JP2019207797A - Secondary battery - Google Patents

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Abstract

To perform an excellent secondary battery performance for a negative electrode comprising an anode activator containing a silicon-based material and a graphite, and a conductive agent.SOLUTION: A secondary battery is formed by including an anode activator (a silicon-based material and graphite), a conductive agent, a negative electrode with a binder, and a fluoroethylene carbonate as an electrolyte, and the negative electrode is achieved by adopting a polyvinyl pyrrolidone (PVP) or a negative electrode additive agent consisting of the polyvinyl pyrrolidone as a main component.SELECTED DRAWING: None

Description

発明の分野Field of Invention

本発明は、二次電池、特に、特徴的な負極を備えた二次電池に関する。   The present invention relates to a secondary battery, and particularly to a secondary battery having a characteristic negative electrode.

近年、モバイルツール、電気モーターの開発及び普及に伴って、高容量のエネルギー源が求められており、その代表的な例として、二次電池が挙げられる。特に、リチウムイオン二次電池は、平均動作電圧が高く、高容量である為、モバイル及び定置型パーソナルコンピューター(PC)のみならず、車両用途(例えば、自動車、バイク、バス等)において急激な実用化が進んでいる。   In recent years, with the development and popularization of mobile tools and electric motors, a high-capacity energy source has been demanded, and a typical example is a secondary battery. In particular, lithium ion secondary batteries have a high average operating voltage and high capacity, so they are rapidly used not only for mobile and stationary personal computers (PCs) but also for vehicle applications (for example, automobiles, motorcycles, buses, etc.). Is progressing.

此処数年、一酸化ケイ素(SiO)等のケイ素系物質に、黒鉛を混合した負極活物質を使用した二次電池が提案されている。(特許文献1:特開2014−67581号、特許文献2:特表2015-503836号、特許文献3:特開2015-165482号)。特に、今後、電気車両の航続距離をさらに伸ばす為には、黒鉛に混合するケイ素系物質の割合を高めていくことが必要となる。   In recent years, secondary batteries using a negative electrode active material in which graphite is mixed with a silicon-based material such as silicon monoxide (SiO) have been proposed. (Patent Document 1: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-67581, Patent Document 2: Japanese Translation of PCT International Publication No. 2015-503836, Patent Document 3: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-165482). In particular, in order to further increase the cruising distance of electric vehicles in the future, it will be necessary to increase the proportion of silicon-based materials mixed with graphite.

しかし、ケイ素系物質の充電時の膨張率は、ケイ素系物質の構成要素、結晶構造等によって様々な値を呈するが、黒鉛と比較して数倍高いものであり、充放電によって活物質内にクラックが発生し、微粉化が生じて、導電パスが欠如し、その結果、充放電を繰り返す度に活物質の利用率が減少し、容量劣化の原因となる。   However, the expansion rate during charging of a silicon-based material exhibits various values depending on the component of the silicon-based material, the crystal structure, etc., but is several times higher than that of graphite. Cracks occur, pulverization occurs, and the conductive path is lost. As a result, the utilization rate of the active material is reduced every time charging and discharging are repeated, causing capacity deterioration.

クラックの発生及び微粉化を抑制する為に、ケイ素系物質をアモルファス化し、粒子の割れを抑制することは可能ではあるが、その一方で、充電時に、リチウムとの合金化により粒子の体積及び表面積は確実に大きくなることが認められる。   In order to suppress the generation and micronization of cracks, it is possible to make the silicon-based material amorphous and suppress the cracking of the particles. On the other hand, during charging, the volume and surface area of the particles can be reduced by alloying with lithium. It is recognized that it will definitely grow.

また、二次電池の高容量及び寿命特性の改善、並びに充放電電極の厚みの均一性維持等を図る為に、負極活物質(特に、ケイ素系物質及び黒鉛)と導電剤との均一な混合が必要である。   In addition, in order to improve the high capacity and life characteristics of the secondary battery and to maintain the uniformity of the thickness of the charge / discharge electrode, uniform mixing of the negative electrode active material (especially silicon-based material and graphite) and the conductive agent is performed. is required.

