JP2019160613A - Negative electrode active material for lithium ion secondary battery, negative electrode for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池用負極活物質、リチウムイオン二次電池用負極およびこ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 negative electrode active material for a lithium ion secondary battery, a negative electrode for a lithium ion secondary battery, and a lithium ion secondary battery using the same.
近年、携帯型電子機器のみならず、自動車、電力貯蔵用などの電源として、リチウムイオン二次電池が広く利用されている。上記リチウムイオン二次電池は、正極、負極、正極と負極とを絶縁するセパレーター、および正極と負極との間でイオンの移動を可能にするための電解質で主に構成されている。リチウムイオン二次電池は高エネルギー密度であることから、携帯電話、スマートフォン、タブレットパソコンなどのエレクトロニクス携帯機器の電源として実用化され、広く普及している。昨今、携帯型電子機器、通信機器等の著しい発展に伴い、機器の小型化、軽量化の観点から、更なる高エネルギー密度のリチウムイオン二次電池が強く要望されている。 In recent years, lithium ion secondary batteries have been widely used as power sources not only for portable electronic devices but also for automobiles and power storage. The lithium ion secondary battery is mainly composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator that insulates the positive electrode from the negative electrode, and an electrolyte that enables ions to move between the positive electrode and the negative electrode. Since lithium ion secondary batteries have high energy density, they have been put into practical use as power sources for portable electronic devices such as mobile phones, smartphones, and tablet computers, and are widely used. In recent years, with the remarkable development of portable electronic devices, communication devices, and the like, there is a strong demand for lithium ion secondary batteries with higher energy density from the viewpoints of downsizing and weight reduction of devices.
また、自動車用電池においては長寿命化が強く要望されている。前記の要望に対するリチウムイオン二次電池、またはリチウム二次電池用の負極としては、高い理論容量を示す金属負極や金属酸化物負極が注目されており、例えばケイ素(Si)や酸化ケイ素(SiOx)などのケイ素を含む合金系負極活物質が挙げられる。これらの合金系負極活物質は、現在実用化されている黒鉛の理論容量372mAh・g−1よりも遙かに高い理論容量を示すことから、電池の高エネルギー密度化において最も期待されている材料群である。 Further, there is a strong demand for extending the life of automobile batteries. As a negative electrode for a lithium ion secondary battery or a lithium secondary battery in response to the above-mentioned demand, a metal negative electrode or a metal oxide negative electrode showing a high theoretical capacity has attracted attention, for example, silicon (Si) or silicon oxide (SiOx). And an alloy-based negative electrode active material containing silicon. Since these alloy-based negative electrode active materials exhibit a theoretical capacity far higher than the theoretical capacity of 372 mAh · g −1 of graphite currently in practical use, they are the most promising materials for increasing the energy density of batteries. A group.
しかし、負極活物質としてケイ素を使用した負極の場合、充放電に伴う負極の体積膨張が大きいため、負極活物質にクラックが生じ、徐々に微粉化する。また、微粉化によるバインダーの結着性の低下より、負極活物質が集電体から剥離や脱落し、容量の低下、すなわち充放電サイクル特性が低下する課題があった。 However, in the case of a negative electrode using silicon as the negative electrode active material, the negative electrode active material has a large volume expansion due to charge and discharge, so that the negative electrode active material is cracked and gradually pulverized. Moreover, the negative electrode active material peeled or dropped from the current collector due to a decrease in binder binding due to pulverization, and there was a problem in that capacity was reduced, that is, charge / discharge cycle characteristics were reduced.
このような課題に対し、ケイ素の粒子表面に、熱可塑性樹脂を被覆する手法が開示されている(特許文献1)。また、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ともいう)を含む電解液を用いる手法が開示されている(特許文献2)。 In order to solve such a problem, a technique of coating the surface of silicon particles with a thermoplastic resin has been disclosed (Patent Document 1). In addition, a technique using an electrolytic solution containing 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one (also referred to as fluoroethylene carbonate) is disclosed (Patent Document 2).
本発明者によって鋭意検討した結果、特許文献1の手法をケイ素に用いたところ、優れた充放電サイクル特性が得られない課題があった。さらに初回充放電容量の低下も確認された。一方、特許文献2の電解液を用いた場合、確かに初期の充放電サイクル特性は改善するものの、早期に充放電サイクル特性が低下し、充分な充放電サイクル特性は得られなかった。また、電池の膨れが大きくなるという課題もあった。
As a result of intensive studies by the present inventors, when the technique of
前記課題の詳細な理由については不明であるが、特許文献1の手法を用いた場合、ケイ素に被覆した熱可塑性樹脂が、リチウムイオンの挿入脱離を阻害してしまうため、容量低下を生じたと考えられる。さらに前記熱可塑性樹脂は、ケイ素の体積膨張に対して追従することができないため、ケイ素の体積膨張を十分に抑制できなかったと考えられる。これによりケイ素にクラックが生じて新生面が露呈し、新生面が電解液と反応することでガス発生による膨れが起きたと思われる。そして、このガス発生によって充分な充放電サイクル特性が得られなかったと考えている。
Although the detailed reason for the problem is unclear, when the technique of
特許文献2の手法を用いた場合、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(以下、フルオロエチレンカーボネート、またはFECと呼ぶことがある)の電気分解によってケイ素表面に充放電反応に好適な固体電解質膜(SEI)が生成されるため、初期の充放電サイクル特性が改善されるものの、前記SEIのみではケイ素の体積膨張を十分抑制できないため、特許文献1と同様に、ケイ素にクラックが生じて新生面が露呈してしまい、新生面が電解液と反応することでガス発生による膨れ、ならびに充分な充放電サイクル特性が得られなかったと考えている。
When the method of Patent Document 2 is used, it is suitable for charge / discharge reaction on the silicon surface by electrolysis of 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one (hereinafter sometimes referred to as fluoroethylene carbonate or FEC). As the solid electrolyte membrane (SEI) is generated, the initial charge / discharge cycle characteristics are improved. However, since the volume expansion of silicon cannot be sufficiently suppressed only by the SEI, the silicon has cracks as in
本発明の目的は、前記事情に鑑みてなされたものであり、ガス発生を抑制することでセルの体積膨張が小さく、充放電サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用負極活物質、リチウムイオン二次電池用負極、およびリチウムイオン二次電池を提供することにある。 An object of the present invention has been made in view of the above circumstances, and by suppressing gas generation, the cell volume expansion is small, and the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery excellent in charge / discharge cycle characteristics, lithium ion It is providing the negative electrode for secondary batteries, and a lithium ion secondary battery.
本発明に係るリチウムイオン二次電池用負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵および放出が可能な負極活物質であって、前記負極活物質の表面の少なくとも一部に、フッ素を含む官能基で修飾されたタンパク質を有することを特徴とする。 A negative electrode active material for a lithium ion secondary battery according to the present invention is a negative electrode active material capable of occluding and releasing lithium ions, and at least a part of the surface of the negative electrode active material is modified with a functional group containing fluorine It is characterized by having the protein made.
前記タンパク質は、カルボキシ基、ヒドロキシル基の少なくとも一方を有し、前記カルボキシ基、ヒドロキシル基の少なくとも一方は、フッ素を含む官能基で修飾されていることが好ましい。 The protein preferably has at least one of a carboxy group and a hydroxyl group, and at least one of the carboxy group and the hydroxyl group is preferably modified with a functional group containing fluorine.
前記フッ素を含む官能基は、モノフルオロメチル基(−CH2F)、ジフルオロメチル基(−CF2H)、トリフルオロメチル基(−CF3)、2,2,2,−トリフルオロエチル基(−CH2CF3)、ジフルオロメチレン基(−CH=CF2)、トリフルオロメチルスルホニル基(−SO2CF3)、トリフルオロアセチル基(−CO−CF3)の少なくとも1種を含むことが好ましい。 The functional group containing fluorine is a monofluoromethyl group (—CH 2 F), a difluoromethyl group (—CF 2 H), a trifluoromethyl group (—CF 3 ), a 2,2,2, -trifluoroethyl group. It contains at least one of (—CH 2 CF 3 ), difluoromethylene group (—CH═CF 2 ), trifluoromethylsulfonyl group (—SO 2 CF 3 ), and trifluoroacetyl group (—CO—CF 3 ). Is preferred.
前記タンパク質は、カゼイン、アルブミン、リゾチーム、グロブリン、および、これらのアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、マグネシウム塩の少なくとも1種を含むことが好ましい。 The protein preferably contains casein, albumin, lysozyme, globulin, and at least one of these alkali metal salts, alkaline earth metal salts, and magnesium salts.
前記タンパク質は赤外吸収スペクトルにおいて、1640±10cm−1付近(C=O伸縮振動、アミドIバンドともいう)、1520±10cm−1付近(N−H変角振動、アミドIIバンドともいう)、1225±10cm−1付近(C−N伸縮振動、アミドIIIバンドともいう)1270±10cm−1付近および1160±10cm−1付近(C−F伸縮振動)に帰属されるスペクトルを示すものが好ましい。 In the infrared absorption spectrum, the protein has a wavelength near 1640 ± 10 cm −1 (C═O stretching vibration, also referred to as amide I band), 1520 ± 10 cm −1 (also referred to as N—H bending vibration, amide II band), Those exhibiting a spectrum attributed to the vicinity of 1225 ± 10 cm −1 (also referred to as CN stretching vibration, amide III band) 1270 ± 10 cm −1 and the vicinity of 1160 ± 10 cm −1 (CF stretching vibration) are preferable.
前記タンパク質の被覆量は、負極活物質重量に対して0.02〜10重量%であることが好ましい。 The protein coating amount is preferably 0.02 to 10% by weight based on the weight of the negative electrode active material.
本発明に係るリチウムイオン二次電池用負極は、前記いずれかに記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質を有するリチウムイオン二次電池用負極。 The negative electrode for lithium ion secondary batteries which concerns on this invention is a negative electrode for lithium ion secondary batteries which has the negative electrode active material for lithium ion secondary batteries in any one of the said.
本発明に係るリチウムイオン二次電池は、リチウムイオンを吸蔵および放出するリチウムイオン二次電池用正極と、前記リチウムイオン二次電池用負極、前記正極と前記負極との間に介在するセパレーター、および電解質とを有するリチウムイオン二次電池である。 A lithium ion secondary battery according to the present invention includes a positive electrode for a lithium ion secondary battery that absorbs and releases lithium ions, a negative electrode for the lithium ion secondary battery, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and A lithium ion secondary battery having an electrolyte.
本発明に係る負極活物質によれば、負極活物質の表面の少なくとも一部に、フッ素を含む官能基で修飾されたタンパク質を有するため、ガス発生およびセルの体積膨張が小さく、優れた充放電サイクル特性を発現するリチウムイオン二次電池を提供することができる。 According to the negative electrode active material of the present invention, since at least a part of the surface of the negative electrode active material has a protein modified with a functional group containing fluorine, gas generation and cell volume expansion are small, and excellent charge / discharge A lithium ion secondary battery exhibiting cycle characteristics can be provided.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。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。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment. The constituent elements described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art and those that are substantially the same. Furthermore, the constituent elements described below can be appropriately combined.
