JP2016074972A - Stabilized lithium powder, and lithium ion secondary battery using the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a stabilized lithium powder that suppresses the damage to the anode during the lithium doping, and can improve the initial charge-discharge efficiency.SOLUTION: Provided is a stabilized lithium particle, characterized, setting the average circularity of the particle as C, it is C≤0.90.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、安定化リチウム粉及びそれを用いたリチウムイオン二次電池に関する。   The present invention relates to a stabilized lithium powder and a lithium ion secondary battery using the same.

リチウムイオン二次電池は、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等と比べ、軽量、高容量であるため、携帯電子機器用電源として広く応用されている。また、ハイブリッド自動車や、電気自動車用に搭載される電源として有力な候補ともなっている。そして、近年の携帯電子機器の小型化、高機能化に伴い、これらの電源となるリチウムイオン二次電池への更なる高容量化が期待されている。   Lithium ion secondary batteries are widely applied as power sources for portable electronic devices because they are lighter and have a higher capacity than nickel cadmium batteries, nickel metal hydride batteries, and the like. It is also a promising candidate as a power source for use in hybrid vehicles and electric vehicles. With the recent miniaturization and higher functionality of portable electronic devices, further increase in capacity is expected for lithium ion secondary batteries that serve as these power sources.

リチウムイオン二次電池の容量は主に電極の活物質に依存する。負極活物質には、一般に黒鉛が利用されているが、上記の要求に対応するためにはより高容量な負極活物質を用いることが必要である。そのため、黒鉛の理論容量(372mAh/g)に比べてはるかに大きな理論容量(4210mAh/g)をもつ金属シリコン(Si)が注目されている。   The capacity of the lithium ion secondary battery mainly depends on the active material of the electrode. In general, graphite is used as the negative electrode active material, but it is necessary to use a higher capacity negative electrode active material in order to meet the above requirements. Therefore, metallic silicon (Si) having a much larger theoretical capacity (4210 mAh / g) than the theoretical capacity of graphite (372 mAh / g) has attracted attention.

一方、金属シリコンよりもサイクル特性が優れる酸化シリコン(SiO)の使用も検討されている。しかし、酸化シリコンは金属シリコンに比べ不可逆容量が大きい。充放電に寄与するリチウムの量は正極中のリチウム量で一義的に決定されるため、負極における不可逆容量の増加は電池全体の容量低下に繋がる。 On the other hand, the use of silicon oxide (SiO x ), which has better cycle characteristics than metal silicon, is also being studied. However, silicon oxide has a larger irreversible capacity than metal silicon. Since the amount of lithium that contributes to charging and discharging is uniquely determined by the amount of lithium in the positive electrode, an increase in irreversible capacity in the negative electrode leads to a decrease in capacity of the entire battery.

この不可逆容量を低減するため、充放電を開始する前にあらかじめ金属リチウムを負極に接触させ、リチウムを負極にドープする技術(リチウムプレドープ)が提案されている(例えば、特許文献1〜2参照)。特許文献1には、リチウムを含む膜を負極に形成することでリチウムを負極にドープする方法が開示されている。また、特許文献2には、リチウム粒子を負極活物質層中に含有させることでリチウムを負極にドープする方法が開示されている。   In order to reduce this irreversible capacity, there has been proposed a technique (lithium pre-doping) in which metallic lithium is brought into contact with the negative electrode in advance before starting charge / discharge and lithium is doped into the negative electrode (for example, see Patent Documents 1 and 2). ). Patent Document 1 discloses a method of doping lithium into the negative electrode by forming a film containing lithium on the negative electrode. Patent Document 2 discloses a method of doping lithium into the negative electrode by incorporating lithium particles in the negative electrode active material layer.

このようなドープ作業に用いるリチウムは、その反応性の高さからより安全性に優れたものが要望され、リチウム粒子の表面を大気中で安定な被膜で覆い安全性を高め、取扱いを改善した安定化リチウム粉が提案されている(特許文献3参照)。   Lithium used for such doping work is required to have higher safety due to its high reactivity, and the surface of lithium particles is covered with a stable coating in the atmosphere to improve safety and improve handling. Stabilized lithium powder has been proposed (see Patent Document 3).

通常、リチウムイオン二次電池に用いる負極は負極活物質を含む層を集電体上に形成した後、プレスにより密着させる工程を有するが、このプレスによって安定化リチウム粉のリチウム金属が露出することで負極へのドープが進行する。したがって、安定化リチウム粉に求められる特性は、リチウムの安定性向上のみならず、優れた電池特性を生み出すためのドープ特性も求められている。   Usually, a negative electrode used in a lithium ion secondary battery has a step of forming a layer containing a negative electrode active material on a current collector, and then bringing it into close contact with a press, and this press exposes the lithium metal of the stabilized lithium powder. The dope into the negative electrode proceeds. Therefore, the characteristics required for the stabilized lithium powder are required not only to improve the stability of lithium but also to dope characteristics for producing excellent battery characteristics.

特許第5196118号公報Japanese Patent No. 5196118 特開2010−160986号公報JP 2010-160986 A 特許第2699026号公報Japanese Patent No. 2699026

しかしながら、上記特許文献に記載されているような球状の安定化リチウム粉を用いると、被覆層を壊してリチウム粒子を露出させるには大きなプレス圧が必要となり、プレスに伴って負極にクラック等の欠陥が生じてしまい、電池にした際の初期充放電効率が劣化してしまう。   However, when spherical stabilized lithium powder as described in the above-mentioned patent document is used, a large pressing pressure is required to break the coating layer and expose the lithium particles. Defects occur, and the initial charge / discharge efficiency when the battery is made deteriorates.