このような要求に対して、水系バインダーとしてスチレンブタジエンゴム(SBR)を用いて、或は、カルボキシメチルセルロース(CMC)等の増粘剤とを併用し、電極活物質と、導電剤とを一緒に固練りを行った所、溶剤系を用いた混合と比較して十分な分散性が得られなかった。しかも、得られた負極は、電解質との含浸性(濡れ性)及び保液性が非常に悪く、この負極を用いた二次電池は、その電気化学的性能を十分に発揮させることができなかった。特に、電極活物質として、黒鉛に比べて導電性が低いケイ素系物質を用いた二次電池にあっては、その初期数サイクルは、その特性を100%活用発揮させることができず、その結果、二次電池の容量が低下し、又は複数の二次電池間での容量にバラツキ(偏差)が生じた。   In response to such demands, styrene butadiene rubber (SBR) is used as an aqueous binder, or a thickener such as carboxymethyl cellulose (CMC) is used in combination, and the electrode active material and the conductive agent are combined together. When the mixture was kneaded, sufficient dispersibility was not obtained as compared with mixing using a solvent system. In addition, the obtained negative electrode has very poor impregnation (wetability) and liquid retention with an electrolyte, and a secondary battery using this negative electrode cannot fully exhibit its electrochemical performance. It was. In particular, in a secondary battery using a silicon-based material that has a lower conductivity than graphite as an electrode active material, the initial few cycles cannot fully utilize its characteristics, and as a result The capacity of the secondary battery decreased, or the capacity (deviation) varied among the plurality of secondary batteries.

また、リチウム二次電池は、最初の充放電時に負極の表面に固体電解質界面(solid electrolyte interface:SEI)被膜を形成させることが知られている。特に、負極活物質として、ケイ素系物質を用いた場合、安定なSEI被膜を形成するために、電解液としてフルオロエチレンカーボネート(FEC)を使用することが提案されている(特許文献4:特開2006−86058号、特許文献5:特開2013−69503号)。黒鉛の場合には、初回充電時にSEI被膜が形成されれば、その後の充電時に電解液との副反応が起こりにくく、安定に充放電を繰り返すことができる。しかし、負極活物質として、ケイ素系物質を採用する場合、充電時の膨張に伴うクラック及び表面積の増大によりSEI被膜の破壊が起こり、ケイ素系物質の新生面が露出するといった現象が生じる。さらに、充放電が進行すると、ケイ素系物質中に含まれるケイ素がケイ素系物質から分離して活物質粒子表面に多く現れるようになる。   Further, it is known that a lithium secondary battery forms a solid electrolyte interface (SEI) film on the surface of the negative electrode during the first charge / discharge. In particular, when a silicon-based material is used as the negative electrode active material, it has been proposed to use fluoroethylene carbonate (FEC) as an electrolytic solution in order to form a stable SEI film (Patent Document 4: Japanese Patent Laid-Open No. 2004-208867). 2006-86058, Patent Document 5: JP 2013-69503 A). In the case of graphite, if a SEI film is formed during the initial charge, side reactions with the electrolyte hardly occur during subsequent charging, and charging and discharging can be stably repeated. However, when a silicon-based material is used as the negative electrode active material, a phenomenon occurs in which the SEI film is destroyed due to an increase in cracks and surface area associated with expansion during charging, and a new surface of the silicon-based material is exposed. Furthermore, when charge / discharge progresses, silicon contained in the silicon-based material is separated from the silicon-based material and appears more on the surface of the active material particles.

このため、FECを添加した電解液を用いても、充放電の繰り返しによって生じる前記新生面において、充電毎にケイ素と電解液が反応してFECが消費されるため、ケイ素系物質を大量に含有する電極にあっては、ケイ素の含有量に比例して、FECの含有量をも増加させる必要がある。   For this reason, even when an electrolytic solution to which FEC is added is used, the silicon and the electrolytic solution are reacted and FEC is consumed for each charge on the new surface generated by repeated charging and discharging, so that a large amount of silicon-based material is contained. In the electrode, it is necessary to increase the FEC content in proportion to the silicon content.

