JP2016194141A - Stabilized lithium powder and lithium ion secondary battery using the same - Google Patents

Stabilized lithium powder and lithium ion secondary battery using the same Download PDF

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一摩 秋元
匡広 土屋
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匡広 土屋
山本 裕司
Yuji Yamamoto
裕司 山本
洋貴 北村
Hirotaka Kitamura
洋貴 北村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a stabilized lithium powder capable of promoting doping without generating a defect, such as a crack in an anode and improving an initial charge-discharge efficiency.SOLUTION: The stabilized lithium powder has a stabilized coating on the surface of a lithium particle. The stabilized coating has a peak A having a half value width of 35 cmor less when a peak existing in a range of 1750 cmto 1900 cmin a Raman spectrum is set to the peak A.SELECTED DRAWING: Figure 2

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), 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(Liドープ)が提案されている。   In order to reduce this irreversible capacity, a technique (Li doping) in which metallic lithium is brought into contact with the negative electrode in advance and lithium is doped into the negative electrode before charging / discharging is started has been proposed.

特許文献1には、リチウムの反応性の高さを抑えるため、リチウム粒子の表面に分散被覆を形成し、取扱い性を向上させた安定化リチウム粉が提案されている。   Patent Document 1 proposes a stabilized lithium powder in which a dispersion coating is formed on the surface of lithium particles to improve the handling property in order to suppress the high reactivity of lithium.

通常、リチウムイオン二次電池に用いる電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、ドープ工程はそのプレスにより安定化リチウム粉のLi金属が露出することでドープが進行する。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ドープ特性も求められている。   Usually, an 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. Dope advances by exposing. Therefore, the characteristics required for the stabilized lithium powder are not only for improving the stability of lithium, but also for doping characteristics that produce excellent battery characteristics.

特表平8−505440号公報Japanese National Patent Publication No. 8-505440

しかしながら、上記特許文献に記載されている安定化リチウム粉を用いて負極にリチウムのドープを行った場合、その負極を用いた電池の初期充放電効率が低くなるという課題があった。本発明者らは鋭意研究の結果、従来の安定化リチウム粉の安定化被膜はじん性が高く、ドープ工程において大きなプレス圧が必要であるため負極にクラック等の欠陥が生じていることを見出した。   However, when the negative electrode is doped with lithium using the stabilized lithium powder described in the above patent document, there is a problem that the initial charge / discharge efficiency of a battery using the negative electrode is lowered. As a result of intensive studies, the present inventors have found that conventional stabilized lithium powder stabilized films have high toughness, and a large pressing pressure is required in the dope process, so that defects such as cracks are generated in the negative electrode. It was.

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、負極にクラック等の欠陥を生じずにドープを進行させることが可能であり、その負極を用いることで電池にした際の初期充放電効率を改善させることが可能な安定化リチウム粉及びこれを用いたリチウムイオン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 of the prior art, and it is possible to advance the dope without causing defects such as cracks in the negative electrode. When the negative electrode is used, a battery is obtained. It is an object of the present invention to provide a stabilized lithium powder capable of improving the initial charge / discharge efficiency and a lithium ion secondary battery using the same.

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、リチウム粒子の表面に安定化被膜を有する安定化リチウム粉であって、前記安定化被膜はラマンスペクトルにおいて、1750cm−1〜1900cm−1の範囲に存在するピークをピークAとし、ピークAの半値幅が35cm−1以下であることを特徴とする。
これによれば、ピークAの半値幅が35cm−1以下である場合、安定化リチウム粉としてが十分にじん性が低下するので、小さなプレス圧でも安定化被膜が十分に破砕されてドープが効率的に進み、改善した初期充放電特性が得られる。
In order to achieve the above object, the stabilized lithium powder according to the present invention is a stabilized lithium powder having a stabilized film on the surface of lithium particles, and the stabilized film has a Raman spectrum of 1750 cm −1 to 1900 cm −. A peak existing in the range of 1 is defined as a peak A, and the half width of the peak A is 35 cm −1 or less.
According to this, when the half width of the peak A is 35 cm −1 or less, the toughness is sufficiently lowered as the stabilized lithium powder, so that the stabilized coating is sufficiently crushed even with a small press pressure, and the dope is efficient. The improved initial charge / discharge characteristics can be obtained.