一方で、負極へのダメージを抑制するためにプレス圧を小さくすると、安定化リチウム粉が破砕しきらないためにドープが効率的に進まず、不可逆容量の低減が達成されないという問題があった。   On the other hand, when the press pressure is reduced in order to suppress damage to the negative electrode, the stabilized lithium powder cannot be crushed, so that the dope does not proceed efficiently and the reduction of the irreversible capacity is not achieved.

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、負極へのダメージが抑制され、ドープ効率に優れた安定化リチウム粉及びこれを用いたリチウム二次電池を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of the subject which the said prior art has, The damage to a negative electrode is suppressed, and providing a stabilized secondary lithium powder excellent in dope efficiency, and a lithium secondary battery using the same Objective.

上記目的を達成するために本発明にかかる安定化リチウム粉は、粒子の平均円形度をCとしたとき、C≦0.90であることを特徴としている。ここで、円形度Cは粒子の面積をS、周囲長をLとしたとき、C=4πS/Lで定義される。 In order to achieve the above object, the stabilized lithium powder according to the present invention is characterized in that C ≦ 0.90, where C is the average circularity of the particles. Here, the circularity C is defined as C = 4πS / L 2 where S is the particle area and L is the perimeter.

この様な構成にすることにより、上述したプレス時に安定化リチウム粉への応力が一部に集中しやすくなり、小さなプレス圧でもリチウム粒子を破砕することができるので、ドープ工程作業において不可逆容量を十分に低減することが可能となり、リチウムイオン二次電池の初期充放電効率が大きく改善する。   By adopting such a configuration, stress on the stabilized lithium powder tends to concentrate on a part during the above-mentioned pressing, and lithium particles can be crushed even with a small pressing pressure. It can be sufficiently reduced, and the initial charge / discharge efficiency of the lithium ion secondary battery is greatly improved.

本発明にかかる安定化リチウム粉は、さらに、粒子の平均フェレ径をFDとしたとき、FD≦53.0umであることが好ましい。ここで、フェレ径は粒子を顕微鏡等で観察したときの観察像に外接する長方形の長辺の長さで定義される。   The stabilized lithium powder according to the present invention preferably further satisfies FD ≦ 53.0 um when the average ferret diameter of the particles is FD. Here, the ferret diameter is defined by the length of the long side of the rectangle circumscribing the observation image when the particles are observed with a microscope or the like.

これによれば、フェレ径を小さくすることで、粒子の破砕に必要なプレス圧をより小さくすることができ、不可逆容量を低減させることが可能となる。   According to this, by reducing the ferret diameter, the press pressure required for crushing the particles can be further reduced, and the irreversible capacity can be reduced.

本発明にかかる安定化リチウム粉は、さらに、遷移金属を1.0×10−3質量%以上、1.0×10−1質量%以下含有することが好ましい。 The stabilized lithium powder according to the present invention preferably further contains a transition metal in an amount of 1.0 × 10 −3 mass% to 1.0 × 10 −1 mass%.

これによれば、遷移金属が所定の割合で存在することで安定化被膜が硬く、脆くなり、粒子がより破砕されやすくなる。これにより、不可逆容量をより低減させることが可能となる。   According to this, when the transition metal is present at a predetermined ratio, the stabilization coating is hard and brittle, and the particles are more easily crushed. As a result, the irreversible capacity can be further reduced.

本発明によれば、ドープ効率に優れた安定化リチウム粉を提供でき、また、本発明の安定化リチウム粉をドープした負極を用いることで、初期充放電効率が大きく改善されたリチウムイオン二次電池を得ることが出来る。 According to the present invention, it is possible to provide a stabilized lithium powder excellent in doping efficiency, and by using a negative electrode doped with the stabilized lithium powder of the present invention, a lithium ion secondary whose initial charge / discharge efficiency is greatly improved. A battery can be obtained.

本実施形態に係る安定化リチウム粉の光学顕微鏡写真である。It is an optical microscope photograph of the stabilized lithium powder which concerns on this embodiment. 従来の安定化リチウム粉の光学顕微鏡写真である。It is an optical microscope photograph of the conventional stabilized lithium powder. 本実施形態のリチウムイオン二次電池の模式断面図である。It is a schematic cross section of the lithium ion secondary battery of this embodiment.

以下、本発明について本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. In addition, this invention is not limited to the following embodiment.

<安定化リチウム粉>
本実施形態の安定化リチウム粉は、平均円形度Cが0.90以下である粒子形態を持っている。前記安定化リチウム粉は、金属リチウムが単一あるいは複数の安定なリチウム化合物によって被覆されている。
<Stabilized lithium powder>
The stabilized lithium powder of the present embodiment has a particle form having an average circularity C of 0.90 or less. In the stabilized lithium powder, metallic lithium is coated with a single or a plurality of stable lithium compounds.

安定なリチウム化合物としては、炭酸塩、水酸化物、酸化物、硫化物等が挙げられ、具体的にはLiOH、LiCO、LiO、LiSなどが挙げられる。なお、これらの化合物はX線回折法やラマン分光法で同定可能である。中でも、より安全性を高めるために、上記リチウム化合物がLiOが主成分であることが好ましい。 Stable lithium compounds include carbonates, hydroxides, oxides, sulfides, and the like, and specifically include LiOH, Li 2 CO 3 , Li 2 O, Li 2 S, and the like. These compounds can be identified by X-ray diffraction or Raman spectroscopy. Among them, in order to increase the safety, the lithium compound is preferably Li 2 O as a main component.

上記安定化リチウム粉の平均円形度Cは、0.80以下であることがより好ましい。円形度が小さいほど粒子を容易に破壊することが可能となり、プレスに伴う負極へのダメージがより抑制され、優れたドープ効果が得られる。 The average circularity C of the stabilized lithium powder is more preferably 0.80 or less. The smaller the circularity, the easier it is to break the particles, the damage to the negative electrode associated with the press is further suppressed, and an excellent dope effect is obtained.