しかし、FECは、エチレンカーボネート(EC)、ジエチレンカーボネート(DEC)、プロピレンカーボネート(PC)等の汎用電解液溶媒と比較して粘度が高いため、FECの含有量が増加すると、電解質の含浸性(濡れ性)及び保液性が低下し、二次電池の初期容量が設計通りに発揮されず、電池容量が低下すると共に、電池セル間の容量のバラツキ(偏差)の原因となる。   However, since FEC has a higher viscosity than general-purpose electrolyte solvents such as ethylene carbonate (EC), diethylene carbonate (DEC), and propylene carbonate (PC), when the content of FEC increases, electrolyte impregnation ( The wettability) and the liquid retaining property are lowered, the initial capacity of the secondary battery is not exhibited as designed, the battery capacity is lowered, and the battery capacity is varied (deviation).

また、負極活物質として、ケイ素系物質と黒鉛との混合物を用いる場合、黒鉛が疎水性物質である為、より一層、電解液の含浸性(濡れ性)及保液性が低下することとなる。さらに、ケイ素系物質に導電性を付与する為、その表面を炭素被覆することが提案されているが(特許文献6:特開2015−210959)、この場合、ケイ素系物質表面も疎水性になり、より一層、FECを含有した電解液の含浸性(濡れ性)及び保液性を低下する結果となる。   In addition, when a mixture of a silicon-based material and graphite is used as the negative electrode active material, since graphite is a hydrophobic material, the impregnation property (wetting property) and liquid retention of the electrolyte solution are further reduced. . Furthermore, in order to impart conductivity to the silicon-based material, it has been proposed to coat the surface with carbon (Patent Document 6: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-210959). In this case, the surface of the silicon-based material also becomes hydrophobic. As a result, the impregnation property (wetting property) and the liquid retention property of the electrolytic solution containing FEC are further reduced.

そのため、FECの含有量が増加する程、特に充電初期において、電極及び電極活物質に電解液を十分に保液することが困難となり、設計容量が十分に発現されないことがある。また、電極内における電解液の成分の偏り、特にFECの分布に偏りが生じると、ケイ素系物質表面において、FECによるSEI被膜の形成が不十分な部分から、繰り返し充電による容量劣化が生じやすくなる。このことから、電極を製造し、二次電池を組み立てた後、電解質の含浸性(濡れ性)及び保液性を高めるためるためには、非常に多くのエージング時間を必要とし、二次電池製造の経費が嵩み、また、製造時間が掛かり、その結果、経済性及び生産性に欠けることとなる。   Therefore, as the content of FEC increases, it becomes difficult to sufficiently retain the electrolyte in the electrode and the electrode active material, particularly in the initial stage of charging, and the design capacity may not be sufficiently developed. Also, if the components of the electrolyte solution in the electrode are biased, particularly the FEC distribution, the capacity deterioration due to repeated charging tends to occur from the portion where the SEI film is not sufficiently formed by FEC on the surface of the silicon-based material. . From this, after manufacturing the electrode and assembling the secondary battery, in order to improve the electrolyte impregnation property (wetting property) and liquid retention, a very long aging time is required. Cost and manufacturing time, resulting in lack of economy and productivity.

また、ケイ素系物質、黒鉛、導電剤を含む負極を製造する場合、ケイ素系物質を均一に分散し、電極全体の膨張率を均一にすることが望ましい。また、ケイ素系物質の電子伝導性は非常に低いため、黒鉛だけを負極活物質に使用する場合と比べて、導電剤の分散性を向上させる必要がある。更には、ケイ素系物質に選択的に導電剤が可能な限り付着していることが好ましい。   Moreover, when manufacturing the negative electrode containing a silicon-type substance, graphite, and a electrically conductive agent, it is desirable to disperse | distribute a silicon-type substance uniformly and to make the expansion coefficient of the whole electrode uniform. Further, since the electronic conductivity of the silicon-based material is very low, it is necessary to improve the dispersibility of the conductive agent as compared with the case where only graphite is used as the negative electrode active material. Furthermore, it is preferable that the conductive agent is selectively attached to the silicon-based material as much as possible.