また、前記安定化リチウム粉のラマンスペクトルにおいて、400cm−1〜650cm−1の範囲に存在するピークをピークBとし、ピークAとピークBとの高さ比をB/Aとした場合、B/A≦0.15であることが好ましい。これによれば、ピークAはLiH、ピークBはLiOに由来するものであり、安定化被膜中にじん性の低いLiHが多く存在するほど安定化被膜の破砕が容易となる。ここで、ピークAとピークBの高さ比B/Aが小さいほど安定化被膜中のLiHの割合が増加していることを示しており、B/A≦0.15である場合、安定化被膜のじん性を低下させるために好適なLiHの割合となり、より改善した初期充放電特性が得られる。 Further, in the Raman spectrum of the stabilized lithium powder, the peak B to peak present in the range of 400cm -1 ~650cm -1, if the height ratio of the peak A and the peak B was set to B / A, B / It is preferable that A ≦ 0.15. According to this, the peak A is derived from LiH and the peak B is derived from Li 2 O, and the more the LiH having low toughness is present in the stabilized film, the easier the stabilized film is crushed. Here, the smaller the height ratio B / A of peak A and peak B is, the higher the ratio of LiH in the stabilized coating is. When B / A ≦ 0.15, the stabilization is achieved. The ratio of LiH is suitable for reducing the toughness of the coating, and improved initial charge / discharge characteristics can be obtained.

本発明による安定化リチウム粉を用いることで、負極にクラック等の欠陥を生じずにドープを進行させることが可能となり、その負極を用いて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得ることができる。   By using the stabilized lithium powder according to the present invention, it becomes possible to progress the doping without causing defects such as cracks in the negative electrode, and a lithium ion secondary battery with improved initial charge / discharge efficiency using the negative electrode Can be obtained.

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. 本実施形態の安定化リチウム粉のラマンスペクトルを示す図であり、ピークAの高さと半値幅とピークBの高さを示す図である。It is a figure which shows the Raman spectrum of the stabilized lithium powder of this embodiment, and is a figure which shows the height of peak A, a half value width, and the height of peak B. 図2のピークAを拡大した図であり、ピーク高さ、半値幅、ベースラインを示す図である。It is the figure which expanded the peak A of FIG. 2, and is a figure which shows peak height, a half value width, and a baseline.

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、リチウム粒子の表面に安定化被膜を有する安定化リチウム粉であって、前記安定化被膜はラマンスペクトルにおいて、1750cm−1〜1900cm−1の範囲に存在するピークをピークAとし、ピークAの半値幅が35cm−1以下であることを特徴とする。
<Stabilized lithium powder>
Stabilized lithium powder of the present embodiment is a stabilized lithium powder with a stabilizing coating on the surface of the lithium particles wherein the stabilizing coating in the Raman spectrum, peaks present in the range of 1750cm -1 ~1900cm -1 Is a peak A, and the half width of the peak A is 35 cm −1 or less.

前記ピークAの半値幅は20cm−1以下であることがより好ましく、10cm−1以下であることがさらに好ましい。半値幅が小さいほど、前記安定化被膜に含まれるLiHのじん性がより低下し、さらに安定化被膜の破砕が容易となる。 The full width at half maximum of the peak A is more preferably 20 cm −1 or less, and further preferably 10 cm −1 or less. The smaller the half width is, the more the toughness of LiH contained in the stabilizing coating is further reduced, and the stabilization coating is easily crushed.

