやすく、また、鉛電池、ニッケルカドミウム電池よりも高いエネルギー密度が得られるため、大いに期待されている。   Among them, lithium ion secondary batteries are highly expected because they are small and easy to increase in capacity, and can obtain higher energy density than lead batteries and nickel cadmium batteries.

上記のリチウムイオン二次電池は、正極および負極、セパレータと共に電解液を備えており、負極は充放電反応に関わる負極活物質を含んでいる。   Said lithium ion secondary battery is equipped with the electrolyte solution with the positive electrode, the negative electrode, and the separator, and the negative electrode contains the negative electrode active material in connection with charging / discharging reaction.

負極活物質としては、炭素材料が広く使用されている一方で、最近の市場要求から、電池容量のさらなる向上が求められている。電池容量向上の要素として、負極活物質材として、ケイ素を用いることが検討されている。ケイ素の理論容量(4199mAh/g)は黒鉛の理論容量(372mAh/g)よりも10倍以上大きいため、電池容量の大幅な向上を期待できるからである。負極活物質材としてのケイ素材の開発はケイ素単体だけではなく、合金、酸化物に代表される化合物などについても検討されている。活物質形状は、炭素材で標準的な塗布型から、集電体に直接堆積する一体型まで検討されている。   As a negative electrode active material, while carbon materials are widely used, further improvement in battery capacity is required due to recent market demand. As an element for improving battery capacity, the use of silicon as a negative electrode active material has been studied. This is because the theoretical capacity of silicon (4199 mAh / g) is 10 times or more larger than the theoretical capacity of graphite (372 mAh / g), so that significant improvement in battery capacity can be expected. The development of a siliceous material as a negative electrode active material has been examined not only for silicon itself but also for compounds represented by alloys and oxides. The shape of the active material has been studied from a standard coating type using a carbon material to an integrated type directly deposited on a current collector.

しかしながら、負極活物質としてケイ素を主原料として用いると、充放電時に負極活物質が膨張収縮するため、主に負極活物質表層近傍で割れやすくなる。また、活物質内部にイオン性物質が生成し、負極活物質が割れやすい物質となる。負極活物質表層が割れると、それによって新表面が生じ、活物質の反応面積が増加する。この時、新表面において電解液の分解反応が生じるとともに、新表面に電解液の分解物である被膜が形成されるため電解液が消費される。このためサイクル特性が低下しやすくなる。   However, when silicon is used as the negative electrode active material as the main raw material, the negative electrode active material expands and contracts during charge / discharge, and therefore, it tends to break mainly near the surface of the negative electrode active material. Further, an ionic material is generated inside the active material, and the negative electrode active material is easily broken. When the negative electrode active material surface layer is cracked, a new surface is generated thereby increasing the reaction area of the active material. At this time, a decomposition reaction of the electrolytic solution occurs on the new surface, and a coating that is a decomposition product of the electrolytic solution is formed on the new surface, so that the electrolytic solution is consumed. For this reason, the cycle characteristics are likely to deteriorate.

これまでに、電池初期効率やサイクル特性を向上させるために、ケイ素材を主材としたリチウムイオン二次電池用負極材料、電極構成についてさまざまな検討がなされている。   To date, various studies have been made on negative electrode materials and electrode configurations for lithium ion secondary batteries mainly composed of a siliceous material in order to improve battery initial efficiency and cycle characteristics.

具体的には、良好なサイクル特性や高い安全性を得る目的で、気相法を用いケイ素及びアモルファス二酸化ケイ素を同時に堆積させている(例えば特許文献1参照)。また、高い電池容量や安全性を得るために、ケイ素酸化物粒子の表層に炭素材(電子伝導材)を設けている(例えば特許文献2参照)。さらに、サイクル特性を改善するとともに高入出力特性を得るために、ケイ素及び酸素を含有する活物質を作製し、かつ、集電体近傍での酸素比率が高い活物質層を形成している(例えば特許文献3参照)。また、サイクル特性を向上させるために、ケイ素活物質中に酸素を含有させ、平均酸素含有量が40at%以下であり、かつ集電体に近い場所で酸素含有量が多くなるように形成している(例えば特許文献4参照)。   Specifically, for the purpose of obtaining good cycle characteristics and high safety, silicon and amorphous silicon dioxide are deposited simultaneously using a vapor phase method (see, for example, Patent Document 1). Further, in order to obtain a high battery capacity and safety, a carbon material (electron conductive material) is provided on the surface layer of the silicon oxide particles (see, for example, Patent Document 2). Furthermore, in order to improve cycle characteristics and obtain high input / output characteristics, an active material containing silicon and oxygen is produced, and an active material layer having a high oxygen ratio in the vicinity of the current collector is formed ( For example, see Patent Document 3). Further, in order to improve the cycle characteristics, oxygen is contained in the silicon active material, the average oxygen content is 40 at% or less, and the oxygen content is increased at a location close to the current collector. (For example, refer to Patent Document 4).

また、初回充放電効率を改善するためにSi相、SiO、MO金属酸化物を含有するナノ複合体を用いている(例えば特許文献5参照)。また、サイクル特性改善のため、SiO(0.8≦x≦1.5、粒径範囲=1μm〜50μm)と炭素材を混合して高温焼成している(例えば特許文献6参照)。 Further, Si phase, (for example, see Patent Document 5) by using a nanocomposite containing SiO 2, M y O metal oxide in order to improve the initial charge and discharge efficiency. In order to improve cycle characteristics, SiO x (0.8 ≦ x ≦ 1.5, particle size range = 1 μm to 50 μm) and a carbon material are mixed and fired at a high temperature (see, for example, Patent Document 6).

また、サイクル特性改善のために、負極活物質中におけるケイ素に対する酸素のモル比を0.1〜1.2とし、活物質、集電体界面近傍におけるモル比の最大値、最小値との差が0.4以下となる範囲で活物質の制御を行っている(例えば特許文献7参照)。また、電池負荷特性を向上させるため、リチウムを含有した金属酸化物を用いている(例えば特許文献8参照)。また、サイクル特性を改善させるために、ケイ素材表層にシラン化合物などの疎水層を形成している(例えば特許文献9参照)。   Further, in order to improve cycle characteristics, the molar ratio of oxygen to silicon in the negative electrode active material is set to 0.1 to 1.2, and the difference between the maximum value and the minimum value of the molar ratio in the vicinity of the active material and current collector interface The active material is controlled within a range of 0.4 or less (see, for example, Patent Document 7). Further, in order to improve battery load characteristics, a metal oxide containing lithium is used (see, for example, Patent Document 8). Further, in order to improve cycle characteristics, a hydrophobic layer such as a silane compound is formed on the surface layer of the siliceous material (see, for example, Patent Document 9).

また、サイクル特性改善のため、酸化ケイ素を用い、その表層に黒鉛被膜を形成することで導電性を付与している(例えば特許文献10参照)。特許文献10において、黒鉛被膜に関するラマンスペクトルから得られるシフト値に関して、1330cm−1及び1580cm−1にブロードなピークが現れるとともに、それらの強度比I1330/I1580が1.5<I1330/I1580<3となっている。 Further, in order to improve cycle characteristics, conductivity is imparted by using silicon oxide and forming a graphite film on the surface layer (see, for example, Patent Document 10). In Patent Document 10, with respect to the shift value obtained from the Raman spectra for graphite coating, with broad peaks appearing at 1330 cm -1 and 1580 cm -1, their intensity ratio I 1330 / I 1580 is 1.5 <I 1330 / I 1580 <3.

また、高い電池容量、サイクル特性の改善のため、二酸化ケイ素中に分散されたケイ素微結晶相を有する粒子を用いている(例えば、特許文献11参照)。また、過充電、過放電特性を向上させるために、ケイ素と酸素の原子数比を1:y(0<y<2)に制御したケイ素酸化物を用いている(例えば特許文献12参照)。また、高い電池容量、サイクル特性の改善のため、ケイ素と炭素の混合電極を作成しケイ素比率を5wt%以上13wt%以下で設計している(例えば、特許文献13参照)。   In addition, particles having a silicon microcrystalline phase dispersed in silicon dioxide are used in order to improve high battery capacity and cycle characteristics (see, for example, Patent Document 11). Further, in order to improve overcharge and overdischarge characteristics, silicon oxide in which the atomic ratio of silicon and oxygen is controlled to 1: y (0 <y <2) is used (see, for example, Patent Document 12). In addition, in order to improve high battery capacity and cycle characteristics, a mixed electrode of silicon and carbon is prepared and the silicon ratio is designed to be 5 wt% or more and 13 wt% or less (see, for example, Patent Document 13).

特開2001−185127号公報JP 2001-185127 A 特開2002−042806号公報JP 2002-042806 A 特開2006−164954号公報JP 2006-164955 A 特開2006−114454号公報JP 2006-114454 A 特開2009−070825号公報JP 2009-070825 A 特開2008−282819号公報JP 2008-282819 A 特開2008−251369号公報JP 2008-251369 A 特開2008−177346号公報JP 2008-177346 A 特開2007−234255号公報JP 2007-234255 A 特開2009−212074号公報JP 2009-212074 A 特開2009−205950号公報JP 2009-205950 A 特許第2997741号明細書Japanese Patent No. 2,997,741 特開2010−092830号公報JP 2010-092830 A

上述のように、近年、電子機器に代表される小型のモバイル機器は高性能化、多機能化がすすめられており、その主電源であるリチウムイオン二次電池は電池容量の増加が求められている。この問題を解決する1つの手法として、ケイ素材を主材として用いた負極からなるリチウムイオン二次電池の開発が望まれている。また、ケイ素材を用いたリチウムイオン二次電池は、炭素材を用いたリチウムイオン二次電池と同等に近いサイクル特性が望まれている。しかしながら、炭素材を主材として用いたリチウムイオン二次電池と同等のサイクル安定性を示す負極電極を提案するには至っていなかった。   As described above, in recent years, small mobile devices typified by electronic devices have been improved in performance and multifunction, and the lithium ion secondary battery as the main power source is required to have an increased battery capacity. Yes. As one method for solving this problem, development of a lithium ion secondary battery composed of a negative electrode using a siliceous material as a main material is desired. Moreover, the lithium ion secondary battery using a siliceous material is desired to have a cycle characteristic close to that of a lithium ion secondary battery using a carbon material. However, a negative electrode having cycle stability equivalent to that of a lithium ion secondary battery using a carbon material as a main material has not been proposed.

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、電池容量の増加、サイクル特性及び初期充放電特性を向上させることが可能な負極電極、及びこの負極電極を有する非水電解質二次電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and is a negative electrode capable of improving battery capacity, improving cycle characteristics and initial charge / discharge characteristics, and a non-aqueous electrolyte secondary having this negative electrode. An object is to provide a battery.

上記目的を達成するために、本発明は、負極活物質として、内部にLi化合物が含まれるケイ素化合物(SiO:0.5≦x≦1.6)を含む非水電解質二次電池用負極であって、前記非水電解質二次電池用負極はポリアクリル酸又はその金属塩を含み、前記ポリアクリル酸又はその金属塩は、基本骨格が下記式(1)で表されるものであり、H−NMRスペクトルから得られる、テトラメチルシランを基準物質としたケミカルシフト値として4〜4.5ppm及び1〜2ppmの範囲の少なくとも1か所以上にピークを有するものであることを特徴とする非水電解質二次電池用負極を提供する。

Figure 2016066529
(式中、Mは、水素原子、リチウム原子、ナトリウム原子、又はカリウム原子のいずれかを表し、nは、2以上の整数を表す。) In order to achieve the above object, the present invention provides a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery including a silicon compound (SiO x : 0.5 ≦ x ≦ 1.6) containing a Li compound therein as a negative electrode active material. The negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery includes polyacrylic acid or a metal salt thereof, and the polyacrylic acid or the metal salt thereof has a basic skeleton represented by the following formula (1): A chemical shift value obtained from a 1 H-NMR spectrum and having tetramethylsilane as a reference substance has a peak at at least one place in the range of 4 to 4.5 ppm and 1 to 2 ppm. A negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery is provided.
Figure 2016066529
(In the formula, M represents one of a hydrogen atom, a lithium atom, a sodium atom, and a potassium atom, and n represents an integer of 2 or more.)

このような非水電解質二次電池用負極は、Liドープを行ったケイ素化合物を含むことで、電池容量及びケイ素化合物の課題である初回充放電効率(初期効率)を向上させることができる。このとき、本発明のように、上記のようなポリアクリル酸又はその金属塩を含んでいることにより、Liドープを行ったケイ素化合物を安定してスラリー化し、電極化することが可能となり、サイクル特性や初回充放電効率(初期効率)といった電池特性を向上させることができる。   Such a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery can improve the battery capacity and initial charge / discharge efficiency (initial efficiency), which are problems of the silicon compound, by including a silicon compound subjected to Li doping. At this time, as in the present invention, by including the polyacrylic acid or the metal salt thereof as described above, the silicon compound subjected to Li doping can be stably slurried and turned into an electrode. Battery characteristics such as characteristics and initial charge / discharge efficiency (initial efficiency) can be improved.

このとき、前記4〜4.5ppmの範囲のピークは、−O−CH−に帰属され、前記1〜2ppmの範囲のピークは、前記ポリアクリル酸又はその金属塩の末端に近い領域の−CH−に帰属されるものであることが好ましい。 At this time, the peak in the range of 4 to 4.5 ppm is attributed to —O—CH 2 —, and the peak in the range of 1 to 2 ppm is − in the region near the end of the polyacrylic acid or a metal salt thereof. CH 2 - is preferably one attributed to.

このようなものであれば、スラリーの安定化や水溶液の安定性をより向上させることができ、電池特性を向上させることができる。   If it is such, stabilization of a slurry and stability of aqueous solution can be improved more, and a battery characteristic can be improved.

またこのとき、前記ポリアクリル酸又はその金属塩は13C−NMRスペクトルから得られる、テトラメチルシランを基準物質としたケミカルシフト値として、20〜60ppmの範囲に前記基本骨格に帰属されるピーク以外に、該基本骨格に帰属されるピークよりも弱い複数のピークを有することが好ましい。 At this time, the polyacrylic acid or a metal salt thereof is obtained from a 13 C-NMR spectrum, as a chemical shift value using tetramethylsilane as a reference substance, except for a peak attributed to the basic skeleton in a range of 20 to 60 ppm. In addition, it is preferable to have a plurality of peaks that are weaker than the peaks attributed to the basic skeleton.

このようなものであれば、スラリーの安定化や水溶液の安定性をより向上させることができ、電池特性を向上させることができる。   If it is such, stabilization of a slurry and stability of aqueous solution can be improved more, and a battery characteristic can be improved.

このとき、前記13C−NMRスペクトルから得られるケミカルシフト値として、20〜60ppmの範囲に得られる前記複数のピークはアクリル酸塩の一部に帰属するものであることが好ましい。 At this time, it is preferable that the plurality of peaks obtained in the range of 20 to 60 ppm belong to part of the acrylate as chemical shift values obtained from the 13 C-NMR spectrum.

ポリアクリル酸の一部が金属塩に置換された構造が存在することで、水溶液及びスラリーの安定化ができ、電池特性を向上させることができる。   The presence of a structure in which a part of polyacrylic acid is substituted with a metal salt makes it possible to stabilize aqueous solutions and slurries, and to improve battery characteristics.

このとき、前記ポリアクリル酸又はその金属塩の分子量は、50万以上125万以下の範囲のものであることが好ましい。   At this time, the molecular weight of the polyacrylic acid or a metal salt thereof is preferably in the range of 500,000 to 1,250,000.

この分子量が、50万以上であれば、結着性が十分に得られるため、電極構造の破壊が起きにくく、電池特性が向上する。また、分子量が125万以下であれば、水溶液にし易く、負極材作製に用いるスラリーの固形分の低下を抑制することができる。その結果、結着性が十分に得られ、電池特性が向上する。   If the molecular weight is 500,000 or more, sufficient binding properties can be obtained, so that the electrode structure is not easily broken and the battery characteristics are improved. Moreover, if molecular weight is 1.25 million or less, it will be easy to make aqueous solution and the fall of the solid content of the slurry used for negative electrode material preparation can be suppressed. As a result, sufficient binding properties are obtained, and battery characteristics are improved.

また本発明の負極は、前記ポリアクリル酸又はその金属塩の他に、さらに、結着剤として、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース又はその金属塩、ポリフッ化ビニリデンのうち少なくとも1種以上を含むことが好ましい。   In addition to the polyacrylic acid or a metal salt thereof, the negative electrode of the present invention may further contain at least one of styrene butadiene rubber, carboxymethyl cellulose or a metal salt thereof, and polyvinylidene fluoride as a binder. preferable.

結着剤としては、ポリアクリル酸又はその金属塩と共に、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース又はその金属塩、ポリフッ化ビニリデンのうち少なくとも1種以上の、計2種以上の化合物を含むと、負極材作製のためのスラリーの安定性をより向上させることができ、電池特性を向上させることができるものとなる。   When the binder contains polyacrylic acid or a metal salt thereof and at least one of styrene butadiene rubber, carboxymethyl cellulose or a metal salt thereof, and polyvinylidene fluoride, a total of two or more compounds, a negative electrode material is produced. Therefore, the stability of the slurry can be further improved, and the battery characteristics can be improved.