上記安定化リチウム粉の平均フェレ径は、塗布後の電極表面での均一分散性の観点から、53.0μm以下であることが好ましく、25.0μm以下であることがより好ましい。 The average ferret diameter of the stabilized lithium powder is preferably 53.0 μm or less, and more preferably 25.0 μm or less, from the viewpoint of uniform dispersibility on the electrode surface after application.

上記安定化リチウム粉は、安定化被膜の脆さの観点から、遷移金属を安定化リチウム粉に対し、1.0×10−3質量%以上、1.0×10−1質量%以下含有することが好ましい。より好ましくは1.0×10−3質量%以上、10.0×10−3質量%以下含有することが好ましい。かかる構成によればより優れたドープ効果が得られる。これは、異物質が存在することで安定化被膜が脆くなることによるものと考えられる。 From the viewpoint of the brittleness of the stabilized coating, the stabilized lithium powder contains a transition metal in an amount of 1.0 × 10 −3 mass% or more and 1.0 × 10 −1 mass% or less based on the stabilized lithium powder. It is preferable. More preferably, it is contained in an amount of 1.0 × 10 −3 mass% or more and 10.0 × 10 −3 mass% or less. According to such a configuration, a more excellent dope effect can be obtained. This is considered to be due to the fact that the stabilizing coating becomes brittle due to the presence of foreign substances.

また、前記遷移金属は安定化被膜中に含有されることが好ましい。かかる構成によればより効率的に安定化被膜が脆くなると考えられる。なお、遷移金属の定量はICP(発光分光分析法)で行えばよい。 The transition metal is preferably contained in the stabilizing coating. According to such a configuration, it is considered that the stabilization coating becomes brittle more efficiently. The transition metal may be quantified by ICP (emission spectroscopy analysis).

さらに前記遷移金属は酸化されやすい金属が好ましい。例えばMg、Al、Ti、Zr,Mn、Zn、Cr、Fe、Ni、Sn、Cuが挙げられる。その中でもFeが特に好ましい。 Further, the transition metal is preferably a metal that is easily oxidized. Examples thereof include Mg, Al, Ti, Zr, Mn, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, and Cu. Among these, Fe is particularly preferable.

上記安定化リチウム粉において、ドープ効率の観点から金属リチウムが80質量部以上を締めることが好ましい。プレス時に金属リチウムと負極活物質が接触しやすくなり、より優れたドープ効果が得られる。   In the stabilized lithium powder, it is preferable that metallic lithium is tightened to 80 parts by mass or more from the viewpoint of doping efficiency. It becomes easy for metal lithium and a negative electrode active material to contact at the time of a press, and the more excellent dope effect is acquired.

(安定化リチウム粉の製造方法)
本実施形態の安定化リチウム粉は、炭化水素オイルにリチウムインゴットを投入し、これをリチウムの融点以上に加熱し、この溶融リチウム−炭化水素オイル混合物を十分な時間撹拌して分散液を作ったのち、撹拌を続けた状態で徐々に冷却し、この分散液が十分に冷却された状態で二酸化炭素(CO)を接触させて表面に安定化被膜を形成し、これを乾燥することによって製造される。なお、遷移金属を添加する場合には、二酸化炭素を導入時に添加すればよい。
(Method for producing stabilized lithium powder)
In the stabilized lithium powder of this embodiment, a lithium ingot was added to hydrocarbon oil, this was heated to a melting point or higher of lithium, and this molten lithium-hydrocarbon oil mixture was stirred for a sufficient time to form a dispersion. After that, it is gradually cooled in a state where stirring is continued, and when the dispersion is sufficiently cooled, carbon dioxide (CO 2 ) is brought into contact with it to form a stabilized film on the surface, and this is dried. Is done. In addition, what is necessary is just to add a carbon dioxide at the time of introduction | transduction, when adding a transition metal.

容器には耐熱性のものを用い、容器を5〜15度傾けて撹拌を行う。回転数は1000rpm以上が好ましく、3000rpm〜10000rpmで撹拌を行うことがより好ましい。   A heat-resistant container is used, and the container is stirred at an angle of 5 to 15 degrees. The number of rotations is preferably 1000 rpm or more, and more preferably stirring is performed at 3000 rpm to 10,000 rpm.

上記炭化水素オイルは、リチウムインゴットを1質量部としたとき、溶融後の均一分散性の観点から1〜30質量部であることが好ましく、2〜15質量部であることがより好ましい。   From the viewpoint of uniform dispersibility after melting, the hydrocarbon oil is preferably 1 to 30 parts by mass, more preferably 2 to 15 parts by mass when the lithium ingot is 1 part by mass.

本発明の安定化リチウム粉を作製するために必要な温度は、リチウム金属が溶融する温度以上であることが好ましい。具体的には、190℃〜250℃、好ましくは195℃〜240℃、より好ましくは200℃〜230℃である。低すぎるとリチウムが固体化しリチウムの粉末の製造が困難となり、温度が高すぎると炭化水素油の種類によっては気化が起こり、製造上扱いにくくなるためである。   The temperature required to produce the stabilized lithium powder of the present invention is preferably equal to or higher than the temperature at which lithium metal melts. Specifically, it is 190 degreeC-250 degreeC, Preferably it is 195 degreeC-240 degreeC, More preferably, it is 200 degreeC-230 degreeC. If the temperature is too low, lithium is solidified, making it difficult to produce lithium powder. If the temperature is too high, vaporization may occur depending on the type of hydrocarbon oil, making it difficult to handle in production.

上記分散液の冷却後の温度は100℃以下が好ましく、50℃以下がより好ましい。また、上記分散液は1時間以上かけて徐々に冷却することが好ましい。   The temperature after cooling the dispersion is preferably 100 ° C. or lower, and more preferably 50 ° C. or lower. Moreover, it is preferable that the said dispersion liquid is gradually cooled over 1 hour or more.