上記安定化リチウム粉は、ラマンスペクトルにおいて、400cm−1〜650cm−1の範囲に存在するピークをピークBとし、ピークAとピークBとの高さ比をB/Aとした場合、B/A≦0.15であることが好ましく、B/A≦0.12であることがより好ましく、B/A≦0.10であることがさらに好ましい。B/Aが0に近いほど安定化被膜中のLiHの割合が増加するので安定化被膜のじん性が低下し、安定化被膜の破砕がより容易に行うことが可能となる。 The stabilized lithium powder, in the Raman spectrum, the peaks present in the range of 400cm -1 ~650cm -1 and peak B, if the height ratio of the peak A and the peak B was set to B / A, B / A ≦ 0.15 is preferable, B / A ≦ 0.12 is more preferable, and B / A ≦ 0.10 is still more preferable. Since the ratio of LiH in the stabilized coating increases as B / A is closer to 0, the toughness of the stabilized coating decreases, and the stabilized coating can be more easily crushed.

前記安定化被膜に含まれる化合物としては、水素化物、酸化物、水酸化物、炭酸塩、硫化物等が挙げられ、具体的にはLiH、LiO、LiOH、LiCO、LiSなどが挙げられる。 Examples of the compound contained in the stabilization coating include hydrides, oxides, hydroxides, carbonates, sulfides, and the like, specifically, LiH, Li 2 O, LiOH, Li 2 CO 3 , Li 2. S etc. are mentioned.

(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、この状態で安定化被膜のじん性を低下させるために十分な時間、高温での撹拌を続け、その後、徐々に冷却し、これを乾燥することによって製造される。
(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, carbon dioxide (CO 2 ) is brought into contact with stirring while forming a stabilized coating on the surface, and stirring at a high temperature is performed for a sufficient time to reduce the toughness of the stabilizing coating in this state. It is manufactured by continuing and then gradually cooling and drying it.

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.

上記溶融リチウム−炭化水素オイル混合物の撹拌時間は5分以上が好ましい。   The stirring time of the molten lithium-hydrocarbon oil mixture is preferably 5 minutes or more.

また、上記溶融リチウム−炭化水素オイル混合物の撹拌速度は1000rpm以上が望ましい。   The stirring speed of the molten lithium-hydrocarbon oil mixture is preferably 1000 rpm 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、0.1〜5質量部がこの分散混合物に加えられることが好ましく、0.1〜2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に導入されることが好ましいため、分散液製造時の攪拌条件は、導入される二酸化炭素と分散された金属との十分な接触をもたらすために二酸化炭素導入時の撹拌速度は1000rpm以上であることが好ましい。   When the lithium ingot is 1 part by mass, the carbon dioxide is preferably added in an amount of 0.1 to 5 parts by mass, more preferably 0.1 to 2 parts by mass. Since carbon dioxide is preferably introduced to the surface of this mixture, the stirring conditions during the production of the dispersion are such that the stirring during carbon dioxide introduction is sufficient to provide sufficient contact between the introduced carbon dioxide and the dispersed metal. The speed is preferably 1000 rpm or more.

上記安定化被膜を形成した後の撹拌時間は120分以上が好ましく、安定化被膜のじん性をより低下させるためにさらに撹拌時間を長くし、180分以上であることがさらに好ましく、その時の温度は200℃以上が好ましい。   The stirring time after forming the above-mentioned stabilizing film is preferably 120 minutes or more, in order to further reduce the toughness of the stabilizing film, the stirring time is further increased, more preferably 180 minutes or more, the temperature at that time Is preferably 200 ° C. or higher.

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.

このように、上述した温度や撹拌時間を調整することにより、ピークA及びピークBの強度や半値幅を調整することが可能である。   Thus, it is possible to adjust the intensity | strength and half value width of the peak A and the peak B by adjusting the temperature and stirring time which were mentioned above.

<負極>
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>
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、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 a negative electrode conductive additive in an amount necessary.

(負極活物質)
負極活物質としては酸化シリコン(SiO)、金属シリコン(Si)等が挙げられる。
(Negative electrode active material)
Examples of the negative electrode active material include silicon oxide (SiO x ) and metal silicon (Si).