<リチウムイオン二次電池>
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池100の構成断面図を図1に示す。リチウムイオン二次電池100は、リチウムイオン二次電池用負極10およびリチウムイオン二次電池用正極20と、リチウムイオン二次電池用負極とリチウムイオン二次電池用正極との間に介在されたセパレーター18と電解質から構成され、前記セパレーター18は正極と負極とが物理的に接触することを防止し、正極、負極およびセパレーターには電解質が含浸されている。
<Lithium ion secondary battery>
FIG. 1 shows a structural cross-sectional view of a lithium ion
リチウムイオン二次電池の形状としては、図1のラミネートタイプに制限されるものではなく、例えば、円筒型、角型、コイン型などいずれであってもよい。本実施形態では、ラミネートフィルムを外装体50として用い、実施例では、ラミネートタイプの電池を作製し評価する。前記のラミネートフィルムとしては、例えば、ポリプロピレン、アルミニウム、ポリアミドがこの順に積層されてなる3層構造として構成されているものを用いることができる。
The shape of the lithium ion secondary battery is not limited to the laminate type shown in FIG. 1, and may be any of a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, and the like. In this embodiment, a laminate film is used as the
(リチウムイオン二次電池用負極)
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用負極10は、負極集電体の少なくとも一方の主面に負極合剤層14が設けられ、前記負極合剤層14は、リチウムイオンを吸蔵および放出が可能な負極活物質を含む。
(Anode for lithium ion secondary battery)
In the
[負極活物質]
本実施形態に係る負極活物質は、例えば、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵および放出するケイ素(Si)、スズ、ゲルマニウム、鉄またはこれらの化合物や合金が好ましく、特に高容量であるケイ素が好ましい。高容量、つまり体積膨張が顕著な負極活物質の方が、本発明の効果が好適に発揮されるためである。
[Negative electrode active material]
The negative electrode active material according to the present embodiment is preferably, for example, silicon (Si), tin, germanium, iron, or a compound or alloy thereof that electrochemically occludes and releases lithium ions, and particularly silicon having a high capacity is preferable. . This is because the negative electrode active material having a high capacity, that is, the volume expansion is more effective in achieving the effect of the present invention.
なお、ケイ素は単体で用いてもよく、ケイ素化合物、またはケイ素合金を用いてもよく、さらにこれらの2種以上を併用してもよい。 Silicon may be used alone, a silicon compound or a silicon alloy may be used, and two or more of these may be used in combination.
前記のケイ素化合物としては、例えば、ケイ素酸化物が挙げられ、SiOxと表記される(ただし、ケイ素に対する酸素の原子比xは、0<x≦2を満たすものとする)。 Examples of the silicon compound include silicon oxide, which is expressed as SiO x (provided that the atomic ratio x of oxygen to silicon satisfies 0 <x ≦ 2).
前記のケイ素酸化物は、ケイ素の微結晶および二酸化ケイ素の非晶質相を含んでいてもよく、この場合、ケイ素と酸素の原子比は、ケイ素の微結晶および二酸化ケイ素の非晶質相を含めた比率となる。すなわち、ケイ素酸化物には、非晶質の二酸化ケイ素のマトリックス中に、ケイ素の微結晶が分散した構造のものが含まれ、この非晶質の二酸化ケイ素と、その中に分散しているケイ素の微結晶とを合わせて、前記の原子比xが0<x≦2を満足していればよい。例えば、非晶質の二酸化ケイ素のマトリックス中に、ケイ素が分散した構造で、二酸化ケイ素とケイ素のモル比が1:1の化合物の場合、x=1であるので、構造式としてはSiOと表記される。なお、非晶質の二酸化ケイ素のマトリックスは、非晶質の一酸化ケイ素を含んでいてもよい。 The silicon oxide may contain silicon microcrystals and an amorphous phase of silicon dioxide, in which case the atomic ratio of silicon to oxygen is such that the silicon microcrystals and the silicon dioxide amorphous phase. The ratio is included. That is, the silicon oxide includes a structure in which silicon microcrystals are dispersed in an amorphous silicon dioxide matrix, and the amorphous silicon dioxide and the silicon dispersed therein. It is sufficient that the atomic ratio x satisfies the following condition: 0 <x ≦ 2. For example, in the case of a compound in which silicon is dispersed in an amorphous silicon dioxide matrix and the molar ratio of silicon dioxide to silicon is 1: 1, x = 1, so that the structural formula is expressed as SiO. Is done. The amorphous silicon dioxide matrix may contain amorphous silicon monoxide.
さらに前記のケイ素合金としては、例えば、ケイ素以外の第2の構成元素として、スズ、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモン、およびクロムからなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。 Further, the silicon alloy includes, for example, tin, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, antimony, and chromium as the second constituent element other than silicon. The thing containing at least 1 sort (s) of a group is mentioned.
本実施形態に係る負極活物質は、表面を炭素で被覆してもよい。負極活物質の表面を炭素で被覆することで、良好な電子伝導性が得られるためである。 The negative electrode active material according to this embodiment may be coated with carbon on the surface. This is because good electron conductivity can be obtained by coating the surface of the negative electrode active material with carbon.
さらに、負極活物質の形状については、無定形状、球状、粒状、多角形状、鱗片状、板状、繊維状など、特に限定はされることなく適宜使用することができる。負極活物質の粒子サイズについても、特に限定されることなく適宜使用することができる。例えば、0.01〜10μmの粒子径を用いることができる。 Furthermore, the shape of the negative electrode active material can be appropriately used without particular limitation, such as an indefinite shape, a spherical shape, a granular shape, a polygonal shape, a scale shape, a plate shape, and a fiber shape. The particle size of the negative electrode active material is not particularly limited and can be appropriately used. For example, a particle diameter of 0.01 to 10 μm can be used.
さらに前記負極活物質の他に炭素系の負極活物質を併用してもよく、例えば、結晶質炭素、非晶質炭素、またはこれらを組み合わせて使用してもよい。前記の結晶質炭素としては、例えば、無定形状、球状、粒状、多角形状、鱗片状、板状、繊維状などの天然黒鉛、または人造黒鉛が挙げられ、前記の非晶質炭素としては、例えば、ソフトカーボン、ハードカーボン、メソフェーズピッチ炭化物、焼成したコークスなどが挙げられる。 Furthermore, in addition to the negative electrode active material, a carbon-based negative electrode active material may be used in combination. For example, crystalline carbon, amorphous carbon, or a combination thereof may be used. Examples of the crystalline carbon include natural graphite such as amorphous, spherical, granular, polygonal, scaly, plate-like, and fibrous, or artificial graphite. As the amorphous carbon, For example, soft carbon, hard carbon, mesophase pitch carbide, fired coke and the like can be mentioned.
また、本実施形態に係る負極活物質は、前記に挙げた材料に限定されることはなく、他にもリチウムイオンを電気化学的に吸蔵および放出する材料であれば特に制限はされない。 Further, the negative electrode active material according to the present embodiment is not limited to the above-described materials, and any other material that can electrochemically occlude and release lithium ions is not particularly limited.
さらに本実施形態に係る負極活物質は、負極活物質の表面の少なくとも一部に、フッ素を含む官能基で修飾されたタンパク質を有することが好ましい。 Furthermore, the negative electrode active material according to the present embodiment preferably has a protein modified with a functional group containing fluorine on at least a part of the surface of the negative electrode active material.
前記タンパク質は、カルボキシ基、ヒドロキシル基の少なくとも一方が、フッ素を含む官能基で修飾されていることが好ましい。 In the protein, at least one of a carboxy group and a hydroxyl group is preferably modified with a functional group containing fluorine.
前記フッ素を含む官能基は、モノフルオロメチル基、ジフルオロメチル基、トリフルオロメチル基、2,2,2,−トリフルオロエチル基、ジフルオロメチレン基、トリフルオロメチルスルホニル基、トリフルオロアセチル基の少なくとも1種を含むことが好ましい。 The functional group containing fluorine is at least a monofluoromethyl group, a difluoromethyl group, a trifluoromethyl group, a 2,2,2, -trifluoroethyl group, a difluoromethylene group, a trifluoromethylsulfonyl group, or a trifluoroacetyl group. It is preferable that 1 type is included.
さらに前記タンパク質は、カゼイン、アルブミン、リゾチーム、グロブリン、および、これらのアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、マグネシウム塩の少なくとも1種を含むことが好ましい。 Furthermore, the protein preferably contains casein, albumin, lysozyme, globulin, and at least one of these alkali metal salts, alkaline earth metal salts, and magnesium salts.
このように、カルボキシ基、ヒドロキシル基の少なくとも一方がフッ素を含む官能基で修飾されたタンパク質を表面の一部に有する負極活物質は、これをリチウムイオン二次電池用負極に用いることで、優れた充放電サイクル特性を発現するリチウムイオン二次電池を提供することができる。 Thus, a negative electrode active material having a protein in which at least one of a carboxy group and a hydroxyl group is modified with a functional group containing fluorine on a part of the surface is excellent by using this for a negative electrode for a lithium ion secondary battery. It is possible to provide a lithium ion secondary battery that exhibits high charge / discharge cycle characteristics.
その理由は、次のように考えられる。カルボキシ基、ヒドロキシル基の少なくとも一方がフッ素を含む官能基で修飾されたタンパク質は、化学的に安定となり、充放電反応に伴う酸化還元に対して分解されにくくなる。したがって、フッ素を含む官能基で修飾されたタンパク質は、分解されることなく負極活物質の表面に存在できるため、負極活物質にクラックが生じた場合においても、新生面を露呈させにくくなる。これにより、充放電反応によるガス発生が抑制されるため、電池の膨れを小さくすることができる。 The reason is considered as follows. A protein in which at least one of a carboxy group and a hydroxyl group is modified with a functional group containing fluorine is chemically stable and is hardly decomposed by oxidation-reduction associated with a charge / discharge reaction. Therefore, since the protein modified with the functional group containing fluorine can be present on the surface of the negative electrode active material without being decomposed, it is difficult to expose the new surface even when a crack occurs in the negative electrode active material. Thereby, since the gas generation by charging / discharging reaction is suppressed, the swelling of a battery can be made small.
さらに前記タンパク質は、充放電反応に伴う酸化還元反応によって変性することで、分子構造の伸縮を伴う。したがって、前記タンパク質は、負極活物質の体積膨張に対して追従することができるため、負極活物質表面から剥がれ難くなる。これにより優れた充放電サイクルを発現することができる。 Further, the protein is denatured by an oxidation-reduction reaction that accompanies a charge / discharge reaction, thereby causing expansion and contraction of the molecular structure. Therefore, since the protein can follow the volume expansion of the negative electrode active material, it is difficult to peel off the surface of the negative electrode active material. Thereby, the outstanding charge / discharge cycle can be expressed.