上記二酸化炭素は、リチウムインゴットを1質量部としたとき、0.1〜10質量部がこの分散混合物に加えられることが好ましく、1〜3質量部であることがより好ましい。二酸化炭素はこの混合物の表面下に導入されることが好ましく、分散液を製造するために必要な激しい撹拌条件は、溶融リチウム−炭化水素オイル混合物上に導入される二酸化炭素と分散した金属リチウムとの接触をもたらするために十分であるべきである。   When the lithium ingot is 1 part by mass, the carbon dioxide is preferably added in an amount of 0.1 to 10 parts by mass, more preferably 1 to 3 parts by mass. Carbon dioxide is preferably introduced below the surface of this mixture, and the vigorous stirring conditions necessary to produce the dispersion include carbon dioxide introduced on the molten lithium-hydrocarbon oil mixture, dispersed metallic lithium and Should be sufficient to bring in contact.

<負極>
上述した安定化リチウム粉を負極作製時に負極にドープし、その後リチウムイオン二次電池を完成させることにより初期充放電効率を改善させたリチウムイオン二次電池が得られる。負極20は後述するように負極用集電体22上に負極活物質層24を形成することで作製することができる。
<Negative electrode>
A lithium ion secondary battery with improved initial charge / discharge efficiency can be obtained by doping the above-described stabilized lithium powder into the negative electrode during the production of the negative electrode and then completing the lithium ion secondary battery. The negative electrode 20 can be produced by forming a negative electrode active material layer 24 on a negative electrode current collector 22 as described later.

(負極用集電体)
負極用集電体22は、導電性の板材であればよく、例えば、銅、ニッケル又はそれらの合金、ステンレス等の金属薄板(金属箔)を用いることができる。
(Current collector for negative electrode)
The negative electrode current collector 22 may be a conductive plate material, and for example, a metal thin plate (metal foil) such as copper, nickel, an alloy thereof, or stainless steel can be used.

(負極活物質層)
負極活物質層24は、負極活物質、負極用バインダー、及び、必要に応じた量の負極用導電助剤から主に構成されるものである。
(Negative electrode active material layer)
The negative electrode active material layer 24 is mainly composed of a negative electrode active material, a negative electrode binder, and an amount of a negative electrode conductive additive as required.

(負極活物質)
負極活物質としては不可逆容量が大きいものが好ましく、例えば、金属シリコン(Si)、酸化シリコン(SiO)等が挙げられる。
(Negative electrode active material)
The negative electrode active material preferably has a large irreversible capacity, and examples thereof include metal silicon (Si) and silicon oxide (SiO x ).

(負極用バインダー)
負極用バインダーは、負極活物質同士を結合すると共に、負極活物質と集電体22とを結合している。バインダーは、上述の結合が可能なものであればよく、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素樹脂が挙げられる。更に、上記の他に、バインダーとして、例えば、セルロース、スチレン・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂等を用いてもよい。また、バインダーとして電子伝導性の導電性高分子やイオン伝導性の導電性高分子を用いてもよい。電子伝導性の導電性高分子としては、例えば、ポリアセチレン等が挙げられる。この場合は、バインダーが導電助剤粒子の機能も発揮するので導電助剤を添加しなくてもよい。イオン伝導性の導電性高分子としては、例えば、リチウムイオン等のイオンの伝導性を有するものを使用することができ、例えば、高分子化合物(ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物、ポリフォスファゼン等)のモノマーと、LiClO、LiBF、LiPF等のリチウム塩又はリチウムを主体とするアルカリ金属塩と、を複合化させたもの等が挙げられる。複合化に使用する重合開始剤としては、例えば、上記のモノマーに適合する光重合開始剤または熱重合開始剤が挙げられる。
(Binder for negative electrode)
The negative electrode binder bonds the negative electrode active materials and the current collector 22 together with the negative electrode active materials. The binder is not particularly limited as long as the above-described bonding is possible, and examples thereof include fluorine resins such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). In addition to the above, for example, cellulose, styrene / butadiene rubber, ethylene / propylene rubber, polyimide resin, polyamideimide resin, or the like may be used as the binder. Alternatively, an electron conductive conductive polymer or an ion conductive conductive polymer may be used as the binder. Examples of the electron conductive conductive polymer include polyacetylene. In this case, since the binder also exhibits the function of the conductive assistant particles, it is not necessary to add the conductive assistant. As the ion-conductive conductive polymer, for example, those having ion conductivity such as lithium ion can be used. For example, polymer compounds (polyether-based polymer compounds such as polyethylene oxide and polypropylene oxide) , Polyphosphazene, etc.) and a lithium salt such as LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , or an alkali metal salt mainly composed of lithium, and the like. Examples of the polymerization initiator used for the combination include a photopolymerization initiator or a thermal polymerization initiator that is compatible with the above-described monomer.

負極活物質層24中のバインダーの含有量も特に限定されないが、負極活物質の質量に対して0.5〜5質量部であることが好ましい。   The content of the binder in the negative electrode active material layer 24 is not particularly limited, but is preferably 0.5 to 5 parts by mass with respect to the mass of the negative electrode active material.

(負極用導電助剤)
負極用導電助剤も、負極活物質層24の導電性を良好にするものであれば特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、黒鉛、カーボンブラック等の炭素系材料や、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属微粉、炭素材料及び金属微粉の混合物、ITO等の導電性酸化物が挙げられる。
(負極の製造方法)
上記安定化リチウム粉を溶媒に分散させた分散液を、負極用集電体上に形成した負極活物質層の上に塗布し、乾燥後にこれをプレスすることで負極活物質へのリチウムのドープが進行し、リチウムドープされた負極が完成する。
(Conductive aid for negative electrode)
The conductive aid for the negative electrode is not particularly limited as long as it improves the conductivity of the negative electrode active material layer 24, and a known conductive aid can be used. Examples thereof include carbon-based materials such as graphite and carbon black, metal fine powders such as copper, nickel, stainless steel, and iron, a mixture of carbon materials and metal fine powders, and conductive oxides such as ITO.
(Method for producing negative electrode)
The dispersion liquid in which the above stabilized lithium powder is dispersed in a solvent is applied on the negative electrode active material layer formed on the negative electrode current collector, and dried and then pressed to dope lithium into the negative electrode active material. Advances to complete the lithium-doped negative electrode.

