JP2017157400A - Nonaqueous secondary battery, gas-generation inhibitor and nonaqueous electrolyte which are used therefor - Google Patents

Nonaqueous secondary battery, gas-generation inhibitor and nonaqueous electrolyte which are used therefor Download PDF

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裕介 渡邉
Yusuke Watanabe
裕介 渡邉
晃子 島
Akiko Shima
晃子 島
弘樹 大島
Hiroki Oshima
弘樹 大島
敬史 毛利
Takashi Mori
敬史 毛利
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: a nonaqueous secondary battery in which gas generation can be suppressed while it is stored under a high-temperature condition; and a gas-generation inhibitor and a nonaqueous electrolyte which are used for the nonaqueous secondary battery.SOLUTION: A nonaqueous secondary battery of the invention comprises: a positive electrode; a Si-based negative electrode; and a nonaqueous electrolyte. The nonaqueous electrolyte includes a gas-generation inhibitor having dioxanes.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、非水系二次電池並びにこれに用いられるガス発生抑制剤及び非水系電解液に関する。   The present invention relates to a non-aqueous secondary battery, a gas generation inhibitor and a non-aqueous electrolyte solution used therefor.

リチウムイオン二次電池などの非水系二次電池は、携帯電話、ノート型パソコン、及び車両用駆動源といった幅広い分野で用いられている。リチウムイオン二次電池の負極活物質としては、例えば、理論容量の大きい珪素系材料が用いられ、正極活物質としては、リチウム金属複合酸化物が用いられている(特許文献1)。   Non-aqueous secondary batteries such as lithium ion secondary batteries are used in a wide range of fields such as mobile phones, notebook computers, and vehicle drive sources. For example, a silicon-based material having a large theoretical capacity is used as the negative electrode active material of the lithium ion secondary battery, and a lithium metal composite oxide is used as the positive electrode active material (Patent Document 1).

しかしながら、リチウム金属複合酸化物を正極活物質として使用する電池について充電状態で高温に保存すると、リチウム金属複合酸化物が劣化し電解液中の有機成分が酸化されて、COガスが発生するという問題があった。 However, when a battery using a lithium metal composite oxide as a positive electrode active material is stored in a charged state at a high temperature, the lithium metal composite oxide is deteriorated and the organic component in the electrolyte is oxidized to generate CO 2 gas. There was a problem.

そこで、特許文献2、3には、電解液に珪素化合物を添加することで、電池特性を向上させることが提案されている。また、特許文献4には、ハロゲン含有リン酸エステル化合物を添加することで、高温保存時のガス発生を抑制することが提案されている。   Therefore, Patent Documents 2 and 3 propose improving battery characteristics by adding a silicon compound to the electrolytic solution. Patent Document 4 proposes to suppress gas generation during high-temperature storage by adding a halogen-containing phosphate ester compound.

特開2011−165583号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-165583 特開2015−118859号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-118859 特開2015−18802号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-18802 特開2011−96462号公報JP 2011-96462 A

本発明者は、非水系二次電池について、従来とは異なる手法により、高温保存時のガス発生を抑制する技術について鋭意探求した。   The inventor has eagerly searched for a technique for suppressing gas generation during high-temperature storage by using a method different from the conventional technique for non-aqueous secondary batteries.

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、高温保存時のガス発生を抑制することができる非水系二次電池並びにこれに用いられるガス発生抑制剤及び非水系電解液を提供することを課題とする。   This invention is made | formed in view of this situation, and provides the non-aqueous secondary battery which can suppress the gas generation at the time of high temperature storage, the gas generation inhibitor used for this, and a non-aqueous electrolyte. Let it be an issue.

本発明の非水系二次電池は、正極と、Si系負極と、非水系電解液とを具備する非水系二次電池であって、前記非水系電解液は、ジオキサン類を有するガス発生抑制剤を含む。   The non-aqueous secondary battery of the present invention is a non-aqueous secondary battery comprising a positive electrode, a Si-based negative electrode, and a non-aqueous electrolyte, wherein the non-aqueous electrolyte includes a dioxane. including.

本発明のガス発生抑制剤は、Si系負極を備えた非水系二次電池用のガス発生抑制剤であって、前記ガス発生抑制剤は、ジオキサン類を有する。   The gas generation inhibitor of the present invention is a gas generation inhibitor for a non-aqueous secondary battery provided with a Si-based negative electrode, and the gas generation inhibitor has dioxanes.

本発明の非水系電解液は、Si系負極を備えた非水系二次電池用の非水系電解液であって、前記非水系電解液は、ハロゲン含有リチウム塩と、ジオキサン類を有するガス発生抑制剤と、非水系溶媒と、を有する。   The non-aqueous electrolyte solution of the present invention is a non-aqueous electrolyte solution for a non-aqueous secondary battery having a Si-based negative electrode, and the non-aqueous electrolyte solution includes a halogen-containing lithium salt and dioxanes for suppressing gas generation. And a non-aqueous solvent.

上記構成によれば、高温保存時のガス発生を抑制することができる非水系二次電池並びにこれに用いられるガス発生抑制剤及び非水系電解液を提供することができる。   According to the said structure, the non-aqueous secondary battery which can suppress the gas generation at the time of high temperature storage, the gas generation inhibitor used for this, and a non-aqueous electrolyte can be provided.

電池E1、C1の高温保存試験の保存日数と電池から発生したガス量の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the storage days of the high temperature storage test of the batteries E1 and C1, and the gas amount generated from the batteries. 電池E1、C1の高温保存試験の保存日数と容量維持率の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the storage days of a high temperature storage test of a battery E1, C1, and a capacity | capacitance maintenance factor. 電池E2〜E4、C1の高温保存試験後のMn溶出量を示す図である。It is a figure which shows the Mn elution amount after the high temperature storage test of battery E2-E4, C1.

本発明の実施形態に係るガス発生抑制剤、非水系電解液及び非水系二次電池について詳細に説明する。   The gas generation inhibitor, non-aqueous electrolyte and non-aqueous secondary battery according to the embodiment of the present invention will be described in detail.

(ガス発生抑制剤)
本発明の実施形態に係る非水系二次電池用のガス発生抑制剤は、ジオキサン類を有する。
(Gas generation inhibitor)
The gas generation inhibitor for a nonaqueous secondary battery according to an embodiment of the present invention has dioxanes.

本実施形態のガス発生抑制剤を電解液に含めて非水系二次電池に用いた場合には、非水系二次電池を高温で保存したときに、ガスの発生を抑えることができる。その理由は以下のように考えられる。   When the gas generation inhibitor of this embodiment is included in an electrolyte and used in a non-aqueous secondary battery, gas generation can be suppressed when the non-aqueous secondary battery is stored at a high temperature. The reason is considered as follows.

一般に、非水系二次電池を作製し高温で保存した場合、電解液中のハロゲン含有リチウム塩(例えばフッ素含有リチウム塩)が分解してHF(フッ酸)が発生する。HFは、正極活物質を劣化させて正極活物質の成分から酸素を発生させる。酸素は電解液の有機物を酸化してCOを発生させる。 In general, when a non-aqueous secondary battery is manufactured and stored at a high temperature, a halogen-containing lithium salt (for example, a fluorine-containing lithium salt) in the electrolytic solution is decomposed to generate HF (hydrofluoric acid). HF degrades the positive electrode active material and generates oxygen from the components of the positive electrode active material. Oxygen oxidizes the organic matter in the electrolyte to generate CO 2 .

本実施形態のガス発生抑制剤は、ジオキサン類を有する。このガス発生抑制剤を非水系電解液に添加しておくと、ジオキサン類により正極活物質表面に安定な皮膜が形成される。高温保存時に発生するHFによる正極活物質劣化が抑えられ、正極活物質に含まれる酸素の放出が抑えられる。酸素により電解液中の有機物が酸化されることが抑えられ、COガス発生が抑えられると考えられる。 The gas generation inhibitor of this embodiment has dioxanes. When this gas generation inhibitor is added to the non-aqueous electrolyte, a stable film is formed on the surface of the positive electrode active material by the dioxanes. Deterioration of the positive electrode active material due to HF generated during high temperature storage is suppressed, and release of oxygen contained in the positive electrode active material is suppressed. It is considered that the organic matter in the electrolyte solution is suppressed by oxygen and the generation of CO 2 gas is suppressed.