よって、今尚、ケイ素系活物質及び黒鉛活物質、導電剤を備えた負極と、電解質としてFECを採用した二次電池にあって、優れた負極特性及び電解質特性を発揮させるために効果的な負極用添加剤を備えた二次電池の開発が要求されている。   Therefore, there is still a negative electrode including a silicon-based active material, a graphite active material, and a conductive agent, and a secondary battery adopting FEC as an electrolyte, which is effective for exhibiting excellent negative electrode characteristics and electrolyte characteristics. Development of a secondary battery equipped with an additive for negative electrode is required.

特開2014−67581号公報JP 2014-67581 A 特表2015-503836号公報JP-T-2015-503836 特開2015-165482号公報JP 2015-165482 A 特開2006−086058号公報JP 2006-086058 A 特開2013−069503号公報JP 2013-0669503 A 特開2015−210959号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-210959

本発明は、負極活物質としてのケイ素系物質及び黒鉛と、電解質としてFECを採用した二次電池において、負極用添加剤としてポリビニルピロリドン(PVP)を含んでなる負極を採用することにより、負極に対して優れた親水性付与効果を与え、負極に対する電解質(FEC含有)の含浸性(濡れ性)及び保液性を高めると共に、負極中にケイ素系活物質と導電剤とが均一に分散することができ、その結果、負極活物質の利用率が100%となり、設計した所望の電池容量が初期充放電時に確実に得られるため、複数の二次電池間の電池容量のバラつき(偏差)が低減されるとの知見を得た。本発明はまた、この負極においては、PVPが分散剤としても優れた効果を発揮するため、複数の負極活物質及び導電剤が均一に分散されることにより、充放電に伴う電極厚みの変化を電極内の部位に依らず均一にし、二次電池の歪み及び電流集中等が起こり難くなり、寿命特性の向上が図れる、との知見を得た。   The present invention provides a negative electrode comprising polyvinyl pyrrolidone (PVP) as a negative electrode additive in a secondary battery adopting a silicon-based material and graphite as a negative electrode active material and FEC as an electrolyte. Gives excellent hydrophilicity to the negative electrode, improves the impregnation (wetability) and liquid retention of the electrolyte (containing FEC) to the negative electrode, and uniformly disperses the silicon-based active material and the conductive agent in the negative electrode. As a result, the utilization factor of the negative electrode active material becomes 100%, and the desired battery capacity designed can be obtained reliably during initial charge / discharge, thus reducing the variation (deviation) in battery capacity between multiple secondary batteries. I got the knowledge to be. In the present invention, since the PVP exhibits an excellent effect as a dispersant in the negative electrode, a plurality of negative electrode active materials and a conductive agent are uniformly dispersed, so that a change in the electrode thickness due to charge / discharge can be reduced. We obtained the knowledge that it is uniform regardless of the position in the electrode, and the secondary battery is less likely to be distorted and current is concentrated, and the life characteristics can be improved.