(負極用バインダ)
負極用バインダは、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. Further, as the binder, an electron conductive conductive polymer or an ion conductive conductive polymer may be used. Examples of the electron conductive conductive polymer include polyacetylene. In this case, since the binder also exhibits the function of the conductive auxiliary agent particles, it is not necessary to add the conductive auxiliary agent. 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。
(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.

<リチウムをドープした負極の製造方法>
(負極の製造方法)
負極活物質と、導電助剤と、バインダとを水またはN−メチル−2−ピロリドンなどの溶媒に混合分散させてペースト状の負極スラリーを作製する。次いで、この負極スラリーを例えばコンマロールコーターを用いて、所定の厚みを有する負極スラリーを銅箔などの負極集電体の片面または両面に塗布し、乾燥炉内にて溶媒を蒸発させる。その後、ローラープレスによって加圧成形し、真空中で熱処理することで負極となる。なお、負極集電体の両面に塗布された場合、負極活物質層となる塗膜の厚みは、両面とも同じ膜厚であることが望ましい。
<Method for producing lithium-doped negative electrode>
(Method for producing negative electrode)
A negative electrode active material, a conductive additive, and a binder are mixed and dispersed in a solvent such as water or N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a paste-like negative electrode slurry. Next, the negative electrode slurry is applied to one or both sides of a negative electrode current collector such as a copper foil using a comma roll coater, for example, and the solvent is evaporated in a drying furnace. Thereafter, it is pressure-formed by a roller press and heat-treated in a vacuum to form a negative electrode. In addition, when apply | coating to both surfaces of a negative electrode collector, it is desirable that the thickness of the coating film used as a negative electrode active material layer is the same film thickness on both surfaces.

(負極へのリチウムのドープ方法)
リチウムをドープした負極は、上記安定化リチウム粉が分散した分散液を、負極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、作製される。安定化リチウム粉の分散には脱水した溶媒、例えばN−メチルピロリドン、トルエン、キシレン、メチルエチルケトンなどを用いることができる。
(Method of doping lithium into the negative electrode)
The negative electrode doped with lithium is applied to the negative electrode active material layer formed on the negative electrode current collector by applying the dispersion in which the stabilized lithium powder is dispersed, and after drying, is pressed to form a negative electrode active material. Lithium doping progresses and is produced. For the dispersion of the stabilized lithium powder, a dehydrated solvent such as N-methylpyrrolidone, toluene, xylene, methyl ethyl ketone and the like can be used.

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.

<正極>
正極10は後述するように正極用集電体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る。
<Positive electrode>
The positive electrode 10 can be produced by forming the positive electrode active material layer 14 on the positive electrode current collector 12 as described later.

(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。
(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、PF )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 (for example, PF 6 ) of the lithium ions. 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)
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.

(非水電解液)
非水電解液は、非水溶媒に電解質が溶解されており、非水溶媒として環状カーボネートと、鎖状カーボネートと、を含有してもよい。
(Nonaqueous electrolyte)
The nonaqueous electrolytic solution has an electrolyte dissolved in a nonaqueous solvent, and may contain a cyclic carbonate and a chain carbonate as a nonaqueous solvent.

環状カーボネートとしては、電解質を溶媒和することができるものであれば特に限定されず、公知の環状カーボネートを使用できる。例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート及びブチレンカーボネートなどを用いることができる。   The cyclic carbonate is not particularly limited as long as it can solvate the electrolyte, and a known cyclic carbonate can be used. For example, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and the like can be used.

鎖状カーボネートとしては、環状カーボネートの粘性を低下させることができるものであれば特に限定されず、公知の鎖状カーボネートを使用できる。例えば、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネートが挙げられる。その他、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、γ−ブチロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタンなどを混合して使用してもよい。   The chain carbonate is not particularly limited as long as the viscosity of the cyclic carbonate can be reduced, and a known chain carbonate can be used. Examples thereof include diethyl carbonate, dimethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate. In addition, methyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, γ-butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, and the like may be mixed and used.