Si系負極は、Siを有する負極活物質を含む。Siは、高い容量を有するため、非水系二次電池の負極活物質として優れている。一般に、Si系負極を用いた非水系二次電池を高温で保存すると、ガスが発生する。しかし、本実施形態では、電解液がジオキサン類を有している。ジオキサン類を有する電解液を用いた二次電池では、Siを有する負極活物質からのガス発生を抑制できる。   The Si-based negative electrode includes a negative electrode active material having Si. Since Si has a high capacity, it is excellent as a negative electrode active material for non-aqueous secondary batteries. In general, when a non-aqueous secondary battery using a Si-based negative electrode is stored at a high temperature, gas is generated. However, in this embodiment, the electrolytic solution has dioxanes. In a secondary battery using an electrolytic solution having dioxanes, gas generation from a negative electrode active material having Si can be suppressed.

本実施形態において、ガス発生抑制剤に含まれるジオキサン類は、ジオキサンを有する化合物である。ジオキサン類としては、1,3−ジオキサン類又は1,4−ジオキサン類が挙げられる。この中、ジオキサン類は、下記の一般式(1)で表される1,3−ジオキサン類からなるとよい。   In the present embodiment, dioxanes contained in the gas generation inhibitor are compounds having dioxane. Examples of the dioxane include 1,3-dioxanes and 1,4-dioxanes. Among these, the dioxane is preferably composed of 1,3-dioxane represented by the following general formula (1).

(R、R、R、Rは、それぞれ独立に、水素基、又は炭化水素基から選択される。R、R、R、Rは、互いに結合していても良い。)
炭化水素基としては、例えば、アルキル基、シクロアルキル基、不飽和アルキル基、及び不飽和シクロアルキル基、芳香族基の群から選ばれる1種以上が挙げられる。この中、炭化水素基は、アルキル基であることが好ましい。R、R、R、Rの炭化水素基としてのアルキル基の炭素数は、1以上10以下が好ましく、更に、1以上6以下がより好ましく、以上4以下が望ましい。
(R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently selected from a hydrogen group or a hydrocarbon group. R 1 , R 2 , R 3 and R 4 may be bonded to each other. .)
Examples of the hydrocarbon group include one or more selected from the group of an alkyl group, a cycloalkyl group, an unsaturated alkyl group, an unsaturated cycloalkyl group, and an aromatic group. Of these, the hydrocarbon group is preferably an alkyl group. The number of carbon atoms of the alkyl group as the hydrocarbon group for R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 is preferably 1 or more and 10 or less, more preferably 1 or more and 6 or less, and more preferably 4 or less.

一般式(1)において、R、R、R、Rは水素基であることが好ましい。この場合、1,3−ジオキサン類は、1,3−ジオキサンとなる。1,3−ジオキサンは、以下の化学式(2)で表される。 In the general formula (1), R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are preferably hydrogen groups. In this case, 1,3-dioxane is 1,3-dioxane. 1,3-dioxane is represented by the following chemical formula (2).

(非水系二次電池用電解液)
本実施形態の電解液は、Si系負極を備えた非水系二次電池用の非水系電解液である。電解液は、ジオキサン類を有するガス発生抑制剤と、ハロゲン含有リチウム塩と、これらを溶解させた非水系溶媒とを有するとよい。
(Electrolyte for non-aqueous secondary batteries)
The electrolyte solution of this embodiment is a non-aqueous electrolyte solution for non-aqueous secondary batteries provided with a Si-based negative electrode. The electrolytic solution may include a gas generation inhibitor having dioxanes, a halogen-containing lithium salt, and a non-aqueous solvent in which these are dissolved.

本実施形態の電解液を100質量%としたときののジオキサン類の濃度は、0.2〜1質量%であることが好ましく、更に、0.2〜0.7質量%であることがより好ましく、0.2〜0.5質量%が特に好ましい。この場合には、非水系二次電池の高温保存時のガス発生を更に抑制できる。   The concentration of dioxane when the electrolytic solution of this embodiment is 100% by mass is preferably 0.2 to 1% by mass, and more preferably 0.2 to 0.7% by mass. 0.2 to 0.5% by mass is preferable. In this case, gas generation during high-temperature storage of the nonaqueous secondary battery can be further suppressed.

本実施形態の電解液は、フッ素含有環状カーボネートを更に含むことが好ましい。フッ素含有環状カーボネートは二次電池のサイクル特性の向上に寄与する。   It is preferable that the electrolyte solution of this embodiment further contains a fluorine-containing cyclic carbonate. The fluorine-containing cyclic carbonate contributes to the improvement of the cycle characteristics of the secondary battery.

ここで、フッ素含有環状カーボネートは、少なくとも1つのフッ素を含有すればよく他のハロゲンを含有してもよい。フッ素含有環状カーボネートは、下記の化学式(3)で表されるものが好ましい。   Here, the fluorine-containing cyclic carbonate only needs to contain at least one fluorine, and may contain other halogens. The fluorine-containing cyclic carbonate is preferably represented by the following chemical formula (3).

(化学式(3)において、R13は、それぞれ独立して、水素、フッ素、アルキル基あるいはフッ化アルキル基であり、それらのうちの少なくとも1つはフッ素またはフッ化アルキル基を表す)
化学式(3)において、R13がアルキル基またはフッ化アルキル基である場合、それらの炭素数は1または2であるのが好ましい。特に好ましくは、下記の化学式(4−1)〜(4−3)で表されるような、環状構造を構成する1以上の炭素に少なくとも1つのフッ素が結合した構造を有するフッ素含有環状カーボネートである。
(In the chemical formula (3), each R 13 is independently hydrogen, fluorine, an alkyl group or a fluorinated alkyl group, and at least one of them represents a fluorine or fluorinated alkyl group)
In the chemical formula (3), when R 13 is an alkyl group or a fluorinated alkyl group, the carbon number thereof is preferably 1 or 2. Particularly preferably, the fluorine-containing cyclic carbonate having a structure in which at least one fluorine is bonded to one or more carbons constituting the cyclic structure as represented by the following chemical formulas (4-1) to (4-3). is there.

なかでも、耐酸化性の観点から、化学式(4−1)で表される4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(フルオロエチレンカーボネート:FEC)が好ましい。   Of these, 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one (fluoroethylene carbonate: FEC) represented by the chemical formula (4-1) is preferable from the viewpoint of oxidation resistance.

本実施形態の電解液中の非水系溶媒は、環状カーボネートと、鎖状カーボネートとを併用することが好ましい。環状カーボネートは、上記フッ素含有環状カーボネートを有することがよい。環状カーボネートは誘電率が高く、鎖状カーボネートは粘性が低い。このため、電解液が環状カーボネートと鎖状カーボネートとの双方を含むことにより、電解質イオンの移動を円滑にして、電池容量を向上させることができる。   It is preferable that the non-aqueous solvent in the electrolyte solution of this embodiment uses a cyclic carbonate and a chain carbonate in combination. The cyclic carbonate may have the fluorine-containing cyclic carbonate. Cyclic carbonate has a high dielectric constant, and chain carbonate has low viscosity. For this reason, when electrolyte solution contains both a cyclic carbonate and a chain carbonate, the movement of electrolyte ion can be made smooth and battery capacity can be improved.

電解液の非水系溶媒全体を100体積%としたとき、環状カーボネートの含有量は20〜40体積%さらには25〜35体積%であり、鎖状カーボネートの含有量は60〜80体積%さらには65〜75体積%であるとよい。環状カーボネートは、電解液の誘電率を高くする一方、粘性が高い。環状カーボネートは誘電率が高く電解液の導電性を向上させる。粘性が高いと電解質イオンの移動が妨げられ導電性が悪くなる。鎖状カーボネートは、低い誘電率であるが、粘性は低い。両者を上記の配合比の範囲でバランスよく配合することで、非水系溶媒の誘電率をある程度高く、また粘性も低くして、導電性のよい溶媒を調整でき、電池容量を向上させることができる。   When the total amount of the non-aqueous solvent in the electrolytic solution is 100% by volume, the cyclic carbonate content is 20 to 40% by volume, further 25 to 35% by volume, and the chain carbonate content is 60 to 80% by volume, It is good that it is 65-75 volume%. The cyclic carbonate increases the dielectric constant of the electrolytic solution, while having a high viscosity. Cyclic carbonate has a high dielectric constant and improves the conductivity of the electrolyte. If the viscosity is high, the movement of the electrolyte ions is hindered and the conductivity is deteriorated. Chain carbonate has a low dielectric constant but low viscosity. By blending them in a well-balanced range within the above-described blending ratio, the dielectric constant of the non-aqueous solvent can be increased to some extent and the viscosity can be decreased to adjust the solvent with good conductivity, and the battery capacity can be improved. .

環状カーボネートとしては、フッ素含有環状カーボネートのほかに、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、ビニレンカーボネート、2−メチル−ガンマブチロラクトン、アセチル−ガンマブチロラクトン、又はガンマバレロラクトンが挙げられる。   As cyclic carbonate, in addition to fluorine-containing cyclic carbonate, propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), butylene carbonate, γ-butyrolactone, vinylene carbonate, 2-methyl-gammabutyrolactone, acetyl-gammabutyrolactone, or gamma valero Examples include lactones.