〔本発明の一の態様〕
本発明の一の態様は以下の通りである。
〔1〕 二次電池であって、
正極と、負極と、前記正極と前記負極との間におけるセパレータと、電解質とを備えてなり、
前記負極が、負極用添加剤と、負極活物質と、導電剤と、バインダーとを含んでなり、
前記負極用添加剤が、ポリビニルピロリドンであり、又は、主成分としてポリビニルピロリドンを含んでなるものであり、
前記負極用添加剤が、親水剤、分散剤、及び電解質含浸(促進)剤又は電解質保液剤であり、
前記電解質が、フルオロエチレンカーボネートであり、又は、主成分としてフルオロエチレンカーボネートを含んでなるものである、二次電池。
〔2〕 前記負極添加剤の含有量は、前記負極の全質量を基準にして、0質量%超過5.0質量%以下であることを特徴とする、〔1〕に記載の二次電池。
〔3〕 前記ケイ素系物質は、ケイ素粉末、ケイ素合金、ケイ素酸化物(SiOx〔x=1〜4〕)、アモルファスケイ素粉末、ケイ素ナノファイバー、ケイ素ナノワイヤー;前記ケイ素系物質と、黒鉛、カーボンナノチューブ(CNT)又はグラフェンから選択される炭素材料との複合体;リチウムをドープした前記ケイ素系物質からなる群から選択される一種又は二種以上の混合物である、〔1〕又は〔2〕に記載の二次電池。
〔4〕 前記ケイ素系物質の含有量は、前記負極の全質量を基準にして、2質量%超過50質量%以下である、〔1〕〜〔3〕の何れか一項に記載の二次電池。
〔5〕 前記ケイ素系物質の平均粒径(MV)は、0.1μm以上15μm以下である、〔1〕〜〔4〕の何れか一項に記載の二次電池。
〔6〕 前記黒鉛は、天然黒鉛、人造黒鉛、又はこれらの混合物である、〔1〕〜〔5〕の何れか一項に記載の二次電池。
〔7〕 前記黒鉛の含有量は、前記二次電池の全質量を基準にして、0質量%超過98質量%以下である、〔1〕〜〔6〕の何れか一項に記載の二次電池。
〔8〕 前記黒鉛の平均粒径(MV)は、3μm以上30μm以下である、〔1〕〜〔7〕の何れか一項に記載の二次電池。
〔9〕 前記黒鉛と前記ケイ素系物質との平均粒径(MV)の比(黒鉛/ケイ素系物質)は、少なくとも2倍以上である、〔1〕〜〔8〕の何れか一項に記載の二次電池。
〔10〕 前記導電剤は、炭素繊維又は金属繊維である、〔1〕〜〔9〕の何れか一項に記載の二次電池。
〔11〕 前記導電剤の含有量は、前記負極の全質量を基準にして、0質量%超過5質量%以下である、〔1〕〜〔10〕の何れか一項に記載の二次電池。
[One embodiment of the present invention]
One aspect of the present invention is as follows.
[1] A secondary battery,
A positive electrode, a negative electrode, a separator between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte;
The negative electrode comprises a negative electrode additive, a negative electrode active material, a conductive agent, and a binder,
The negative electrode additive is polyvinyl pyrrolidone, or comprises polyvinyl pyrrolidone as a main component,
The negative electrode additive is a hydrophilic agent, a dispersant, and an electrolyte impregnation (acceleration) agent or an electrolyte retention agent,
A secondary battery in which the electrolyte is fluoroethylene carbonate or contains fluoroethylene carbonate as a main component.
[2] The secondary battery according to [1], wherein the content of the negative electrode additive is 0% by mass and 5.0% by mass or less based on the total mass of the negative electrode.
[3] The silicon-based material is silicon powder, silicon alloy, silicon oxide (SiOx [x = 1 to 4]), amorphous silicon powder, silicon nanofiber, silicon nanowire; silicon-based material, graphite, carbon [1] or [2], which is a composite with a carbon material selected from nanotubes (CNT) or graphene; one or a mixture of two or more selected from the group consisting of the above silicon-based materials doped with lithium The secondary battery as described.
[4] The secondary content according to any one of [1] to [3], wherein the content of the silicon-based material is 2% by mass and 50% by mass or less based on the total mass of the negative electrode. battery.
[5] The secondary battery according to any one of [1] to [4], wherein an average particle size (MV) of the silicon-based material is 0.1 μm or more and 15 μm or less.
[6] The secondary battery according to any one of [1] to [5], wherein the graphite is natural graphite, artificial graphite, or a mixture thereof.
[7] The secondary content according to any one of [1] to [6], wherein a content of the graphite is 0% by mass and 98% by mass or less based on the total mass of the secondary battery. battery.
[8] The secondary battery according to any one of [1] to [7], wherein the graphite has an average particle size (MV) of 3 μm to 30 μm.
[9] The average particle diameter (MV) ratio (graphite / silicon-based material) between the graphite and the silicon-based material is at least twice or more, according to any one of [1] to [8]. Secondary battery.
[10] The secondary battery according to any one of [1] to [9], wherein the conductive agent is carbon fiber or metal fiber.
[11] The secondary battery according to any one of [1] to [10], wherein the content of the conductive agent is greater than 0% by mass and equal to or less than 5% by mass based on the total mass of the negative electrode. .