非水溶媒中の環状カーボネートと鎖状カーボネートの割合は体積にして1:9〜1:1にすることが好ましい。   The ratio of the cyclic carbonate and the chain carbonate in the non-aqueous solvent is preferably 1: 9 to 1: 1 by volume.

(電解質)
電解質としては、LiPF、LiClO、LiBF、LiAsF、LiCFSO、LiCF、CFSO、LiC(CFSO、LiN(CFSO、LiN(CFCFSO、LiN(CFSO)(CSO)、LiN(CFCFCO)、LiBOB等のリチウム塩が使用できる。なお、これらのリチウム塩は1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。特に、導電性の観点から、LiPFを含むことが好ましい。
(Electrolytes)
The electrolytes include LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 , CF 2 SO 3 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , 3 CF 2 SO 2) 2, LiN (CF 3 SO 2) (C 4 F 9 SO 2), LiN (CF 3 CF 2 CO) 2, lithium salts such as LiBOB can be used. In addition, these lithium salts may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. In particular, LiPF 6 is preferably included from the viewpoint of conductivity.

LiPFを非水溶媒に溶解する際は、非水電解液中の電解質の濃度を、0.5〜2.0mol/L(M)に調整することが好ましい。電解質の濃度が0.5mol/L以上であると、非水電解液の導電性を充分に確保することができ、充放電時に十分な容量が得られやすい。また、電解質の濃度が2.0mol/L以内に抑えることで、非水電解液の粘度上昇を抑え、リチウムイオンの移動度を充分に確保することができ、充放電時に十分な容量が得られやすくなる。 When LiPF 6 is dissolved in a non-aqueous solvent, the concentration of the electrolyte in the non-aqueous electrolyte is preferably adjusted to 0.5 to 2.0 mol / L (M). When the concentration of the electrolyte is 0.5 mol / L or more, the conductivity of the nonaqueous electrolytic solution can be sufficiently secured, and a sufficient capacity can be easily obtained during charging and discharging. Moreover, by suppressing the electrolyte concentration to within 2.0 mol / L, it is possible to suppress an increase in the viscosity of the non-aqueous electrolyte, to sufficiently secure the mobility of lithium ions, and to obtain a sufficient capacity during charging and discharging. It becomes easy.

LiPFをその他の電解質と混合する場合にも、非水電解液中のリチウムイオン濃度が0.5〜2.0mol/Lに調整することが好ましく、LiPFからのリチウムイオン濃度がその50mol%以上含まれることがさらに好ましい。 Even when LiPF 6 is mixed with another electrolyte, the lithium ion concentration in the non-aqueous electrolyte is preferably adjusted to 0.5 to 2.0 mol / L, and the lithium ion concentration from LiPF 6 is 50 mol%. More preferably, it is contained.

<リチウムイオン二次電池>
図1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. 1 shows a schematic cross-sectional view of the lithium ion secondary battery of the present embodiment.

上記の通り作製されたリチウムドープ済みの負極20と、正極10と、電解質を含浸させたセパレータ18とを図1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る。正極10、セパレータ18、及び負極20を積層し積層体30を準備し、そして、例えば、予め準備した袋状のアルミニウムラミネートフィルムの外装体50に、上記積層体30を入れ、電解質として上記リチウム塩を含む非水電解液を注入し、外装体を封止することにより、リチウムイオン二次電池を作製することができる。なお、図面中60と62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 lithium-doped negative electrode 20 produced 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. The positive electrode 10, the separator 18, and the negative electrode 20 are laminated to prepare a laminated body 30, and, for example, the laminated body 30 is put in a bag-shaped aluminum laminated film outer body 50 prepared in advance, and the lithium salt is used as an electrolyte. A lithium ion secondary battery can be manufactured by injecting a non-aqueous electrolyte solution containing and sealing the outer package. In the drawings, reference numerals 60 and 62 denote a positive electrode and a negative electrode, respectively.