鎖状カーボネートは、鎖状である限り特に限定はない。鎖状カーボネートとしては、たとえば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジブチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、プロピオン酸アルキルエステル、マロン酸ジアルキルエステル、又は酢酸アルキルエステルが挙げられる。   The chain carbonate is not particularly limited as long as it is a chain. Examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), dibutyl carbonate, dipropyl carbonate, propionic acid alkyl ester, malonic acid dialkyl ester, and acetic acid alkyl ester. It is done.

電解液に含まれるハロゲン含有リチウム塩は、電解質として機能する。ハロゲン含有リチウム塩は、フッ素含有リチウム塩であることがよい。フッ素含有リチウム塩としては、LiAsF、LiPF、LiBF、LiCFSO、LiN(CFSO等を用いることができる。ハロゲン含有リチウム塩としては、フッ素含有リチウム塩のほかに、LiClO、LiAlClなどの塩素含有リチウム塩を用いても良い。電解液中のハロゲン含有リチウム塩の濃度は、0.5mol/L〜1.7mol/Lであることがよい。 The halogen-containing lithium salt contained in the electrolytic solution functions as an electrolyte. The halogen-containing lithium salt is preferably a fluorine-containing lithium salt. As the fluorine-containing lithium salt, LiAsF 6 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 or the like can be used. As the halogen-containing lithium salt, in addition to the fluorine-containing lithium salt, a chlorine-containing lithium salt such as LiClO 4 or LiAlCl 4 may be used. The concentration of the halogen-containing lithium salt in the electrolytic solution is preferably 0.5 mol / L to 1.7 mol / L.

(非水系二次電池)
本実施形態の非水系二次電池は、上記の非水系二次電池用電解液と、正極と、Si系負極とを有する。
(Non-aqueous secondary battery)
The non-aqueous secondary battery of the present embodiment has the above-described non-aqueous secondary battery electrolyte, a positive electrode, and a Si-based negative electrode.

正極は、集電体と、集電体の表面を被覆している正極活物質層とを有する。正極は、リチウム金属複合酸化物を有するとよい。   The positive electrode has a current collector and a positive electrode active material layer covering the surface of the current collector. The positive electrode may have a lithium metal composite oxide.

集電体は、リチウムイオン二次電池の放電又は充電の間、電極に電流を流し続けるための化学的に不活性な電子高伝導体をいう。集電体としては、銀、銅、金、アルミニウム、タングステン、コバルト、亜鉛、ニッケル、鉄、白金、錫、インジウム、チタン、ルテニウム、タンタル、クロム、モリブデンから選ばれる少なくとも一種、並びにステンレス鋼などの金属材料を例示することができる。集電体は公知の保護層で被覆されていても良い。集電体の表面を公知の方法で処理したものを集電体として用いても良い。   The current collector refers to a chemically inert electronic high conductor that keeps a current flowing through an electrode during discharge or charging of a lithium ion secondary battery. As the current collector, at least one selected from silver, copper, gold, aluminum, tungsten, cobalt, zinc, nickel, iron, platinum, tin, indium, titanium, ruthenium, tantalum, chromium, molybdenum, and stainless steel, etc. Metal materials can be exemplified. The current collector may be covered with a known protective layer. What collected the surface of the electrical power collector by the well-known method may be used as an electrical power collector.

集電体は箔、シート、フィルム、線状、棒状、メッシュなどの形態をとることができる。そのため、集電体として、例えば、銅箔、ニッケル箔、アルミニウム箔、ステンレス箔などの金属箔を好適に用いることができる。集電体が箔、シート、フィルム形態の場合は、その厚みが1μm〜100μmの範囲内であることが好ましい。   The current collector can take the form of a foil, a sheet, a film, a linear shape, a rod shape, a mesh, or the like. Therefore, for example, a metal foil such as a copper foil, a nickel foil, an aluminum foil, and a stainless steel foil can be suitably used as the current collector. When the current collector is in the form of foil, sheet or film, the thickness is preferably in the range of 1 μm to 100 μm.

正極活物質層は正極活物質、並びに必要に応じて導電助剤及び/又は結着剤を含む。   The positive electrode active material layer includes a positive electrode active material and, if necessary, a conductive additive and / or a binder.

リチウム金属複合酸化物は正極活物質として機能することが多い。リチウム金属複合酸化物は、層状化合物のLiNiCoMn(0.2≦a≦2、b+c+d+e=1、0≦e<1、DはLi、Fe、Cr、Cu、Zn、Ca、Mg、S、Si、Na、K、Al、Zr、Ti、P、Ga、Ge、V、Mo、Nb、W、Laから選ばれる少なくとも1の元素、1.7≦f≦3)、LiMnOを挙げることができる。また、正極活物質のリチウム金属複合酸化物として、LiMn等のスピネル、及びスピネルと層状化合物の混合物で構成される固溶体、LiMPO、LiMVO又はLiMSiO(式中のMはCo、Ni、Mn、Feのうちの少なくとも一種から選択される)などで表されるポリアニオン系化合物を挙げることができる。さらに、正極活物質のリチウム金属複合酸化物として、LiFePOFなどのLiMPOF(Mは遷移金属)で表されるタボライト系化合物、LiFeBOなどのLiMBO(Mは遷移金属)で表されるボレート系化合物を挙げることができる。正極活物質として用いられるいずれのリチウム金属複合酸化物も上記の各組成式を基本組成とすればよく、基本組成に含まれる金属元素を他の金属元素で置換したものも正極活物質として使用可能である。 The lithium metal composite oxide often functions as a positive electrode active material. Lithium metal composite oxide is a layered compound of Li a Ni b Co c Mn d De O f (0.2 ≦ a ≦ 2, b + c + d + e = 1, 0 ≦ e <1, D is Li, Fe, Cr, Cu , Zn, Ca, Mg, S, Si, Na, K, Al, Zr, Ti, P, Ga, Ge, V, Mo, Nb, W, La, at least one element, 1.7 ≦ f ≦ 3), Li 2 MnO 3 can be mentioned. Further, as a lithium metal composite oxide of a positive electrode active material, a solid solution composed of a spinel such as LiMn 2 O 4 and a mixture of a spinel and a layered compound, LiMPO 4 , LiMVO 4 or Li 2 MSiO 4 (where M is a formula) And a polyanionic compound represented by (for example, selected from at least one of Co, Ni, Mn, and Fe). Furthermore, as the lithium-metal composite oxide of the positive electrode active material, LiFePO 4 F LiMPO 4 F ( M is a transition metal) tavorite based compound represented by such as, Limbo 3 such LiFeBO 3 (M is a transition metal) are represented by Borate compounds. Any lithium metal composite oxide used as a positive electrode active material may have the above composition formula as a basic composition, and a material obtained by substituting a metal element contained in the basic composition with another metal element can also be used as a positive electrode active material. It is.

また、正極活物質として、リチウム金属複合酸化物に代えて又はリチウム金属複合酸化物とともに、リチウム金属複合酸化物以外の、充放電に寄与するリチウムイオンを含まない正極活物質材料を用いることができる。かかる正極活物質材料としては、たとえば、硫黄単体、硫黄と炭素を複合化した化合物、TiSなどの金属硫化物、V、MnOなどの酸化物、ポリアニリン及びアントラキノン並びにこれら芳香族を化学構造に含む化合物、共役二酢酸系有機物などの共役系材料、その他公知の材料を用いることもできる。さらに、ニトロキシド、ニトロニルニトロキシド、ガルビノキシル、フェノキシルなどの安定なラジカルを有する化合物を正極活物質として採用してもよい。リチウムを含まない正極活物質材料を用いる場合には、正極および/または負極に、公知の方法により、予めイオンを添加させておく必要がある。ここで、当該イオンを添加するためには、金属または当該イオンを含む化合物を用いればよい。 Further, as the positive electrode active material, a positive electrode active material that does not contain lithium ions that contribute to charge / discharge other than the lithium metal composite oxide can be used instead of or together with the lithium metal composite oxide. . Examples of the positive electrode active material include, for example, sulfur alone, a compound in which sulfur and carbon are combined, metal sulfides such as TiS 2 , oxides such as V 2 O 5 and MnO 2 , polyaniline and anthraquinone, and aromatics thereof. A compound included in the chemical structure, a conjugated material such as a conjugated diacetate-based organic substance, and other known materials can also be used. Further, a compound having a stable radical such as nitroxide, nitronyl nitroxide, galvinoxyl, phenoxyl, etc. may be adopted as the positive electrode active material. When using a positive electrode active material that does not contain lithium, it is necessary to add ions to the positive electrode and / or the negative electrode in advance by a known method. Here, in order to add the ion, a metal or a compound containing the ion may be used.