上記分散液の溶媒としては蒸気圧が高いものが好ましく、例えば、ノルマルヘプタン、ノルマルヘキサン、メチルエチルケトン等が挙げられる。   As the solvent for the dispersion, those having a high vapor pressure are preferable, and examples thereof include normal heptane, normal hexane, and methyl ethyl ketone.

上記プレス方法としては特に限定は無く、ハンドプレスやローラープレス等、既知の方法を使うことが可能である。   The pressing method is not particularly limited, and a known method such as a hand press or a roller press can be used.

<リチウムイオン二次電池>
図3に本実施形態のリチウムイオン二次電池の模式断面図を示す。
<Lithium ion secondary battery>
FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of the lithium ion secondary battery of the present embodiment.

上記の通りリチウムドープして作製された負極20と、正極10と、電解質を含浸させたセパレータ18とを図3のように作製することでリチウムイオン二次電池100を作製することができる。ここで、正極10は、正極用集電体12上に正極活物質層14を形成することで作製することができ、負極20は、負極用集電体22上に負極活物質層24を形成することで作製することができる。なお、図面中62と60は、それぞれ正極と負極の引出し電極を示す。   The lithium ion secondary battery 100 can be produced by producing the negative electrode 20 produced by lithium doping as described above, the positive electrode 10, and the separator 18 impregnated with the electrolyte as shown in FIG. Here, the positive electrode 10 can be produced by forming the positive electrode active material layer 14 on the positive electrode current collector 12, and the negative electrode 20 is formed by forming the negative electrode active material layer 24 on the negative electrode current collector 22. It can produce by doing. In the drawings, reference numerals 62 and 60 denote a positive electrode and a negative electrode, respectively.

<正極>
(正極用集電体)
正極用集電体12は、導電性の板材であればよく、例えば、アルミニウム又はそれらの合金、ステンレス等の金属薄板(金属箔)を用いることができる。
<Positive electrode>
(Current collector for positive electrode)
The positive electrode current collector 12 may be a conductive plate material, and for example, a metal thin plate (metal foil) such as aluminum, an alloy thereof, or stainless steel can be used.

(正極活物質層)
正極活物質層14は、正極活物質、正極用バインダー、及び、必要に応じた量の正極用導電助剤から主に構成されるものである。
(Positive electrode active material layer)
The positive electrode active material layer 14 is mainly composed of a positive electrode active material, a positive electrode binder, and a necessary amount of positive electrode conductive additive.

(正極活物質)
正極活物質としては、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入(インターカレーション)、又は、リチウムイオンと該リチウムイオンのカウンターアニオン(例えば、PF6−)とのドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知の電極活物質を使用できる。例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、リチウムマンガンスピネル(LiMn)、及び、一般式:LiNiCoMnMaO(x+y+z+a=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦a≦1、MはAl、Mg、Nb、Ti、Cu、Zn、Crより選ばれる1種類以上の元素)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物(LiV)、オリビン型LiMPO(ただし、Mは、Co、Ni、Mn、Fe、Mg、Nb、Ti、Al、Zrより選ばれる1種類以上の元素又はVOを示す)、チタン酸リチウム(LiTi12)、LiNiCoAl(0.9<x+y+z<1.1)等の複合金属酸化物が挙げられる。
(Positive electrode active material)
Examples of the positive electrode active material include occlusion and release of lithium ions, desorption and insertion (intercalation) of lithium ions, or doping and dedoping of lithium ions and counter anions of the lithium ions (for example, PF 6− ). The electrode is not particularly limited as long as it can be reversibly advanced, and a known electrode active material can be used. For example, lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganese spinel (LiMn 2 O 4 ), and the general formula: LiNi x Co y Mn z MaO 2 (x + y + z + a = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ a ≦ 1, and M is one or more elements selected from Al, Mg, Nb, Ti, Cu, Zn, and Cr) Oxide, lithium vanadium compound (LiV 2 O 5 ), olivine type LiMPO 4 (where M is one or more elements selected from Co, Ni, Mn, Fe, Mg, Nb, Ti, Al, Zr, or VO) shown), and composite metal oxides of lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12) , LiNi x Co y Al z O 2 (0.9 <x + y + z <1.1) , etc.

(正極用バインダー)
正極用バインダーとしては特に限定は無く、上記で記載した負極用バインダーと同様のものを用いることが出来る。
(Binder for positive electrode)
There is no limitation in particular as a binder for positive electrodes, The thing similar to the binder for negative electrodes described above can be used.

(正極用導電助剤)
正極用導電助剤としては特に限定は無く、上記で記載した負極用導電助剤と同様のものを用いることが出来る。
(Conductive aid for positive electrode)
There is no limitation in particular as a conductive support agent for positive electrodes, The thing similar to the conductive support agent for negative electrodes described above can be used.

<電解質>
電解質は、正極活物質層14、負極活物質層24、及び、セパレータ18の内部に含有させるものである。電解質としては、特に限定されず、例えば、本実施形態では、リチウム塩を含む電解液を使用することができる。
<Electrolyte>
The electrolyte is contained in the positive electrode active material layer 14, the negative electrode active material layer 24, and the separator 18. The electrolyte is not particularly limited, and for example, in the present embodiment, an electrolytic solution containing a lithium salt can be used.