このとき、前記カルボキシメチルセルロース又はその金属塩は、エーテル化度が0.7以上1.5以下の範囲のものであることが好ましい。   At this time, the carboxymethyl cellulose or the metal salt thereof preferably has a degree of etherification in the range of 0.7 to 1.5.

エーテル化度が0.7以上のカルボキシメチルセルロース又はその金属塩であれば、アルカリ耐性が高いため、スラリーの安定性が良好となり、サイクル特性が向上する。また、エーテル化度が、1.5以下であれば、平均重合度が高くなりすぎず、水溶液にし易く、負極材作製に用いるスラリーの固形分の低下を抑制することができる。その結果、スラリーの安定性が良好となり、サイクル特性が向上する。   Carboxymethyl cellulose having a degree of etherification of 0.7 or more or a metal salt thereof has high alkali resistance, so that the stability of the slurry is improved and the cycle characteristics are improved. Moreover, if the degree of etherification is 1.5 or less, the average degree of polymerization does not become too high, and it is easy to make an aqueous solution. As a result, the stability of the slurry is improved and the cycle characteristics are improved.

また本発明の負極は、前記負極活物質の総量に対する前記ケイ素化合物の割合が6質量%以上のものであることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the ratio of the said silicon compound with respect to the total amount of the said negative electrode active material is a thing whose negative electrode of this invention is 6 mass% or more.

このような負極であれば、電池の体積エネルギー密度を向上させることができるものとなる。   With such a negative electrode, the volume energy density of the battery can be improved.

このとき、前記非水電解質二次電池用負極は、前記負極活物質を含む負極活物質層を有し、該負極活物質層が、前記ポリアクリル酸又はその金属塩を、0.1質量%以上2.5質量%以下の割合で含むものであることが好ましい。   At this time, the negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery has a negative electrode active material layer containing the negative electrode active material, and the negative electrode active material layer contains 0.1% by mass of the polyacrylic acid or a metal salt thereof. It is preferable that it is contained at a ratio of 2.5% by mass or less.

本発明の負極活物質層に含まれるポリアクリル酸又はその金属塩は、少量であってもアルカリ性を有するケイ素活物質に対して効果が得られる。0.1質量%以上あれば、よりスラリーを安定化させることができ、電池特性を向上できる。また、上記割合を2.5%以下とすれば、スラリーの集電体等への塗布、乾燥後のプレス時に結着性が低下することがないため、安定した負極活物質層となり、電池特性を向上できる。   Even if the polyacrylic acid or its metal salt contained in the negative electrode active material layer of the present invention is in a small amount, an effect is obtained for the silicon active material having alkalinity. If it is 0.1 mass% or more, a slurry can be stabilized more and a battery characteristic can be improved. Further, when the ratio is 2.5% or less, the binding property does not decrease when the slurry is applied to a current collector or the like and pressed after drying. Can be improved.

またこのとき、前記ケイ素化合物は炭素被膜を有し、その表層の少なくとも一部に炭酸リチウムを含むことが好ましい。   At this time, it is preferable that the silicon compound has a carbon film, and at least a part of the surface layer contains lithium carbonate.

ケイ素化合物が炭素被膜で被覆されていることで、導電性が向上する。また、ケイ素化合物の表層の少なくとも一部が炭酸リチウムで覆われていれば、電池の初期効率を大きく向上させることができる。   Conductivity improves because the silicon compound is coated with the carbon film. Moreover, if at least a part of the surface layer of the silicon compound is covered with lithium carbonate, the initial efficiency of the battery can be greatly improved.

前記ケイ素化合物は、その表層にカルボキシル基を有する結着剤を介して炭素粒子が付着しているものであることが好ましい。   The silicon compound is preferably such that carbon particles are attached to the surface layer via a binder having a carboxyl group.

炭素粒子が表層に付着しているケイ素化合物を含むものであれば、負極活物質粒子間のコンタクトをスムーズに取ることができる。また、炭素粒子は、カルボキシル基を有する結着剤を使用すれば、強固に付着させることができる。   If the carbon particles contain a silicon compound adhering to the surface layer, contact between the negative electrode active material particles can be made smoothly. The carbon particles can be firmly attached by using a binder having a carboxyl group.

このとき、前記ケイ素化合物の表層に付着した前記炭素粒子は、メジアン径が20nm〜200nmのものであることが好ましい。   At this time, it is preferable that the carbon particles attached to the surface layer of the silicon compound have a median diameter of 20 nm to 200 nm.

炭素粒子のメジアン径が20nm以上であれば、負極活物質粒子間のコンタクトが十分に取れる。炭素粒子のメジアン径が200nm以下であれば、負極活物質粒子間のコンタクトが得られる炭素粒子の割合が増え、コンタクトを取るために必要な炭素粒子の量が少なく済むため、炭素粒子を必要以上に多く加える必要が無く、電池容量を十分に確保できる。   If the median diameter of the carbon particles is 20 nm or more, sufficient contact between the negative electrode active material particles can be obtained. If the median diameter of the carbon particles is 200 nm or less, the proportion of the carbon particles that can be contacted between the negative electrode active material particles is increased, and the amount of carbon particles necessary for making contact is reduced. It is not necessary to add a large amount to the battery, and a sufficient battery capacity can be secured.

またこのとき、前記カルボキシル基を有する結着剤は、カルボキシメチルセルロース又はその金属塩と、ポリアクリル酸又はその金属塩のうち少なくとも1種を含むことが好ましい。   Moreover, at this time, it is preferable that the binder which has the said carboxyl group contains at least 1 sort (s) among carboxymethylcellulose or its metal salt, and polyacrylic acid or its metal salt.

炭素粒子をケイ素化合物の表層に付着させる結着剤としてはこれらのようなものが好適である。   Such binders are suitable as the binder for attaching the carbon particles to the surface layer of the silicon compound.

このとき、前記ケイ素化合物が電気化学的手法を含む工程で作製されたものであることが好ましい。   At this time, it is preferable that the silicon compound is produced in a process including an electrochemical method.

このような改質(バルク内改質)方法を用いてケイ素化合物を製造することで、Si領域のLi化合物化を低減、又は避けることが可能であり、大気中、又は水系スラリー中、溶剤スラリー中で安定した物質となる。また、電気化学的手法により、ケイ素化合物のSiO成分部を改質されたものであれば、熱改質(熱ドープ法)、蒸着Li法などのランダムに化合物化する手法で改質されたものよりも、安定した物質となる。 By producing a silicon compound using such a modification (in-bulk modification) method, it is possible to reduce or avoid the formation of a Li compound in the Si region. In the atmosphere or in an aqueous slurry, a solvent slurry It becomes a stable substance. In addition, if the SiO 2 component part of the silicon compound is modified by an electrochemical method, it is modified by a random compounding method such as thermal modification (thermal doping method) or vapor deposition Li method. It becomes a more stable substance than anything.

またこのとき、前記ケイ素化合物が、X線回折により得られる(111)結晶面に起因する回折ピークの半値幅(2θ)が1.2°以上であると共に、その結晶面に起因する結晶子サイズが7.5nm以下であることが好ましい。   At this time, the half width (2θ) of the diffraction peak due to the (111) crystal plane obtained by X-ray diffraction of the silicon compound is 1.2 ° or more, and the crystallite size due to the crystal plane Is preferably 7.5 nm or less.

ケイ素化合物のSi成分の結晶性は低いほどよく、X線回折により得られるSi(111)結晶面に起因する回折ピークの半値幅(2θ)、及びその結晶面に起因する結晶子サイズは上記範囲である事が望ましい。Si成分の結晶性を低くすることで電池特性を向上させることができる。   The lower the crystallinity of the Si component of the silicon compound, the better. The half width (2θ) of the diffraction peak attributed to the Si (111) crystal plane obtained by X-ray diffraction, and the crystallite size attributed to the crystal plane are in the above range. It is desirable that Battery characteristics can be improved by reducing the crystallinity of the Si component.

このとき、本発明の負極は、さらに、カーボンナノチューブを含むものであることが好ましい。   At this time, the negative electrode of the present invention preferably further contains carbon nanotubes.

カーボンナノチューブ(CNT)は膨張率及び収縮率が高いケイ素化合物と炭素系活物質などの他の活物質との電気コンタクトを得ることに適しており、負極に良好な導電性を付与することができ、電池特性が向上する。   Carbon nanotubes (CNT) are suitable for obtaining electrical contact between a silicon compound having a high expansion rate and shrinkage rate and another active material such as a carbon-based active material, and can impart good conductivity to the negative electrode. Battery characteristics are improved.

また、本発明によれば、上記のいずれかの本発明の非水電解質二次電池用負極を用いたことを特徴とする非水電解質二次電池用負極が提供される。   Moreover, according to this invention, the negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries characterized by using any one of said negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries is provided.

このような非水電解質二次電池であれば、高容量であるとともに良好なサイクル特性及び初期充放電特性が得られるものとなる。   Such a non-aqueous electrolyte secondary battery has a high capacity and good cycle characteristics and initial charge / discharge characteristics.

本発明の非水電解質二次電池用負極におけるケイ素化合物は、リチウムの挿入、脱離時に不安定化するSiO成分部が予め別の化合物に改質させたものであるため、充電時に発生する不可逆容量を低減することが可能となる。また、このケイ素化合物粒子を使用するに適した負極結着剤(負極バインダー)の構成として、ポリアクリル酸又はその金属塩を含み、ポリアクリル酸又はその金属塩は基本骨格が上記式(1)で表され、H−NMRスペクトルから得られる、ケミカルシフト値として4〜4.5ppm又は1〜2ppmの少なくとも1か所以上にピークを有するものを含むことで良好なサイクル特性及び、高い初期効率を得る事が出来る。また、本発明の非水電解質二次電池用負極及びこの負極を用いた非水電解質二次電池は、電池容量、サイクル特性、及び初回充放電特性を向上させることができる。また、本発明の二次電池を用いた電子機器、電動工具、電気自動車及び電力貯蔵システム等でも同様の効果を得ることができる。 The silicon compound in the negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is generated at the time of charging because the SiO 2 component part that is destabilized at the time of lithium insertion / extraction is previously modified to another compound. The irreversible capacity can be reduced. Moreover, as a structure of the negative electrode binder (negative electrode binder) suitable for using the silicon compound particles, polyacrylic acid or a metal salt thereof is included, and the basic skeleton of the polyacrylic acid or the metal salt thereof is represented by the above formula (1). Cycle characteristics obtained by 1 H-NMR spectrum and having a peak in at least one of 4 to 4.5 ppm or 1 to 2 ppm as chemical shift values, and high initial efficiency Can be obtained. Moreover, the negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries of this invention and the nonaqueous electrolyte secondary battery using this negative electrode can improve battery capacity, cycling characteristics, and initial charge / discharge characteristics. Moreover, the same effect can be acquired also in the electronic device, electric tool, electric vehicle, electric power storage system, etc. which used the secondary battery of this invention.

本発明の非水電解質二次電池用負極の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries of this invention. 本発明の非水電解質二次電池用負極に含まれる負極活物質を製造する際に使われるバルク内改質装置である。It is the reformer in a bulk used when manufacturing the negative electrode active material contained in the negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries of this invention. 本発明の非水電解質二次電池用負極を含むリチウム二次電池の構成例(ラミネートフィルム型)を表す図である。It is a figure showing the structural example (laminate film type) of the lithium secondary battery containing the negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries of this invention. 実施例1−2及び比較例2−1において測定した、非水電解質二次電池負極に含まれるポリアクリル酸のH−NMRスペクトルを示す図である。Were measured in Example 1-2 and Comparative Example 2-1 is a diagram showing the 1 H-NMR spectrum of a polyacrylic acid contained in the non-aqueous electrolyte secondary battery negative electrode. 実施例1−2及び実施例2−2において測定した、非水電解質二次電池負極に含まれるポリアクリル酸の13C−NMRスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the 13 C-NMR spectrum of the polyacrylic acid contained in the nonaqueous electrolyte secondary battery negative electrode measured in Example 1-2 and Example 2-2. 負極活物質中のケイ素化合物の割る相を増加させた場合の電池容量の増加率を示す図である。It is a figure which shows the increase rate of battery capacity at the time of increasing the phase which the silicon compound in a negative electrode active material cracks.

前述のように、リチウムイオン二次電池の電池容量を増加させる1つの手法として、ケイ素材を主材として用いた負極をリチウムイオン二次電池の負極として用いることが検討されている。このケイ素材を用いたリチウムイオン二次電池は、炭素材を用いたリチウムイオン二次電池と同等に近いサイクル特性が望まれているが、炭素材を用いたリチウムイオン二次電池と同等のサイクル安定性を示す負極電極を提案するには至っていなかった。   As described above, as one method for increasing the battery capacity of a lithium ion secondary battery, the use of a negative electrode using a silicon material as a main material as a negative electrode of a lithium ion secondary battery has been studied. The lithium ion secondary battery using this silicon material is expected to have cycle characteristics similar to those of a lithium ion secondary battery using a carbon material, but the cycle is equivalent to that of a lithium ion secondary battery using a carbon material. A negative electrode that exhibits stability has not been proposed.

そこで、本発明者らは、リチウムイオン二次電池の負極として、高い電池容量と良好なサイクル特性及び初期効率が得られる負極電極について鋭意検討を重ね、本発明に至った。   Accordingly, the present inventors have made extensive studies on a negative electrode capable of obtaining a high battery capacity, good cycle characteristics, and initial efficiency as a negative electrode of a lithium ion secondary battery, and reached the present invention.

本発明の非水電解質二次電池用負極は、負極活物質として、内部にLi化合物が含まれるケイ素化合物(SiO:0.5≦x≦1.6)を含む。さらに、本発明の負極はポリアクリル酸又はその金属塩を含む。このポリアクリル酸又はその金属塩は、基本骨格が下記式(1)で表されるものであり、H−NMRスペクトルから得られる、テトラメチルシランを基準物質としたケミカルシフト値として4〜4.5ppm及び1〜2ppmの範囲の少なくとも1か所以上にピークを有する。

Figure 2016066529
(式中、Mは、水素原子、リチウム原子、ナトリウム原子、又はカリウム原子のいずれかを表し、nは、2以上の整数を表す。) The negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention contains a silicon compound (SiO x : 0.5 ≦ x ≦ 1.6) containing a Li compound therein as a negative electrode active material. Furthermore, the negative electrode of the present invention contains polyacrylic acid or a metal salt thereof. This polyacrylic acid or a metal salt thereof has a basic skeleton represented by the following formula (1), and is obtained from a 1 H-NMR spectrum and has a chemical shift value of 4 to 4 using tetramethylsilane as a reference substance. It has a peak in at least one place in the range of 0.5 ppm and 1-2 ppm.
Figure 2016066529
(In the formula, M represents one of a hydrogen atom, a lithium atom, a sodium atom, and a potassium atom, and n represents an integer of 2 or more.)

上記式(1)中のMで表された水素原子、リチウム原子、ナトリウム原子、カリウム原子はイオン化した状態で存在していても良い。また、H−NMR測定に用いる装置は、市販品を用いればよく、特に限定されることはない。また、上記化学シフトの規定の基準物質は上記のように、テトラメチルシラン(TMS)であり、TMSの化学シフトを0ppmとする。実際の測定では、必ずしもTMSを基準物質としなくても良い。 The hydrogen atom, lithium atom, sodium atom, and potassium atom represented by M in the above formula (1) may exist in an ionized state. Moreover, the apparatus used for < 1 > H-NMR measurement should just use a commercial item, and is not specifically limited. Further, as described above, the reference substance for the chemical shift is tetramethylsilane (TMS), and the chemical shift of TMS is set to 0 ppm. In actual measurement, TMS is not necessarily used as a reference substance.

このような非水電解質二次電池用負極は、Liドープを行ったケイ素化合物を使用することで、ケイ素化合物の課題である初回充放電効率(初期効率)を向上させることができる。また、ケイ素化合物のバルク内部にLi化合物を生成することで正極から挿入される不可逆Li成分を除去できるため電池容量の向上へとつながる。   Such a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery can improve the initial charge / discharge efficiency (initial efficiency), which is a problem of the silicon compound, by using a Li-doped silicon compound. Moreover, since the irreversible Li component inserted from a positive electrode can be removed by producing | generating Li compound inside the bulk of a silicon compound, it leads to the improvement of battery capacity.