導電助剤は、電極の導電性を高めるために添加される。そのため、導電助剤は、電極の導電性が不足する場合に任意に加えればよく、電極の導電性が十分に優れている場合には加えなくても良い。導電助剤としては化学的に不活性な電子高伝導体であれば良く、炭素質微粒子であるカーボンブラック、黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、気相法炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber:VGCF)、および各種金属粒子などが例示される。これらの導電助剤を単独または二種以上組み合わせて活物質層に添加することができる。   The conductive assistant is added to increase the conductivity of the electrode. Therefore, the conductive auxiliary agent may be added arbitrarily when the electrode conductivity is insufficient, and may not be added when the electrode conductivity is sufficiently excellent. The conductive auxiliary agent may be any chemically inert electronic high conductor, such as carbon black, graphite, acetylene black, ketjen black (registered trademark), vapor grown carbon fiber (Vapor Grown Carbon). Fiber: VGCF) and various metal particles are exemplified. These conductive assistants can be added to the active material layer alone or in combination of two or more.

活物質層中の導電助剤の配合割合は、質量比で、活物質:導電助剤=1:0.005〜1:0.5であるのが好ましく、1:0.01〜1:0.2であるのがより好ましく、1:0.03〜1:0.1であるのがさらに好ましい。導電助剤が少なすぎると効率のよい導電パスを形成できず、また、導電助剤が多すぎると活物質層の成形性が悪くなるとともに電極のエネルギー密度が低くなるためである。   The blending ratio of the conductive additive in the active material layer is preferably a mass ratio of active material: conductive additive = 1: 0.005 to 1: 0.5, and 1: 0.01 to 1: 0. .2 is more preferable, and 1: 0.03 to 1: 0.1 is even more preferable. This is because if the amount of the conductive auxiliary is too small, an efficient conductive path cannot be formed, and if the amount of the conductive auxiliary is too large, the moldability of the active material layer is deteriorated and the energy density of the electrode is lowered.

結着剤は、活物質や導電助剤を集電体の表面に繋ぎ止め、電極中の導電ネットワークを維持する役割を果たすものである。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂、アルコキシシリル基含有樹脂、ポリ(メタ)アクリル酸等のアクリル系樹脂、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロースを例示することができる。これらの結着剤を単独で又は複数で採用すれば良い。   The binder plays a role of securing an active material or a conductive auxiliary agent to the surface of the current collector and maintaining a conductive network in the electrode. As binders, fluorine-containing resins such as polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene, and fluororubber, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, imide resins such as polyimide and polyamideimide, and alkoxysilyl group-containing resins Examples thereof include acrylic resins such as poly (meth) acrylic acid, styrene-butadiene rubber (SBR), and carboxymethyl cellulose. These binders may be used singly or in plural.

活物質層中の結着剤の配合割合は、質量比で、活物質:結着剤=1:0.001〜1:0.3であるのが好ましく、1:0.005〜1:0.2であるのがより好ましく、1:0.01〜1:0.15であるのがさらに好ましい。結着剤が少なすぎると電極の成形性が低下し、また、結着剤が多すぎると電極のエネルギー密度が低くなるためである。   The blending ratio of the binder in the active material layer is preferably a mass ratio of active material: binder = 1: 0.001 to 1: 0.3, and 1: 0.005 to 1: 0. .2 is more preferable, and 1: 0.01 to 1: 0.15 is still more preferable. This is because when the amount of the binder is too small, the moldability of the electrode is lowered, and when the amount of the binder is too large, the energy density of the electrode is lowered.

Si系負極は、Siを有する負極活物質を含む。Si系負極は、集電体と、集電体の表面を被覆している負極活物質層を有する。集電体については、正極で説明したものを適宜適切に採用すれば良い。負極活物質層はSiを有する負極活物質、並びに必要に応じて導電助剤及び/又は結着剤を含む。   The Si-based negative electrode includes a negative electrode active material having Si. The Si-based negative electrode has a current collector and a negative electrode active material layer covering the surface of the current collector. What is necessary is just to employ | adopt suitably what was demonstrated with the positive electrode about a collector. The negative electrode active material layer includes a negative electrode active material having Si, and, if necessary, a conductive additive and / or a binder.

Siは負極活物質として機能する。Siは、リチウムイオンを吸蔵・放出可能であってリチウムと合金化可能な元素である。Siを有する負極活物質は、単体、又はSiと他の元素を有する珪素化合物であっても良い。   Si functions as a negative electrode active material. Si is an element that can occlude and release lithium ions and can be alloyed with lithium. The negative electrode active material having Si may be a simple substance or a silicon compound having Si and another element.

Siを有する負極活物質としては、シリコン材料を用いることがよく、シリコン材料のみを採用してもよいし、シリコン材料と公知の負極活物質を併用してもよい。   As the negative electrode active material having Si, a silicon material is preferably used, and only a silicon material may be employed, or a silicon material and a known negative electrode active material may be used in combination.

シリコン材料は、複数の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有することが好ましい。この構造は、走査型電子顕微鏡などによる観察で確認できる。シリコン材料をリチウムイオン二次電池の活物質として使用することを考慮すると、リチウムイオンの効率的な挿入及び脱離反応のためには、板状シリコン体は厚さが10nm〜100nmの範囲内のものが好ましく、20nm〜50nmの範囲内のものがより好ましい。また、板状シリコン体の長軸方向の長さは、0.1μm〜50μmの範囲内のものが好ましい。また、板状シリコン体における(板状シリコン体の長軸方向の長さ)/(板状シリコン体の厚さ)が2〜1000の範囲内であるのが好ましい。   The silicon material preferably has a structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are laminated in the thickness direction. This structure can be confirmed by observation with a scanning electron microscope or the like. In consideration of using a silicon material as an active material of a lithium ion secondary battery, the plate-like silicon body has a thickness in the range of 10 nm to 100 nm for efficient insertion and desorption reaction of lithium ions. A thing in the range of 20 nm-50 nm is more preferable. The length of the plate-like silicon body in the major axis direction is preferably in the range of 0.1 μm to 50 μm. Moreover, it is preferable that (length in the major axis direction of the plate-like silicon body) / (thickness of the plate-like silicon body) in the plate-like silicon body is in the range of 2 to 1,000.

シリコン材料は、粉砕や分級を経て、一定の粒度分布の粒子としてもよい。シリコン材料の好ましい粒度分布としては、一般的なレーザー回折式粒度分布測定装置で測定した場合に、D50が1〜30μmの範囲内を例示できる。シリコン材料を炭素で被覆して用いるのが好ましい。   The silicon material may be pulverized or classified to form particles having a certain particle size distribution. As a preferable particle size distribution of the silicon material, D50 can be exemplified within a range of 1 to 30 μm when measured with a general laser diffraction particle size distribution measuring apparatus. It is preferable to use a silicon material coated with carbon.

シリコン材料のシリコン結晶子のサイズとしては、ナノサイズのものが好ましい。具体的には、シリコン結晶子サイズは、0.5nm〜300nmの範囲が好ましく、1nm〜100nmの範囲がより好ましく、1nm〜50nmの範囲がさらに好ましく、1nm〜10nmの範囲が特に好ましい。シリコン結晶子サイズは、シリコン材料に対してX線回折測定(XRD測定)を行い、得られたXRDチャートのSi(111)面の回折ピークの半値幅を用いたシェラーの式から算出される。なお、ここで述べたシリコン結晶子は、XRDチャートにブロードなピークとして観察されるものを意味しており、既述した結晶性シリコンとはピーク形状において区別できる。   The size of the silicon crystallite of the silicon material is preferably nano-sized. Specifically, the silicon crystallite size is preferably in the range of 0.5 nm to 300 nm, more preferably in the range of 1 nm to 100 nm, still more preferably in the range of 1 nm to 50 nm, and particularly preferably in the range of 1 nm to 10 nm. The silicon crystallite size is calculated from Scherrer's equation using X-ray diffraction measurement (XRD measurement) on the silicon material and using the half width of the diffraction peak of the Si (111) plane of the obtained XRD chart. Note that the silicon crystallite described here means that observed as a broad peak on the XRD chart, and can be distinguished from the crystalline silicon described above in terms of the peak shape.

シリコン材料の製造方法は、CaSiと酸とを反応させる反応工程、を含む。 The method for producing a silicon material includes a reaction step of reacting CaSi 2 with an acid.