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フラスコ反応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、リチウムを溶融させた後、二酸化炭素100gを攪拌を続けたまま5分を掛けて表面に供給して安定化被膜を形成した。二酸化炭素をすべて添加した後、反応器を250℃まで加熱し、さらに260分の撹拌を行った。その後、撹拌を維持したまま1時間かけて室温まで冷却した。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。
[Example 1]
(Production of stabilized lithium powder)
A stainless steel resin flask reactor was added with 100 g of Kanto Chemical lithium ingot and Witco Carnation hydrocarbon oil, and the inside of the vessel was replaced with dry argon. Next, the reactor was heated to 200 ° C. to melt lithium, and then 100 g of carbon dioxide was supplied to the surface over 5 minutes with continued stirring to form a stabilized coating. After all the carbon dioxide was added, the reactor was heated to 250 ° C. and stirred for a further 260 minutes. Then, it cooled to room temperature over 1 hour, maintaining stirring. The obtained powder was washed with hexane to obtain stabilized lithium powder.

(負極の作製)
負極活物質としてSiOx83質量部、導電助剤としてアセチレンブラック2質量部、バインダとしてポリアミドイミド15質量部、及び溶剤としてN−メチルピロリドン82質量部を混合し、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の銅箔の一面に塗布し、100℃で乾燥後、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が22μmである負極を得た。
(Preparation of negative electrode)
A slurry for forming an active material layer was prepared by mixing 83 parts by mass of SiOx as a negative electrode active material, 2 parts by mass of acetylene black as a conductive additive, 15 parts by mass of polyamideimide as a binder, and 82 parts by mass of N-methylpyrrolidone as a solvent. . This slurry was applied as a current collector to one surface of a copper foil having a thickness of 14 μm, dried at 100 ° C., then pressure-formed by a roller press, and heat-treated at 350 ° C. in a vacuum for 3 hours to form a negative electrode active material layer A negative electrode having a thickness of 22 μm was obtained.

(リチウムをドープした負極の作製)
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質量部を脱水したN−メチルピロリドン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、ハンドプレスによって30kNの力で加圧して負極へリチウムをドープさせ、リチウムがドープされた負極を得た。
(Preparation of negative electrode doped with lithium)
On the negative electrode obtained by the above method, a dispersion obtained by dispersing 100 parts by mass of the stabilized lithium powder in 100 parts by mass of dehydrated N-methylpyrrolidone was used. the coating is cm 2, and dried at 100 ° C.. Then, it pressurized by the force of 30 kN with the hand press, and doped the lithium to the negative electrode, and the negative electrode doped with lithium was obtained.

(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、正極としてコバルト酸リチウムとを、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/ジエチルカーボネート=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 prepared above and lithium cobalt oxide as a positive electrode are put in an aluminum laminate pack with a separator made of a polyethylene microporous film interposed therebetween, and 1M LiPF 6 solution ( After injecting a solvent: ethylene carbonate / diethyl carbonate = 3/7 (volume ratio)), vacuum sealing was performed to produce a lithium ion secondary battery for evaluation.

<安定化被膜におけるピークAの半値幅、B/Aの測定>
実施例1で作製した安定化リチウム粉について、532nmのグリーンレーザーを用いたラマン分光法によって、図2に示すように、1750〜1900cm−1の範囲に存在するピークAと、400〜650cm−1の範囲に存在するピークBが得られた。
<Measurement of half width of peak A and B / A in stabilized film>
For stabilized lithium powder prepared in Example 1, by Raman spectroscopy using a green laser of 532 nm, as shown in FIG. 2, the peak A present in the range of 1750~1900cm -1, 400~650cm -1 The peak B which exists in the range of was obtained.