また、このようなケイ素化合物を使用した負極に含まれるバインダーとして、例えば、主結着剤として、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、副結着剤及び増粘剤として、カルボキシメチルセルロース(CMC)を使用することができる。しかし、Liドープを行ったケイ素化合物のように、よりアルカリ寄りに近いケイ素化合物を用いたスラリーは、CMCの結着性、増粘性を低下させ、スラリーの不安定化を引き起こす。そこで、本発明では、スラリーの結着性、増粘性を抑制することが可能となるポリアクリル酸を含むものとする。すなわち、式(1)で表される基本骨格に加え、H−NMRスペクトルから得られるケミカルシフト値として、上記の範囲の少なくとも1か所以上にピークを有するポリアクリル酸を使用して、スラリー安定性を高める。このように、スラリー安定性を高めることができる構造を持つポリアクリル酸を含むことで、結着性、増粘性を低下させることなく、スラリーの安定化が可能となり、加えて、ポリアクリル酸が有する結着性向上効果も得ることができるものとなる。 Moreover, as a binder contained in the negative electrode using such a silicon compound, for example, as a main binder, styrene butadiene rubber (SBR), polyvinylidene fluoride (PVDF), a secondary binder, and a thickener as carboxy. Methyl cellulose (CMC) can be used. However, a slurry using a silicon compound that is closer to alkali like a silicon compound that has been doped with Li reduces the binding properties and viscosity increase of CMC, and causes the slurry to become unstable. Therefore, in the present invention, polyacrylic acid capable of suppressing the binding property and viscosity increase of the slurry is included. That is, in addition to the basic skeleton represented by the formula (1), as a chemical shift value obtained from a 1 H-NMR spectrum, polyacrylic acid having a peak in at least one place in the above range is used, and a slurry Increase stability. Thus, by including polyacrylic acid having a structure capable of enhancing slurry stability, it becomes possible to stabilize the slurry without lowering the binding property and viscosity increase. The effect of improving the binding property can be obtained.

このような本発明の非水電解質二次電池用負極について説明する。図1は、本発明の一実施形態における非水電解質二次電池用負極(以下、単に「負極」と称することがある。)の断面構成を表している。   Such a negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention will be described. FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of a negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery (hereinafter sometimes simply referred to as “negative electrode”) according to an embodiment of the present invention.

[負極の構成]
図1に示すように、負極10は、負極集電体11の上に負極活物質層12を有する構成になっている。この負極活物質層12は負極集電体11の両面、又は、片面だけに設けられていても良い。さらに、本発明の非水電解質二次電池用負極においては、負極集電体11はなくてもよい。
[Configuration of negative electrode]
As shown in FIG. 1, the negative electrode 10 is configured to have a negative electrode active material layer 12 on a negative electrode current collector 11. The negative electrode active material layer 12 may be provided on both surfaces or only one surface of the negative electrode current collector 11. Furthermore, the negative electrode current collector 11 may not be provided in the negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention.

[負極集電体]
負極集電体11は、優れた導電性材料であり、かつ、機械的な強度に長けた物で構成される。負極集電体11に用いることができる導電性材料として、例えば銅(Cu)やニッケル(Ni)があげられる。この導電性材料は、リチウム(Li)と金属間化合物を形成しない材料であることが好ましい。
[Negative electrode current collector]
The negative electrode current collector 11 is an excellent conductive material and is made of a material that is excellent in mechanical strength. Examples of the conductive material that can be used for the negative electrode current collector 11 include copper (Cu) and nickel (Ni). This conductive material is preferably a material that does not form an intermetallic compound with lithium (Li).

負極集電体11は、主元素以外に炭素(C)や硫黄(S)を含んでいることが好ましい。負極集電体の物理的強度が向上するためである。特に、充電時に膨張する活物質層を有する場合、集電体が上記の元素を含んでいれば、集電体を含む電極変形を抑制する効果があるからである。上記の含有元素の含有量は、特に限定されないが、中でも、100ppm以下であることが好ましい。より高い変形抑制効果が得られるからである。   The negative electrode current collector 11 preferably contains carbon (C) or sulfur (S) in addition to the main element. This is because the physical strength of the negative electrode current collector is improved. In particular, in the case of having an active material layer that expands during charging, if the current collector contains the above-described element, there is an effect of suppressing electrode deformation including the current collector. Although content of said content element is not specifically limited, Especially, it is preferable that it is 100 ppm or less. This is because a higher deformation suppressing effect can be obtained.

負極集電体11の表面は、粗化されていても、粗化されていなくても良い。粗化されている負極集電体は、例えば、電解処理、エンボス処理、又は化学エッチングされた金属箔などである。粗化されていない負極集電体は例えば、圧延金属箔などである。   The surface of the negative electrode current collector 11 may be roughened or not roughened. The roughened negative electrode current collector is, for example, a metal foil subjected to electrolytic treatment, embossing treatment, or chemical etching. The non-roughened negative electrode current collector is, for example, a rolled metal foil.

[負極活物質層]
負極活物質層12は、リチウムイオンを吸蔵、放出可能な粒子状の負極活物質(以下、負極活物質粒子とも称する)とバインダー(負極結着剤)を含んでおり、電池設計上、さらに導電助剤等の他の材料を含んでいても良い。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer 12 includes a particulate negative electrode active material capable of occluding and releasing lithium ions (hereinafter also referred to as negative electrode active material particles) and a binder (negative electrode binder). Other materials such as auxiliaries may be included.

本発明の負極は、負極活物質として、内部にLi化合物が含まれるケイ素化合物(SiOx:0.5≦x≦1.6)を含む。もちろん、負極活物質として、ケイ素化合物以外に、炭素系活物質などを含んでも良い。また、本発明の負極に用いられるケイ素化合物は酸化ケイ素材(SiO:0.5≦x≦1.6)であり、その組成としてはxが1に近い方が好ましい。これは、高いサイクル特性が得られるからである。本発明におけるケイ素化合物の組成は必ずしも純度100%を意味しているわけではなく、微量の不純物元素を含んでいても良い。 The negative electrode of this invention contains the silicon compound (SiOx: 0.5 <= x <= 1.6) in which Li compound is contained inside as a negative electrode active material. Of course, as the negative electrode active material, a carbon-based active material may be included in addition to the silicon compound. Moreover, the silicon compound used for the negative electrode of the present invention is a silicon oxide material (SiO x : 0.5 ≦ x ≦ 1.6), and the composition is preferably such that x is close to 1. This is because high cycle characteristics can be obtained. The composition of the silicon compound in the present invention does not necessarily mean 100% purity, and may contain a trace amount of impurity elements.

また、本発明の負極は負極結着剤の一部としてポリアクリル酸又はその金属塩を含む。そして、ポリアクリル酸又はその金属塩は、その基本骨格が下記式(1)で表されるものである。   The negative electrode of the present invention contains polyacrylic acid or a metal salt thereof as a part of the negative electrode binder. The basic skeleton of polyacrylic acid or a metal salt thereof is represented by the following formula (1).

Figure 2016066529
Figure 2016066529

さらに、ポリアクリル酸又はその金属塩は、H−NMRスペクトルから得られる、TMSを基準物質としたケミカルシフト値として4〜4.5ppm及び1〜2ppmの範囲の少なくとも1か所以上にピークを有する構造を有する。このような、ポリアクリル酸又はその金属塩を含むことで、Li化合物を含むアルカリ寄りのケイ素化合物を混合したスラリーの安定性を高めることができるため、負極のサイクル特性を向上させることができる。 Furthermore, polyacrylic acid or a metal salt thereof has a peak at least in one of the ranges of 4 to 4.5 ppm and 1 to 2 ppm as a chemical shift value obtained from 1 H-NMR spectrum using TMS as a reference substance. It has the structure which has. By including such polyacrylic acid or a metal salt thereof, it is possible to improve the stability of the slurry in which the alkali-like silicon compound containing the Li compound is mixed, so that the cycle characteristics of the negative electrode can be improved.

また、4〜4.5ppmの範囲のケミカルシフト値は、−O−CH−に帰属されるピーク、1〜2ppmの範囲に、ポリアクリル酸又はその金属塩の末端に近い領域の−CH−に帰属されるピークを有するものであることが望ましい。このように、4〜4.5ppmの範囲のピークが、実質的に、−O−CH−に起因したものであり、1〜2ppmの範囲のピークが、実質的に、分子の末端に近い領域の−CH−に起因したものであれば、スラリーの安定化や水溶液の安定性をより向上させることができる。 In addition, the chemical shift value in the range of 4 to 4.5 ppm has a peak attributed to —O—CH 2 —, in the range of 1 to 2 ppm, —CH 2 in a region near the end of polyacrylic acid or a metal salt thereof. It is desirable to have a peak attributed to-. Thus, the peak in the range of 4 to 4.5 ppm is substantially attributable to —O—CH 2 —, and the peak in the range of 1 to 2 ppm is substantially close to the end of the molecule. -CH 2 region - as long as due to, it is possible to further improve the stability of the stabilization and aqueous slurries.

さらに、本発明の負極を構成するポリアクリル酸またはその金属塩は13C−NMRスペクトルから得られる、TMSを基準物質としたケミカルシフト値として、20〜60ppmの範囲に上記の式(1)で表される基本骨格に帰属されるピーク以外の複数のピークを有することがより望ましい。また、基本骨格に帰属されるピークよりも弱い複数のピークは、実質的に、ポリアクリル酸のカルボキシル基の一部が金属塩に置換された構造に起因するものであることが好ましい。このようなポリアクリル酸又はその金属塩を含むことによって水溶液及びスラリーを安定化できる。 Furthermore, the polyacrylic acid or its metal salt that constitutes the negative electrode of the present invention is obtained from the 13 C-NMR spectrum, as a chemical shift value using TMS as a reference substance, within the range of 20 to 60 ppm by the above formula (1). It is more desirable to have a plurality of peaks other than the peaks attributed to the basic skeleton represented. In addition, it is preferable that the plurality of peaks that are weaker than the peak attributed to the basic skeleton substantially originate from a structure in which a part of the carboxyl group of polyacrylic acid is substituted with a metal salt. By containing such polyacrylic acid or a metal salt thereof, the aqueous solution and the slurry can be stabilized.

また、13C−NMR測定に用いる装置は、市販品を用いればよく、特に限定されることはない。また、この13C−NMRの化学シフトの基準物質は、TMSである。実際の測定では、他の基準物質を用いても良い。 Moreover, the apparatus used for < 13 > C-NMR measurement should just use a commercial item, and is not specifically limited. The reference substance for the chemical shift of 13 C-NMR is TMS. In the actual measurement, other reference materials may be used.

更に、本発明の負極を構成するポリアクリル酸またはその金属塩は分子量50万以上125万以下のものであることが望ましい。分子量が、50万以上であれば、結着性が十分に得られるため、電極構造の破壊が起きにくく、電池特性が向上する。また、分子量が125万以下であれば、水溶液にし易く、負極材作製に用いるスラリーの固形分の低下を抑制することができる。その結果、結着性が十分に得られ、電池特性が向上する。より好ましい分子量は100万近辺である。   Furthermore, it is desirable that the polyacrylic acid or the metal salt constituting the negative electrode of the present invention has a molecular weight of 500,000 to 1.25 million. When the molecular weight is 500,000 or more, sufficient binding properties can be obtained, so that the electrode structure is not easily broken and the battery characteristics are improved. Moreover, if molecular weight is 1.25 million or less, it will be easy to make aqueous solution and the fall of the solid content of the slurry used for negative electrode material preparation can be suppressed. As a result, sufficient binding properties are obtained, and battery characteristics are improved. A more preferable molecular weight is around 1 million.

本発明の負極において、ポリアクリル酸又はその金属塩の他に、さらに、結着剤として、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース又はその金属塩、ポリフッ化ビニリデンのうち少なくとも1種以上を含むものであることが好ましい。ポリアクリル酸又はその金属塩に加え、これらのうち少なくとも1種以上、計2種以上の化合物をバインダーとして含むと、スラリーの安定性をより向上させることができるものとなる。   In the negative electrode of the present invention, in addition to polyacrylic acid or a metal salt thereof, it is preferable that the binder further contains at least one of styrene butadiene rubber, carboxymethyl cellulose or a metal salt thereof, and polyvinylidene fluoride as a binder. . In addition to polyacrylic acid or a metal salt thereof, the stability of the slurry can be further improved by including at least one of these, or a total of two or more compounds, as a binder.

カルボキシメチルセルロース又はその金属塩は、エーテル化度が0.7以上1.5以下のものであることが望ましい。カルボキシメチルセルロース又はその金属塩のエーテル化度が0.7以上であれば、アルカリ耐性が高いため、スラリーの安定性が良好となり、サイクル特性が向上する。また、エーテル化度が、1.5以下であれば、平均重合度が高くなりすぎず、水溶液にし易く、負極材作製に用いるスラリーの固形分の低下を抑制することができる。その結果、スラリーの安定性が良好となり、サイクル特性が向上する。   Carboxymethylcellulose or a metal salt thereof preferably has a degree of etherification of 0.7 to 1.5. If the degree of etherification of carboxymethylcellulose or a metal salt thereof is 0.7 or more, the alkali resistance is high, so that the stability of the slurry is improved and the cycle characteristics are improved. Moreover, if the degree of etherification is 1.5 or less, the average degree of polymerization does not become too high, and it is easy to make an aqueous solution. As a result, the stability of the slurry is improved and the cycle characteristics are improved.

このとき、前記負極活物質の総量に対する前記ケイ素化合物の割合が6質量%以上のものであることが好ましい。   At this time, the ratio of the silicon compound to the total amount of the negative electrode active material is preferably 6% by mass or more.

このようなものであれば、電池の体積エネルギー密度を向上させることができるものとなる。また、例えば、負極活物質として、ケイ素化合物の他に炭素系活物質を含む場合、炭素系活物質が、ケイ素化合物より低電位で放電が可能であるため、ケイ素系活物質と炭素系活物質を混合することで電池の体積エネルギー密度を向上させることができる。更に、このとき、負極活物質中のケイ素系活物質の比が6質量%以上であれば、炭素材に対して高電位放電であるケイ素化合物であっても、電池の体積エネルギー密度を向上させることができる。   If it is such, the volume energy density of a battery can be improved. In addition, for example, when a carbon-based active material is included in addition to the silicon compound as the negative electrode active material, the carbon-based active material can be discharged at a lower potential than the silicon compound. The volume energy density of the battery can be improved by mixing. Furthermore, at this time, if the ratio of the silicon-based active material in the negative electrode active material is 6% by mass or more, the volume energy density of the battery is improved even if the silicon compound is high-potential discharge with respect to the carbon material. be able to.

更に、非水電解質二次電池用負極は、前記ポリアクリル酸又はその金属塩を、0.1質量%以上2.5質量%以下の割合で含むものであることが望ましい。本発明の負極活物質層に含まれるポリアクリル酸又はその金属塩は、少量であってもアルカリ性を有するケイ素活物質に対して効果が得られる。0.1質量%以上あれば、よりスラリーを安定化させることができ、電池特性を向上できる。また、上記割合を2.5%以下とすれば、スラリーの電極への塗布、乾燥後のプレス時に結着性が低下することがないため、安定した負極活物質層となり、電池特性を向上できる。   Furthermore, the negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery desirably contains the polyacrylic acid or a metal salt thereof in a proportion of 0.1% by mass to 2.5% by mass. Even if the polyacrylic acid or its metal salt contained in the negative electrode active material layer of the present invention is in a small amount, an effect is obtained for the silicon active material having alkalinity. If it is 0.1 mass% or more, a slurry can be stabilized more and a battery characteristic can be improved. Further, when the ratio is 2.5% or less, the binding property does not decrease during application of the slurry to the electrode and pressing after drying, so that a stable negative electrode active material layer can be obtained and battery characteristics can be improved. .

また、本発明の非水電解質二次電池用負極に含まれるケイ素化合物は炭素被膜を有し、その表層の少なくとも一部に炭酸リチウムを含むことが好ましい。ケイ素化合物が炭素被膜で被覆されていることで、導電性が向上する。また、ケイ素化合物の表層の少なくとも一部が炭酸リチウムで覆われていれば、電池の初期効率を大きく向上させることができる。   Moreover, it is preferable that the silicon compound contained in the negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries of this invention has a carbon film, and lithium carbonate is included in at least one part of the surface layer. Conductivity improves because the silicon compound is coated with the carbon film. Moreover, if at least a part of the surface layer of the silicon compound is covered with lithium carbonate, the initial efficiency of the battery can be greatly improved.

なお、炭素被膜の被覆量は、ケイ素化合物と炭素被膜の合計に対し0.1質量%〜15質量%であることが好ましい。炭素被膜の被覆量が0.1質量%以上であれば、十分な導電性を得ることができる。また、被覆量が15質量%以下であれば、電池容量を十分に確保できる。   In addition, it is preferable that the coating amount of a carbon film is 0.1 mass%-15 mass% with respect to the sum total of a silicon compound and a carbon film. If the coating amount of the carbon coating is 0.1% by mass or more, sufficient conductivity can be obtained. Moreover, if the coating amount is 15% by mass or less, a sufficient battery capacity can be secured.

炭酸リチウムは、ケイ素化合物に対して、0.5質量%以上4質量%以下の範囲で含まれるものであることが好ましい。炭酸リチウムがケイ素化合物に対して0.5質量%以上含まれていれば、初期効率の向上効果が十分に得られる。また、炭酸リチウムを4質量%以下とすれば、スラリー安定性を維持することができる。   It is preferable that lithium carbonate is contained in the range of 0.5 mass% or more and 4 mass% or less with respect to the silicon compound. If lithium carbonate is contained in an amount of 0.5% by mass or more based on the silicon compound, the effect of improving the initial efficiency can be sufficiently obtained. Moreover, if lithium carbonate is 4 mass% or less, slurry stability can be maintained.