前記電解液としては高い電圧で作動可能な有機溶媒を使用することが好ましく、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、等の非プロトン性高誘電率溶媒や、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、等の酢酸エステル類あるいはプロピオン酸エステル類等の非プロトン性低粘度溶媒が挙げられる。更に、これらの非プロトン性高誘電率溶媒と非プロトン性低粘度溶媒は適当な混合比で併用されて使用することが望ましい。   It is preferable to use an organic solvent that can be operated at a high voltage as the electrolytic solution, for example, an aprotic high dielectric constant solvent such as ethylene carbonate or propylene carbonate, or an acetate ester such as dimethyl carbonate or ethyl methyl carbonate. Or aprotic low-viscosity solvents such as propionates. Furthermore, it is desirable to use these aprotic high dielectric constant solvents and aprotic low viscosity solvents in combination at an appropriate mixing ratio.

また、前記有機溶媒としてイミダゾリウム、アンモニウム、及びピリジニウム型のカチオンを用いたイオン性液体を使用しても良い。対アニオンは特に限定されるものではないが、BF 、PF 、(CFSO等が挙げられ、前述の有機溶媒と混合して使用しても良い。 Further, an ionic liquid using imidazolium, ammonium, and pyridinium type cations may be used as the organic solvent. The counter anion is not particularly limited, and examples thereof include BF 4 , PF 6 , (CF 3 SO 2 ) 2 N − and the like, and they may be used by mixing with the above-mentioned organic solvent.

前記リチウム塩としては特に限定されず、リチウムイオン二次電池の電解質として用いられるリチウム塩を用いることが出来る。例えば、LiPF、LiBF、LiClO、LiFSI、LiBOB等の無機酸陰イオン塩、LiCFSO、(CFSONLi等の有機酸陰イオン塩等を用いることが出来る。 It does not specifically limit as said lithium salt, The lithium salt used as an electrolyte of a lithium ion secondary battery can be used. For example, inorganic acid anion salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiFSI, and LiBOB, organic acid anion salts such as LiCF 3 SO 3 , (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, and the like can be used.

更に、前記リチウム塩の濃度は、電気伝導性の点から、0.5〜2.0Mが好ましい。なお、この電解質の温度25℃における導電率は0.01S/m以上であることが好ましく、リチウム塩の種類あるいはその濃度により調整される。   Furthermore, the concentration of the lithium salt is preferably 0.5 to 2.0 M from the viewpoint of electrical conductivity. The conductivity of the electrolyte at 25 ° C. is preferably 0.01 S / m or more, and is adjusted by the type of lithium salt or its concentration.

電解質を固体電解質やゲル電解質とする場合には、ポリ(ビニリデンフルオライド)等を高分子材料として含有することが可能である。   When the electrolyte is a solid electrolyte or gel electrolyte, poly (vinylidene fluoride) or the like can be contained as a polymer material.

更に、本実施形態の電解液中には、必要に応じて各種添加剤を添加してもよい。添加剤としては、例えば、サイクル寿命向上を目的としたビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート等や、過充電防止を目的としたビフェニル、アルキルビフェニル等や、脱酸や脱水を目的とした各種カーボネート化合物、各種カルボン酸無水物、各種含窒素及び含硫黄化合物が挙げられる。 Furthermore, you may add various additives in the electrolyte solution of this embodiment as needed. Examples of additives include vinylene carbonate and methyl vinylene carbonate for the purpose of improving cycle life, biphenyl and alkyl biphenyl for the purpose of preventing overcharge, various carbonate compounds for the purpose of deoxidation and dehydration, Carboxylic anhydride, various nitrogen-containing and sulfur-containing compounds can be mentioned.

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。 The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment.

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.

[実施例1]
(安定化リチウム粉の作製)
ステンレススチール樹脂容器に関東化学社のリチウムインゴット100gおよびWitco社のCarnation炭化水素オイルを加え、容器内を乾燥アルゴンで置換した。次いでこの反応器を200℃まで加熱し、リチウムインゴットを溶融させた。溶融状態でこの混合物を10分間、容器を5°傾けた状態で8000rpmの回転速度で撹拌した後、撹拌を維持したまま1時間かけて室温まで冷却した。冷却後、二酸化炭素5gを攪拌を続けたまま5分間掛けて表面に供給して充填した。二酸化炭素が全て添加された時にこの攪拌を中止し、得られた粉末をヘキサンで洗浄することで安定化リチウム粉を得た。光学顕微鏡で撮影した実施例1の安定化リチウム粉の写真を図1に示す。
(負極の作製)
酸化シリコン(SiO)83質量部、アセチレンブラック2質量部、ポリアミドイミド15質量部、N−メチルピロリドン100質量部を混合し、負極活物質層形成用のスラリーを調製した。このスラリーを、集電体として厚さ14μmの銅箔の一面に、負極活物質の塗布量が2.0mg/cmとなるように塗布し、100℃で乾燥することで負極活物質層を形成した。その後、ローラープレスによって加圧成形し、真空中、350℃で3時間熱処理することで、負極活物質層の厚さが22μmである負極を得た。
[Example 1]
(Production of stabilized lithium powder)
A stainless steel resin container, 100 g of Kanto Chemical's lithium ingot and Witco's Carnation hydrocarbon oil were added, and the inside of the container was replaced with dry argon. The reactor was then heated to 200 ° C. to melt the lithium ingot. In a molten state, the mixture was stirred for 10 minutes at a rotational speed of 8000 rpm with the container tilted at 5 °, and then cooled to room temperature over 1 hour while maintaining stirring. After cooling, 5 g of carbon dioxide was supplied to the surface for 5 minutes with continued stirring and filled. The stirring was stopped when all of the carbon dioxide was added, and the resulting powder was washed with hexane to obtain stabilized lithium powder. A photograph of the stabilized lithium powder of Example 1 taken with an optical microscope is shown in FIG.
(Preparation of negative electrode)
83 parts by mass of silicon oxide (SiO), 2 parts by mass of acetylene black, 15 parts by mass of polyamideimide, and 100 parts by mass of N-methylpyrrolidone were mixed to prepare a slurry for forming a negative electrode active material layer. The slurry was applied to one surface of a copper foil having a thickness of 14 μm as a current collector so that the amount of the negative electrode active material applied was 2.0 mg / cm 2 and dried at 100 ° C. to thereby form the negative electrode active material layer. Formed. Then, the negative electrode whose thickness of a negative electrode active material layer is 22 micrometers was obtained by pressure-molding with a roller press, and heat-processing in a vacuum at 350 degreeC for 3 hours.