さらに前記タンパク質の被覆量は、負極活物質質量に対して0.02〜10質量%であることが好ましい。この範囲の被覆量である場合、より優れた充放電サイクル特性が得られるためである。 Further, the coating amount of the protein is preferably 0.02 to 10% by mass with respect to the mass of the negative electrode active material. This is because when the coating amount is within this range, more excellent charge / discharge cycle characteristics can be obtained.
また、前記タンパク質の被膜には、粒子を含んでいてもよい。負極活物質の表面に粒子を被覆し、これにタンパク質の被膜を被覆させることで、粒子と粒子の隙間にタンパク質が入り込むことで、負極活物質の表面にタンパク質の被膜が接着しやすくなる。また、前記粒子は、充放電に伴う膨張収縮の応力を分散できるので、タンパク質の被膜が負極活物質から剥離し難くなる。 The protein coating may contain particles. The surface of the negative electrode active material is coated with particles, and the protein coating is coated on the surface of the negative electrode active material, so that the protein enters the gap between the particles, and the protein coating easily adheres to the surface of the negative electrode active material. Further, since the particles can disperse the stress of expansion and contraction that accompanies charge / discharge, the protein film is difficult to peel from the negative electrode active material.
前記粒子は、負極活物質の粒子よりも小さいことが好ましく、特に500nm以下の粒子が好ましい。前記粒子の形状としては特に限定はされないが、真球状、略球状、多角形状、鱗片状、板状など適宜用いることができる。 The particles are preferably smaller than the particles of the negative electrode active material, and particles of 500 nm or less are particularly preferable. The shape of the particles is not particularly limited, but may be appropriately used such as a true sphere, a substantially spherical shape, a polygonal shape, a scale shape, and a plate shape.
前記粒子の材質としては、無機材料でも有機材料でもよく、例えば、非晶質炭素、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化ケイ素、炭化ケイ素、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸メチル、ポリウレタン、ポリスチレン、スチレンブタジエンラバー(SBR)などが挙げられる。 The material of the particles may be an inorganic material or an organic material. For example, amorphous carbon, titanium oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, zinc oxide, silicon oxide, silicon carbide, polyacrylic acid, polymethyl methacrylate, polyurethane , Polystyrene, styrene butadiene rubber (SBR), and the like.
[負極活物質の製造方法]
本実施形態に係る負極活物質は、負極活物質の表面の少なくとも一部にフッ素を含む官能基で修飾されたタンパク質を有する。負極活物質の表面にタンパク質を被覆する方法としては、例えば、ディップコーティング法、固化乾燥法などが挙げられる。これらの方法を単独で用いてもよいし、2種以上の方法を併用してもよい。例えば、ディップコーティング法では、タンパク質の水溶液を入れたガラスビーカーに、負極活物質を投入し、スターラ―で撹拌してスラリーを作製する。前記スラリーを濾紙に移し、吸引濾過によって余分なタンパク質の水溶液を除去し、その後、乾燥させる。そして、前記乾燥物を解砕させることで負極活物質の表面にタンパク質の被膜を形成することができる。
[Method for producing negative electrode active material]
The negative electrode active material according to the present embodiment has a protein modified with a functional group containing fluorine on at least a part of the surface of the negative electrode active material. Examples of the method for coating the protein on the surface of the negative electrode active material include a dip coating method and a solidification drying method. These methods may be used alone, or two or more methods may be used in combination. For example, in the dip coating method, a negative electrode active material is put into a glass beaker containing an aqueous protein solution, and a slurry is prepared by stirring with a stirrer. The slurry is transferred to a filter paper, and the excess protein aqueous solution is removed by suction filtration, and then dried. Then, by crushing the dried product, a protein film can be formed on the surface of the negative electrode active material.
固化乾燥法では、プラスチックの軟膏容器に負極活物質を入れ、これにタンパク質の水溶液を添加し、自転公転する攪拌機(商品名:ハイブリッドミキサー)を用いて混錬し、スラリーを作製する。次いで、得られたスラリーを乾燥させ、乾燥物を解砕することで負極活物質の表面にタンパク質を均一に被覆することができる。なお、前記タンパク質の水溶液は、タンパク質の粉末の状態で添加することもできる。混錬によってスラリー温度が上昇し、タンパク質の粉末がイオン交換水に溶解されることで、スラリー内で負極活物質の表面に被覆される。また、前記スラリーは、比較的高粘度の状態で混錬するのが好ましい。高粘度の状態で混錬することによって、負極活物質同士の衝突により、負極活物質が解砕され、分散性が高まるため、タンパク質を均一に被覆することができる。なお、前記タンパク質の被覆量や被膜厚みは、被覆処理の回数、タンパク質の添加量、スラリーの固形分濃度および粘度、などを種々調整することで容易に制御することができる。 In the solidification drying method, a negative electrode active material is placed in a plastic ointment container, an aqueous protein solution is added thereto, and kneaded using a rotating and rotating stirrer (trade name: hybrid mixer) to prepare a slurry. Next, the obtained slurry is dried, and the dried product is crushed, so that the protein can be uniformly coated on the surface of the negative electrode active material. The protein aqueous solution may be added in the form of protein powder. The slurry temperature rises by kneading, and protein powder is dissolved in ion-exchanged water, so that the surface of the negative electrode active material is coated in the slurry. The slurry is preferably kneaded in a relatively high viscosity state. By kneading in a high-viscosity state, the negative electrode active material is crushed and the dispersibility is increased due to collision between the negative electrode active materials, so that the protein can be uniformly coated. The protein coating amount and coating thickness can be easily controlled by variously adjusting the number of coating treatments, the amount of protein added, the solid content concentration and viscosity of the slurry, and the like.
[タンパク質へのフッ素を含む官能基の修飾]
負極活物質の表面に被覆されたタンパク質は、タンパク質中のカルボキシ基および/またはカルボキシ基が、フッ素を含む官能基によって修飾することができる。カルボキシ基に修飾することができるフッ素を含む官能基としては、モノフルオロメチル基、ジフルオロメチル基、トリフルオロメチル基、2,2,2−トリフルオロエチル基、ジフルオロメチレン基、および、トリフルオロメチルスルホニル基などが挙げられる。カルボキシ基に修飾する手法としては、モノフルオロメチルアルコール、ジフルオロメチルアルコール、トリフルオロメチルアルコール、2,2,2−トリフルオロエチルアルコール、ジフルオロメチレンアルコール、およびトリフルオロメタンスルホン酸などの溶媒に、タンパク質を被覆した負極活物質を浸漬することで前記官能基を修飾することができる。特にトリフルオロエタノールが溶媒として好ましく、さらにN,N’−ジイソプロピルカルボジイミドやジ−t−ブチルカルボジイミドを脱水触媒として添加するのが好ましい。
[Modification of functional group containing fluorine to protein]
In the protein coated on the surface of the negative electrode active material, the carboxy group and / or the carboxy group in the protein can be modified with a functional group containing fluorine. Examples of the functional group containing fluorine that can be modified to a carboxy group include a monofluoromethyl group, a difluoromethyl group, a trifluoromethyl group, a 2,2,2-trifluoroethyl group, a difluoromethylene group, and trifluoromethyl. A sulfonyl group etc. are mentioned. As a method for modifying the carboxy group, a protein is added to a solvent such as monofluoromethyl alcohol, difluoromethyl alcohol, trifluoromethyl alcohol, 2,2,2-trifluoroethyl alcohol, difluoromethylene alcohol, and trifluoromethanesulfonic acid. The functional group can be modified by immersing the coated negative electrode active material. In particular, trifluoroethanol is preferred as a solvent, and N, N′-diisopropylcarbodiimide or di-t-butylcarbodiimide is preferably added as a dehydration catalyst.
さらに、タンパク質のヒドロキシル基に修飾することができるフッ素を含む官能基としては、トリフルオロアセチル基が挙げられ、修飾する手法としては、トリフルオロ酢酸無水物などの溶媒に、タンパク質を被覆した負極活物質を浸漬することでフッ素を含む官能基を修飾することができる。 Furthermore, examples of the functional group containing fluorine that can be modified to a hydroxyl group of a protein include a trifluoroacetyl group. As a modification method, a negative electrode active in which a protein is coated in a solvent such as trifluoroacetic anhydride. The functional group containing fluorine can be modified by immersing the substance.
なお、カルボキシ基、ヒドロキシル基の双方にフッ素を含む官能基を修飾させる場合、前記に挙げた溶媒の混合溶媒に浸漬すればよい。または順次にそれぞれの溶媒に浸漬させてもよい。 In addition, what is necessary is just to immerse in the mixed solvent of the solvent mentioned above when modifying the functional group containing a fluorine in both a carboxy group and a hydroxyl group. Or you may immerse in each solvent sequentially.
前記処理条件としては特に限定はされないが、溶媒が揮発しにくい20〜80℃の温度下で浸漬することが好ましい。浸漬時間についても特に限定はされず、浸漬後のタンパク質をFT−IR分析などで適宜測定することで、フッ素を含む官能基がタンパク質の分子構造内に置換したか否かを確認することができる。 Although it does not specifically limit as said process conditions, It is preferable to immerse in the temperature of 20-80 degreeC where a solvent does not volatilize easily. There is no particular limitation on the immersion time, and it can be confirmed whether or not the functional group containing fluorine has been substituted into the molecular structure of the protein by appropriately measuring the protein after immersion by FT-IR analysis or the like. .
前記負極活物質の製造方法は、適宜変更することができる。例えば、タンパク質を前記溶媒で処理することで、あらかじめフッ素を含む官能基で修飾したタンパク質溶液を作製しておき、これを負極活物質に被覆しても同様に本実施形態に係る負極活物質を作製することができる。 The manufacturing method of the said negative electrode active material can be changed suitably. For example, a protein solution modified with a functional group containing fluorine in advance is prepared by treating protein with the solvent, and the negative electrode active material according to the present embodiment is similarly applied to the negative electrode active material. Can be produced.
[タンパク質の被膜の同定]
本実施形態に係る負極活物質の表面に被覆したタンパク質の同定は、例えば電界放出形走査型電子顕微鏡(FE−SEM)、走査透過電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分析(STEM−EDS)、フーリエ変換赤外分光分析(FT−IR)の全反射減衰法(ATR法)、X線光電子分光(XPS)、熱分解ガスクロマトグラフ質量分析などにより行うことができる。
[Identification of protein coating]
The identification of the protein coated on the surface of the negative electrode active material according to the present embodiment includes, for example, a field emission scanning electron microscope (FE-SEM), a scanning transmission electron microscope-energy dispersive X-ray analysis (STEM-EDS), Fourier Conversion infrared spectroscopy (FT-IR) can be performed by attenuated total reflection (ATR method), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), pyrolysis gas chromatograph mass spectrometry, or the like.