更に、本発明の負極は、ケイ素化合物が、その表層にカルボキシル基を有する結着剤を介して炭素粒子が付着しているものであることが好ましい。炭素粒子は、カルボキシル基を有する結着剤を介せば、強固に付着させることができる。また、炭素粒子が、ケイ素化合物に付着していれば、負極活物質粒子の粒子間コンタクトを取りやすくなり、安定した電池特性が得られるからである。更に、炭素粒子は20nm〜200nmの範囲である事が望ましい。炭素粒子のメジアン径が20nm以上であれば、負極活物質粒子間のコンタクトが十分に取れる。炭素粒子のメジアン径が200nm以下であれば、負極活物質粒子間のコンタクトが得られる炭素粒子の割合が増え、コンタクトを取るために必要な炭素粒子の量が少なく済むため、炭素粒子を必要以上に多く加える必要が無く、電池容量を十分に確保できる。   Furthermore, the negative electrode of the present invention is preferably such that the silicon compound has carbon particles attached to the surface layer via a binder having a carboxyl group. The carbon particles can be firmly attached by using a binder having a carboxyl group. Further, if the carbon particles are attached to the silicon compound, it becomes easy to make contact between the negative electrode active material particles, and stable battery characteristics can be obtained. Furthermore, the carbon particles are desirably in the range of 20 nm to 200 nm. If the median diameter of the carbon particles is 20 nm or more, sufficient contact between the negative electrode active material particles can be obtained. If the median diameter of the carbon particles is 200 nm or less, the proportion of the carbon particles that can be contacted between the negative electrode active material particles is increased, and the amount of carbon particles necessary for making contact is reduced. It is not necessary to add a large amount to the battery, and a sufficient battery capacity can be secured.

ケイ素化合物に炭素粒子を付着させるカルボキシル基を有する結着剤は、カルボキシメチルセルロース又はその金属塩と、ポリアクリル酸又はその金属塩のうち少なくとも1種を含むことが好ましい。このようなものであれば、特に強固に炭素粒子を付着させることができる。   The binder having a carboxyl group for adhering carbon particles to the silicon compound preferably contains at least one of carboxymethyl cellulose or a metal salt thereof and polyacrylic acid or a metal salt thereof. If it is such a thing, carbon particles can be made to adhere especially firmly.

本発明の負極における、内部にLi化合物が含まれるケイ素化合物は、内部に生成するSiO成分の一部をLi化合物へ選択的に変更することにより得ることができる。ケイ素化合物を、リチウムの挿入、脱離時に不安定化するSiO成分部が、予め、別のLi化合物に改質されたものとすれば、充電時に発生する不可逆容量を低減することができる。なかでも、ケイ素化合物の内部に、Li化合物として、LiSiO、LiSiO、LiSiが含まれている場合、特に良い電池特性を示す。これは、リチウム対極に対する電位規制や電流規制などを行い、条件を変更することで選択的化合物の作製が可能となる。Li化合物は、NMR(核磁気共鳴)とXPS(X線光電子分光)で定量可能である。XPSとNMRの測定は、例えば、以下の条件により行うことができる。
XPS
・装置: X線光電子分光装置、
・X線源: 単色化Al Kα線、
・X線スポット径: 100μm、
・Arイオン銃スパッタ条件: 0.5kV 2mm×2mm。
29Si MAS NMR(マジック角回転核磁気共鳴)
・装置: Bruker社製700NMR分光器、
・プローブ: 4mmHR−MASローター 50μL、
・試料回転速度: 10kHz、
・測定環境温度: 25℃。
In the negative electrode of the present invention, the silicon compound containing a Li compound therein can be obtained by selectively changing a part of the SiO 2 component generated inside to a Li compound. If the SiO 2 component part that destabilizes the silicon compound at the time of insertion or desorption of lithium is modified in advance to another Li compound, the irreversible capacity generated during charging can be reduced. Among them, in the interior of the silicon compound, as a Li compound, Li 4 SiO 4, Li 2 SiO 3, Li 6 Si 2 if O 7 are included, they show particularly good cell characteristics. This makes it possible to produce a selective compound by performing potential regulation or current regulation on the lithium counter electrode and changing the conditions. Li compounds can be quantified by NMR (nuclear magnetic resonance) and XPS (X-ray photoelectron spectroscopy). The XPS and NMR measurements can be performed, for example, under the following conditions.
XPS
・ Device: X-ray photoelectron spectrometer,
・ X-ray source: Monochromatic Al Kα ray,
・ X-ray spot diameter: 100 μm,
Ar ion gun sputtering conditions: 0.5 kV 2 mm × 2 mm.
29 Si MAS NMR (magic angle rotating nuclear magnetic resonance)
Apparatus: 700 NMR spectrometer manufactured by Bruker,
Probe: 4 mm HR-MAS rotor 50 μL,
Sample rotation speed: 10 kHz,
-Measurement environment temperature: 25 ° C.

選択的化合物の作製方法、すなわち、ケイ素系活物質の改質は、電気化学的手法により行うことが好ましい。   The method for producing the selective compound, that is, the modification of the silicon-based active material is preferably performed by an electrochemical method.

このような改質(バルク内改質)方法を用いてケイ素化合物を製造することで、Si領域のLi化合物化を低減、又は避けることが可能であり、大気中、又は水系スラリー中、溶剤スラリー中で安定した物質となる。また、電気化学的手法により改質を行うことにより、ランダムに化合物化する熱改質(熱ドープ法)、蒸着法に対し、より安定した物質を作ることが可能である。   By producing a silicon compound using such a modification (in-bulk modification) method, it is possible to reduce or avoid the formation of a Li compound in the Si region. In the atmosphere or in an aqueous slurry, a solvent slurry It becomes a stable substance. Further, by performing the modification by an electrochemical method, it is possible to produce a more stable material with respect to the thermal modification (thermal doping method) and vapor deposition method in which compounds are randomly formed.

ケイ素系活物質のバルク内部に生成したLiSiO、LiSiO、LiSiは少なくとも1種以上存在することで特性向上となるが、より特性向上となるのはこれら2種の共存状態である。 The presence of at least one of Li 4 SiO 4 , Li 2 SiO 3 , and Li 6 Si 2 O 7 generated in the bulk of the silicon-based active material improves the characteristics, but these characteristics are more improved. Species coexistence.

また、ケイ素系活物質の最表層の少なくとも一部に炭酸リチウム等の反応抑制物を生成することで、粉末の保存特性を飛躍的に向上させることができる。反応抑制物を生成する手法は特に限定しないが、電気化学法が最も好ましい。   Moreover, the preservation | save characteristic of powder can be improved greatly by producing | generating reaction-suppressing substances, such as lithium carbonate, in at least a part of the outermost layer of the silicon-based active material. A method for generating the reaction inhibitor is not particularly limited, but an electrochemical method is most preferable.

また、本発明の負極材に含まれるケイ素系活物質の結晶性は低いほどよい。具体的には、ケイ素化合物のX線回折により得られるSi(111)結晶面に起因する回折ピークの半値幅(2θ)が1.2°以上であるとともに、その結晶面に起因する結晶子サイズが7.5nm以下であることが望ましい。このように、特に結晶性が低くSi結晶の存在量が少ないことにより、電池特性を向上させるだけでなく、安定的なLi化合物の生成をすることができる。   Moreover, the lower the crystallinity of the silicon-based active material contained in the negative electrode material of the present invention, the better. Specifically, the full width at half maximum (2θ) of the diffraction peak attributed to the Si (111) crystal plane obtained by X-ray diffraction of the silicon compound is 1.2 ° or more, and the crystallite size attributed to the crystal plane Is preferably 7.5 nm or less. As described above, since the crystallinity is low and the amount of Si crystals present is small, not only the battery characteristics are improved, but also a stable Li compound can be generated.

ケイ素系活物質のメジアン径は特に限定されないが、中でも0.5μm〜20μmであることが好ましい。この範囲であれば、充放電時においてリチウムイオンの吸蔵放出がされやすくなるとともに、粒子が割れにくくなるからである。このメジアン径が0.5μm以上であれば表面積が大きすぎないため、電池不可逆容量を低減することができる。一方、メジアン径が20μm以下であれば、粒子が割れにくく新生面が出にくいため好ましい。   The median diameter of the silicon-based active material is not particularly limited, but is preferably 0.5 μm to 20 μm. This is because, within this range, lithium ions are easily occluded and released during charging and discharging, and the particles are difficult to break. If the median diameter is 0.5 μm or more, the surface area is not too large, so that the battery irreversible capacity can be reduced. On the other hand, a median diameter of 20 μm or less is preferable because the particles are difficult to break and a new surface is difficult to appear.

負極導電助剤としては、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、ケチェンブラック、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のいずれか1種以上があげられる。特にカーボンナノチューブは膨張収縮率が高いケイ素材と炭素材の電気コンタクトを得ることに向いている。   Examples of the negative electrode conductive assistant include one or more carbon materials such as carbon black, acetylene black, graphite, ketjen black, carbon nanotube (CNT), and carbon nanofiber. In particular, carbon nanotubes are suitable for obtaining electrical contacts between a silicon material and a carbon material having a high expansion / contraction rate.

[負極の製造方法]
最初に本発明の非水電解質二次電池用負極に含まれるケイ素化合物の製造方法を説明する。まず、SiO(0.5≦x≦1.6)で表されるケイ素化合物を作製し、次に、ケイ素系活物質にLiを挿入することにより、ケイ素化合物の内部にLi化合物を生成させることができる。より具体的には、ケイ素化合物は、例えば、以下の手順により製造される。
[Production method of negative electrode]
First, a method for producing a silicon compound contained in the negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention will be described. First, a silicon compound represented by SiO x (0.5 ≦ x ≦ 1.6) is prepared, and then Li is inserted into the silicon-based active material to generate a Li compound inside the silicon compound. be able to. More specifically, the silicon compound is produced by the following procedure, for example.

まず、酸化珪素ガスを発生する原料(気化出発材)を不活性ガスの存在下もしくは減圧下900℃〜1600℃の温度範囲で加熱し、酸化ケイ素ガスを発生させる。この場合、原料は金属珪素粉末と二酸化珪素粉末との混合であり、金属珪素粉末の表面酸素及び反応炉中の微量酸素の存在を考慮すると、混合モル比が、0.8<金属珪素粉末/二酸化珪素粉末<1.3の範囲であることが望ましい。粒子中のSi結晶子は仕込み範囲や気化温度の変更、また生成後の熱処理で制御される。発生したガスは吸着板に堆積される。反応炉内温度を100℃以下に下げた状態で堆積物を取出し、ボールミル、ジェットミルなどを用いて粉砕、粉末化を行う。このようにして、SiO(0.5≦x≦1.6)で表されるケイ素化合物を作製する。 First, a raw material (vaporization starting material) that generates silicon oxide gas is heated in the temperature range of 900 ° C. to 1600 ° C. in the presence of an inert gas or under reduced pressure to generate silicon oxide gas. In this case, the raw material is a mixture of metal silicon powder and silicon dioxide powder, and considering the surface oxygen of the metal silicon powder and the presence of trace amounts of oxygen in the reactor, the mixing molar ratio is 0.8 <metal silicon powder / It is desirable that the silicon dioxide powder is in the range of <1.3. The Si crystallites in the particles are controlled by changing the preparation range and vaporization temperature, and by heat treatment after generation. The generated gas is deposited on the adsorption plate. The deposit is taken out with the temperature in the reactor lowered to 100 ° C. or lower, and pulverized and powdered using a ball mill, a jet mill or the like. In this way, a silicon compound represented by SiO x (0.5 ≦ x ≦ 1.6) is produced.

次に、得られた粉末材料の表層に炭素被膜を被覆することができるが、この工程は必須ではない。しかしながら、より電池特性を向上させるには効果的である。   Next, a carbon film can be coated on the surface layer of the obtained powder material, but this step is not essential. However, it is effective for improving battery characteristics.

得られた粉末材料の表層に炭素被膜を被覆する手法としては、熱分解CVDが望ましい。熱分解CVDは炉内にセットした酸化ケイ素粉末と炉内に炭化水素ガスを充満させ炉内温度を昇温させる。分解温度は特に限定しないが、1200℃以下が望ましい。より望ましいのは950℃以下であり、粒子の不均化を抑制することが可能である。炭化水素ガスは特に限定することはないが、CnHm組成のうち3≧nが望ましい。これは、製造コストが低く、分解生成物の物性が良くなるからである。   Pyrolysis CVD is desirable as a technique for coating the surface layer of the obtained powder material with a carbon film. Thermal decomposition CVD fills the silicon oxide powder set in the furnace and the hydrocarbon gas into the furnace to raise the temperature in the furnace. The decomposition temperature is not particularly limited, but is preferably 1200 ° C. or lower. More desirably, the temperature is 950 ° C. or lower, which can suppress disproportionation of particles. The hydrocarbon gas is not particularly limited, but 3 ≧ n is desirable in the CnHm composition. This is because the manufacturing cost is low and the physical properties of the decomposition product are improved.

次に、粉末材料のバルク内の改質を行う。バルク内改質は電気化学的にLiを挿入・脱離し得ることが望ましい。特に装置構造を限定することはないが、例えば図2に示すバルク内改質装置20を用いて、バルク内改質を行うことができる。バルク内改質装置20は、有機溶媒23で満たされた浴槽27と、浴槽27内に配置され、電源26の一方に接続された陽電極(リチウム源、改質源)21と、浴槽27内に配置され、電源26の他方に接続された粉末格納容器25と、陽電極21と粉末格納容器25との間に設けられたセパレータ24とを有している。粉末格納容器25には、酸化ケイ素の粉末22が格納される。この時、炭素粒子を、ポリアクリル酸を介して酸化ケイ素の粉末22に接着させることでスムーズな改質が得られる。   Next, modification in the bulk of the powder material is performed. It is desirable that in-bulk modification can electrochemically insert and desorb Li. Although the apparatus structure is not particularly limited, for example, the bulk reforming can be performed using the bulk reforming apparatus 20 shown in FIG. The in-bulk reformer 20 includes a bathtub 27 filled with an organic solvent 23, a positive electrode (lithium source, reforming source) 21 disposed in the bathtub 27 and connected to one of the power sources 26, And a separator 24 provided between the positive electrode 21 and the powder storage container 25. The powder storage container 25 is connected to the other side of the power source 26. The powder storage container 25 stores silicon oxide powder 22. At this time, smooth modification can be obtained by adhering the carbon particles to the silicon oxide powder 22 via polyacrylic acid.

上記のように、得られた改質粒子は、炭素層を含んでいなくても良い。ただし、バルク内改質処理において、より均一な制御を求める場合、電位分布の低減などが必要であり、炭素層が存在することが望ましい。   As described above, the obtained modified particles may not include the carbon layer. However, when more uniform control is required in the reforming process in the bulk, it is necessary to reduce the potential distribution, and it is desirable that a carbon layer exists.

浴槽27内の有機溶媒23として、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、炭酸フルオロメチルメチル、炭酸ジフルオロメチルメチルなどを用いることができる。また、有機溶媒23に含まれる電解質塩として、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF)などを用いることができる。 As the organic solvent 23 in the bathtub 27, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, fluoromethyl methyl carbonate, difluoromethyl methyl carbonate, or the like can be used. As the electrolyte salt contained in the organic solvent 23, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), or the like can be used.

陽電極21はLi箔を用いてもよく、また、Li含有化合物を用いてもよい。Li含有化合物として、炭酸リチウム、酸化リチウム、コバルト酸リチウム、オリビン鉄リチウム、ニッケル酸リチウム、リン酸バナジウムリチウムなどがあげられる。   The positive electrode 21 may use a Li foil or a Li-containing compound. Examples of the Li-containing compound include lithium carbonate, lithium oxide, lithium cobaltate, lithium olivine, lithium nickelate, and lithium vanadium phosphate.

続いて、上記ケイ素系活物質と必要に応じて炭素系活物質を混合するとともに、これらの負極活物質粒子とバインダー(負極結着剤)、導電助剤など他の材料とを混合し負極合剤としたのち、有機溶剤又は水などを加えてスラリーとする。   Subsequently, the silicon-based active material is mixed with the carbon-based active material as necessary, and the negative-electrode active material particles are mixed with other materials such as a binder (negative-electrode binder) and a conductive auxiliary agent. After preparing an agent, an organic solvent or water is added to form a slurry.

このとき、本発明ではバインダーとして、ポリアクリル酸又はその金属塩を含むことを必須とする。また、バインダーとして、さらに、ポリアクリル酸又はその金属塩、スチレンブタジエンゴム、ポリフッ化ビニリデンのうち少なくとも1種以上を加えることができる。   At this time, in the present invention, it is essential to contain polyacrylic acid or a metal salt thereof as a binder. Further, as the binder, at least one of polyacrylic acid or a metal salt thereof, styrene butadiene rubber, and polyvinylidene fluoride can be added.