本発明によれば、優れた親水性、含浸性及び保液性付与効果を有するPVPを負極に含有することにより、負極活物質及び導電剤の表面を親水性にし、負極電極に対する電解質(特に、FECを含有)の含浸性(濡れ性)及び保液性を高めることができる。また、PVPは、負極内において、負極活物質及び導電剤等を均一に分散させる効果を付与する。その結果、初期充放電時に全ての負極活物質が活用されて、化学量論的に計算され設定される初期容量を十分に発現させることができ、かつ、複数の二次電池(セル)間における偏差を無くすことが可能となる。また、本発明によれば、負極活物質の偏在による電流集中によって生じるデンドライトの析出、並びに、負極内の電解質の濃度差による局所的なSEI被膜の有無及び圧膜化を抑制することが可能となり、二次電池の寿命特性を極めて高い次元で改善することができる。   According to the present invention, the negative electrode active material and the surface of the conductive agent are made hydrophilic by containing PVP having excellent hydrophilicity, impregnation property, and liquid retention imparting effect in the negative electrode, and the electrolyte for the negative electrode (particularly, Impregnation property (wetting property) and liquid retention property of FEC are improved. Moreover, PVP imparts an effect of uniformly dispersing the negative electrode active material, the conductive agent, and the like in the negative electrode. As a result, all the negative electrode active materials are utilized at the time of initial charge and discharge, and the initial capacity calculated and set stoichiometrically can be sufficiently expressed, and between a plurality of secondary batteries (cells). Deviations can be eliminated. In addition, according to the present invention, it is possible to suppress dendrite precipitation caused by current concentration due to uneven distribution of the negative electrode active material, and the presence or absence of a local SEI film and pressure film formation due to a difference in electrolyte concentration in the negative electrode. The life characteristics of the secondary battery can be improved at a very high level.

〔二次電池〕
本発明による二次電池は、負極において、特に、負極用添加剤と、負極活物質と、導電剤と、バインダーとを備えてなることに特徴を有する。
(負極用添加剤)
負極用添加剤は、負極の必須構成材である。好ましくは、負極用添加剤は、負極活物質(ケイ素系物質及び黒鉛)と、導電剤とを含んでなる負極に含有されるものである。そして、本発明にあっては、電解質(液)がフルオロエチレンカーボネート(FEC)を含んでなる二次電池において、負極用添加剤として好ましくは使用されるものである。
[Secondary battery]
The secondary battery according to the present invention is characterized in that, in the negative electrode, in particular, a negative electrode additive, a negative electrode active material, a conductive agent, and a binder are provided.
(Additive for negative electrode)
The additive for negative electrode is an essential constituent material of the negative electrode. Preferably, the negative electrode additive is contained in a negative electrode comprising a negative electrode active material (silicon-based material and graphite) and a conductive agent. In the present invention, the secondary battery in which the electrolyte (liquid) contains fluoroethylene carbonate (FEC) is preferably used as an additive for the negative electrode.