図3に示すように、まず得られたスペクトルのベースライン3除去を行い、1750〜1900cm−1の範囲に存在するピークAの半値幅およびピークAの高さ、400〜650cm−1の範囲に存在するピークBの高さを得た。
ピークAの半値幅はピークAの高さ1の中点において、横軸に平行な直線2を引いた場合に形成される、その直線とピークAの2つの交点のなす線分の長さとする。ピークの高さはピークの始点と終点を直線で結んだ線をベースラインとしてベースラインからピークまでの高さとした。またピークBに関しては複数のピークが現れる場合がある。その場合は上記周波数範囲に現れるピークのうち最も高いピークを採用した。
As shown in FIG. 3 performs first obtained baseline 3 removal of the spectrum, the half width and the peak A peak heights A present in the range of 1750~1900Cm -1, in the range of 400~650Cm -1 The height of the existing peak B was obtained.
The full width at half maximum of peak A is the length of the line segment formed by drawing the straight line 2 parallel to the horizontal axis at the midpoint of peak A height 1 and the two intersections of the straight line and peak A. . The height of the peak was defined as the height from the base line to the peak, with a line connecting the start point and end point of the peak as a straight line. Regarding peak B, a plurality of peaks may appear. In that case, the highest peak among the peaks appearing in the frequency range was adopted.

<負極の欠陥の確認>
実施例1で作製したリチウムをドープした負極について、目視によって負極に欠陥が発生していないかを確認した。
<Confirmation of defects in negative electrode>
About the lithium dope negative electrode produced in Example 1, it was confirmed visually that the defect did not generate | occur | produce in the negative electrode.

<サイクル容量維持率の測定>
実施例1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2.5Vから4.2Vまでとし、0.05Cでの電流値で充電、放電を1サイクル行い、下記式1にしたがって初期充放電効率を求めた。
式1:初期充放電効率=(放電容量/充電容量)×100
この初期充放電効率が高いほど、不可逆容量が低減されており、優れたドープ特性が得られていることを意味する。
<Measurement of cycle capacity retention ratio>
About the lithium ion secondary battery for evaluation produced in Example 1, using a secondary battery charge / discharge test apparatus (manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.), the voltage range is 2.5 V to 4.2 V in a thermostatic bath at a temperature of 25 ° C. Then, charging and discharging were performed for one cycle at a current value of 0.05 C, and the initial charge / discharge efficiency was determined according to the following formula 1.
Formula 1: Initial charge / discharge efficiency = (discharge capacity / charge capacity) × 100
The higher the initial charge / discharge efficiency, the lower the irreversible capacity, which means that superior doping characteristics are obtained.

[実施例2〜12]
安定化リチウム粉の製造条件を表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2〜12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2〜12の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
[Examples 2 to 12]
The stabilized lithium powders of Examples 2 to 12 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. Moreover, the lithium ion secondary battery for evaluation of Examples 2-12 was produced like Example 1 using the obtained stabilized lithium powder.

実施例1の評価結果および実施例2〜12の評価用リチウムイオン二次電池に対し、実施例1に記載される各種測定を実施した結果を表1に示す。表1より実施例1〜12のすべてにおいてピークAの半値幅が35cm−1以下の安定化リチウム粉が得られた。ピークAの半値幅は高温下での撹拌時間によって制御した。またピークAの半値幅が35cm−1以下であった実施例1〜12では負極に欠陥が発生しなかったため、初期充放電効率は80%以上を示した。特にピークAの半値幅が10cm−1以下でかつB/Aが0.12以下の場合は90%以上の高い初期充放電効率を示した。B/Aは二酸化炭素の導入量によって制御した。 Table 1 shows the results of various measurements described in Example 1 for the evaluation results of Example 1 and the evaluation lithium ion secondary batteries of Examples 2 to 12. From Table 1, in all of Examples 1 to 12, stabilized lithium powder having a peak A half-width of 35 cm −1 or less was obtained. The half width of peak A was controlled by the stirring time at high temperature. Moreover, in Examples 1-12 in which the half width of the peak A was 35 cm −1 or less, no defects occurred in the negative electrode, and thus the initial charge / discharge efficiency was 80% or more. In particular, when the half width of peak A was 10 cm −1 or less and B / A was 0.12 or less, a high initial charge / discharge efficiency of 90% or more was exhibited. B / A was controlled by the amount of carbon dioxide introduced.