ここで、本発明の負極に含まれるポリアクリル酸またはその金属塩は、H−NMRスペクトルから得られる、ケミカルシフト値(TMS基準)として4〜4.5ppmまたは1〜2ppmの少なくとも1か所以上にピークを有するものである。負極を形成するためのスラリーが、このようなものをバインダーとして含めば、改質した後のケイ素化合物に適したスラリーとなる。すなわち、内部にLi化合物が含まれるケイ素化合物を混合した、アルカリ性のスラリーにおいても、その増粘性、結着性を向上できる。 Here, the polyacrylic acid or metal salt thereof contained in the negative electrode of the present invention is at least one of 4 to 4.5 ppm or 1 to 2 ppm in terms of chemical shift value (TMS standard) obtained from the 1 H-NMR spectrum. It has a peak as described above. If the slurry for forming the negative electrode includes such a binder as a binder, the slurry is suitable for the silicon compound after modification. That is, even in an alkaline slurry in which a silicon compound containing a Li compound is mixed, the thickening and binding properties can be improved.

次に、負極集電体11の表面に、この負極合剤のスラリーを塗布し、乾燥させて図1に示す負極活物質層12を形成する。この時、必要に応じて加熱プレスなどを行っても良い。   Next, the negative electrode mixture slurry is applied to the surface of the negative electrode current collector 11 and dried to form the negative electrode active material layer 12 shown in FIG. At this time, a heating press or the like may be performed as necessary.

<2.リチウムイオン二次電池>
次に、上記した本発明の負極を用いた非水電解質二次電池の具体例として、リチウムイオン二次電池について説明する。
<2. Lithium ion secondary battery>
Next, a lithium ion secondary battery will be described as a specific example of the nonaqueous electrolyte secondary battery using the negative electrode of the present invention.

[ラミネートフィルム型二次電池の構成]
図3に示すラミネートフィルム型二次電池30は、主にシート状の外装部材35の内部に巻回電極体31が収納されたものである。この巻回電極体31は正極、負極間にセパレータを有し、巻回されたものである。また正極、負極間にセパレータを有し積層体を収納した場合も存在する。どちらの電極体においても、正極に正極リード32が取り付けられ、負極に負極リード33が取り付けられている。電極体の最外周部は保護テープにより保護されている。
[Configuration of laminated film type secondary battery]
A laminated film type secondary battery 30 shown in FIG. 3 is one in which a wound electrode body 31 is accommodated mainly in a sheet-like exterior member 35. The wound electrode body 31 has a separator between a positive electrode and a negative electrode, and is wound. There is also a case where a separator is provided between the positive electrode and the negative electrode and a laminate is accommodated. In both electrode bodies, the positive electrode lead 32 is attached to the positive electrode, and the negative electrode lead 33 is attached to the negative electrode. The outermost peripheral part of the electrode body is protected by a protective tape.

正負極リード32、33は、例えば、外装部材35の内部から外部に向かって一方向で導出されている。正極リード32は、例えば、アルミニウムなどの導電性材料により形成され、負極リード33は、例えば、ニッケル、銅などの導電性材料により形成される。   The positive and negative leads 32 and 33 are led out in one direction from the inside of the exterior member 35 to the outside, for example. The positive electrode lead 32 is formed of a conductive material such as aluminum, and the negative electrode lead 33 is formed of a conductive material such as nickel or copper.

外装部材35は、例えば、融着層、金属層、表面保護層がこの順に積層されたラミネートフィルムであり、このラミネートフィルムは融着層が電極体31と対向するように、2枚のフィルムの融着層における外周縁部同士が融着、又は、接着剤などで張り合わされている。融着部は、例えばポリエチレンやポリプロピレンなどのフィルムであり、金属部はアルミ箔などである。保護層は例えば、ナイロンなどである。   The exterior member 35 is, for example, a laminate film in which a fusion layer, a metal layer, and a surface protective layer are laminated in this order. This laminate film is formed of two films so that the fusion layer faces the electrode body 31. The outer peripheral edges of the fusion layer are bonded together with an adhesive or an adhesive. The fused part is, for example, a film such as polyethylene or polypropylene, and the metal part is aluminum foil or the like. The protective layer is, for example, nylon.

外装部材35と正負極リードとの間には、外気侵入防止のため密着フィルム34が挿入されている。この材料は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリオレフィン樹脂である。   An adhesion film 34 is inserted between the exterior member 35 and the positive and negative electrode leads to prevent intrusion of outside air. This material is, for example, polyethylene, polypropylene, or polyolefin resin.

[正極]
正極は、例えば、図1の負極10と同様に、正極集電体の両面又は片面に正極活物質層を有している。
[Positive electrode]
The positive electrode has, for example, a positive electrode active material layer on both sides or one side of the positive electrode current collector, similarly to the negative electrode 10 of FIG.

正極集電体は、例えば、アルミニウムなどの導電性材により形成されている。   The positive electrode current collector is formed of, for example, a conductive material such as aluminum.

正極活物質層は、リチウムイオンの吸蔵放出可能な正極材のいずれか1種又は2種以上を含んでおり、設計に応じて正極結着剤、正極導電助剤、分散剤などの他の材料を含んでいても良い。この場合、正極結着剤、正極導電助剤に関する詳細は、例えば既に記述した負極結着剤、負極導電助剤と同様である。   The positive electrode active material layer includes any one or more of positive electrode materials capable of occluding and releasing lithium ions, and other materials such as a positive electrode binder, a positive electrode conductive additive, and a dispersant depending on the design. May be included. In this case, details regarding the positive electrode binder and the positive electrode conductive additive are the same as, for example, the negative electrode binder and negative electrode conductive additive already described.

正極材料としては、リチウム含有化合物が望ましい。このリチウム含有化合物は、例えばリチウムと遷移金属元素からなる複合酸化物、又はリチウムと遷移金属元素を有するリン酸化合物があげられる。これら記述される正極材の中でもニッケル、鉄、マンガン、コバルトの少なくとも1種以上を有する化合物が好ましい。これらの化学式として、例えば、LiあるいはLiPOで表される。式中、M、Mは少なくとも1種以上の遷移金属元素を示す。x、yの値は電池充放電状態によって異なる値を示すが、一般的に0.05≦x≦1.10、0.05≦y≦1.10で示される。 As the positive electrode material, a lithium-containing compound is desirable. Examples of the lithium-containing compound include a composite oxide composed of lithium and a transition metal element, or a phosphate compound having lithium and a transition metal element. Among these described positive electrode materials, compounds having at least one of nickel, iron, manganese, and cobalt are preferable. These chemical formulas are represented by, for example, Li x M 1 O 2 or Li y M 2 PO 4 . In the formula, M 1 and M 2 represent at least one transition metal element. The values of x and y vary depending on the battery charge / discharge state, but are generally expressed as 0.05 ≦ x ≦ 1.10 and 0.05 ≦ y ≦ 1.10.

リチウムと遷移金属元素とを有する複合酸化物としては、例えば、リチウムコバルト複合酸化物(LiCoO)、リチウムニッケル複合酸化物(LiNiO)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物などが挙げられる。リチウムニッケルコバルト複合酸化物としては、例えばリチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物(NCA)やリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(NCM)などが挙げられる。リチウムと遷移金属元素とを有するリン酸化合物としては、例えば、リチウム鉄リン酸化合物(LiFePO)あるいはリチウム鉄マンガンリン酸化合物(LiFe1−uMnPO(0<u<1))などが挙げられる。これらの正極材を用いれば、高い電池容量を得ることができるとともに、優れたサイクル特性も得ることができる。 Examples of the composite oxide having lithium and a transition metal element include lithium cobalt composite oxide (Li x CoO 2 ), lithium nickel composite oxide (Li x NiO 2 ), and lithium nickel cobalt composite oxide. . Examples of the lithium nickel cobalt composite oxide include lithium nickel cobalt aluminum composite oxide (NCA) and lithium nickel cobalt manganese composite oxide (NCM). Examples of the phosphate compound having lithium and a transition metal element include a lithium iron phosphate compound (LiFePO 4 ) or a lithium iron manganese phosphate compound (LiFe 1-u Mn u PO 4 (0 <u <1)). Is mentioned. If these positive electrode materials are used, a high battery capacity can be obtained, and excellent cycle characteristics can also be obtained.

[負極]
負極は、上記した図1のリチウムイオン二次電池用負極10と同様の構成を有し、例えば、集電体の両面に負極活物質層を有している。この負極は、正極活物質剤から得られる電気容量(電池としての充電容量)に対して、負極充電容量が大きくなることが好ましい。これにより、負極上でのリチウム金属の析出を抑制することができる。
[Negative electrode]
The negative electrode has the same configuration as the negative electrode 10 for lithium ion secondary battery in FIG. 1 described above, and has, for example, a negative electrode active material layer on both sides of the current collector. This negative electrode preferably has a negative electrode charge capacity larger than the electric capacity (charge capacity as a battery) obtained from the positive electrode active material agent. Thereby, precipitation of lithium metal on the negative electrode can be suppressed.

正極活物質層は、正極集電体の両面の一部に設けられており、同様に負極活物質層も負極集電体の両面の一部に設けられている。この場合、例えば、負極集電体上に設けられた負極活物質層は対向する正極活物質層が存在しない領域が設けられている。これは、安定した電池設計を行うためである。   The positive electrode active material layer is provided on part of both surfaces of the positive electrode current collector, and similarly, the negative electrode active material layer is provided on part of both surfaces of the negative electrode current collector. In this case, for example, the negative electrode active material layer provided on the negative electrode current collector is provided with a region where there is no opposing positive electrode active material layer. This is to perform a stable battery design.

上記の負極活物質層と正極活物質層とが対向しない領域では、充放電の影響をほとんど受けることが無い。そのため、負極活物質層の状態が形成直後のまま維持され、これによって負極活物質の組成など、充放電の有無に依存せずに再現性良く組成などを正確に調べることができる。   In the region where the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer do not face each other, there is almost no influence of charge / discharge. Therefore, the state of the negative electrode active material layer is maintained as it is, so that the composition and the like of the negative electrode active material can be accurately examined with good reproducibility without depending on the presence or absence of charge / discharge.

[セパレータ]
セパレータは正極、負極を隔離し、両極接触に伴う電流短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。このセパレータは、例えば合成樹脂、あるいはセラミックからなる多孔質膜により形成されており、2種以上の多孔質膜が積層された積層構造を有しても良い。合成樹脂として例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。
[Separator]
The separator separates the positive electrode and the negative electrode, and allows lithium ions to pass through while preventing current short-circuiting due to bipolar contact. This separator is formed of, for example, a porous film made of synthetic resin or ceramic, and may have a laminated structure in which two or more kinds of porous films are laminated. Examples of the synthetic resin include polytetrafluoroethylene, polypropylene, and polyethylene.

[電解液]
活物質層の少なくとも一部、又は、セパレータには、液状の電解質(電解液)が含浸されている。この電解液は、溶媒中に電解質塩が溶解されており、添加剤など他の材料を含んでいても良い。
[Electrolyte]
At least a part of the active material layer or the separator is impregnated with a liquid electrolyte (electrolytic solution). This electrolytic solution has an electrolyte salt dissolved in a solvent, and may contain other materials such as additives.

溶媒は、例えば、非水溶媒を用いることができる。非水溶媒としては、例えば、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、炭酸メチルプロピル、1,2−ジメトキシエタン、又はテトラヒドロフランなどが挙げられる。この中でも、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチルのうちの少なくとも1種以上を用いることが望ましい。より良い特性が得られるからである。またこの場合、炭酸エチレン、炭酸プロピレンなどの高粘度溶媒と、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジエチルなどの低粘度溶媒を組み合わせることにより、より優位な特性を得ることができる。これは、電解質塩の解離性やイオン移動度が向上するためである。   For example, a non-aqueous solvent can be used as the solvent. Examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, methyl propyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, and tetrahydrofuran. Among these, it is desirable to use at least one of ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate. This is because better characteristics can be obtained. In this case, more advantageous characteristics can be obtained by combining a high viscosity solvent such as ethylene carbonate or propylene carbonate and a low viscosity solvent such as dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate or diethyl carbonate. This is because the dissociation property and ion mobility of the electrolyte salt are improved.

溶媒添加物として、不飽和炭素結合環状炭酸エステルを含んでいることが好ましい。充放電時に負極表面に安定な被膜が形成され、電解液の分解反応が抑制できるからである。不飽和炭素結合環状炭酸エステルとして、例えば炭酸ビニレン又は炭酸ビニルエチレンなどが挙げられる。   The solvent additive preferably contains an unsaturated carbon bond cyclic carbonate. This is because a stable film is formed on the surface of the negative electrode during charging and discharging, and the decomposition reaction of the electrolytic solution can be suppressed. Examples of the unsaturated carbon bond cyclic ester carbonate include vinylene carbonate and vinyl ethylene carbonate.

また溶媒添加物として、スルトン(環状スルホン酸エステル)を含んでいることが好ましい。電池の化学的安定性が向上するからである。スルトンとしては、例えばプロパンスルトン、プロペンスルトンが挙げられる。   The solvent additive preferably contains sultone (cyclic sulfonic acid ester). This is because the chemical stability of the battery is improved. Examples of sultone include propane sultone and propene sultone.

さらに、溶媒は、酸無水物を含んでいることが好ましい。電解液の化学的安定性が向上するからである。酸無水物としては、例えば、プロパンジスルホン酸無水物が挙げられる。   Furthermore, it is preferable that the solvent contains an acid anhydride. This is because the chemical stability of the electrolytic solution is improved. Examples of the acid anhydride include propanedisulfonic acid anhydride.

電解質塩は、例えば、リチウム塩などの軽金属塩のいずれか1種類以上含むことができる。リチウム塩として、例えば、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF)などが挙げられる。 The electrolyte salt can contain, for example, any one or more of light metal salts such as lithium salts. Examples of the lithium salt include lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) and lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ).

電解質塩の含有量は、溶媒に対して0.5mol/kg以上2.5mol/kg以下であることが好ましい。これは、高いイオン伝導性が得られるからである。   The content of the electrolyte salt is preferably 0.5 mol / kg or more and 2.5 mol / kg or less with respect to the solvent. This is because high ion conductivity is obtained.

[ラミネートフィルム型二次電池の製造方法] [Production method of laminated film type secondary battery]

最初に上記した正極材を用い正極電極を作製する。まず、正極活物質と、必要に応じて正極結着剤、正極導電助剤などを混合し正極合剤としたのち、有機溶剤に分散させ正極合剤スラリーとする。続いて、ナイフロール又はダイヘッドを有するダイコーターなどのコーティング装置で正極集電体に合剤スラリーを塗布し、熱風乾燥させて正極活物質層を得る。最後に、ロールプレス機などで正極活物質層を圧縮成型する。この時、加熱しても良く、また圧縮を複数回繰り返しても良い。   First, a positive electrode is manufactured using the positive electrode material described above. First, a positive electrode active material and, if necessary, a positive electrode binder and a positive electrode conductive additive are mixed to form a positive electrode mixture, which is then dispersed in an organic solvent to form a positive electrode mixture slurry. Subsequently, the mixture slurry is applied to the positive electrode current collector with a coating apparatus such as a die coater having a knife roll or a die head, and dried with hot air to obtain a positive electrode active material layer. Finally, the positive electrode active material layer is compression molded with a roll press or the like. At this time, heating may be performed or compression may be repeated a plurality of times.

次に、上記したリチウムイオン二次電池用負極10の作製と同様の作業手順を用い、負極集電体に負極活物質層を形成し負極を作製する。   Next, a negative electrode is produced by forming a negative electrode active material layer on the negative electrode current collector, using the same operation procedure as the production of the negative electrode 10 for a lithium ion secondary battery described above.

正極及び負極を作製する際に、正極及び負極集電体の両面にそれぞれの活物質層を形成する。この時、どちらの電極においても両面部の活物質塗布長がずれていても良い(図1を参照)。   When producing the positive electrode and the negative electrode, respective active material layers are formed on both surfaces of the positive electrode and the negative electrode current collector. At this time, the active material application length of both surface portions may be shifted in either electrode (see FIG. 1).

続いて、電解液を調整する。続いて、超音波溶接などにより、正極集電体に正極リード32を取り付けると共に、負極集電体に負極リード33を取り付ける。続いて、正極と負極とをセパレータを介して積層、又は巻回させて巻回電極体31を作製し、その最外周部に保護テープを接着させる。次に、扁平な形状となるように巻回体を成型する。続いて、折りたたんだフィルム状の外装部材35の間に巻回電極体を挟み込んだ後、熱融着法により外装部材の絶縁部同士を接着させ、一方向のみ解放状態にて、巻回電極体を封入する。続いて、正極リード、及び負極リードと外装部材の間に密着フィルムを挿入する。続いて、解放部から上記調整した電解液を所定量投入し、真空含浸を行う。含浸後、解放部を真空熱融着法により接着させる。以上のようにして、ラミネートフィルム型二次電池30を製造することができる。   Subsequently, the electrolytic solution is adjusted. Subsequently, the positive electrode lead 32 is attached to the positive electrode current collector and the negative electrode lead 33 is attached to the negative electrode current collector by ultrasonic welding or the like. Subsequently, the positive electrode and the negative electrode are laminated or wound via a separator to produce a wound electrode body 31, and a protective tape is bonded to the outermost periphery. Next, the wound body is molded so as to have a flat shape. Subsequently, after sandwiching the wound electrode body between the folded film-shaped exterior member 35, the insulating portions of the exterior member are bonded to each other by a thermal fusion method, and the wound electrode body is released in only one direction. Enclose. Subsequently, an adhesion film is inserted between the positive electrode lead and the negative electrode lead and the exterior member. Subsequently, a predetermined amount of the adjusted electrolytic solution is introduced from the release portion, and vacuum impregnation is performed. After impregnation, the release part is bonded by a vacuum heat fusion method. The laminated film type secondary battery 30 can be manufactured as described above.