FE−SEMによる観察では、タンパク質の被覆前と被覆後の負極活物質の表面形態を観察することで、タンパク質の被覆の有無を簡便に確認することができる。 In observation by FE-SEM, the presence or absence of protein coating can be easily confirmed by observing the surface morphology of the negative electrode active material before and after protein coating.
FT−IR分析では、所望の被覆したい各タンパク質の粉末を単体で測定しておき、各タンパク質の吸収スペクトル位置を確認し、次いで各タンパク質を被覆させた負極活物質の吸収スペクトル位置を測定し比較することで、負極活物質の表面におけるタンパク質の被膜の有無を確認することができる。FT−IR分析によるタンパク質の解析においては、4000〜400cm−1の範囲で吸収スペクトルを収集し、1640±10cm−1付近(C=O伸縮振動、アミドIバンドともいう)、1520±10cm−1付近(N−H変角振動、アミIIバンドともいう)、1225±10cm−1付近(C−N伸縮振動、アミドIIIバンドともいう)、3260±10cm−1付近(N−H伸縮振動)、1400±20cm−1付近(COO−伸縮振動)をそれぞれ吸収スペクトルとして解析することができる。 In FT-IR analysis, each protein powder desired to be coated is measured alone, the absorption spectrum position of each protein is confirmed, and then the absorption spectrum position of the negative electrode active material coated with each protein is measured and compared. By doing so, the presence or absence of a protein coating on the surface of the negative electrode active material can be confirmed. In the analysis of proteins by FT-IR analysis, collect the absorption spectrum in the range of 4000 to 400 -1, 1640 ± 10 cm near -1 (C = O stretching vibration, also referred to as amide I band), 1520 ± 10 cm -1 Near (N—H bending vibration, also called Ami II band), around 1225 ± 10 cm −1 (also called C—N stretching vibration, amide III band), around 3260 ± 10 cm −1 (N—H stretching vibration), The vicinity of 1400 ± 20 cm −1 (COO — stretching vibration) can be analyzed as an absorption spectrum.
さらにタンパク質のカルボキシ基および/またはヒドロキシ基に修飾されたフッ素を含む官能基は、1270±10cm−1付近(C−F伸縮振動)および1160±10cm−1付近(C−F伸縮振動)の吸収スペクトルとして解析することができる。 Further, the functional group containing fluorine modified to the carboxy group and / or hydroxy group of the protein absorbs around 1270 ± 10 cm −1 (CF stretching vibration) and 1160 ± 10 cm −1 (CF stretching vibration). It can be analyzed as a spectrum.
[タンパク質の被膜量]
本実施形態に係るフッ素を含む官能基で修飾されたタンパク質の被膜量は、例えば熱分重量示差熱(TG−DTA)分析により行うことができる。タンパク質を被覆した負極活物質を、タンパク質が熱分解する温度まで加熱することで、タンパク質に帰属する重量減少を確認することができる。前記重量減少からタンパク質の被覆量を算出することができる。
[Amount of protein coating]
The coating amount of the protein modified with the functional group containing fluorine according to the present embodiment can be performed by, for example, thermal mass differential thermal (TG-DTA) analysis. By heating the negative electrode active material coated with the protein to a temperature at which the protein is thermally decomposed, it is possible to confirm a weight loss attributable to the protein. The amount of protein coating can be calculated from the weight reduction.
[タンパク質の被覆厚みの算出]
本実施形態に係るフッ素を含む官能基で修飾されたタンパク質の被覆厚みは、例えばSTEM−EDS分析のマッピング画像の画像処理により算出することができる。タンパク質を被覆した負極活物質のSTEM−EDSのマッピング画像において、前記被覆厚みは、タンパク質に帰属する炭素の元素マッピングの厚みから概算することができる。負極活物質に帰属するケイ素の元素マッピング領域と、被覆したタンパク質に帰属する炭素の元素のマッピング領域において、ケイ素の元素マッピング領域と重ならない炭素のマッピング領域を、タンパク質の被覆厚みとして概算することができる。
[Calculation of protein coating thickness]
The coating thickness of the protein modified with the functional group containing fluorine according to the present embodiment can be calculated, for example, by image processing of a mapping image of STEM-EDS analysis. In the STEM-EDS mapping image of the negative electrode active material coated with protein, the coating thickness can be estimated from the thickness of elemental mapping of carbon attributed to protein. In the silicon element mapping region belonging to the negative electrode active material and the carbon element mapping region belonging to the coated protein, the carbon mapping region that does not overlap the silicon element mapping region can be estimated as the protein coating thickness. it can.
[負極導電助剤]
本実施形態に係る負極合剤層14は、導電性の向上を目的として導電助剤を含んでいてもよい。本実施形態に用いられる導電助剤は特に制限されず、周知の材料を用いることができる。例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック、気相成長炭素繊維(VGCF)、カーボンナノチューブ(CNT)、などの炭素繊維、さらに、グラフェン、黒鉛などの炭素材料が挙げられ、これらの1種または2種以上を用いることができる。
[Negative Conductive Aid]
The negative
[負極バインダー]
本実施形態に係る負極合剤層14は、負極活物質と負極導電助剤と負極集電体12との結着性の向上を目的としてバインダーを含んでいてもよい。本実施形態に用いられる負極バインダーとしては、有機溶剤系バインダーでもよく、水系バインダーでもよい。例えば、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリアミド、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸塩、アルギン酸塩、スチレン−ブタジエンラバー(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリウレタンなどが挙げられ、これらの1種を用いてもよく、2種以上を併用することもできる。特に充放電による体積膨張が大きいケイ素系の負極活物質を用いる場合、バインダー強度が比較的高いポリアミドイミド、ポリイミド、ポリアミド、ポリアクリル酸が好適に用いることができる。なお、これら列挙したバインダーに限定されるものではない。
[Negative electrode binder]
The negative
[負極集電体]
本実施形態に係る負極集電体12は、導電性材料から構成され、その一方の主面または両面に負極合剤層14が配置される。前記負極集電体12を構成する材料は特に限定するものではないが、負極10に用いられる負極集電体12としては、銅、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、またはこれらの合金箔やクラッド箔を用いることができる。特に銅、銅合金、ステンレス鋼が好ましく、コストの面からは電解銅箔および圧延銅箔を好適に用いることができる。強度の面からは、ステンレス鋼や銅合金の圧延箔が好適に用いることができる。
[Negative electrode current collector]
The negative electrode
(リチウムイオン二次電池用正極)
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極20は、正極集電体22の少なくとも一方の主面に正極合剤層24が設けられ、前記正極合剤層24は、少なくともリチウムイオンを吸蔵および放出する正極活物質を含んでいる。
(Positive electrode for lithium ion secondary battery)
In the
[正極活物質]
本実施形態に係る正極活物質は、例えば、リチウム金属酸化物、リチウム金属硫化物、あるいはリチウムを含む層間化合物等のリチウム含有化合物が好適であり、これらの2種以上を混合して用いてもよい。特に、エネルギー密度を高くするには、一般式LixMO2で表されるリチウム複合酸化物、あるいはリチウムを含んだ層間化合物が好ましい。なお、Mは1種類以上の遷移金属が好ましく、具体的には、Co、Ni、Mn、Fe、Al、V、Tiのうちの少なくとも1種が好ましい。xは、電池の充放電状態によって異なり、通常、0.05≦x≦1.10の範囲内の値である。また、他にもスピネル型結晶構造を有するマンガンスピネル(LiMn2O4;LMO)や、オリビン型結晶構造を有するリン酸鉄リチウム(LiFePO4;LFP)なども、高いエネルギー密度を得ることができるので好ましい。
[Positive electrode active material]
The positive electrode active material according to the present embodiment is preferably a lithium-containing compound such as lithium metal oxide, lithium metal sulfide, or an intercalation compound containing lithium, and a mixture of two or more of these may be used. Good. In particular, in order to increase the energy density, a lithium composite oxide represented by the general formula Li x MO 2 or an intercalation compound containing lithium is preferable. M is preferably one or more transition metals, specifically, at least one of Co, Ni, Mn, Fe, Al, V, and Ti is preferable. x varies depending on the charge / discharge state of the battery, and is usually a value in the range of 0.05 ≦ x ≦ 1.10. In addition, manganese spinel (LiMn 2 O 4 ; LMO) having a spinel crystal structure, lithium iron phosphate having an olivine crystal structure (LiFePO 4 ; LFP), and the like can also obtain a high energy density. Therefore, it is preferable.
前記リチウム複合酸化物としては、コバルト酸リチウム(LiCoO2;LCO)、ニッケル・コバルト・アルミニウム(Li(NixCoyAlz)O2(0.9<x+y+z<1.1);NCA)、ニッケル・マンガン・コバルト(Li(NixMnyCoz)O2(0.9<x+y+z<1.1);NMC)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、LiNixCoyMnzMaO2(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種類以上の元素が挙げられる)、リチウムバナジウム化合物(LiV2O5)、リンを含むポリアニオンであるLiMPO4(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、またはVOを示す)、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)、などが挙げられる。また、これらの材料に限定することはなく、他にもリチウムイオンを電気化学的に吸蔵および放出する正極活物質材料であれば、特に制限はされない。 Examples of the lithium composite oxide include lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ; LCO), nickel-cobalt aluminum (Li (Ni x Co y Al z ) O 2 (0.9 <x + y + z <1.1); NCA), Nickel / manganese / cobalt (Li (Ni x Mn y Co z ) O 2 (0.9 <x + y + z <1.1); NMC), lithium nickelate (LiNiO 2 ), 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, M is one or more elements selected from Al, Mg, Nb, Ti, Cu, Zn, Cr Lithium vanadium compound (LiV 2 O 5 ), LiMPO 4 which is a polyanion containing phosphorus (where M is Co, Ni, Mn, Fe, Mg, Nb, T) and one or more elements selected from i, Al, and Zr, or VO), lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), and the like. Further, the material is not limited to these materials, and any other positive electrode active material that electrochemically occludes and releases lithium ions is not particularly limited.