酸としては、フッ化水素、塩化水素、臭化水素、ヨウ化水素、硫酸、硝酸、リン酸、蟻酸、酢酸、メタンスルホン酸、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロリン酸、ヘキサフルオロヒ素酸、フルオロアンチモン酸、ヘキサフルオロケイ酸、ヘキサフルオロゲルマン酸、ヘキサフルオロスズ(IV)酸、トリフルオロ酢酸、ヘキサフルオロチタン酸、ヘキサフルオロジルコニウム酸、トリフルオロメタンスルホン酸、フルオロスルホン酸が例示される。これらの酸を単独又は併用して使用すれば良い。   Acids include hydrogen fluoride, hydrogen chloride, hydrogen bromide, hydrogen iodide, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, formic acid, acetic acid, methanesulfonic acid, tetrafluoroboric acid, hexafluorophosphoric acid, hexafluoroarsenic acid, fluoro Examples include antimonic acid, hexafluorosilicic acid, hexafluorogermanic acid, hexafluorotin (IV) acid, trifluoroacetic acid, hexafluorotitanic acid, hexafluorozirconic acid, trifluoromethanesulfonic acid, and fluorosulfonic acid. These acids may be used alone or in combination.

また、酸は水溶液として用いられるのが、作業の簡便性及び安全性の観点、並びに、副生物の除去の観点から好ましい。   In addition, the acid is preferably used as an aqueous solution from the viewpoints of easy work and safety, and removal of by-products.

反応工程に用いる酸は、CaSiに対して2当量以上のプロトンを供給できる量で用いればよい。したがって、1価の酸であれば、CaSi1モルに対して2モル以上で用いればよい。 Acid used in the reaction step, may be used in an amount capable of providing 2 or more equivalents of protons relative CaSi 2. Therefore, if it is a monovalent acid, it may be used in an amount of 2 mol or more per 1 mol of CaSi 2 .

反応工程の反応条件は、真空などの減圧条件又は不活性ガス雰囲気下とすることが好ましく、また、氷浴などの室温以下の温度条件とするのが好ましい。同工程の反応時間は適宜設定すれば良い。   The reaction conditions of the reaction step are preferably reduced pressure conditions such as vacuum or an inert gas atmosphere, and are preferably temperature conditions of room temperature or lower such as an ice bath. What is necessary is just to set the reaction time of the same process suitably.

さて、反応工程において、酸として塩化水素を用いた場合の反応式で示すと、以下のとおりとなる。   In the reaction step, the reaction formula when hydrogen chloride is used as the acid is as follows.

3CaSi+6HCl→Si+3CaCl
ポリシランであるSiが理想的な層状シリコン化合物に該当する。この反応は、層状のCaSiのCaが2Hで置換されつつ、Si−H結合を形成すると考えることもできる。CaSiは、Ca層とSi層が積層した構造からなる。そして、層状シリコン化合物は、原料のCaSiにおけるSi層の基本骨格が維持されているため、層状をなす。
3CaSi 2 + 6HCl → Si 6 H 6 + 3CaCl 2
Si 6 H 6 which is polysilane corresponds to an ideal layered silicon compound. It can be considered that this reaction forms Si—H bonds while Ca in the layered CaSi 2 is substituted with 2H. CaSi 2 has a structure in which a Ca layer and a Si layer are laminated. The layered silicon compound is layered because the basic skeleton of the Si layer in the raw material CaSi 2 is maintained.

反応工程において、酸は水溶液として用いられるのが好ましいことは、前述した。ここで、Siは水と反応し得るため、通常は、層状シリコン化合物がSiなる化合物のみで得られることはほとんどなく、酸素や酸由来の元素を含有する。 In the reaction step, the acid is preferably used as an aqueous solution as described above. Here, since Si 6 H 6 can react with water, the layered silicon compound is rarely obtained only with a compound of Si 6 H 6 , and contains an element derived from oxygen or an acid.

反応工程以降は、層状シリコン化合物を濾取する濾過工程、層状シリコン化合物を洗浄する洗浄工程、層状シリコン化合物を乾燥する乾燥工程、層状シリコン化合物を粉砕若しくは分級する工程を、必要に応じて適宜実施するのが好ましい。   After the reaction step, a filtration step for filtering the layered silicon compound, a washing step for washing the layered silicon compound, a drying step for drying the layered silicon compound, and a step for pulverizing or classifying the layered silicon compound are performed as necessary. It is preferable to do this.

また、Siを有する負極活物質は、SiOx(0.3≦x≦2.3)で表される珪素酸化物であることがよい。SiOxは、Si相と、SiO相とを含むことが好ましい。Si相は、珪素単体からなり、電解質イオンを吸蔵・放出し得る相である。Si相は、理論放電容量が大きく、電解質イオンの吸蔵・放出に伴って膨張・収縮する。SiO相は、SiOからなり、Si相の膨張・収縮を緩和する。Si相がSiO相により被覆されることで、Si相とSiO相とからなる負極活物質を形成しているとよい。さらには、微細化された複数のSi相がSiO相により被覆されて一体となって、1つの粒子、すなわち負極活物質を形成しているとよい。この場合には、負極活物質粒子全体の体積変化を効果的に抑えることができる。 Further, the negative electrode active material having Si is preferably a silicon oxide represented by SiOx (0.3 ≦ x ≦ 2.3). SiOx preferably contains a Si phase and a SiO 2 phase. The Si phase is composed of simple silicon and is a phase that can occlude and release electrolyte ions. The Si phase has a large theoretical discharge capacity, and expands and contracts as electrolyte ions are stored and released. The SiO 2 phase is made of SiO 2 and relaxes expansion / contraction of the Si phase. By Si phase is covered by SiO 2 phase, it may form a negative electrode active material composed of a Si phase and SiO 2 phase. Furthermore, it is preferable that a plurality of miniaturized Si phases are covered with a SiO 2 phase and integrated to form one particle, that is, a negative electrode active material. In this case, the volume change of the whole negative electrode active material particle can be suppressed effectively.

負極でのSi相に対するSiO相の質量比は、1〜3であることが好ましい。この場合には、充放電にともなう負極活物質の膨張・収縮が抑制され、負極活物質での充放電容量を高く維持できる。 The mass ratio of the SiO 2 phase to the Si phase at the negative electrode is preferably 1 to 3. In this case, expansion / contraction of the negative electrode active material accompanying charge / discharge is suppressed, and the charge / discharge capacity of the negative electrode active material can be maintained high.

珪素酸化物の原料として、一酸化珪素を含む原料粉末を用いるとよい。この場合、原料粉末中の一酸化珪素を、SiO相とSi相との二相に不均化する。一酸化珪素の不均化では、SiとOとの原子比が概ね1:1の均質な固体である一酸化珪素が固体内部の反応により、SiO相とSi相との二相に分離する。不均化により得られる酸化珪素粉末は、SiO相とSi相とを含む。原料粉末の一酸化珪素の不均化は、原料粉末にエネルギーを与えることにより進行する。不均化の一例として、原料粉末を加熱する、ミリングする、などの方法が挙げられる。 A raw material powder containing silicon monoxide may be used as a raw material for silicon oxide. In this case, silicon monoxide in the raw material powder is disproportionated into two phases of SiO 2 phase and Si phase. In the disproportionation of silicon monoxide, silicon monoxide, which is a homogeneous solid having an atomic ratio of Si to O of approximately 1: 1, is separated into two phases of SiO 2 phase and Si phase by reaction inside the solid. . The silicon oxide powder obtained by disproportionation includes a SiO 2 phase and a Si phase. The disproportionation of silicon monoxide in the raw material powder proceeds by applying energy to the raw material powder. Examples of disproportionation include methods such as heating and milling the raw material powder.

原料粉末を加熱する場合、一般に、酸素を絶った状態であれば800℃以上で、ほぼすべての一酸化珪素が不均化して二相に分離すると言われている。具体的には、非結晶性の一酸化珪素粉末を含む原料粉末に対して、真空中または不活性ガス中などの不活性雰囲気中で800〜1200℃、1〜5時間の熱処理を行うことにより、非結晶性のSiO相と結晶性のSi相の二相を含む酸化珪素粉末が得られる。 When the raw material powder is heated, it is generally said that almost all silicon monoxide is disproportionated and separated into two phases at 800 ° C. or higher if oxygen is removed. Specifically, a raw material powder containing amorphous silicon monoxide powder is subjected to heat treatment at 800 to 1200 ° C. for 1 to 5 hours in an inert atmosphere such as in a vacuum or an inert gas. A silicon oxide powder containing two phases of an amorphous SiO 2 phase and a crystalline Si phase is obtained.