上記作製したラミネートフィルム型二次電池30等の本発明の非水電解質二次電池において、充放電時の負極利用率が93%以上99%以下であることが好ましい。負極利用率を93%以上の範囲とすれば、初回充電効率が低下せず、電池容量の向上を大きくできる。また、負極利用率を99%以下の範囲とすれば、Liが析出してしまうことがなく安全性を確保できる。   In the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention such as the laminated film type secondary battery 30 produced as described above, the negative electrode utilization rate during charge / discharge is preferably 93% or more and 99% or less. If the negative electrode utilization rate is in the range of 93% or more, the initial charge efficiency does not decrease, and the battery capacity can be greatly improved. Moreover, if the negative electrode utilization rate is in the range of 99% or less, Li is not precipitated and safety can be ensured.

以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。以下の記載におけるNMR測定のケミカルシフト値は、テトラメチルシランを基準物質としたものである。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples of the present invention, but the present invention is not limited to these. The NMR measurement chemical shift values in the following description are based on tetramethylsilane as a reference substance.

(実施例1−1)
以下の手順により、図3に示したラミネートフィルム型の二次電池30を作製した。
(Example 1-1)
The laminate film type secondary battery 30 shown in FIG. 3 was produced by the following procedure.

最初に正極を作製した。正極活物質はコバルト酸リチウム(LiCoO)を95質量部と、正極導電助剤2.5質量部と、正極結着剤(ポリフッ化ビニリデン、Pvdf)2.5質量部とを混合し正極合剤とした。続いて正極合剤を有機溶剤(N−メチル−2−ピロリドン、NMP)に分散させてペースト状のスラリーとした。続いて、ダイヘッドを有するコーティング装置で正極集電体の両面にスラリーを塗布し、熱風式乾燥装置で乾燥した。この時、正極集電体は厚み15μmのものを用いた。最後に、ロールプレスで圧縮成型を行った。 First, a positive electrode was produced. The positive electrode active material was prepared by mixing 95 parts by mass of lithium cobaltate (LiCoO 2 ), 2.5 parts by mass of the positive electrode conductive additive and 2.5 parts by mass of the positive electrode binder (polyvinylidene fluoride, Pvdf). An agent was used. Subsequently, the positive electrode mixture was dispersed in an organic solvent (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP) to obtain a paste slurry. Then, the slurry was apply | coated to both surfaces of the positive electrode electrical power collector with the coating device which has a die head, and it dried with the hot air type drying apparatus. At this time, a positive electrode current collector having a thickness of 15 μm was used. Finally, compression molding was performed with a roll press.

次に負極を作製した。ケイ素化合物は以下のように作製した。まず、金属ケイ素と二酸化ケイ素を混合した原料を反応炉へ設置し、10Paの真空度の雰囲気中で気化させたものを吸着板上に堆積させ、十分に冷却した後、堆積物を取出しボールミルで粉砕した。粒径を調整した後、熱分解CVDを行うことで、炭素被膜を、ケイ素化合物と炭素被膜の合計に対して5質量%となるように被覆した。次に、メジアン径が35nmである炭素粒子を、ポリアクリル酸を介して酸化ケイ素の粉末に接着させた。その後、エチレンカーボネート及びジメチルカーボネートの体積比が3:7の混合溶媒(電解質塩をLiPF 1.3mol/kgの濃度で含んでいる。)中で電気化学法を用いバルク改質を行った。 Next, a negative electrode was produced. The silicon compound was produced as follows. First, a raw material in which metallic silicon and silicon dioxide are mixed is placed in a reaction furnace, and vaporized in a 10 Pa vacuum atmosphere is deposited on an adsorption plate. After sufficiently cooling, the deposit is taken out by a ball mill. Crushed. After adjusting the particle diameter, pyrolytic CVD was performed to coat the carbon coating so that the total amount of the silicon compound and the carbon coating was 5% by mass. Next, carbon particles having a median diameter of 35 nm were adhered to the silicon oxide powder via polyacrylic acid. Thereafter, bulk reforming was performed using an electrochemical method in a mixed solvent having a volume ratio of ethylene carbonate and dimethyl carbonate of 3: 7 (containing an electrolyte salt at a concentration of LiPF 6 1.3 mol / kg).

バルク改質後のケイ素化合物は、内部にLiSiO、LiSiOを含み、その表層には炭酸リチウムが含まれていた。また、炭酸リチウムは、ケイ素化合物に対して、1.0質量%の割合で含まれていた。また、ケイ素化合物は、SiOで表されるケイ素化合物のxの値が0.5であり、メジアン径D50が4μm、X線回折により得られる(111)結晶面に起因する回折ピークの半値幅(2θ)が2.593°、その結晶面に起因する結晶子サイズが3.29nmであった。 The silicon compound after bulk modification contained Li 2 SiO 3 and Li 4 SiO 4 inside, and lithium carbonate was contained in the surface layer thereof. Moreover, lithium carbonate was contained in the ratio of 1.0 mass% with respect to the silicon compound. The silicon compound represented by SiO x has an x value of 0.5, a median diameter D 50 of 4 μm, and a half of the diffraction peak due to the (111) crystal plane obtained by X-ray diffraction. The value width (2θ) was 2.593 °, and the crystallite size attributable to the crystal plane was 3.29 nm.

続いて、作製したケイ素化合物と、炭素系活物質としてメジアン径20μmの天然黒鉛を混合し、負極活物質とした。このとき、負極活物質の総量に対するケイ素化合物の割合が10質量%となる質量比で混合し、負極活物質を作製した。   Subsequently, the produced silicon compound and natural graphite having a median diameter of 20 μm as a carbon-based active material were mixed to obtain a negative electrode active material. At this time, the negative electrode active material was produced by mixing at a mass ratio such that the ratio of the silicon compound to the total amount of the negative electrode active material was 10% by mass.

次に、作製した負極活物質、導電助剤1(カーボンナノチューブ、CNT)、導電助剤2(メジアン径が約50nmの炭素微粒子)、スチレンブタジエンゴム(スチレンブタジエンコポリマー、以下、SBRと称する)、ポリアクリル酸(以下PAAと称する。)カルボメチルセルロース(以下、CMCと称する)を91.65:1:1.25:2.5:0.6:3の乾燥質量比で混合した後、純水で希釈し負極合剤スラリーとした。尚、上記のSBR、CMC、及びPAAは負極バインダー(負極結着剤)である。ここで加えたポリアクリル酸は、基本骨格が上記式(1)で表され、H−NMRスペクトルから得られるケミカルシフト値として4〜4.5ppmの範囲に−O−CH−に帰属されるピークを、1〜2ppmの範囲にポリアクリル酸又はその金属塩の末端に近い領域の−CH−に帰属されるピークを有していた。更に、このポリアクリル酸は13C−NMRスペクトルから得られるケミカルシフト値として、20〜60ppmの範囲に、基本骨格に帰属されるピーク以外に、基本骨格に帰属されるピークよりも弱い複数のピークを有していた。また、このポリアクリル酸は平均分子量が約100万のものを用いた。CMCはエーテル化度が0.85のものを用いた。 Next, the produced negative electrode active material, conductive additive 1 (carbon nanotube, CNT), conductive additive 2 (carbon fine particles having a median diameter of about 50 nm), styrene butadiene rubber (styrene butadiene copolymer, hereinafter referred to as SBR), After mixing polyacrylic acid (hereinafter referred to as PAA) carbomethylcellulose (hereinafter referred to as CMC) at a dry mass ratio of 91.65: 1: 1.25: 2.5: 0.6: 3, pure water Was diluted with a negative electrode mixture slurry. In addition, said SBR, CMC, and PAA are negative electrode binders (negative electrode binder). The polyacrylic acid added here has a basic skeleton represented by the above formula (1), and is attributed to —O—CH 2 — in the range of 4 to 4.5 ppm as a chemical shift value obtained from a 1 H-NMR spectrum. The peak attributed to —CH 2 — in the region near the end of polyacrylic acid or its metal salt was in the range of 1 to 2 ppm. Furthermore, this polyacrylic acid has a plurality of peaks that are weaker than the peak attributed to the basic skeleton in addition to the peak attributed to the basic skeleton in the range of 20 to 60 ppm as the chemical shift value obtained from the 13 C-NMR spectrum. Had. The polyacrylic acid having an average molecular weight of about 1 million was used. CMC having a degree of etherification of 0.85 was used.

また、負極集電体としては、電解銅箔(厚さ15μm)を用いた。最後に、負極合剤のスラリーを負極集電体に塗布し真空雰囲気中100℃〜180℃で1時間の乾燥を行った。乾燥後の、負極の片面における単位面積あたりの負極活物質層の堆積量(面積密度)は5mg/cmであった。また、負極活物質層は、ポリアクリル酸を、0.6質量%の割合で含んでいた。 Further, as the negative electrode current collector, an electrolytic copper foil (thickness 15 μm) was used. Finally, a slurry of the negative electrode mixture was applied to the negative electrode current collector and dried at 100 ° C. to 180 ° C. for 1 hour in a vacuum atmosphere. The amount of deposition (area density) of the negative electrode active material layer per unit area on one side of the negative electrode after drying was 5 mg / cm 2 . The negative electrode active material layer contained polyacrylic acid at a ratio of 0.6% by mass.

次に、溶媒(4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(FEC))、エチレンカーボネート(EC)及びジメチルカーボネート(DMC))を混合したのち、電解質塩(六フッ化リン酸リチウム:LiPF)を溶解させて電解液を調製した。この場合には、溶媒の組成を堆積比でFEC:EC:DMC=10:20:70とし、電解質塩の含有量を溶媒に対して1.2mol/kgとした。 Next, after mixing a solvent (4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one (FEC)), ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC)), an electrolyte salt (lithium hexafluorophosphate: LiPF 6 ) was dissolved to prepare an electrolytic solution. In this case, the composition of the solvent was FEC: EC: DMC = 10: 20: 70 as a deposition ratio, and the content of the electrolyte salt was 1.2 mol / kg with respect to the solvent.

次に、以下のようにして二次電池を組み立てた。最初に、正極集電体の一端にアルミリードを超音波溶接し、負極集電体にはニッケルリードを溶接した。続いて、正極、セパレータ、負極、セパレータをこの順に積層し、長手方向に巻回させ巻回電極体を得た。その捲き終わり部分をPET保護テープで固定した。セパレータは多孔性ポリプロピレンを主成分とするフィルムにより多孔性ポリエチレンを主成分とするフィルムに挟まれた積層フィルム12μmを用いた。続いて、外装部材間に電極体を挟んだのち、一辺を除く外周縁部同士を熱融着し、内部に電極体を収納した。外装部材はナイロンフィルム、アルミ箔及び、ポリプロピレンフィルムが積層されたアルミラミネートフィルムを用いた。続いて、開口部から調整した電解液を注入し、真空雰囲気下で含浸した後、熱融着し封止した。   Next, a secondary battery was assembled as follows. First, an aluminum lead was ultrasonically welded to one end of the positive electrode current collector, and a nickel lead was welded to the negative electrode current collector. Subsequently, a positive electrode, a separator, a negative electrode, and a separator were laminated in this order and wound in the longitudinal direction to obtain a wound electrode body. The end portion was fixed with a PET protective tape. As the separator, a laminated film of 12 μm sandwiched between a film mainly composed of porous polyethylene and a film mainly composed of porous polypropylene was used. Subsequently, after sandwiching the electrode body between the exterior members, the outer peripheral edges except for one side were heat-sealed, and the electrode body was housed inside. As the exterior member, a nylon film, an aluminum foil, and an aluminum laminate film in which a polypropylene film was laminated were used. Subsequently, the prepared electrolyte was injected from the opening, impregnated in a vacuum atmosphere, and then heat-sealed and sealed.

(実施例1−2、実施例1−3、比較例1−1、比較例1−2)
ケイ素化合物のバルク内酸素量を調整したことを除き、実施例1−1と同様に、二次電池の製造を行った。この場合、気化出発材の比率や温度を変化させ堆積される酸素量を調整した。実施例1−1〜1−3、比較例1−1、1−2における、SiOで表されるケイ素化合物のxの値を表1中に示した。
(Example 1-2, Example 1-3, Comparative example 1-1, Comparative example 1-2)
A secondary battery was manufactured in the same manner as Example 1-1 except that the amount of oxygen in the bulk of the silicon compound was adjusted. In this case, the amount of oxygen deposited was adjusted by changing the ratio and temperature of the vaporized starting material. The values of x of the silicon compounds represented by SiO x in Examples 1-1 to 1-3 and Comparative Examples 1-1 and 1-2 are shown in Table 1.

実施例1−1〜1−3、比較例1−1、1−2の二次電池のサイクル特性及び初回充放電特性を調べたところ、表1に示した結果が得られた。   When the cycle characteristics and the initial charge / discharge characteristics of the secondary batteries of Examples 1-1 to 1-3 and Comparative Examples 1-1 and 1-2 were examined, the results shown in Table 1 were obtained.

サイクル特性については、以下のようにして調べた。最初に電池安定化のため25℃の雰囲気下、2サイクル充放電を行い、2サイクル目の放電容量を測定した。続いて総サイクル数が100サイクルとなるまで充放電を行い、その都度放電容量を測定した。最後に100サイクル目の放電容量を2サイクル目の放電容量で割り、%表示のため100を掛け、容量維持率(以下では単に維持率と呼ぶ場合もある)を算出した。サイクル条件として、4.2Vに達するまで定電流密度、2.5mA/cmで充電し、4.2Vの電圧に達した段階で4.2V定電圧で電流密度が0.25mA/cmに達するまで充電した。また放電時は2.5mA/cmの定電流密度で電圧が2.5Vに達するまで放電した。 The cycle characteristics were examined as follows. First, in order to stabilize the battery, charge / discharge was performed for 2 cycles in an atmosphere at 25 ° C., and the discharge capacity at the second cycle was measured. Subsequently, charge and discharge were performed until the total number of cycles reached 100, and the discharge capacity was measured each time. Finally, the discharge capacity at the 100th cycle was divided by the discharge capacity at the 2nd cycle and multiplied by 100 for% display, and the capacity maintenance rate (hereinafter, sometimes simply referred to as the maintenance rate) was calculated. As cycling conditions, a constant current density until reaching 4.2V, and charged at 2.5 mA / cm 2, current density 4.2V constant voltage at the stage of reaching the voltage of 4.2V is to 0.25 mA / cm 2 Charged until it reached. During discharging, discharging was performed at a constant current density of 2.5 mA / cm 2 until the voltage reached 2.5V.

初回充放電特性を調べる場合には、初回効率(以下では初期効率と呼ぶ場合もある)を算出した。初回効率は、初回効率(%)=(初回放電容量/初回充電容量)×100で表される式から算出した。雰囲気温度は、サイクル特性を調べた場合と同様にした。充放電条件はサイクル特性の0.2倍で行った。すなわち、4.2Vに達するまで定電流密度、0.5mA/cmで充電し、電圧が4.2Vに達した段階で4.2V定電圧で電流密度が0.05mA/cmに達するまで充電し、放電時は0.5mA/cmの定電流密度で電圧が2.5Vに達するまで放電した。 When examining the initial charge / discharge characteristics, the initial efficiency (hereinafter sometimes referred to as initial efficiency) was calculated. The initial efficiency was calculated from an equation represented by initial efficiency (%) = (initial discharge capacity / initial charge capacity) × 100. The ambient temperature was the same as when the cycle characteristics were examined. The charge / discharge conditions were 0.2 times the cycle characteristics. That is, a constant current density until reaching 4.2V, and charged at 0.5 mA / cm 2, at 4.2V constant voltage at the stage where the voltage reaches 4.2V until the current density reached 0.05 mA / cm 2 The battery was charged and discharged at a constant current density of 0.5 mA / cm 2 until the voltage reached 2.5V.

Figure 2016066529
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表1からわかるように、酸素が十分にない場合(比較例1−1、x=0.3)、初期効率は向上するものの容量維持率が著しく悪化する。また、酸素量が多すぎる場合(比較例1−2、x=1.8)、導電性の低下が生じSiO材の容量が発現しなかった。   As can be seen from Table 1, when there is not enough oxygen (Comparative Example 1-1, x = 0.3), although the initial efficiency is improved, the capacity retention rate is remarkably deteriorated. Moreover, when there was too much oxygen amount (Comparative Example 1-2, x = 1.8), the electroconductivity fell and the capacity | capacitance of SiO material was not expressed.