[正極導電助剤]
本実施形態に係る正極合剤層24は、導電性の向上を目的として導電助剤を添加してもよい。本実施形態に用いられる導電助剤は特に制限されず、負極合剤層で使用される導電助剤と同様の周知の材料を用いることができる。
[Positive electrode conductive aid]
In the positive
[正極用バインダー]
本実施形態に係る正極合剤層24は、正極活物質と正極導電助剤と正極集電体22との結着性の向上を目的としてバインダーを用いてもよい。本実施形態の正極合剤層24に用いられる正極バインダーとしては、有機溶剤系バインダーでもよく、水系バインダーでもよい。例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリウレタン、ポリエチレンビニルアルコール、ポリアクリレート、スチレン−ブタジエン共重合体(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリウレタンなどが挙げられ、これらの1種を用いてもよく、複数種を併用することもできる。なお、これら列挙したバインダーに限定されるものではない。
[Binder for positive electrode]
The positive
[正極集電体]
本実施形態に係る正極集電体22は、導電性材料から構成され、その一方の主面または両面に正極合剤層24が配置される。前記正極集電体22を構成する材料は特に限定するものではないが、正極20に用いられる正極集電体22としては、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、またはこれらの合金箔を用いることができ、特にアルミニウム箔が好ましい。
[Positive electrode current collector]
The positive electrode
(セパレーター)
本実施形態に係るセパレーター18は、負極10と正極20との間に介在され、両極の接触による短絡を防止し、さらに電解質が含浸されていることにより、リチウムイオンを通過させるものである。このセパレーター18は、例えば微小な孔を多数有する多孔性膜を備えるものであって、前記のセパレーター18の具体的な材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系多孔膜、ポリイミド、ポリアミドイミドなどの高耐熱多孔膜、前記のポリオレフィン系多孔膜と高耐熱多孔膜との複合膜、芳香族ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミドなどの不織布などが挙げられる。またセパレーター18は、例えばその厚みが5μm以上、50μm以下の範囲であると共に、その全体積中における空隙体積の比率を表す空孔率が20%以上、60%以下の範囲であるものが好ましい。
(separator)
The
(電解質)
本実施形態に係る電解質は、前記セパレーター18に含浸されており、例えば、溶媒とこの溶媒に溶解された電解質塩とを含んでおり、必要に応じて添加剤を含んでいてもよい。前記電解質の溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、などの環状炭酸エステル、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)などの鎖状炭酸エステル、酢酸メチル(MA),酢酸エチル(EA),プロピオン酸メチル(MP),プロピオン酸エチル(EP)などの鎖状カルボン酸エステル、または、γ−ブチロラクトン(GBL)、γ−バレロラクトン(GVL)などの環状カルボン酸エステルなどが挙げられる。これらのはいずれか1種、または2種以上を混合して溶媒として用いることができる。また、前記列挙した溶媒に限定されることはなく、電解質塩を溶解させてリチウムイオン二次電池100としたときにその特性を損なわない範囲でれば、特に制限はされない。
(Electrolytes)
The electrolyte according to this embodiment is impregnated in the
また、前記溶媒には、ビニレンカーボネート(VC)などの不飽和結合を有する環式炭酸エステルや、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)などのフッ素化環状カーボネート、1,3−プロパンスルトン(PS)などの硫黄含有化合物、フォスファゼン化合物などの難燃性液体を混合して溶媒として用いることができる。 Examples of the solvent include cyclic carbonates having an unsaturated bond such as vinylene carbonate (VC), fluorinated cyclic carbonates such as fluoroethylene carbonate (FEC) and difluoroethylene carbonate (DFEC), and 1,3-propane. A flame-retardant liquid such as a sulfur-containing compound such as sultone (PS) or a phosphazene compound can be mixed and used as a solvent.
(電解質塩)
本実施形態に係る電解質塩としては、例えばリチウム塩が挙げられ、電解質中で解離してリチウムイオンを供給するものである。このリチウム塩としては、特に限定されるものではないが、例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiB(C6H5)4、LiCH3SO3、LiC(SO2CF3)3、LiN(CF3SO2)2(別名、LiTFSIと呼ぶこともある)、LiN(C2F5SO2)2(別名、LiBETIと呼ぶこともある)、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3SO2)(C2F5SO2)、LiN(CF3SO2)(C3F7SO2)、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiN(SO2F)2(別名、LiFSIと呼ぶこともある)、LiAlCl4、LiSiF6、LiCl、LiC4BO8(別名、LiBOBと呼ぶこともある)、あるいはLiBrなどが挙げられ、これらの1種、または2種以上の任意の組み合わせから選択されるものを用いることができる。特に、LiPF6は高いイオン伝導性を得ることができるため好適に用いることができる。
(Electrolyte salt)
Examples of the electrolyte salt according to the present embodiment include a lithium salt, which dissociates in the electrolyte and supplies lithium ions. As the lithium salt, is not particularly limited, for example, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, LiClO 4, LiB (C 6 H 5) 4, LiCH 3 SO 3, LiC (SO 2 CF 3) 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 (also referred to as LiTFSI), LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 (also referred to as LiBETI), LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) (C 2 F 5 SO 2 ), LiN (CF 3 SO 2 ) (C 3 F 7 SO 2 ), LiN (CF 3 SO 2) (C 4 F 9 SO 2), LiN (SO 2 F) 2 ( also known sometimes referred to as LiFSI), LiAlCl 4, LiSiF 6 , LiCl, LiC BO 8 (aka, sometimes referred to as LiBOB), or the like can be mentioned LiBr, can be used those selected from any combination of one, or two or more thereof. In particular, LiPF6 can be preferably used because it can obtain high ion conductivity.
(リチウムイオン二次電池の製造方法)
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池100は、例えば、次のようにして製造することができる。
(Method for producing lithium ion secondary battery)
The lithium ion
[負極の製造方法]
本実施形態に係る負極10は、負極活物質の表面の少なくとも一部に、フッ素を含む官能基で修飾したタンパク質を被覆した負極活物質と、負極導電助剤と、負極バインダーと、溶媒とを混合分散させてペースト状の負極スラリーを作製する。前記溶媒としては、負極スラリーに添加するバインダーに対して良溶媒を用いることが望ましく、例えば、有機溶剤系バインダーであれば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキサイド、メチルエチルケトン、アセトニトリル、などが挙げられ、水系バインダーであれば、イオン交換水、蒸留水などが挙げられる。
[Production method of negative electrode]
The
次いで、前記負極スラリーを例えばコンマロールコーターを用いて、銅箔などの負極集電体12の片面または両面に、所定の厚みを有する負極合剤層14を塗布し、乾燥炉内にて溶媒を乾燥させる。なお、負極合剤層14を前記負極集電体12の両面に塗布する場合は、両面とも同じ膜厚となる負極合剤層であることが望ましい。
Next, the negative electrode slurry is applied to one or both surfaces of the negative electrode
次いで、前記負極合剤層14が形成された負極をロールプレス機などにより所定の厚みおよび密度になるように調整し、同時に負極合剤層14を負極集電体12の片面または両面に圧着させ、負極合剤層14と負極集電体12との密着性を高める。
Subsequently, the negative electrode on which the negative
前記負極を金型で所定の電極サイズに打ち抜き、リチウムイオン二次電池用の負極10とする。前記の負極10の面積は、正極20の面積と同等以上のサイズであることが好ましい。負極10の面積を、対向する正極20の面積と同等以上のサイズすることで、リチウムの析出による内部短絡の発生を防止するためである。
The negative electrode is punched into a predetermined electrode size with a mold to obtain a
前記負極10は、真空中または不活性ガスの雰囲気中において前記のバインダーの熱分解する温度以下で熱処理することで、バインダーの重合およびまたは架橋によって負極合剤層14と負極集電体12の界面、および負極活物質同士での密着性をさらに高めることができる。また、負極集電体12の表面が一定の表面粗さを有していれば、その表面の凹凸部分にバインダーが入り込むことにより、バインダーと負極集電体12の間にアンカー効果が作用し、密着性が向上する。そのため、リチウムイオンの吸蔵および放出によって負極活物質が体積膨張した場合においても、負極集電体12からの負極合剤層14の剥離を抑制することができる。
The
[正極の製造方法]
本実施形態に係る正極20は、正極活物質と、正極導電助剤と、正極バインダーと、溶媒とを混合分散させて、ペースト状の正極スラリーを作製する。次いで、前記正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正極合剤層24をアルミニウム箔などの正極集電体22の片面または両面に塗布し、乾燥炉内にて溶媒を乾燥させる。なお、正極合剤層24を前記正極集電体22の両面に塗布する場合は、両面とも同じ膜厚となる正極合剤層であることが望ましい。
[Production method of positive electrode]
In the
次いで、前記正極合剤層24が形成された正極をロールプレス機などにより所定の厚みおよび密度になるように調整し、同時に正極合剤層24を正極集電体22の片面または両面に圧着させ、正極合剤層24と正極集電体22との密着性を高める。
Next, the positive electrode on which the positive
前記正極を金型で所定の電極サイズに打ち抜き、本実施形態のリチウムイオン二次電池用の正極20とする。前記の通り、前記の正極20の面積は、負極10の面積と同等以下のサイズであることが好ましい。正極20の面積を、対向する負極10の面積と同等以下のサイズにすることで、リチウムの析出による内部短絡の発生を防止するためである。
The positive electrode is punched into a predetermined electrode size with a mold to obtain a
また前記の正極20においても負極10と同様に、使用するバインダーによって適宜熱処理を行っても良い。
Also, the
[電極積層体の作製]
負極10と正極20とをセパレーター18を介して積層することで電極積層体30を作製する。前記電極積層体30は、任意の積層数で構成することができる。なお、前記セパレーター18は、負極10と正極20とが直接接触するのを防ぐために、負極および正極よりも大きいサイズのものを好適に用いることができる。
[Production of electrode laminate]
The
次いで、前記の電極積層体30の負極10において、負極合剤層14を設けていない負極集電体の突起端部に、ニッケル製の負極リード60を取り付け、一方、電極積層体30の正極20においては、正極合剤層24を設けていない正極集電体の突起端部に、アルミニウム製の正極リード62を超音波溶接機によって取り付ける。そして、この電極積層体30を、アルミニウムのラミネートフィルムの外装体50内に挿入して周囲の1箇所を除いてヒートシールすることにより閉口部を形成し、外装体50内に所定量の電解質を注入した後に、残りの1箇所を減圧しながらヒートシールすることで密封し、リチウムイオン二次電池100(以後、ラミネートセルと呼ぶ場合がある)を作製することができる。
Next, in the
このリチウムイオン二次電池100では、充電を行うと、例えば、正極合剤層24からリチウムイオンが放出され、電解液を介して負極合剤層14に吸蔵される。また、放電を行うと、例えば、負極合剤層14からリチウムイオンが放出され、電解液を介して正極合剤層24に吸蔵される。
In the lithium ion
(電池評価)
本実施形態にて作製されるリチウムイオン二次電池は、下記の電池特性について評価することができる。
(Battery evaluation)
The lithium ion secondary battery produced in this embodiment can be evaluated for the following battery characteristics.