[比較例1〜2]
安定化リチウム粉の製造条件を表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1〜2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1〜2の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
[Comparative Examples 1-2]
The stabilized lithium powders of Comparative Examples 1 and 2 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. Moreover, the lithium ion secondary battery for evaluation of Comparative Examples 1-2 was produced like Example 1 using the obtained stabilized lithium powder.

[比較例3]
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3の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
[Comparative Example 3]
A lithium ion secondary battery for evaluation of Comparative Example 3 was produced in the same manner as in Example 1 using stabilized lithium powder (trade name: SLMP) manufactured by FMC.

比較例1〜3の評価用リチウムイオン二次電池に対し、実施例1に記載される各種測定を実施した結果を表1に示す。比較例1〜3ではピークAの半値幅が36cm−1以上であるため、ドープ時に負極に欠陥が発生して初期充放電効率が71.8%以下と実施例と比較して低い値であった。 Table 1 shows the results of various measurements described in Example 1 performed on the evaluation lithium ion secondary batteries of Comparative Examples 1 to 3. In Comparative Examples 1 to 3, since the half width of peak A is 36 cm −1 or more, defects are generated in the negative electrode during doping, and the initial charge and discharge efficiency is 71.8% or less, which is a low value compared to the examples. It was.

Figure 2016194141
Figure 2016194141

負極にクラック等の欠陥を生じずにドープを進行させることが可能で、その負極を用いた電池の初期充放電効率を改善させることが可能な安定化リチウム粉及びこれを用いたリチウムイオン二次電池を提供することができる。   Stabilized lithium powder capable of allowing dope to proceed without causing defects such as cracks in the negative electrode and improving the initial charge / discharge efficiency of the battery using the negative electrode, and lithium ion secondary using the same A battery can be provided.

1…ピーク高さ、2…半値幅、3…ベースライン、10…正極、12…正極集電体、14…正極活物質層、18…セパレータ、20…負極、22…負極集電体、24…負極活物質層、30…積層体、50…外装体、60,62…リード、100…リチウムイオン二次電池。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Peak height, 2 ... Half width, 3 ... Baseline, 10 ... Positive electrode, 12 ... Positive electrode collector, 14 ... Positive electrode active material layer, 18 ... Separator, 20 ... Negative electrode, 22 ... Negative electrode collector, 24 ... negative electrode active material layer, 30 ... laminate, 50 ... outer package, 60, 62 ... lead, 100 ... lithium ion secondary battery.

Claims (3)

リチウム粒子の表面に安定化被膜を有する安定化リチウム粉であって、前記安定化リチウム粉はラマンスペクトルにおいて、1750cm−1〜1900cm−1の範囲に存在するピークをピークAとし、ピークAの半値幅が35cm−1以下であることを特徴とする安定化リチウム粉。 A stabilized lithium powder with a stabilizing coating on the surface of the lithium particles wherein the stabilizing lithium powder in the Raman spectrum, the peaks present in the range of 1750cm -1 ~1900cm -1 and peak A, a half of the peak A A stabilized lithium powder having a value range of 35 cm −1 or less. 前記安定化リチウム粉のラマンスペクトルにおいて、400cm−1〜650cm−1の範囲に存在するピークをピークBとし、ピークAとピークBとの高さ比をB/Aとした場合、B/A≦0.15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。 Wherein in the Raman spectrum of the stabilized lithium powder, the peak B to peak present in the range of 400cm -1 ~650cm -1, when the height ratio of the peak A and peak B and B / A, B / A ≦ The stabilized lithium powder according to claim 1, which is 0.15. 請求項1ないし2のいずれか1項に記載の安定化リチウム粉を用いてリチウムをドープした負極と、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 doped with lithium using the stabilized lithium powder according to claim 1; a positive electrode; and an electrolyte.


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