(実施例2−1、2−2、比較例2−1、2−2)
ポリアクリル酸の分子構造を変化させたこと以外、実施例1−2と同様に、二次電池の製造を行った。なお、ポリアクリル酸の基本骨格には変更は無い。実施例2−1で負極に含まれるポリアクリル酸は、H−NMRスペクトルから得られる、ケミカルシフト値として4〜4.5ppmの範囲に−O−CH−に帰属されるピークを有し、更に、13C−NMRスペクトルから得られるケミカルシフト値として、20〜60ppmの範囲に、基本骨格に帰属されるピークよりも弱い複数のピークを有していた。実施例2−2で負極に含まれるポリアクリル酸は、H−NMRスペクトルから得られる、ケミカルシフト値として4〜4.5ppmの範囲に−O−CH−に帰属されるピークを、1〜2ppmの範囲にポリアクリル酸又はその金属塩の末端に近い領域の−CH−に帰属されるピークを有していた。実施例2−2は、13C−NMRスペクトルから得られるケミカルシフト値として、20〜60ppmの範囲に、基本骨格に帰属されるピークよりも弱い複数のピークを有していなかった。比較例2−1、2−2は、H−NMRスペクトルから得られる、ケミカルシフト値として4〜4.5ppmと、1〜2ppmのどちらの範囲にもピークを有していなかった。ただし、比較例2−1は13C−NMRスペクトルから得られるケミカルシフト値として、20〜60ppmの範囲に、基本骨格に帰属されるピークよりも弱い複数のピークを有していた。
(Examples 2-1 and 2-2, Comparative Examples 2-1 and 2-2)
A secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1-2 except that the molecular structure of polyacrylic acid was changed. There is no change in the basic skeleton of polyacrylic acid. The polyacrylic acid contained in the negative electrode in Example 2-1 has a peak attributed to —O—CH 2 — in the range of 4 to 4.5 ppm as a chemical shift value obtained from the 1 H-NMR spectrum. Furthermore, the chemical shift value obtained from the 13 C-NMR spectrum had a plurality of peaks that were weaker than the peak attributed to the basic skeleton in the range of 20 to 60 ppm. The polyacrylic acid contained in the negative electrode in Example 2-2 has a peak attributed to —O—CH 2 — in the range of 4 to 4.5 ppm as the chemical shift value obtained from the 1 H-NMR spectrum. It had a peak attributed to —CH 2 — in a region near the end of polyacrylic acid or a metal salt thereof in the range of ˜2 ppm. Example 2-2 did not have a plurality of peaks weaker than the peak attributed to the basic skeleton in the range of 20 to 60 ppm as the chemical shift value obtained from the 13 C-NMR spectrum. Comparative Examples 2-1 and 2-2 did not have peaks in either the range of 4 to 4.5 ppm or 1 to 2 ppm as the chemical shift value obtained from the 1 H-NMR spectrum. However, Comparative Example 2-1 had a plurality of peaks that were weaker than the peaks attributed to the basic skeleton in the range of 20 to 60 ppm as chemical shift values obtained from the 13 C-NMR spectrum.

図4に、実施例1−2及び比較例2−1において測定した、非水電解質二次電池負極に含まれるポリアクリル酸のH−NMRスペクトルを示す。実施例1−2では、ケミカルシフト値として4〜4.5ppmの範囲及び1〜2ppmの範囲にピークが見られる(図4の左図の矢印で示した部分)。その一方で、比較例2−1では、これらの範囲のいずれにもピークは見られない(図4の右図)。なお、H−NMRスペクトルにおけるピークの帰属は、文献: 第11回JAIセミナー (1991年 10月 22日) 「熱分解GCによるアクリル酸/アクリル酸エステル系共重合体の連鎖分布の分析」 (ライオン(株)分析センター 山田郁、遠藤善久、吉村晴夫) に依拠する。 Figure 4 shows the 1 H-NMR spectrum of the polyacrylic acid contained in the measured non-aqueous electrolyte secondary battery negative electrode in Examples 1-2 and Comparative Examples 2-1. In Example 1-2, peaks are observed in the range of 4 to 4.5 ppm and in the range of 1 to 2 ppm as chemical shift values (portions indicated by arrows in the left diagram of FIG. 4). On the other hand, in Comparative Example 2-1, no peak is observed in any of these ranges (the right diagram in FIG. 4). In addition, the attribution of the peak in the 1 H-NMR spectrum is as follows: Reference: 11th JAI Seminar (October 22, 1991) “Analysis of chain distribution of acrylic acid / acrylic acid ester copolymer by pyrolysis GC” ( Relying on Analytical Center of Lion Co., Ltd. Satoshi Yamada, Yoshihisa Endo, Haruo Yoshimura)

また、図5に、実施例1−2及び実施例2−2において測定した、非水電解質二次電池負極に含まれるポリアクリル酸の13C−NMRスペクトルを示す。図5に示すように、実施例1−2の13C−NMRスペクトルは、ケミカルシフト値として、20〜60ppmの範囲に基本骨格に帰属されるピーク以外に、該基本骨格に帰属されるピークよりも弱い複数のピークを有する(図5の上図)。その一方で、実施例2−2では、これらの範囲のいずれにも基本骨格に帰属されるピーク以外に、該基本骨格に帰属されるピークよりも弱い複数のピークは見られない(図5の下図)。なお、13C−NMRスペクトルにおけるピークの帰属は、文献: ARCHIVES OF METALLURGY AND MATERIALS, Volume 54 (2009) Issue2, “STRUCTURAL EXAMINATION OF THE CROSS−LINKING REACTION MECHANISM OF POLYACRYLATE BINDING AGENTS”, B.GRABOWSKA, M.HOLTZERに依拠する。 FIG. 5 shows the 13 C-NMR spectrum of polyacrylic acid contained in the negative electrode of the nonaqueous electrolyte secondary battery measured in Example 1-2 and Example 2-2. As shown in FIG. 5, the 13 C-NMR spectrum of Example 1-2 shows a chemical shift value from a peak attributed to the basic skeleton in addition to a peak attributed to the basic skeleton in the range of 20 to 60 ppm. Also have a plurality of weak peaks (upper figure in FIG. 5). On the other hand, in Example 2-2, a plurality of peaks weaker than the peak attributed to the basic skeleton other than the peak attributed to the basic skeleton are not observed in any of these ranges (FIG. 5). (Figure below). In addition, the attribution of the peak in a 13 C-NMR spectrum is literature: ARCHIVES OF METALLURGY AND MATERIALS, Volume 54 (2009) Issue 2, “STRUCTURAL EXAMINATION OF THE CROSSING LIGATION RECHION OF GOLD REGION REACTION. GRABOWSKA, M.M. Rely on HOLTZER.

実施例2−1、2−2、比較例2−1、2−2について、実施例1−2と同様にして、二次電池のサイクル特性および初回充放電特性を調べた。表2に、実施例2−1、2−2、比較例2−1、2−2の測定結果を示す。   Regarding Examples 2-1 and 2-2 and Comparative Examples 2-1 and 2-2, the cycle characteristics and initial charge / discharge characteristics of the secondary batteries were examined in the same manner as in Example 1-2. Table 2 shows the measurement results of Examples 2-1 and 2-2 and Comparative Examples 2-1 and 2-2.

Figure 2016066529
Figure 2016066529

表2から分かるように、H−NMRスペクトルから得られる、ケミカルシフト値として4〜4.5ppm及び1〜2ppmの範囲の少なくとも1か所以上にピークを有するポリアクリル酸を含む場合(実施例1−2、2−1、2−2)、維持率及び初期効率が向上することが分かった。特に、−O−CH−、−CH−に帰属されるピークを有することで、スラリーの安定化が進むことが分かった。さらに、13C−NMRスペクトルから得られるケミカルシフト値として、20〜60ppmの範囲に基本骨格に帰属されるピーク以外に、基本骨格に帰属されるピークよりも弱い複数のピークを有するポリアクリル酸を含む場合(実施例1−2、2−1)、スラリーがより安定化し、維持率及び初期効率がさらに向上することが分かった。 As can be seen from Table 2, when polyacrylic acid having a peak at least at one or more sites in the range of 4 to 4.5 ppm and 1 to 2 ppm as a chemical shift value obtained from a 1 H-NMR spectrum is included (Examples) 1-2, 2-1, 2-2), it was found that the maintenance rate and the initial efficiency were improved. In particular, it was found that by having peaks attributed to —O—CH 2 — and —CH 2 —, the stabilization of the slurry proceeds. Furthermore, as the chemical shift value obtained from the 13 C-NMR spectrum, in addition to the peak attributed to the basic skeleton in the range of 20 to 60 ppm, polyacrylic acid having a plurality of peaks weaker than the peak attributed to the basic skeleton. When included (Examples 1-2, 2-1), it was found that the slurry was further stabilized, and the maintenance rate and the initial efficiency were further improved.

(実施例3−1〜3−4)
ポリアクリル酸の分子量を変化させたこと以外、実施例1−2と同様に、二次電池の製造を行った。実施例3−1〜3−4について、実施例1−2と同様にして、二次電池のサイクル特性および初回充放電特性を調べた。表3に、実施例3−1〜3−4の測定結果を示す。
(Examples 3-1 to 3-4)
A secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1-2 except that the molecular weight of polyacrylic acid was changed. For Examples 3-1 to 3-4, the cycle characteristics and the initial charge / discharge characteristics of the secondary batteries were examined in the same manner as in Example 1-2. Table 3 shows the measurement results of Examples 3-1 to 3-4.

Figure 2016066529
Figure 2016066529

分子量が50万以上125万以下であれば、特に良好な維持率及び初期効率となる。分子量が50万以上であれば、確実に電極構造破壊を防止できる。また、分子量が125万以下であれば、スラリー粘度が高くなり過ぎず、結果として固形分を高くできるため、最適なスラリーを得られる。   When the molecular weight is 500,000 or more and 1.25 million or less, particularly good maintenance ratio and initial efficiency are obtained. If the molecular weight is 500,000 or more, the electrode structure can be reliably prevented from being destroyed. Further, when the molecular weight is 1.25 million or less, the slurry viscosity does not become too high, and as a result, the solid content can be increased, so that an optimum slurry can be obtained.

(実施例4−1〜4−3)
ポリアクリル酸(PAA)以外の主結着剤及び副結着剤を変化させたこと以外、実施例1−2と同様に、二次電池を作製した。添加する負極結着剤(バインダー)を、実施例4−1では、PAAに加え、SBR、CMC、及びCMC−Li(カルボキシメチルセルロースのリチウム塩)とし、実施例4−2では、PAAに加え、ポリフッ化ビニリデン(以下、Pvdfと称する)、CMCとし、実施例4−3では、PAAに加え、Pvdf、CMC、及びCMC−Liとした。尚、SBR、Pvdfは主結着剤である。また、Pvdfは粒子状のものを用いた。粒子状のPvdfを用いる場合は、水に分散させたPvdfを用い、電極を形成した後に180℃で乾燥を行うことで結着性を向上させている。また、CMCは、一般的にそのナトリウム塩が使用されるが、実施例4−1、4−3ではLi塩を作成して用いた。Li塩は、例えばLiOHの滴定を行って、リチウム塩を作製することでも可能であり、また、本発明の負極に含まれるケイ素化合物を洗浄したCMC溶液を用いて作製しても良い。実施例4−1〜4−3の二次電池のサイクル特性及び初回充放電特性を調べたところ、表4に示した結果が得られた。
(Examples 4-1 to 4-3)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-2 except that the main binder and the secondary binder other than polyacrylic acid (PAA) were changed. In Example 4-1, the negative electrode binder (binder) to be added is SBR, CMC, and CMC-Li (lithium salt of carboxymethyl cellulose) in Example 4-1, and in Example 4-2, in addition to PAA, Polyvinylidene fluoride (hereinafter referred to as Pvdf) and CMC. In Example 4-3, Pvdf, CMC, and CMC-Li were used in addition to PAA. SBR and Pvdf are main binders. Pvdf used was a particulate material. When particulate Pvdf is used, the binding property is improved by using Pvdf dispersed in water and drying at 180 ° C. after forming the electrode. Moreover, although the sodium salt is generally used for CMC, Li salt was prepared and used in Examples 4-1 and 4-3. Li salt can be prepared, for example, by titrating LiOH to prepare a lithium salt, or using a CMC solution in which a silicon compound contained in the negative electrode of the present invention is washed. When the cycle characteristics and the initial charge / discharge characteristics of the secondary batteries of Examples 4-1 to 4-3 were examined, the results shown in Table 4 were obtained.

Figure 2016066529
Figure 2016066529

表4から分かるように、いずれの実施例も良好な維持率、初期効率を有しており、本発明において、SBR、CMC、粒子状のPvdfは、負極バインダーとしてポリアクリル酸又はその金属塩と併用するのに好適であることが分かった。   As can be seen from Table 4, all the examples have good maintenance ratio and initial efficiency, and in the present invention, SBR, CMC, and particulate Pvdf are polyacrylic acid or a metal salt thereof as a negative electrode binder. It turned out that it is suitable for using together.

(実施例5−1〜5−7)
CMCのエーテル化度を変化させたこと以外、実施例1−2と同様に、二次電池を作製した。実施例5−1〜5−7の二次電池のサイクル特性及び初回充放電特性を調べたところ、表5に示した結果が得られた。
(Examples 5-1 to 5-7)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-2 except that the degree of etherification of CMC was changed. When the cycle characteristics and initial charge / discharge characteristics of the secondary batteries of Examples 5-1 to 5-7 were examined, the results shown in Table 5 were obtained.

Figure 2016066529
Figure 2016066529

表5から分かるように、エーテル化度が0.7以上1.5以下のCMCを含む場合に、維持率及び初期効率がより向上している。これは、エーテル化度が0.7以上1.5以下のCMCは特にアルカリ耐性が強く、負極材を作製するためのスラリーが安定化するためである。   As can be seen from Table 5, when the degree of etherification includes CMC having a degree of etherification of 0.7 or more and 1.5 or less, the maintenance ratio and the initial efficiency are further improved. This is because CMC having an etherification degree of 0.7 or more and 1.5 or less has particularly strong alkali resistance, and the slurry for preparing the negative electrode material is stabilized.

(実施例6−1〜6−5)
負極活物質の総量に対するケイ素化合物の割合を変化させたこと以外、実施例1−2と同様に、二次電池の製造を行った。実施例6−1〜6−5の二次電池のサイクル特性及び初回充放電特性を調べたところ、表6に示した結果が得られた。
(Examples 6-1 to 6-5)
A secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1-2, except that the ratio of the silicon compound to the total amount of the negative electrode active material was changed. When the cycle characteristics and the initial charge / discharge characteristics of the secondary batteries of Examples 6-1 to 6-5 were examined, the results shown in Table 6 were obtained.

Figure 2016066529
Figure 2016066529

表6から分かるように、ケイ素化合物の割合が小さくなり、炭素系活物質の割合が大きくなるほど、炭素系活物質の特性が得られやすくなり電池特性が良好になる。しかしながら一般的な炭素材の可逆容量が330mAh/g程度であり、可逆容量が1500mAh/g(0V−1.2V)得られるケイ素材は十分に容量が高く、実質的な使用方法として、ケイ素材を添加する事で電池容量維持率は低下するが、電池容量が大幅に向上する。特にケイ素材は炭素材に対して放電電位が高く、電池容量を考慮した場合、実質的な容量向上に繋がりづらい。そこで実際に得られたケイ素材をもって容量向上がどの領域から得られるか算出したところ、6質量%程度添加すれば容量向上となることがわかった。   As can be seen from Table 6, as the ratio of the silicon compound decreases and the ratio of the carbon-based active material increases, the characteristics of the carbon-based active material are easily obtained and the battery characteristics are improved. However, a reversible capacity of a general carbon material is about 330 mAh / g, and a reversible capacity of 1500 mAh / g (0V-1.2V) is sufficiently high. Although the battery capacity retention rate is reduced by adding, the battery capacity is greatly improved. In particular, the siliceous material has a higher discharge potential than the carbon material, and when considering the battery capacity, it is difficult to substantially improve the capacity. Therefore, from which region the capacity improvement can be obtained with the actually obtained siliceous material was calculated, it was found that the capacity improvement was obtained when about 6% by mass was added.

図6に、負極活物質の総量に対するケイ素化合物の割合と二次電池の電池容量の増加率との関係を表すグラフを示す。図6中のAで示すグラフは、本発明の負極の負極活物質において、ケイ素化合物の割合を増加させた場合の電池容量の増加率を示している。一方、図6中のBで示すグラフは、Liをドープしていないケイ素化合物の割合を増加させた場合の電池容量の増加率を示している。図6から分かるように、ケイ素化合物の割合が6質量%以上となると、電池容量の増加率は従来に比べて大きくなり、体積エネルギー密度が、特に顕著に増加する。   FIG. 6 is a graph showing the relationship between the ratio of the silicon compound to the total amount of the negative electrode active material and the increase rate of the battery capacity of the secondary battery. The graph shown by A in FIG. 6 shows the rate of increase in battery capacity when the proportion of the silicon compound is increased in the negative electrode active material of the negative electrode of the present invention. On the other hand, the graph indicated by B in FIG. 6 shows the increase rate of the battery capacity when the proportion of the silicon compound not doped with Li is increased. As can be seen from FIG. 6, when the ratio of the silicon compound is 6% by mass or more, the increase rate of the battery capacity is increased as compared with the conventional case, and the volume energy density is particularly remarkably increased.