[充放電サイクル試験]
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、例えば以下に示す充放電条件によって充放電サイクル特性を評価することができる。充放電電流の表記は、以降C(シー)レート表記を使う。nC(mA)は、公称容量(mAh)を1/n(h)で充放電できる電流である。例えば、公称容量70mAhの電池の場合、0.05Cの電流は3.5mA(計算式70×0.05=3.5)である。同様に、0.2Cの電流は14mA、2Cの電流は140mAである。充放電サイクル試験条件は、25℃の環境下において、0.5Cレートの定電流で4.2Vの電池電圧になるまで定電流定電圧充電(CC−CV充電)を行い、その後、1.0Cレートの定電流で2.5Vの電池電圧になるまで放電させる(CC放電)。上記の充電と放電を1サイクルとし、これを所定のサイクル数まで繰り返した後の放電容量維持率を充放電サイクル特性として評価した。なお、本実施形態における充放電サイクル特性は、以下の計算式によって定義される。
所定サイクル後の放電容量維持率(%)=(所定サイクル後の放電容量÷初回サイクル後の放電容量)×100
[Charge / discharge cycle test]
The lithium ion secondary battery according to the present embodiment can evaluate charge / discharge cycle characteristics, for example, according to the following charge / discharge conditions. Hereinafter, the charge / discharge current is expressed in C (sea) rate. nC (mA) is a current that can charge and discharge the nominal capacity (mAh) at 1 / n (h). For example, in the case of a battery with a nominal capacity of 70 mAh, the current of 0.05 C is 3.5 mA (calculation formula 70 × 0.05 = 3.5). Similarly, a 0.2 C current is 14 mA, and a 2 C current is 140 mA. The charge / discharge cycle test conditions were as follows: constant current and constant voltage charge (CC-CV charge) until a battery voltage of 4.2 V was reached at a constant current of 0.5 C in an environment of 25 ° C., and then 1.0 C Discharge until the battery voltage reaches 2.5 V at a constant current (CC discharge). The above charge and discharge were set as one cycle, and the discharge capacity retention rate after repeating this to a predetermined number of cycles was evaluated as charge / discharge cycle characteristics. In addition, the charging / discharging cycle characteristic in this embodiment is defined by the following calculation formulas.
Discharge capacity maintenance ratio after predetermined cycle (%) = (discharge capacity after predetermined cycle ÷ discharge capacity after first cycle) × 100
[ラミネートセルの厚み膨張試験]
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池(ラミネートセル)は、充放電前と所定の充放電を繰り返した時点のラミネートセルの厚みを測定することで、ラミネートセルの厚みの膨張率を評価することができる。なお、本実施形態における膨張率は、以下の計算式により定義される。
所定サイクル時点での膨張率(%)=(所定サイクル後のラミネートセルの厚み[mm]−充放電前のラミネートセルの厚み[mm])÷ 充放電前のラミネートセルの厚み[mm]×100
[Thickness expansion test of laminate cell]
The lithium ion secondary battery (laminate cell) according to the present embodiment evaluates the expansion coefficient of the laminate cell thickness by measuring the thickness of the laminate cell before charging / discharging and when the predetermined charging / discharging is repeated. Can do. In addition, the expansion coefficient in this embodiment is defined by the following calculation formula.
Expansion rate (%) at a predetermined cycle time = (thickness of laminate cell after predetermined cycle [mm] −thickness of laminate cell before charge / discharge [mm]) ÷ thickness of laminate cell before charge / discharge [mm] × 100
以上、本発明に係る実施形態について詳細に説明したが、前記の実施形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、前記の実施形態においては、ラミネートフィルム型のリチウムイオン二次電池について説明したが、正極、負極およびセパレーターを巻回または折り畳んだ構造を有するリチウムイオン二次電池についても同様に適用することができる。さらに、電池形状として、円筒型、角型、コイン型などのリチウムイオン二次電池についても好適に応用することができる。 As mentioned above, although embodiment concerning this invention was described in detail, it is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible. For example, in the above-described embodiment, the laminated film type lithium ion secondary battery has been described. However, the present invention can be similarly applied to a lithium ion secondary battery having a structure in which a positive electrode, a negative electrode, and a separator are wound or folded. it can. Furthermore, it can apply suitably also about lithium ion secondary batteries, such as a cylindrical shape, a square shape, and a coin type, as a battery shape.
以下、前記の実施形態に基づいて、さらに実施例および比較例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。 Hereinafter, based on the above-described embodiment, the present invention will be described in more detail using examples and comparative examples.
(実施例1)
負極活物質としてケイ素20gと、タンパク質としてカゼインナトリウムを0.2g溶解させた水溶液10gとを、ハイブリッドミキサーにより混錬することでスラリーを作製した。前記スラリーを80℃で乾燥および解砕させることで、カゼインナトリウムを1.0質量%被覆させたケイ素を作製した。
Example 1
A slurry was prepared by kneading 20 g of silicon as a negative electrode active material and 10 g of an aqueous solution in which 0.2 g of sodium caseinate was dissolved as a protein using a hybrid mixer. The slurry was dried and crushed at 80 ° C. to produce silicon coated with 1.0% by mass of sodium caseinate.
TG−DTA分析により、前記カゼインナトリウムの被覆量を算出した結果、ケイ素に対して1.0質量%の被覆量であった。なお、カゼインナトリウムの被覆量は、TG−DTA分析から得られた150〜800℃の範囲の重量減少率から算出した。 As a result of calculating the coating amount of the casein sodium by TG-DTA analysis, the coating amount was 1.0% by mass with respect to silicon. In addition, the coating amount of casein sodium was calculated from the weight loss rate in the range of 150 to 800 ° C. obtained from the TG-DTA analysis.
次いで、前記カゼインナトリウムを1.0質量%被覆させたケイ素10gを反応容器に移し、無水トリフルオロ酢酸75mlを加えて密封し、25℃の恒温下にて24時間浸漬処理した。これを吸引濾過し、60℃の乾燥を経て、実施例1に係るケイ素を作製した。 Next, 10 g of silicon coated with 1.0% by mass of sodium caseinate was transferred to a reaction vessel, sealed by adding 75 ml of trifluoroacetic anhydride, and immersed for 24 hours at a constant temperature of 25 ° C. This was subjected to suction filtration, and dried at 60 ° C. to produce silicon according to Example 1.
実施例1に係るケイ素は、FE−SEM、STEM−EDS分析により、カゼインナトリウムがケイ素の表面の一部を被覆していることを確認できた。さらに、XPS、FT−IR分析により、カゼインナトリウムのヒドロキシ基にトリフルオロアセチル基が修飾されているのを確認した。なお、以降の実施例および比較例においても同様の解析を行った。 The silicon according to Example 1 was confirmed by FE-SEM and STEM-EDS analysis that casein sodium covered a part of the silicon surface. Further, it was confirmed by XPS and FT-IR analysis that the hydroxy group of sodium caseinate was modified with a trifluoroacetyl group. The same analysis was performed in the following examples and comparative examples.
(実施例2)
実施例2に係る負極活物質は、次の手順により作製した。カゼインナトリウム1.0質量%を被覆させたケイ素10gを反応容器に移し、2,2,2,−トリフルオロエタノール75mlと、N,N’−ジイソプロピルカルボジイミド25mlを加えて密封し、60℃の恒温下にて24時間浸漬処理した。これを吸引濾過し、60℃の乾燥を経て、実施例2に係るケイ素を作製した。
(Example 2)
The negative electrode active material according to Example 2 was produced by the following procedure. 10 g of silicon coated with 1.0% by mass of sodium caseinate was transferred to a reaction vessel, 75 ml of 2,2,2, -trifluoroethanol and 25 ml of N, N′-diisopropylcarbodiimide were added and sealed, and a constant temperature of 60 ° C. The immersion treatment was performed for 24 hours. This was subjected to suction filtration, and dried at 60 ° C. to produce silicon according to Example 2.
実施例2に係るケイ素は、カゼインナトリウムのカルボキシ基に2,2,2,−トリフルオロエチル基が修飾されているのを確認した。 The silicon according to Example 2 was confirmed to be modified with a 2,2,2, -trifluoroethyl group on the carboxy group of sodium caseinate.
(実施例3)
実施例3に係る負極活物質は、次の手順により作製した。カゼインナトリウム1.0質量%を被覆したケイ素10gを反応容器に移し、無水トリフルオロ酢酸3mlを加えて密封し、25℃の恒温下にて24時間浸漬処理した。吸引濾過にて無水トリフルオロ酢酸を除去した後、さらに2,2,2,−トリフルオロエタノール3mlと、N,N’−ジイソプロピルカルボジイミド1mlを加えて密封し、60℃の恒温下にて24時間浸漬処理した。浸漬終了後に吸引濾過し、60℃の乾燥を経て、実施例3に係るケイ素を作製した。
(Example 3)
The negative electrode active material according to Example 3 was produced by the following procedure. 10 g of silicon coated with 1.0% by mass of sodium caseinate was transferred to a reaction vessel, sealed with 3 ml of trifluoroacetic anhydride, and immersed for 24 hours at a constant temperature of 25 ° C. After removing trifluoroacetic anhydride by suction filtration, 3 ml of 2,2,2, -trifluoroethanol and 1 ml of N, N′-diisopropylcarbodiimide were added and sealed, and the mixture was kept at a constant temperature of 60 ° C. for 24 hours. Immersion treatment. After the immersion, suction filtration was performed, and after drying at 60 ° C., silicon according to Example 3 was produced.
実施例3に係るケイ素は、カゼインナトリウムのヒドロキシ基にトリフルオロアセチル基、カルボキシ基に2,2,2,−トリフルオロエチル基が修飾されているのを確認した。 The silicon according to Example 3 was confirmed to be modified with a trifluoroacetyl group on the hydroxy group of casein sodium and a 2,2,2, -trifluoroethyl group on the carboxy group.
(実施例4〜6)
実施例4〜6に係る負極活物質は、アルブミン、リゾチーム、グロブリンを1.0質量%被覆させたケイ素をそれぞれ作製し、これを実施例2と同様の処理を行うことで、アルブミン、リゾチーム、グロブリンの各カルボキシ基に2,2,2,−トリフルオロエチル基を修飾させたケイ素をそれぞれ作製した。
(Examples 4 to 6)
The negative electrode active materials according to Examples 4 to 6 were prepared by coating silicon with 1.0% by mass of albumin, lysozyme, and globulin, respectively, and performing the same treatment as in Example 2, whereby albumin, lysozyme, Silicon in which 2,2,2, -trifluoroethyl group was modified on each carboxy group of globulin was prepared.
(比較例1)
比較例1に係る負極活物質は、ケイ素とした。
(Comparative Example 1)
The negative electrode active material according to Comparative Example 1 was silicon.
(比較例2)
比較例2に係る負極活物質は、カゼインナトリウムを1.0質量%被覆させたケイ素とした。
(Comparative Example 2)
The negative electrode active material according to Comparative Example 2 was silicon coated with 1.0% by mass of sodium caseinate.
(比較例3)
比較例3に係る負極活物質は、カルボキシメチルセルロース(CMC)を1.0質量%被覆させたケイ素を作製し、これを実施例2と同様の処理を行うことで、CMCのカルボキシ基に2,2,2,−トリフルオロエチル基を修飾させたケイ素を作製した。
(Comparative Example 3)
The negative electrode active material according to Comparative Example 3 was produced by preparing silicon coated with 1.0% by mass of carboxymethylcellulose (CMC), and performing the same treatment as in Example 2 to add 2 to the carboxy group of CMC. Silicon modified with 2,2, -trifluoroethyl group was prepared.