原料粉末をミリングする場合には、ミリングの機械的エネルギーの一部が、原料粉末の固相界面における化学的な原子拡散に寄与し、酸化物相と珪素相などを生成する。ミリングでは、原料粉末を、真空中、アルゴンガス中などの不活性ガス雰囲気下で、V型混合機、ボールミル、アトライタ、ジェットミル、振動ミル、高エネルギーボールミル等を使用して混合するとよい。ミリング後にさらに熱処理を施すことで、一酸化珪素の不均化をさらに促進させてもよい。   When milling the raw material powder, part of the mechanical energy of the milling contributes to chemical atomic diffusion at the solid phase interface of the raw material powder, and generates an oxide phase, a silicon phase, and the like. In milling, the raw material powder may be mixed using a V-type mixer, a ball mill, an attritor, a jet mill, a vibration mill, a high energy ball mill or the like in an inert gas atmosphere such as vacuum or argon gas. Further heat treatment may be performed after milling to further promote disproportionation of silicon monoxide.

珪素酸化物は、粉末状が好ましく、その平均粒径が1〜10μmであるとよい。珪素酸化物粉末は、2μm以下さらには4μm以下に分級して使用されるとよい。   The silicon oxide is preferably in the form of powder, and its average particle size is preferably 1 to 10 μm. The silicon oxide powder is preferably used after being classified to 2 μm or less, further 4 μm or less.

負極に用いる導電助剤及び結着剤については、正極で説明したものを同様の配合割合で適宜適切に採用すれば良い。   About the conductive support agent and binder used for a negative electrode, what was demonstrated in the positive electrode should just be employ | adopted suitably suitably with the same mixture ratio.

集電体の表面に活物質層を形成させるには、ロールコート法、ダイコート法、ディップコート法、ドクターブレード法、スプレーコート法、カーテンコート法などの従来から公知の方法を用いて、集電体の表面に活物質を塗布すればよい。具体的には、活物質、溶剤、並びに必要に応じて結着剤及び/又は導電助剤を混合し、スラリーを調製する。上記溶剤としては、N−メチル−2−ピロリドン、メタノール、メチルイソブチルケトン、水を例示できる。該スラリーを集電体の表面に塗布後、乾燥する。電極密度を高めるべく、乾燥後のものを圧縮しても良い。   In order to form an active material layer on the surface of the current collector, a current collecting method such as a roll coating method, a die coating method, a dip coating method, a doctor blade method, a spray coating method, or a curtain coating method can be used. An active material may be applied to the surface of the body. Specifically, an active material, a solvent, and, if necessary, a binder and / or a conductive aid are mixed to prepare a slurry. Examples of the solvent include N-methyl-2-pyrrolidone, methanol, methyl isobutyl ketone, and water. The slurry is applied to the surface of the current collector and then dried. In order to increase the electrode density, the dried product may be compressed.

セパレータは、正極と負極とを隔離し、両極の接触による短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。セパレータとしては、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、ポリイミド、ポリアミド、ポリアラミド(Aromatic polyamide)、ポリエステル、ポリアクリロニトリル等の合成樹脂、セルロース、アミロース等の多糖類、フィブロイン、ケラチン、リグニン、スベリン等の天然高分子、セラミックスなどの電気絶縁性材料を1種若しくは複数用いた多孔体、不織布、織布などを挙げることができる。また、セパレータは多層構造としてもよい。   The separator separates the positive electrode and the negative electrode and allows lithium ions to pass while preventing a short circuit due to contact between the two electrodes. As separators, natural resins such as polytetrafluoroethylene, polypropylene, polyethylene, polyimide, polyamide, polyaramide (Aromatic polyamide), polyester, polyacrylonitrile, etc., polysaccharides such as cellulose, amylose, fibroin, keratin, lignin, suberin, etc. Examples thereof include porous bodies, nonwoven fabrics, and woven fabrics using one or more electrically insulating materials such as polymers and ceramics. The separator may have a multilayer structure.

次に、リチウムイオン二次電池の製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of a lithium ion secondary battery is demonstrated.

正極および負極に必要に応じてセパレータを挟装させ電極体とする。電極体は、正極、セパレータ及び負極を重ねた積層型、又は、正極、セパレータ及び負極を捲いた捲回型のいずれの型にしても良い。正極の集電体および負極の集電体から、外部に通ずる正極端子および負極端子までの間を、集電用リード等を用いて接続した後に、電極体に電解液を加えてリチウムイオン二次電池とするとよい。また、リチウムイオン二次電池は、電極に含まれる活物質の種類に適した電圧範囲で充放電を実行されればよい。   A separator is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode as necessary to form an electrode body. The electrode body may be either a stacked type in which the positive electrode, the separator and the negative electrode are stacked, or a wound type in which the positive electrode, the separator and the negative electrode are sandwiched. After connecting the current collector of the positive electrode and the current collector of the negative electrode to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal that communicate with the outside using a lead for current collection, etc., an electrolyte is added to the electrode body and a lithium ion secondary Use batteries. Moreover, the lithium ion secondary battery should just be charged / discharged in the voltage range suitable for the kind of active material contained in an electrode.

本実施形態のリチウムイオン二次電池の形状は特に限定されるものでなく、円筒型、角型、コイン型、ラミネート型等、種々の形状を採用することができる。   The shape of the lithium ion secondary battery of the present embodiment is not particularly limited, and various shapes such as a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, and a laminate shape can be employed.

本実施形態のリチウムイオン二次電池は、車両に搭載してもよい。車両は、その動力源の全部あるいは一部にリチウムイオン二次電池による電気エネルギーを使用している車両であればよく、たとえば、電気車両、ハイブリッド車両などであるとよい。車両にリチウムイオン二次電池を搭載する場合には、リチウムイオン二次電池を複数直列に接続して組電池とするとよい。リチウムイオン二次電池を搭載する機器としては、車両以外にも、パーソナルコンピュータ、携帯通信機器など、電池で駆動される各種の家電製品、オフィス機器、産業機器などが挙げられる。さらに、リチウムイオン二次電池は、風力発電、太陽光発電、水力発電その他電力系統の蓄電装置及び電力平滑化装置、船舶等の動力及び/又は補機類の電力供給源、航空機、宇宙船等の動力及び/又は補機類の電力供給源、電気を動力源に用いない車両の補助用電源、移動式の家庭用ロボットの電源、システムバックアップ用電源、無停電電源装置の電源、電動車両用充電ステーションなどにおいて充電に必要な電力を一時蓄える蓄電装置に用いてもよい。   The lithium ion secondary battery of this embodiment may be mounted on a vehicle. The vehicle may be a vehicle that uses electric energy from a lithium ion secondary battery for all or a part of its power source, and may be, for example, an electric vehicle or a hybrid vehicle. When a lithium ion secondary battery is mounted on a vehicle, a plurality of lithium ion secondary batteries may be connected in series to form an assembled battery. Examples of devices equipped with lithium ion secondary batteries include various home appliances driven by batteries such as personal computers and portable communication devices, office devices, and industrial devices in addition to vehicles. In addition, lithium ion secondary batteries can be used for wind power generation, solar power generation, hydroelectric power generation and other power system power storage devices and power smoothing devices, power supplies for ships, etc. and / or power supplies for auxiliary equipment, aircraft, spacecraft, etc. Power source for power and / or auxiliary equipment, auxiliary power source for vehicles not using electricity as a power source, power source for mobile home robots, power source for system backup, power source for uninterruptible power supply, for electric vehicles You may use for the electrical storage apparatus which stores temporarily the electric power required for charge in a charging station.

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

以下に、各種電池を作製し、電池の特性を評価した。   Below, various batteries were produced and the characteristics of the batteries were evaluated.

(電池E1)
<シリコン材料の作製>
結晶性シリコンを含むCaSiとして、日本重化学工業株式会社製のカルシウムシリコン(以下、「粗CaSi」という場合がある。)を採用した。当該粗CaSiは目開き250μmの篩を通過した粉末状のものである。
(Battery E1)
<Production of silicon material>
As CaSi 2 containing crystalline silicon, calcium silicon (hereinafter, sometimes referred to as “crude CaSi 2 ”) manufactured by Nippon Heavy Chemical Industry Co., Ltd. was employed. The crude CaSi 2 is in the form of powder that has passed through a sieve having an opening of 250 μm.

・接触工程
アルカリ水溶液として、pH13.4の水酸化ナトリウム水溶液を準備した。
-Contacting process A sodium hydroxide aqueous solution of pH 13.4 was prepared as an alkaline aqueous solution.

25℃に制御した恒温槽中の反応容器に、粗CaSiとpH13.4の水酸化ナトリウム水溶液とを質量比1:28.5で投入し、これらを撹拌速度150rpmで20時間撹拌した。撹拌終了後、反応液を濾過して、残渣を減圧下で乾燥し、実施例1のCaSiを得た。 Crude CaSi 2 and pH 13.4 aqueous sodium hydroxide solution were charged at a mass ratio of 1: 28.5 into a reaction vessel in a thermostat controlled at 25 ° C., and these were stirred at a stirring speed of 150 rpm for 20 hours. After completion of the stirring, the reaction solution was filtered and the residue was dried under reduced pressure to obtain CaSi 2 of Example 1.