上記の方法で得られた負極の上に、上記安定化リチウム粉100質量部をメチルエチルケトン100質量部に分散させた分散液を、安定化リチウム粉の塗布量が0.5mg/cmとなるように塗布し、100℃で乾燥を行った。その後、ハンドプレスで10kgf/cmの圧力をかけ負極へリチウムをドープさせ、リチウムドープされた負極を得た。このとき負極へのダメージは一切なかった。 A dispersion obtained by dispersing 100 parts by mass of the above stabilized lithium powder in 100 parts by mass of methyl ethyl ketone on the negative electrode obtained by the above method is applied so that the coating amount of the stabilized lithium powder becomes 0.5 mg / cm 2. And dried at 100 ° C. Thereafter, a pressure of 10 kgf / cm 2 was applied by a hand press to dope the negative electrode with lithium, and a lithium-doped negative electrode was obtained. At this time, there was no damage to the negative electrode.

(評価用リチウムイオン二次電池の作製)
上記で作製した負極と、正極として銅箔にリチウム金属箔を貼り付けた対極とを、それらの間にポリエチレン微多孔膜からなるセパレータを挟んでアルミラミネートパックに入れ、このアルミラミネートパックに、電解液として1MのLiPF溶液(溶媒:エチレンカーボネート(EC)/ジエチルカーボネート(DEC)=3/7(体積比))を注入した後、真空シールし、評価用のリチウムイオン二次電池を作製した。
(Production of evaluation lithium-ion secondary battery)
The negative electrode produced above and a counter electrode made by bonding a lithium metal foil to a copper foil as a positive electrode are placed in an aluminum laminate pack with a separator made of a polyethylene microporous film interposed therebetween, and the aluminum laminate pack is electrolyzed. After injecting a 1M LiPF 6 solution (solvent: ethylene carbonate (EC) / diethyl carbonate (DEC) = 3/7 (volume ratio)) as a liquid, vacuum sealing was performed to produce a lithium ion secondary battery for evaluation. .

<平均フェレ径及び平均円形度の測定>
上記で作製した安定化リチウム粉について、光学顕微鏡を用いて粒子を観察した。得られた観察像を、画像解析ソフト(ソフト名:ImageJ)による画像解析によって粒子のフェレ径と円形度を求めた。最低500個以上の粒子に対して上記画像解析を行い、合成した安定化リチウム粉の平均フェレ径と平均円形度を求めた。なお、フェレ径は観察像に外接する長方形の長辺の長さ、また、円形度Cは粒子の面積をS、周囲長をLとしたとき、C=4πS/Lで定義される。
<Measurement of average ferret diameter and average circularity>
About the stabilized lithium powder produced above, particles were observed using an optical microscope. The obtained observation image was subjected to image analysis using image analysis software (software name: ImageJ) to determine the ferret diameter and circularity of the particles. The image analysis was performed on at least 500 particles and the average ferret diameter and average circularity of the synthesized stabilized lithium powder were determined. The ferret diameter is defined by the length of the long side of the rectangle circumscribing the observed image, and the circularity C is defined by C = 4πS / L 2 where S is the particle area and L is the circumference.

<初期充放電効率の測定>
上記で作製した評価用リチウムイオン二次電池について、二次電池充放電試験装置(北斗電工株式会社製)を用い、温度25℃の恒温槽中で電圧範囲を0.005Vから2.5Vまでとし、1C=1600mAh/gとしたときの0.05Cでの電流値で充放電を行った。これにより、初期充電容量、初期放電容量が得られ、これより初期充放電効率を求めた。なお、初期充放電効率(%)は、初期充電容量に対する初期放電容量の割合(100×初期放電容量/初期充電容量)である。この値が高いほど、不可逆容量が低減されており、優れたドープ効果が得られていることを意味する。安定化リチウム粉の平均フェレ径、平均円形度の結果と合わせて表1に示す。
<Measurement of initial charge / discharge efficiency>
About the lithium ion secondary battery for evaluation produced above, using a secondary battery charge / discharge test apparatus (manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.), the voltage range is 0.005V to 2.5V in a constant temperature bath at a temperature of 25 ° C. Charging / discharging was performed at a current value of 0.05 C when 1 C = 1600 mAh / g. Thereby, the initial charge capacity and the initial discharge capacity were obtained, and the initial charge / discharge efficiency was determined from this. The initial charge / discharge efficiency (%) is the ratio of the initial discharge capacity to the initial charge capacity (100 × initial discharge capacity / initial charge capacity). The higher this value, the lower the irreversible capacity, which means that an excellent doping effect is obtained. Table 1 shows the results together with the average ferret diameter and average circularity of the stabilized lithium powder.

[実施例2〜14]
安定化リチウム粉の製造条件を下記表1に示すものに変更した以外は実施例1と同様として、実施例2〜14の安定化リチウム粉を得た。また、得られた安定化リチウム粉を用いて、実施例1と同様にして実施例2〜14の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
[Examples 2 to 14]
The stabilized lithium powders of Examples 2 to 14 were obtained in the same manner as in Example 1 except that the production conditions of the stabilized lithium powder were changed to those shown in Table 1 below. Moreover, the lithium ion secondary battery for evaluation of Examples 2-14 was produced like Example 1 using the obtained stabilized lithium powder.