(比較例4)
比較例4に係る負極活物質は、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)を1.0質量%被覆したケイ素を作製した。
(Comparative Example 4)
As the negative electrode active material according to Comparative Example 4, silicon coated with 1.0% by mass of polyvinylidene fluoride (PVdF) was produced.
(実施例7〜14)
実施例7〜14に係る負極活物質は、カゼインナトリウムの仕込み量を種々調整することで、カゼインナトリウムを0.02〜15質量%被覆させたケイ素をそれぞれ作製し、実施例2と同様の処理を行うことで、前記カゼインナトリウムのカルボキシ基に2,2,2,−トリフルオロエチル基を修飾させたケイ素をそれぞれ作製した。
(Examples 7 to 14)
The negative electrode active materials according to Examples 7 to 14 were prepared by making various adjustments to the amount of sodium caseinate so that silicon coated with 0.02 to 15% by mass of sodium caseinate was prepared. By performing the above, silicon in which 2,2,2, -trifluoroethyl group was modified on the carboxy group of the casein sodium was produced.
(実施例15〜22)
実施例15〜22に係る負極活物質は、負極活物質をケイ素酸化物に変更し、カゼインナトリウムを0.02〜15質量%被覆させたケイ素酸化物をそれぞれ作製した。前記ケイ素酸化物に対し、実施例2と同様の処理を行うことで、カゼインナトリウムのカルボキシ基に2,2,2,−トリフルオロエチル基を修飾させた酸化ケイ素を作製した。
(Examples 15 to 22)
The negative electrode active materials according to Examples 15 to 22 were produced by changing the negative electrode active material to silicon oxide and preparing silicon oxides coated with 0.02 to 15% by mass of sodium caseinate. By performing the same treatment as in Example 2 on the silicon oxide, silicon oxide in which 2,2,2, -trifluoroethyl group was modified on the carboxy group of sodium caseinate was produced.
(比較例5)
比較例5に係る負極活物質は、ケイ素酸化物とした。
(Comparative Example 5)
The negative electrode active material according to Comparative Example 5 was silicon oxide.
(比較例6)
比較例6に係る負極活物質は、カゼインナトリウムを1.0質量%被覆したケイ素酸化物とした。
(Comparative Example 6)
The negative electrode active material according to Comparative Example 6 was a silicon oxide coated with 1.0% by mass of sodium caseinate.
(リチウムイオン二次電池用負極の作製)
負極活物質として、前記に作製した実施例および比較例のリチウムイオン二次電池用負極活物質を80質量%と、導電助剤としてアセチレンブラックを5質量%と、さらにバインダーとしてポリアミドイミドを15質量%と、溶媒としてN−メチル−2−ピロリドンとをハイブリッドミキサーで混合分散させて、ペースト状の負極スラリーを作製した。コンマロールコーターを用いて、この負極スラリーを圧延銅箔(厚さ10μm)表面に所定の厚みで負極合剤層を塗布した。100℃の乾燥炉内にて負極合剤層中のN−メチル−2−ピロリドン溶媒を乾燥除去させた後、圧延銅箔の裏面側にも同様の手順で負極合剤層を塗布した。そして、前記の負極合剤層が形成された負極をロールプレス機によって、負極合剤層を圧延銅箔の両面に圧着させ、所定の密度を有する負極を作製した。
(Preparation of negative electrode for lithium ion secondary battery)
As the negative electrode active material, 80% by mass of the negative electrode active materials for lithium ion secondary batteries of Examples and Comparative Examples prepared above, 5% by mass of acetylene black as a conductive additive, and 15% by mass of polyamideimide as a binder % And N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent were mixed and dispersed with a hybrid mixer to prepare a paste-like negative electrode slurry. Using a comma roll coater, a negative electrode mixture layer was applied to the surface of the rolled copper foil (
なお、負極合剤層に含まれるリチウムイオン二次電池用負極活物質重量(目付け量)は、負極活物質に応じて適宜変更した。負極活物質としてケイ素を用いた場合は、1.4mg・cm−2、ケイ素酸化物を用いた場合は、3.3mg・cm−2とした。 The weight (weight per unit area) of the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery contained in the negative electrode mixture layer was appropriately changed according to the negative electrode active material. When silicon was used as the negative electrode active material, it was 1.4 mg · cm −2 , and when silicon oxide was used, it was 3.3 mg · cm −2 .
前記負極は、金型で19mm×23mmサイズの電極に打ち抜き、次いで残留溶媒の乾燥除去を目的として、熱処理炉にて30℃・min−1の昇温速度で150℃まで昇温し、6時間保持した後に室温まで急冷させることで、実施例および比較例に係るリチウムイオン二次電池用負極をそれぞれ得た。なお、前記の熱処理は減圧下の真空中にて実施した。 The negative electrode was punched into a 19 mm × 23 mm size electrode with a mold, and then heated to 150 ° C. at a temperature increase rate of 30 ° C. · min −1 in a heat treatment furnace for 6 hours for the purpose of drying and removing the residual solvent. The negative electrodes for lithium ion secondary batteries according to the examples and the comparative examples were obtained by rapidly cooling to room temperature after being held. The heat treatment was performed in a vacuum under reduced pressure.
(リチウムイオン二次電池用正極の作製)
リチウムイオン二次電池用正極活物質としてニッケルコバルト酸リチウム(NCA)を96質量%と、導電助剤としてケッチェンブラックを2質量%と、バインダーとしてPVdFを2質量%と、N−メチル−2−ピロリドンの溶媒とを混合分散させて、ペースト状の正極スラリーを作製した。そして、コンマロールコーターを用いて、この正極スラリーをアルミニウム箔(厚さ20μm)の表面に所定の厚みで正極合剤層を塗布した。100℃の乾燥炉内にて負極合剤層中のN−メチル−2−ピロリドン溶媒を乾燥除去させた後、アルミニウム箔の裏面側にも同様の手順で正極合剤層を塗布した。そして、前記の正極合剤層が形成された正極をロールプレス機によって、正極合剤層をアルミニウム箔の両面に圧着させ、所定の密度を有する正極を作製した。
(Preparation of positive electrode for lithium ion secondary battery)
96% by mass of lithium nickel cobaltate (NCA) as a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, 2% by mass of ketjen black as a conductive additive, 2% by mass of PVdF as a binder, N-methyl-2 -A pyrrolidone solvent was mixed and dispersed to prepare a paste-like positive electrode slurry. Then, using a comma roll coater, this positive electrode slurry was applied to the surface of an aluminum foil (
なお、正極合剤層に含まれるリチウムイオン二次電池用正極活物質重量(目付け量)は、24mg・cm−2とした。 The weight (weight per unit area) of the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery contained in the positive electrode mixture layer was 24 mg · cm −2 .
前記の正極は、金型を用いて18mm×22mmの電極サイズに打ち抜き、リチウムイオン二次電池用正極を作製した。 The positive electrode was punched into an electrode size of 18 mm × 22 mm using a mold to produce a positive electrode for a lithium ion secondary battery.
(リチウムイオン二次電池の作製)
実施例および比較例に係るリチウムイオン二次電池は、前記に作製したリチウムイオン二次電池用負極と、リチウムイオン二次電池用正極と、厚さ16μmの22mm×23mmサイズのポリエチレン製のセパレーターを介して積層し、電極積層体を作製した。これを電極体1層とし、同様の作製方法にて4層で構成された電極積層体を作製した。なお、前記負極および正極は、両面に各合剤層を備えているため、負極3枚と正極2枚とセパレーター4枚とで構成されている。さらに、前記の電極積層体の負極において、負極合剤層を設けていない銅箔の突起端部にニッケル製の負極リードを取り付け、一方、電極積層体の正極においては、正極合剤層を設けていないアルミニウム箔の突起端部にアルミニウム製の正極リードを超音波融着機によって取り付けた。そしてこの電極積層体を、外装体用のアルミニウムのラミネートフィルムに融着させ、前記のラミネートフィルムを折り畳むことで前記の電極体を外装体内に挿入させた。外装体周囲の1辺を除いてヒートシールすることにより閉口部を形成し、この開口部より、FEC:DECが3:7の体積割合で配合された溶媒中に、リチウム塩としてLiPF6が1mol・L−1となるように添加された電解液を注入した。そして、前記の外装体の開口部を真空シール機によって減圧しながらヒートシールで密封し、実施例および比較例に係るラミネートタイプのリチウムイオン二次電池をそれぞれ作製した。なお、リチウムイオン二次電池の作製は、ドライルーム内で行った。
(Production of lithium ion secondary battery)
The lithium ion secondary batteries according to the examples and comparative examples were prepared by using the negative electrode for a lithium ion secondary battery, a positive electrode for a lithium ion secondary battery, and a polyethylene separator having a thickness of 16 μm and a size of 22 mm × 23 mm. Thus, an electrode laminate was produced. This was used as one electrode body, and an electrode laminate composed of four layers was produced by the same production method. In addition, since the said negative electrode and a positive electrode are equipped with each mixture layer on both surfaces, they are comprised by 3 negative electrodes, 2 positive electrodes, and 4 separators. Furthermore, in the negative electrode of the electrode laminate, a negative electrode lead made of nickel is attached to the protruding end of the copper foil not provided with the negative electrode mixture layer, while the positive electrode mixture layer is provided in the positive electrode of the electrode laminate. The positive electrode lead made of aluminum was attached to the protruding end portion of the aluminum foil that was not formed by an ultrasonic fusion machine. Then, this electrode laminate was fused to an aluminum laminate film for an exterior body, and the laminate film was folded to insert the electrode body into the exterior body. A closed portion is formed by heat-sealing except for one side around the exterior body. From this opening, 1 mol of LiPF 6 is used as a lithium salt in a solvent containing FEC: DEC in a volume ratio of 3: 7. -The electrolyte solution added so that it might become L- 1 was inject | poured. And the opening part of the said exterior body was sealed by heat sealing, reducing pressure with a vacuum sealing machine, and the laminate type lithium ion secondary battery which concerns on an Example and a comparative example was produced, respectively. The lithium ion secondary battery was manufactured in a dry room.
前記作製した実施例および比較例に係るリチウムイオン二次電池は、25℃の環境下において、0.2Cレートの定電流で4.2Vの電池電圧になるまで定電流定電圧充電(CC−CV充電)を行い、その後、0.5Cレートの定電流で2.5Vの電池電圧になるまで放電させた。上記の充電と放電を1サイクルとし、これを100サイクル繰り返した後の放電容量維持率を充放電サイクル特性として評価した。 The lithium ion secondary batteries according to Examples and Comparative Examples prepared above are constant current and constant voltage charging (CC-CV) until a battery voltage of 4.2 V is obtained at a constant current of 0.2 C rate in an environment of 25 ° C. The battery was discharged until a battery voltage of 2.5 V was reached at a constant current of 0.5 C rate. The charge and discharge described above were regarded as one cycle, and the discharge capacity retention rate after repeating this for 100 cycles was evaluated as charge / discharge cycle characteristics.