・反応工程
アルゴン雰囲気下、10℃とした濃度35重量%のHCl水溶液500gに、50gのCaSiを加え、撹拌した。反応液から発泡が無くなったのを確認した後、さらに同条件下、4時間攪拌した。その後、室温まで昇温し、濾過を行った。残渣を300mLの蒸留水で3回洗浄した後、300mLのエタノールで洗浄し、減圧乾燥して39.4gの固形物を得た。当該固形物を層状シリコン化合物とした。
Reaction step under an argon atmosphere, to a concentration of 35 wt% aqueous HCl 500g which was 10 ° C., a CaSi 2 of 50g was added and stirred. After confirming that foaming disappeared from the reaction solution, the reaction solution was further stirred for 4 hours under the same conditions. Then, it heated up to room temperature and filtered. The residue was washed with 300 mL of distilled water three times, then with 300 mL of ethanol, and dried under reduced pressure to obtain 39.4 g of a solid. The solid was used as a layered silicon compound.

・シリコン材料製造工程
層状シリコン化合物を、Oを1体積%以下の量で含むアルゴン雰囲気下にて900℃で1時間加熱し、シリコン材料を得た。
-Silicon material manufacturing process The layered silicon compound was heated at 900 ° C. for 1 hour in an argon atmosphere containing O 2 in an amount of 1% by volume or less to obtain a silicon material.

<リチウムイオン二次電池の製造>
負極活物質としてシリコン材料45質量部、負極活物質として天然黒鉛40質量部、導電助剤としてアセチレンブラック5質量部、結着剤としてポリアミドイミド10質量部、溶剤としてN−メチル−2−ピロリドンを混合し、スラリーを調製した。上記スラリーを、集電体としての厚さ約20μmの電解銅箔の表面にドクターブレードを用いて塗布し、乾燥して、銅箔上に負極活物質層を形成した。その後、ロールプレス機により、集電体と負極活物質層を強固に密着接合させた。これを200℃で2時間減圧乾燥し、負極活物質層の厚さが30μmの負極を得た。
<Manufacture of lithium ion secondary batteries>
45 parts by mass of a silicon material as a negative electrode active material, 40 parts by mass of natural graphite as a negative electrode active material, 5 parts by mass of acetylene black as a conductive additive, 10 parts by mass of polyamideimide as a binder, and N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent Mix to prepare a slurry. The slurry was applied to the surface of an electrolytic copper foil having a thickness of about 20 μm as a current collector using a doctor blade and dried to form a negative electrode active material layer on the copper foil. Thereafter, the current collector and the negative electrode active material layer were firmly and closely joined by a roll press. This was dried under reduced pressure at 200 ° C. for 2 hours to obtain a negative electrode having a negative electrode active material layer thickness of 30 μm.

正極を作製するために、正極活物質としてのLiNi0.5Co0.3Mn0.2、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)及び導電助剤としてのアセチレンブラック(AB)を、LiNi0.5Co0.3Mn0.2とPVDFとABとの含有質量比が94:3:3となるように混合し、溶剤としてのN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を添加してペースト状の正極材とした。ペースト状の正極材を、集電体の表面にドクターブレードを用いて塗布して、正極活物質層を形成した。正極活物質層を、80℃で20分間乾燥することで、NMPを揮発により除去した。表面に正極活物質層を形成したアルミニウム箔を、ロ−ルプレス機を用いて圧縮し、アルミニウム箔と正極活物質層とを強固に密着接合させた。接合物を120℃で6時間、真空乾燥機で加熱し、所定の形状に切り取り、正極を得た。 In order to produce a positive electrode, LiNi 0.5 Co 0.3 Mn 0.2 O 2 as a positive electrode active material, polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder, and acetylene black (AB) as a conductive auxiliary agent. , LiNi 0.5 Co 0.3 Mn 0.2 O 2 , PVDF and AB are mixed so that the mass ratio is 94: 3: 3, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent is mixed. Was added to obtain a paste-like positive electrode material. The paste-like positive electrode material was applied to the surface of the current collector using a doctor blade to form a positive electrode active material layer. The positive electrode active material layer was dried at 80 ° C. for 20 minutes to remove NMP by volatilization. The aluminum foil with the positive electrode active material layer formed on the surface was compressed using a roll press machine, and the aluminum foil and the positive electrode active material layer were firmly bonded. The joined product was heated in a vacuum dryer at 120 ° C. for 6 hours, cut into a predetermined shape, and a positive electrode was obtained.

セパレータとしては、ポリエチレン多孔質膜を用いた。   A polyethylene porous membrane was used as the separator.

電解液を作製するために、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)およびジメチルカーボネート(DMC)を、体積比で、EC/EMC/DMC=3/3/4の配合比となるように混合して非水系溶媒を調製した。電解質としてのLiPF及び1,3−ジオキサンを、非水系溶媒に溶解させて、電解液を調製した。1,3−ジオキサンの化学式を下記の化(2)に示した。電解液中のLiPFの濃度は1mol/Lとし、1,3−ジオキサンの濃度は0.5質量%とした。 In order to prepare the electrolytic solution, ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), and dimethyl carbonate (DMC) are mixed so that the volume ratio is EC / EMC / DMC = 3/3/4. A non-aqueous solvent was prepared by mixing. LiPF 6 and 1,3-dioxane as an electrolyte were dissolved in a non-aqueous solvent to prepare an electrolytic solution. The chemical formula of 1,3-dioxane is shown in the following chemical formula (2). The concentration of LiPF 6 in the electrolytic solution was 1 mol / L, and the concentration of 1,3-dioxane was 0.5% by mass.

正極と負極との間に、セパレータとしてのポリプロピレン多孔質膜を挟み込んで電極体を作製した。この電極体を電解液とともにアルミニウムフィルムで封止し、ラミネートセルとした。封止の際には、2枚のアルミニウムフィルムをその周囲の一部を除いて熱溶着をすることにより袋状とし、その開口部から電極体、さらに電解液を入れて、真空引きしながら開口部を完全に気密に封止した。このとき、正極側および負極側の集電体の先端を、フィルムの端縁部から突出させ、外部端子に接続可能とした。以上により、ラミネートセルからなる電池E1を得た。   An electrode body was produced by sandwiching a polypropylene porous film as a separator between the positive electrode and the negative electrode. This electrode body was sealed with an aluminum film together with an electrolytic solution to obtain a laminate cell. At the time of sealing, two aluminum films are formed into a bag shape by heat-sealing except for a part of the periphery of the aluminum film. The part was completely hermetically sealed. At this time, the tips of the current collector on the positive electrode side and the negative electrode side were protruded from the edge of the film so that they could be connected to external terminals. Thus, a battery E1 made of a laminate cell was obtained.

<高温保存試験>
電池E1について高温保存試験を行った。高温保存試験は、電池E1について充電状態(SOC)80%、電圧4.24Vとなるまで充電器を用いて充電を行った。その後、充電器から電池E1を取り外して、電池E1を60℃恒温槽で保存した。
<High temperature storage test>
The battery E1 was subjected to a high temperature storage test. In the high temperature storage test, the battery E1 was charged using a charger until the state of charge (SOC) was 80% and the voltage was 4.24V. Thereafter, the battery E1 was removed from the charger, and the battery E1 was stored in a 60 ° C. constant temperature bath.

<ガス量測定>
高温保存試験前後に電池E1の体積をアルミメデス法により測定した。具体的には、任意の日数保存した後の電池E1の体積A(高温保存試験後3Vまで放電したもの)から、保存前の電池E1の体積B(高温保存試験前にSOC80%、電圧4.24Vまで充電した後に3Vまで放電したもの)を差し引いて、その差分(A−B)である電池E1の体積増加量をもとめた。電池E1の体積増加量は、高温保存試験中に電池内で発生したガス量に等しい。上記差分(A−B)をガス量とした。測定したガス量を図1に示した。
<Gas volume measurement>
Before and after the high temperature storage test, the volume of the battery E1 was measured by the aluminum medes method. Specifically, from the volume A of the battery E1 after storage for an arbitrary number of days (discharged to 3 V after the high temperature storage test), the volume B of the battery E1 before storage (80% SOC before the high temperature storage test, voltage 4. The amount of increase in the volume of the battery E1, which is the difference (A−B), was calculated by subtracting the voltage that was charged to 24V and then discharged to 3V. The volume increase amount of the battery E1 is equal to the amount of gas generated in the battery during the high temperature storage test. The difference (AB) was taken as the gas amount. The measured gas amount is shown in FIG.