(実施例7−1〜7−6、比較例7−1)
負極活物質層に含まれるポリアクリル酸の割合を変化させたこと以外、実施例1−2と同様に、二次電池の製造を行った。実施例7−1〜7−6、比較例7−1の二次電池のサイクル特性及び初回充放電特性を調べたところ、表7に示した結果が得られた。
(Examples 7-1 to 7-6, Comparative example 7-1)
A secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1-2 except that the ratio of polyacrylic acid contained in the negative electrode active material layer was changed. When the cycle characteristics and the initial charge / discharge characteristics of the secondary batteries of Examples 7-1 to 7-6 and Comparative Example 7-1 were examined, the results shown in Table 7 were obtained.

Figure 2016066529
Figure 2016066529

表7から分かるように、ポリアクリル酸が、負極活物質層中に0.1質量%以上2.5質量%以下の割合で含まれていると、サイクル特性及び初期効率が向上する。このように、負極活物質層中に含まれるポリアクリル酸又はその金属塩は、少量であってもアルカリ性を有するケイ素化合物などの材料に対して効果が得られる。また、ポリアクリル酸が、負極活物質層中に2.5%以下の割合で含まれているものであれば、スラリーを電極塗布し、乾燥した後のプレス時に結着性が低下することがない。また、比較例7−1のように、負極バインダーとして、ポリアクリル酸を含まない場合、スラリーが不安定となってしまい、維持率、すなわちサイクル特性が大幅に悪化してしまった。   As can be seen from Table 7, when polyacrylic acid is contained in the negative electrode active material layer at a ratio of 0.1% by mass or more and 2.5% by mass or less, cycle characteristics and initial efficiency are improved. Thus, even if the polyacrylic acid or its metal salt contained in the negative electrode active material layer is a small amount, an effect is obtained for a material such as a silicon compound having alkalinity. Also, if polyacrylic acid is contained in the negative electrode active material layer in a proportion of 2.5% or less, the binding property may be reduced during pressing after applying the slurry to the electrode and drying it. Absent. Further, as in Comparative Example 7-1, when the polyacrylic acid was not included as the negative electrode binder, the slurry became unstable, and the maintenance rate, that is, the cycle characteristics were greatly deteriorated.

(実施例8−1〜8−8)
ケイ素化合物に付着させる炭素粒子のメジアン径及びケイ素化合物に炭素粒子を付着させるための結着剤の種類を表8に示すように変化させたこと以外、実施例1−2と同様に、二次電池の製造を行った。なお、表8において、PAAはポリアクリル酸を、CMCはカルボキシメチルセルロースを表す。実施例8−1〜8−8の二次電池のサイクル特性及び初回充放電特性を調べたところ、表8に示した結果が得られた。
(Examples 8-1 to 8-8)
Secondary as in Example 1-2, except that the median diameter of the carbon particles attached to the silicon compound and the type of binder for attaching the carbon particles to the silicon compound were changed as shown in Table 8. The battery was manufactured. In Table 8, PAA represents polyacrylic acid and CMC represents carboxymethylcellulose. When the cycle characteristics and the initial charge / discharge characteristics of the secondary batteries of Examples 8-1 to 8-8 were examined, the results shown in Table 8 were obtained.

Figure 2016066529
Figure 2016066529

表8から分かるように、炭素粒子のメジアン径が20nm以上200nm以下であれば、より良好な維持率及び初期効率が得られることが分かった。このように、炭素粒子のメジアン径が20nm以上であれば、メジアン径が20nm未満の場合(実施例8−1)に比べて、負極活物質粒子間のコンタクトをより十分に取れる。炭素粒子のメジアン径が200nm以下であれば、メジアン径が200nmより大きい場合(実施例8−6)に比べて、負極活物質粒子間のコンタクトが得られる粒子の割合が増え、コンタクトを取るために必要な炭素粒子の量が少なく済むため、炭素粒子を必要以上に多く加える必要が無く、電池容量を十分に確保できる。結着剤としては、特にポリアクリル酸又はその金属塩やカルボキシメチルセルロース又はその金属塩が好適に使用できる。   As can be seen from Table 8, when the median diameter of the carbon particles is 20 nm or more and 200 nm or less, a better maintenance ratio and initial efficiency can be obtained. Thus, when the median diameter of the carbon particles is 20 nm or more, contact between the negative electrode active material particles can be more sufficiently obtained as compared with the case where the median diameter is less than 20 nm (Example 8-1). If the median diameter of the carbon particles is 200 nm or less, compared to the case where the median diameter is larger than 200 nm (Example 8-6), the proportion of particles that can be contacted between the negative electrode active material particles is increased, and contact is made. Since the amount of carbon particles required for the process is small, it is not necessary to add more carbon particles than necessary, and a sufficient battery capacity can be secured. Especially as a binder, polyacrylic acid or its metal salt, carboxymethylcellulose, or its metal salt can be used conveniently.

(実施例9−1、9−2)
ケイ素化合物のバルク内改質を、実施例9−1では熱ドープ法により、実施例9−2では、Li蒸着法により行ったこと以外、実施例1−2と同様に、二次電池を作製した。実施例9−1、実施例9−2の二次電池のサイクル特性及び初回充放電特性を調べたところ、表9に示した結果が得られた。
(Examples 9-1 and 9-2)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-2, except that modification in the bulk of the silicon compound was performed by thermal doping method in Example 9-1 and by Li deposition method in Example 9-2. did. When the cycle characteristics and the initial charge / discharge characteristics of the secondary batteries of Example 9-1 and Example 9-2 were examined, the results shown in Table 9 were obtained.

Figure 2016066529
Figure 2016066529

いずれの改質方法においても、良好な電池特性が得られたが、特に、電気化学法を使用すると、他の方法より良好な電池特性が得られた。また、改質においてLiの挿入・脱離は、複数回行うことがより望ましい。   In any of the reforming methods, good battery characteristics were obtained. In particular, when the electrochemical method was used, better battery characteristics were obtained than other methods. Further, it is more desirable to insert and desorb Li several times during reforming.

(実施例10−1〜実施例10−9)
ケイ素化合物の結晶性を変化させた他は、実施例1−2と同様に二次電池の製造を行った。結晶性の変化はLiの挿入、脱離後の非大気雰囲気下の熱処理で制御可能である。実施例10−1〜10−9のケイ素系活物質の半値幅を表10に示した。実施例10−9では半値幅を20°以上と算出しているが、解析ソフトを用いフィッティングした結果であり、実質的にピークは得られていない。よって実施例10−9のケイ素系活物質は、実質的に非晶質であると言える。実施例10−1〜実施例10−9の二次電池のサイクル特性及び初回充放電特性を調べたところ、表10に示した結果が得られた。
(Example 10-1 to Example 10-9)
A secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1-2 except that the crystallinity of the silicon compound was changed. The change in crystallinity can be controlled by heat treatment in a non-atmospheric atmosphere after Li insertion and desorption. Table 10 shows the half widths of the silicon-based active materials of Examples 10-1 to 10-9. In Example 10-9, the half width is calculated to be 20 ° or more, but it is a result of fitting using analysis software, and a peak is not substantially obtained. Therefore, it can be said that the silicon-based active material of Example 10-9 is substantially amorphous. When the cycle characteristics and the initial charge / discharge characteristics of the secondary batteries of Example 10-1 to Example 10-9 were examined, the results shown in Table 10 were obtained.

Figure 2016066529
Figure 2016066529

表10に示すように、それらの結晶性に応じて容量維持率および初回効率が変化した。特に半値幅(2θ)が1.2°以上で、尚且つSi(111)面に起因する結晶子サイズが7.5nm以下の低結晶性材料で高い容量維持率、初期効率が得られた。特に、非結晶領域では最も良い電池特性が得られた。   As shown in Table 10, the capacity retention ratio and the initial efficiency changed according to their crystallinity. In particular, a high capacity retention ratio and initial efficiency were obtained with a low crystalline material having a half width (2θ) of 1.2 ° or more and a crystallite size attributable to the Si (111) plane of 7.5 nm or less. In particular, the best battery characteristics were obtained in the non-crystalline region.

(実施例11−1)
基本的に実施例1−2と同様に二次電池の製造を行ったが、実施例11−1では、負極合剤スラリーの作製の際、導電助剤としてカーボンナノチューブ(CNT)を添加しなかった。実施例11−1の二次電池のサイクル特性及び初回充放電特性を調べたところ、表11に示した結果が得られた。
(Example 11-1)
Although a secondary battery was basically manufactured in the same manner as in Example 1-2, in Example 11-1, carbon nanotubes (CNT) were not added as a conductive additive when the negative electrode mixture slurry was prepared. It was. When the cycle characteristics and initial charge / discharge characteristics of the secondary battery of Example 11-1 were examined, the results shown in Table 11 were obtained.

Figure 2016066529
Figure 2016066529

表11から分かるように、CNTを添加した方が容量維持率、初期効率が共により向上することが確認された。このように、負極中にCNTを添加すれば、ケイ素系活物質(SiO材)及び炭素系活物質間の電子コンタクトを得られるため、電池特性が向上することが分かった。   As can be seen from Table 11, it was confirmed that the capacity retention ratio and the initial efficiency were both improved by adding CNT. Thus, it was found that by adding CNT to the negative electrode, an electronic contact between the silicon-based active material (SiO material) and the carbon-based active material can be obtained, so that the battery characteristics are improved.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。   The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has any configuration that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and that exhibits the same effects. Are included in the technical scope.

10…負極、 11…負極集電体、 12…負極活物質層、
20…バルク内改質装置、 21…陽電極(リチウム源、改質源)、
22…酸化ケイ素の粉末、 23…有機溶媒、 24…セパレータ、
25…粉末格納容器、 26…電源、 27…浴槽、
30…リチウム二次電池(ラミネートフィルム型)、 31…巻回電極体、
32…正極リード、 33…負極リード、 34…密着フィルム、
35…外装部材。
10 ... negative electrode, 11 ... negative electrode current collector, 12 ... negative electrode active material layer,
20 ... reformer in bulk, 21 ... positive electrode (lithium source, reforming source),
22 ... Silicon oxide powder, 23 ... Organic solvent, 24 ... Separator,
25 ... Powder storage container, 26 ... Power supply, 27 ... Bathtub,
30 ... lithium secondary battery (laminated film type), 31 ... wound electrode body,
32 ... Positive electrode lead, 33 ... Negative electrode lead, 34 ... Adhesion film,
35 ... exterior member.

Claims (17)

負極活物質として、内部にLi化合物が含まれるケイ素化合物(SiO:0.5≦x≦1.6)を含む非水電解質二次電池用負極であって、
前記非水電解質二次電池用負極はポリアクリル酸又はその金属塩を含み、
前記ポリアクリル酸又はその金属塩は、基本骨格が下記式(1)で表されるものであり、H−NMRスペクトルから得られる、テトラメチルシランを基準物質としたケミカルシフト値として4〜4.5ppm及び1〜2ppmの範囲の少なくとも1か所以上にピークを有するものであることを特徴とする非水電解質二次電池用負極。
Figure 2016066529
(式中、Mは、水素原子、リチウム原子、ナトリウム原子、又はカリウム原子のいずれかを表し、nは、2以上の整数を表す。)
A negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery including a silicon compound (SiO x : 0.5 ≦ x ≦ 1.6) containing a Li compound therein as a negative electrode active material,
The negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery includes polyacrylic acid or a metal salt thereof,
The polyacrylic acid or a metal salt thereof has a basic skeleton represented by the following formula (1), and is obtained from a 1 H-NMR spectrum and has a chemical shift value of 4 to 4 using tetramethylsilane as a reference substance. A negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, having a peak at at least one place in the range of 0.5 ppm and 1-2 ppm.
Figure 2016066529
(In the formula, M represents one of a hydrogen atom, a lithium atom, a sodium atom, and a potassium atom, and n represents an integer of 2 or more.)
前記4〜4.5ppmの範囲のピークは、−O−CH−に帰属され、前記1〜2ppmの範囲のピークは、前記ポリアクリル酸又はその金属塩の末端に近い領域の−CH−に帰属されることを特徴とする請求項1に記載の非水電解質二次電池用負極。 The peak in the range of 4 to 4.5 ppm is attributed to —O—CH 2 —, and the peak in the range of 1 to 2 ppm is —CH 2 — in a region near the end of the polyacrylic acid or a metal salt thereof. The negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein 前記ポリアクリル酸又はその金属塩は13C−NMRスペクトルから得られる、テトラメチルシランを基準物質としたケミカルシフト値として、20〜60ppmの範囲に前記基本骨格に帰属されるピーク以外に、該基本骨格に帰属されるピークよりも弱い複数のピークを有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の非水電解質二次電池用負極。 The polyacrylic acid or a metal salt thereof is obtained from a 13 C-NMR spectrum, as a chemical shift value using tetramethylsilane as a reference substance, in addition to the peak attributed to the basic skeleton in the range of 20 to 60 ppm. The negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode has a plurality of peaks that are weaker than the peaks attributed to the skeleton. 前記13C−NMRスペクトルから得られるケミカルシフト値として、20〜60ppmの範囲に得られる前記複数のピークはアクリル酸塩の一部に帰属するものであることを特徴とする請求項3に記載の非水電解質二次電池用負極。 The chemical shift value obtained from the 13 C-NMR spectrum, wherein the plurality of peaks obtained in a range of 20 to 60 ppm belong to a part of the acrylate. Negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery. 前記ポリアクリル酸又はその金属塩の分子量は、50万以上125万の範囲のものであることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。   5. The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the polyacrylic acid or a metal salt thereof has a molecular weight in the range of 500,000 to 1,250,000. Negative electrode. 前記ポリアクリル酸又はその金属塩の他に、さらに、結着剤として、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース又はその金属塩、ポリフッ化ビニリデンのうち少なくとも1種以上を含むことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。   In addition to the polyacrylic acid or a metal salt thereof, the binder further comprises at least one of styrene butadiene rubber, carboxymethyl cellulose or a metal salt thereof, and polyvinylidene fluoride as a binder. The negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 5. 前記カルボキシメチルセルロース又はその金属塩は、エーテル化度が0.7以上1.5以下の範囲のものであることを特徴とする請求項6に記載の非水電解質二次電池用負極。   The negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 6, wherein the carboxymethyl cellulose or a metal salt thereof has an etherification degree of 0.7 or more and 1.5 or less. 前記負極活物質の総量に対する前記ケイ素化合物の割合が6質量%以上のものであることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。   The ratio of the said silicon compound with respect to the total amount of the said negative electrode active material is a thing of 6 mass% or more, The negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries of any one of Claims 1-7 characterized by the above-mentioned. 前記非水電解質二次電池用負極は、前記負極活物質を含む負極活物質層を有し、該負極活物質層が、前記ポリアクリル酸又はその金属塩を、0.1質量%以上2.5質量%以下の割合で含むものであることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。   The negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery has a negative electrode active material layer containing the negative electrode active material, and the negative electrode active material layer contains 0.1% by mass or more of the polyacrylic acid or a metal salt thereof. The negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 8, wherein the negative electrode is contained at a ratio of 5% by mass or less. 前記ケイ素化合物は炭素被膜を有し、その表層の少なくとも一部に炭酸リチウムを含むことを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。   The negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 9, wherein the silicon compound has a carbon coating, and lithium carbonate is included in at least a part of a surface layer thereof. 前記ケイ素化合物は、その表層にカルボキシル基を有する結着剤を介して炭素粒子が付着しているものであることを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか1項に非水電解質二次電池用負極。   11. The non-aqueous electrolyte 2 according to claim 1, wherein the silicon compound has carbon particles attached to a surface layer thereof through a binder having a carboxyl group. Negative electrode for secondary battery. 前記ケイ素化合物の表層に付着した前記炭素粒子は、メジアン径が20nm〜200nmのものであることを特徴とする請求項11に記載の非水電解質二次電池用負極。   The negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 11, wherein the carbon particles attached to the surface layer of the silicon compound have a median diameter of 20 nm to 200 nm. 前記カルボキシル基を有する結着剤は、カルボキシメチルセルロース又はその金属塩と、ポリアクリル酸又はその金属塩のうち少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項11又は請求項12に記載の非水電解質二次電池用負極。   The non-aqueous electrolyte according to claim 11 or 12, wherein the binder having a carboxyl group includes at least one of carboxymethyl cellulose or a metal salt thereof and polyacrylic acid or a metal salt thereof. Negative electrode for secondary battery. 前記ケイ素化合物が電気化学的手法を含む工程で作製されたものであることを特徴とする請求項1から請求項13のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。   The negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 13, wherein the silicon compound is produced by a process including an electrochemical technique. 前記ケイ素化合物が、X線回折により得られる(111)結晶面に起因する回折ピークの半値幅(2θ)が1.2°以上であると共に、その結晶面に起因する結晶子サイズが7.5nm以下であることを特徴とする請求項1から請求項14のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。   The silicon compound has a half-width (2θ) of a diffraction peak due to the (111) crystal plane obtained by X-ray diffraction of 1.2 ° or more and a crystallite size due to the crystal plane of 7.5 nm. The negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 14, wherein: さらに、カーボンナノチューブを含むものであることを特徴とする請求項1から請求項15のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。   Furthermore, the negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries of any one of Claims 1-15 characterized by including a carbon nanotube. 請求項1から請求項16のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極を用いたことを特徴とする非水系電解質二次電池。   A non-aqueous electrolyte secondary battery using the negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 16.
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