さらに実施例および比較例に係るリチウムイオン二次電池のガス発生量は、アルキメデス法の以下の計算式によって充放電前と充放電後のリチウムイオン二次電池セルの体積をそれぞれ算出し、充放電前後のセルの体積の差分をガス発生量とした。
リチウムイオン二次電池セルの体積(cm3)=(大気中でのセル重量(g)−充放電前の水中での重量(g))÷水の密度(g・cm−3)
Further, the gas generation amount of the lithium ion secondary battery according to the example and the comparative example is calculated by calculating the volume of the lithium ion secondary battery cell before and after charging and discharging by the following calculation formula of the Archimedes method, respectively. The difference in volume between the front and rear cells was taken as the gas generation amount.
Volume of lithium ion secondary battery cell (cm 3 ) = (cell weight in air (g) −weight in water before charge / discharge (g)) ÷ density of water (g · cm −3 )
さらに実施例および比較例に係るリチウムイオン二次電池のセルの膨張率は、充放電前と100サイクル後のセルの厚みを測定し、以下の式から算出した。
膨張率(%)=(100サイクル後のセル厚み−充放電前のセル厚み)÷充放電前のセル厚み×100
Furthermore, the expansion coefficient of the cell of the lithium ion secondary battery which concerns on an Example and a comparative example measured the thickness of the cell before charging / discharging and 100 cycles after, and computed it from the following formula | equation.
Expansion rate (%) = (cell thickness after 100 cycles−cell thickness before charge / discharge) ÷ cell thickness before charge / discharge × 100
(結果)
代表として実施例2(実線)と比較例2(破線)に係るカゼインナトリウムのFT−IRスペクトルを図2にそれぞれ示す。実施例2に係るカゼインナトリウムでは、それぞれ1640cm−1、1520cm−1、1225cm−1付近にタンパク質に帰属するアミドI、アミドII、アミドIIIの吸収スペクトルの他に、1160cm−1、1270cm−1にCF3におけるC−F伸縮振動に帰属するピークが確認された。一方、比較例2に係るカゼインナトリウムでは、前記アミドI、アミドII、アミドIIIの吸収スペクトルは確認できるものの、前記のC−F伸縮振動に帰属する吸収スペクトルは確認されなかった。上記結果より、実施例2に係るカゼインナトリウムでは、フッ素を含む官能基、つまり2,2,2,−トリフルオロエチル基が修飾されていることが確認された。
(result)
As representative examples, FT-IR spectra of sodium caseinate according to Example 2 (solid line) and Comparative Example 2 (broken line) are shown in FIG. The sodium caseinate according to the second embodiment, respectively 1640 cm -1, 1520 cm -1, amide attributable to the protein in the vicinity of 1225 cm -1 I, amide II, in addition to the absorption spectrum of the amide III, 1160 cm -1, the 1270 cm -1 A peak attributed to CF stretching vibration in CF 3 was confirmed. On the other hand, in casein sodium according to Comparative Example 2, although absorption spectra of the amide I, amide II, and amide III can be confirmed, an absorption spectrum attributed to the CF stretching vibration was not confirmed. From the above results, it was confirmed that in casein sodium according to Example 2, the functional group containing fluorine, that is, 2,2,2, -trifluoroethyl group, was modified.
さらに実施例1〜6および比較例1〜4に係るリチウムイオン二次電池の電池特性の結果を表1に示す。なお、ガス発生量、ラミネートセルの膨張率、充放電サイクル特性、については、比較例1の測定結果をそれぞれ100%として、比較例1の結果に対する相対比として実施例1〜6、比較例2〜4の結果を示す。 Furthermore, the result of the battery characteristic of the lithium ion secondary battery which concerns on Examples 1-6 and Comparative Examples 1-4 is shown in Table 1. In addition, about the gas generation amount, the expansion rate of a laminate cell, and the charge / discharge cycle characteristics, the measurement results of Comparative Example 1 are each set to 100%, and the relative ratios to the results of Comparative Example 1 are Examples 1 to 6 and Comparative Example 2. Results of ~ 4 are shown.
ケイ素の表面に2,2,2,−トリフルオロエチル基および/またはトリフルオロアセチル基で修飾させたカゼインナトリウムを被覆させた実施例1〜3のリチウムイオン二次電池では、比較例1〜2よりもガス発生量が抑止され、膨張率も抑制された。また充放電サイクル特性においても、より優れる結果となった。さらに、2,2,2,−トリフルオロエチル基で修飾したアルブミン、リゾチーム、グロブリンを被覆させた実施例4〜6においても、同様の効果が確認された。2,2,2,−トリフルオロエチル基で修飾させたカルボキシルメチルセルロースを被覆させた比較例3のリチウムイオン二次電池は、ガス発生量は若干低減されたが、充放電サイクル特性は比較例1と同等であった。また、フルオロ基を有するポリフッ化ビニリデンを被覆させた比較例4は、ガス発生量も多く、セルの膨張率ならびに充放電サイクル特性は実施例1〜6よりも劣る結果となった。 In the lithium ion secondary batteries of Examples 1-3 in which the surface of silicon was coated with sodium caseinate modified with 2,2,2, -trifluoroethyl group and / or trifluoroacetyl group, Comparative Examples 1-2 As a result, the gas generation amount was suppressed and the expansion rate was also suppressed. In addition, the charge / discharge cycle characteristics were more excellent. Furthermore, the same effect was confirmed also in Examples 4 to 6 in which albumin, lysozyme, and globulin modified with 2,2,2, -trifluoroethyl groups were coated. In the lithium ion secondary battery of Comparative Example 3 coated with carboxymethyl cellulose modified with 2,2,2, -trifluoroethyl group, the gas generation amount was slightly reduced, but the charge / discharge cycle characteristics were Comparative Example 1. It was equivalent. Moreover, the comparative example 4 which coat | covered the polyvinylidene fluoride which has a fluoro group also had much gas generation amount, and became a result inferior to the Examples 1-6 in the expansion coefficient and charging / discharging cycling characteristics of a cell.
実施例7〜14および比較例1に係るリチウムイオン二次電池の電池特性を表2に示す。なお、ガス発生量、ラミネートセルの膨張率、充放電サイクル特性、については、比較例1の測定結果をそれぞれ100%として、比較例1の結果に対する相対比として実施例7〜14の結果を示す。ケイ素の表面に、2,2,2,−トリフルオロエチル基でカルボキシ基を修飾したカゼインナトリウムを種々の被覆量で被覆した実施例7〜14のリチウムイオン二次電池では、比較例1よりもガス発生量と膨張率が抑制され、さらに充放電サイクル特性も優れた。特に前記カゼインナトリウムの被覆量が、0.1〜10質量%である場合、膨張率の抑制と充放電サイクル特性の双方で、より優れる結果となった。 Table 2 shows the battery characteristics of the lithium ion secondary batteries according to Examples 7 to 14 and Comparative Example 1. In addition, about the amount of gas generation, the expansion coefficient of a laminate cell, and the charge / discharge cycle characteristics, the measurement results of Comparative Example 1 are each 100%, and the results of Examples 7 to 14 are shown as relative ratios to the results of Comparative Example 1. . In the lithium ion secondary batteries of Examples 7 to 14 in which sodium caseinate whose carboxy group was modified with 2,2,2, -trifluoroethyl group was coated on the surface of silicon at various coating amounts, the lithium ion secondary batteries of Examples 7 to 14 Gas generation amount and expansion rate were suppressed, and charge / discharge cycle characteristics were also excellent. In particular, when the amount of sodium caseinate was 0.1 to 10% by mass, both the suppression of the expansion rate and the charge / discharge cycle characteristics were more excellent.
実施例15〜22および比較例5に係るリチウムイオン二次電池の電池特性を表3に示す。なお、ガス発生量、ラミネートセルの膨張率、充放電サイクル特性、については、比較例5の測定結果をそれぞれ100%として、比較例5の結果に対する相対比として実施例15〜22、比較例6の結果を示す。負極活物質をケイ素酸化物に変更した場合においても、トリフルオロエチル基でカルボキシル基を修飾したカゼインナトリウムを被覆した実施例15〜22のリチウムイオン二次電池では、比較例5〜6よりガス発生量、膨張率、充放電サイクル特性のそれぞれでより優れる結果となった。 Table 3 shows the battery characteristics of the lithium ion secondary batteries according to Examples 15 to 22 and Comparative Example 5. In addition, about the gas generation amount, the expansion coefficient of the laminate cell, and the charge / discharge cycle characteristics, the measurement results of Comparative Example 5 were set to 100%, respectively, and Examples 15 to 22 and Comparative Example 6 were used as relative ratios to the results of Comparative Example 5. The results are shown. Even when the negative electrode active material was changed to silicon oxide, in the lithium ion secondary batteries of Examples 15 to 22 coated with sodium caseinate having a carboxyl group modified with a trifluoroethyl group, gas was generated from Comparative Examples 5 to 6. It became the result which was more excellent in each of quantity, an expansion coefficient, and charging / discharging cycling characteristics.
以上の結果から、ここに開示される技術によれば、ケイ素、ケイ素酸化物の表面の少なくとも一部に、フッ素を含む官能基で修飾したタンパク質を被覆したリチウムイオン二次電池用負極活物質、ならびに前記リチウムイオン二次電池用負極活物質を用いた負極およびリチウムイオン二次電池は、リチウムイオン二次電池の充放電に伴うガス発生量およびセルの体積膨張が抑制され、さらに優れた充放電サイクル特性を実現することができる。 From the above results, according to the technology disclosed herein, a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery in which at least a part of the surface of silicon or silicon oxide is coated with a protein modified with a functional group containing fluorine, In addition, the negative electrode and the lithium ion secondary battery using the negative electrode active material for the lithium ion secondary battery are further improved in charge and discharge because the gas generation amount and the cell volume expansion accompanying the charge and discharge of the lithium ion secondary battery are suppressed. Cycle characteristics can be realized.
以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態および実施例は例示にすぎず、ここに開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail, the said embodiment and Example are only illustrations and what changed and modified the above-mentioned specific example is included in the invention disclosed here.
100・・・リチウムイオン二次電池、10・・・正極(同義:リチウムイオン二次電池用正極)、12・・・正極集電体、14・・・正極合剤層、60・・・正極リード、
20・・・負極(同義:リチウムイオン二次電池用負極)、22・・・負極集電体、24・・・負極合剤層、62・・・負極リード、18・・・セパレーター、30・・・電極体、50・・・外装体
DESCRIPTION OF
20 ... Negative electrode (synonymous: negative electrode for lithium ion secondary battery), 22 ... Negative electrode current collector, 24 ... Negative electrode mixture layer, 62 ... Negative electrode lead, 18 ... Separator, 30. ..Electrode body, 50 ... exterior body
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