<容量維持率測定>
電池E1について、高温保存試験前と高温保存試験6日後、12日後、30日後にそれぞれ実施した。各電池について充電状態(SOC)100%、電圧4.5Vとなるまで充電した。その後各電池について1Cの定電流で電圧2.5Vまで放電させ、放電時の放電容量を測定した。高温保存試験前の電池E1の放電容量をC、高温保存試験後の電池E1の放電容量をDとして、100×(C−D)/Cの算出式の解を求めた。この解を電池E1の容量維持率とし、これを図2に示した。
<Capacity retention measurement>
About the battery E1, it implemented before the high temperature storage test, the high temperature storage test 6 days, 12 days, and 30 days after, respectively. Each battery was charged until the state of charge (SOC) was 100% and the voltage was 4.5V. Thereafter, each battery was discharged at a constant current of 1 C to a voltage of 2.5 V, and the discharge capacity at the time of discharge was measured. Assuming that the discharge capacity of the battery E1 before the high temperature storage test is C and the discharge capacity of the battery E1 after the high temperature storage test is D, a solution of a calculation formula of 100 × (C−D) / C was obtained. This solution was taken as the capacity maintenance rate of the battery E1, and this is shown in FIG.

(電池C1)
電池C1は、電解液に1,3−ジオキサンを含んでいない点を除いて、電池E1と同様である。電池C1について、電池E1の<高温保存試験>と同様の高温保存試験を行い、<ガス量測定>及び<容量維持率測定>と同様に、高温保存試験前後のガス量及び容量維持率を測定した。各電池2個ずつ作製し測定も行った。測定結果を図1,図2に示した。
(Battery C1)
Battery C1 is the same as Battery E1, except that the electrolyte does not contain 1,3-dioxane. For the battery C1, the same high temperature storage test as the <high temperature storage test> of the battery E1 is performed, and the gas amount and the capacity maintenance ratio before and after the high temperature storage test are measured in the same manner as the <gas amount measurement> and <capacity maintenance ratio measurement>. did. Two batteries were prepared and measured. The measurement results are shown in FIGS.

図1に示すように、1,3−ジオキサンを有する電解液を備えた電池E1は、1,3−ジオキサンを含んでいない電解液を備えた電池C1に比べて、高温保存試験時に発生したガス量が格段に少なく、また高温保存試験後の容量維持率が高かった。ガス量及び容量維持率ともに、高温保存試験の保存日数が長くなるにしたがって、1,3−ジオキサンを有する電解液を備えた電池と、1,3−ジオキサンを有していない電解液を備えた電池との間の差が大きくなった。   As shown in FIG. 1, the battery E1 provided with the electrolytic solution containing 1,3-dioxane is a gas generated during the high-temperature storage test as compared with the battery C1 provided with the electrolytic solution not containing 1,3-dioxane. The amount was remarkably small, and the capacity retention rate after the high temperature storage test was high. Both the amount of gas and the capacity maintenance rate were provided with a battery having an electrolyte solution having 1,3-dioxane and an electrolyte solution not having 1,3-dioxane as the storage days of the high-temperature storage test increased. The difference between the batteries has increased.

(電池E2〜E4)
電池E2〜E4は、電解液中の1,3−ジオキサンの濃度が異なる点を除いて、電池E1と同様である。電池E2〜E4の電解液中の1,3−ジオキサンの濃度は、順に、0.2質量%、0.5質量%、1質量%であった。
(Batteries E2 to E4)
The batteries E2 to E4 are the same as the battery E1 except that the concentration of 1,3-dioxane in the electrolytic solution is different. The density | concentrations of 1, 3- dioxane in the electrolyte solution of battery E2-E4 were 0.2 mass%, 0.5 mass%, and 1 mass% in order.

<Mn溶出確認>
電池E2〜4、C1について、電池E1と同様に高温保存試験を行った。保存日数は30日であった。高温保存試験後の各電池を解体し、負極を取り出した。正極から電解液に溶出し、負極の表面へ沈着したMnの量をICP(高周波誘導結合プラズマ)発光分光分析装置で測定した。測定結果を図3に示す。図3のMn量(質量%)は負極活物質層1gあたりのMnの質量を%で示したものである。
<Mn elution confirmation>
The batteries E2 to 4 and C1 were subjected to a high temperature storage test in the same manner as the battery E1. The preservation period was 30 days. Each battery after the high temperature storage test was disassembled, and the negative electrode was taken out. The amount of Mn eluted from the positive electrode into the electrolyte and deposited on the surface of the negative electrode was measured with an ICP (High Frequency Inductively Coupled Plasma) emission spectrometer. The measurement results are shown in FIG. The amount of Mn (mass%) in FIG. 3 represents the mass of Mn per gram of the negative electrode active material layer in%.

図3に示すように、電解液中にジオキサンが存在している場合には、ジオキサンがない場合(電池C1)に比べて、Mn溶出量が少なかった。特に、ジオキサン濃度が0.2質量%、0.5質量%の場合には、Mn溶出量が少なかった。このことから、ジオキサンが電解液中に存在することで、正極の劣化が抑制された。正極の劣化が抑制され、酸素放出も抑えられ、電解液成分の酸化が抑制されてCOガス発生量が抑えられたと考えられる。
As shown in FIG. 3, when dioxane was present in the electrolytic solution, the elution amount of Mn was smaller than when no dioxane was present (battery C1). In particular, when the dioxane concentration was 0.2% by mass and 0.5% by mass, the elution amount of Mn was small. From this, the deterioration of the positive electrode was suppressed by the presence of dioxane in the electrolytic solution. It is considered that deterioration of the positive electrode was suppressed, oxygen release was suppressed, oxidation of the electrolyte component was suppressed, and the amount of generated CO 2 gas was suppressed.

Claims (8)

正極と、Si系負極と、非水系電解液とを具備する非水系二次電池であって、
前記非水系電解液は、ジオキサン類を有するガス発生抑制剤を含む非水系二次電池。
A non-aqueous secondary battery comprising a positive electrode, a Si-based negative electrode, and a non-aqueous electrolyte solution,
The non-aqueous electrolyte solution is a non-aqueous secondary battery containing a gas generation inhibitor having dioxanes.
前記ジオキサン類は、下記の一般式(1)で表される1,3−ジオキサン類からなる請求項1に記載の非水系二次電池。
(R、R、R、Rは、それぞれ独立に、水素基、又は炭化水素基から選択される。R、R、R、Rは、互いに結合していても良い。)
The non-aqueous secondary battery according to claim 1, wherein the dioxane comprises 1,3-dioxane represented by the following general formula (1).
(R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently selected from a hydrogen group or a hydrocarbon group. R 1 , R 2 , R 3 and R 4 may be bonded to each other. .)
前記炭化水素基は、アルキル基、シクロアルキル基、不飽和アルキル基、不飽和シクロアルキル基、芳香族基から選択される1以上の基を有する請求項2に記載の非水系二次電池。   The non-aqueous secondary battery according to claim 2, wherein the hydrocarbon group has one or more groups selected from an alkyl group, a cycloalkyl group, an unsaturated alkyl group, an unsaturated cycloalkyl group, and an aromatic group. 前記Si系負極は、複数の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有するシリコン材料を有する請求項1〜3のいずれかに記載の非水系二次電池。   The non-aqueous secondary battery according to claim 1, wherein the Si-based negative electrode includes a silicon material having a structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are stacked in a thickness direction. 前記非水系電解液は、ハロゲン含有リチウム塩を有する請求項1〜4のいずれかに記載の非水系二次電池。   The non-aqueous secondary battery according to claim 1, wherein the non-aqueous electrolyte has a halogen-containing lithium salt. 前記正極は、リチウム金属複合酸化物を有する請求項1〜5のいずれかに記載の非水系二次電池。   The non-aqueous secondary battery according to claim 1, wherein the positive electrode has a lithium metal composite oxide. Si系負極を備えた非水系二次電池用のガス発生抑制剤であって、
前記ガス発生抑制剤は、ジオキサン類を有するガス発生抑制剤。
A gas generation inhibitor for a non-aqueous secondary battery including a Si-based negative electrode,
The gas generation inhibitor is a gas generation inhibitor having dioxanes.
Si系負極を備えた非水系二次電池用の非水系電解液であって、
前記非水系電解液は、ハロゲン含有リチウム塩と、ジオキサン類を有するガス発生抑制剤と、非水系溶媒と、を有する非水系電解液。

A non-aqueous electrolyte for a non-aqueous secondary battery having a Si-based negative electrode,
The non-aqueous electrolyte includes a halogen-containing lithium salt, a gas generation inhibitor having dioxanes, and a non-aqueous solvent.

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