実施例2〜14の評価用リチウムイオン二次電池に対し、実施例1に記載される各種試験を実施した結果を表1に示す。実施例1と同様に、実施例2〜14を含めた全ての試料で負極へのダメージは一切なく、また、高い初期充放電効率を示し、平均円形度、平均フェレ径を制御したことでさらに優れたドープ性能を示す安定化リチウム粉が得られた。   Table 1 shows the results of various tests described in Example 1 performed on the evaluation lithium ion secondary batteries of Examples 2-14. As in Example 1, there was no damage to the negative electrode in all samples including Examples 2 to 14, and high initial charge / discharge efficiency was exhibited, and the average circularity and the average ferret diameter were further controlled. Stabilized lithium powder showing excellent dope performance was obtained.

[実施例15〜17]
安定化リチウム粉の製造条件を、二酸化炭素の供給と同時に、市販のFeの粉末を表2の濃度になるように添加した以外は実施例1と同様にして、実施例15〜17の安定化リチウム粉を得た。また、得られた安定化リチウム粉を用いて、実施例1と同様にして実施例15〜17の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
[Examples 15 to 17]
Stabilization of Examples 15 to 17 was carried out in the same manner as in Example 1 except that commercially available Fe powder was added to the concentration shown in Table 2 simultaneously with the supply of carbon dioxide. Lithium powder was obtained. Moreover, the lithium ion secondary battery for evaluation of Examples 15-17 was produced like Example 1 using the obtained stabilized lithium powder.

実施例15〜17の評価用リチウムイオン二次電池に対し、実施例1に記載される各種試験を実施した結果を表2に示す。実施例15〜17では、実施例1よりも優れた初期充放電効率を示しており、Feの量を好適な値に制御することでより優れたドープ性能を示す安定化リチウム粉が得られた。   Table 2 shows the results of various tests described in Example 1 performed on the lithium ion secondary batteries for evaluation of Examples 15 to 17. In Examples 15 to 17, the initial charge and discharge efficiency superior to that of Example 1 was shown, and stabilized lithium powder exhibiting more excellent dope performance was obtained by controlling the amount of Fe to a suitable value. .

[比較例1]
市販のFMC社の安定化リチウム粉(商品名:SLMP)を用いて、実施例1と同様にして比較例1の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。また、光学顕微鏡で撮影した比較例1の安定化リチウム粉の写真を図2に示す。図2よりこの安定化リチウム粉は真球であることが確認できる。
[Comparative Example 1]
A lithium ion secondary battery for evaluation of Comparative Example 1 was prepared in the same manner as in Example 1 using commercially available stabilized lithium powder (trade name: SLMP) manufactured by FMC. Moreover, the photograph of the stabilized lithium powder of the comparative example 1 image | photographed with the optical microscope is shown in FIG. From FIG. 2, it can be confirmed that the stabilized lithium powder is a true sphere.

[比較例2]
安定化リチウム粉の製造条件を下記表1に示すものに変更した以外は実施例1と同様として、比較例2の安定化リチウム粉を得た。また、得られた安定化リチウム粉を用いて、実施例1と同様にして比較例2の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
[Comparative Example 2]
The stabilized lithium powder of Comparative Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the production conditions for the stabilized lithium powder were changed to those shown in Table 1 below. Moreover, the lithium ion secondary battery for evaluation of the comparative example 2 was produced like Example 1 using the obtained stabilized lithium powder.

Figure 2016074972
Figure 2016074972

Figure 2016074972
Figure 2016074972

本発明の安定化リチウム粉によれば、ドープ効率を改善することが可能となる。また、上記製造方法で得られた電極を用いることで、初期充放電効率が改善されたリチウムイオン二次電池を提供することができる。
また、本発明の安定化リチウム粉はリチウムイオン二次電池用途に限定されるものではなく、リチムイオンキャパシタ、EDLC(電気二重層キャパシタ)などの電気化学デバイスにも適用可能である。

According to the stabilized lithium powder of the present invention, the doping efficiency can be improved. Moreover, the lithium ion secondary battery with which the initial stage charge / discharge efficiency was improved can be provided by using the electrode obtained by the said manufacturing method.
Moreover, the stabilized lithium powder of the present invention is not limited to lithium ion secondary battery applications, and can also be applied to electrochemical devices such as lithium ion capacitors and EDLCs (electric double layer capacitors).

Claims (4)

粒子の平均円形度をCとしたとき、C≦0.90であることを特徴とする安定化リチウム粉。   A stabilized lithium powder, wherein C ≦ 0.90 when the average circularity of the particles is C. 前記粒子の平均フェレ径をFDとしたとき、FD≦53.0μmであることを特徴とする請求項1に記載の安定化リチウム粉。   2. The stabilized lithium powder according to claim 1, wherein FD ≦ 53.0 μm when an average ferret diameter of the particles is FD. 前記粒子が遷移金属を1.0×10−3質量%以上、1.0×10−1質量%以下含有することを特徴とする請求項1または2に記載の安定化リチウム粉。 3. The stabilized lithium powder according to claim 1, wherein the particles contain a transition metal in an amount of 1.0 × 10 −3 mass% or more and 1.0 × 10 −1 mass% or less. 請求項1乃至3に記載の安定化リチウム粉を用い負極にドーピングを施した負極と、正極と、電解質と、を有するリチウムイオン二次電池。
A lithium ion secondary battery comprising: a negative electrode obtained by doping the negative electrode using the stabilized lithium powder according to claim 1; a positive electrode; and an electrolyte.
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