前記負極用添加剤は、負極構成成分に親水性を付与し、負極構成成分を分散させ、及び、負極に対する電解質(特に、FECを含有した電解液)の含浸(促進)性(濡れ性)及び保液性を向上させることが可能となる。即ち、負極用添加剤は、負極成分に親水性を付与し、負極成分を分散させ、又は負極に対する電解質の含浸(促進)性(濡れ性)及び保液性という機能又は作用を付与するものである。   The additive for a negative electrode imparts hydrophilicity to a negative electrode component, disperses the negative electrode component, and impregnation (promoting) property (wetting property) of an electrolyte (particularly, an electrolytic solution containing FEC) with respect to the negative electrode It becomes possible to improve liquid retention. That is, the negative electrode additive imparts hydrophilicity to the negative electrode component, disperses the negative electrode component, or imparts a function or action of electrolyte impregnation (acceleration) (wetability) and liquid retention to the negative electrode. is there.

よって、負極用添加剤は、より具体的には、二次電池負極に対して、親水性付与剤、負極成分(構成材)に対する分散性付与剤、及び負極に対する電解質の含浸性(促進)付与剤又は保液性付与剤である。即ち、負極用添加剤は、負極に対して付与される、親水剤、分散剤、及び電解質含浸(促進)剤又は電解質保液剤である。   Therefore, the negative electrode additive more specifically imparts hydrophilicity imparting agent, dispersibility imparting agent for the negative electrode component (constituent material), and electrolyte impregnation (acceleration) to the negative electrode to the secondary battery negative electrode. Agent or liquid retention agent. That is, the negative electrode additive is a hydrophilic agent, a dispersant, an electrolyte impregnation (acceleration) agent, or an electrolyte liquid retention agent that is imparted to the negative electrode.

(ポリビニルピロリドン:「PVP」)
負極用添加剤は、ポリビニルピロリドン(PVP)であり、又は、主成分としてポリビニルピロリドン(PVP)を含んでなるものである。PVPは、物質(材料)の表面を親水化する効果があり、また、樹脂等との相溶性が高いため、電池構成成分に対する分散剤として使用される。また、PVPは、粘度が高い電解液に対する負極の濡れ性、負極材料中のケイ素系物質、導電剤、バインダーの分散性を高めることが可能となる。また、PVPは、非イオン性の水溶性ポリマーであり、水溶性であり、低級溶剤溶解性、吸湿性、成膜性、及び耐塩性が高いものである。更に、PVPは、その水溶性及び溶剤溶解性により、水系バインダー及び溶剤系バインダーを用いる場合にも使用することが可能である。しかしながら、本発明にあっては、PVPは上記機能・作用を付与する負極用添加剤として使用するものであって、バインダー用途で使用されるものではなく、この意味において、バインダー用途とは峻別される。
(Polyvinylpyrrolidone: “PVP”)
The additive for negative electrodes is polyvinyl pyrrolidone (PVP) or comprises polyvinyl pyrrolidone (PVP) as a main component. PVP has an effect of hydrophilizing the surface of a substance (material), and has high compatibility with a resin or the like, so that it is used as a dispersant for battery constituent components. Moreover, PVP can improve the wettability of the negative electrode with respect to the electrolyte solution with high viscosity, and the dispersibility of the silicon-based substance, the conductive agent, and the binder in the negative electrode material. PVP is a nonionic water-soluble polymer, is water-soluble, and has high lower solvent solubility, hygroscopicity, film formability, and salt resistance. Furthermore, PVP can be used also when using a water-based binder and a solvent-based binder because of its water solubility and solvent solubility. However, in the present invention, PVP is used as an additive for the negative electrode that imparts the above functions and functions, and is not used for binder applications. In this sense, PVP is distinguished from binder applications. The

(負極用添加剤の調製)
負極用添加剤は、PVPそのものであってもよい。また、負極の製造容易性を考慮して、水と混合溶解した水溶液として調製されてよい。また、水以外に、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、エタノール等の溶媒(溶剤)にも溶解可能であることから、溶媒に溶解させた溶液として調製されてよい。又は、PVPを溶剤に混合し、溶媒に分散させた分散液形態として調製されてもよい。或いは、PVPを粉末形態で混合し、カルボキシルメチルセルロース(CMC)等の増粘剤水溶液を加えて混練した添加剤として調製されてもよい。
(Preparation of additive for negative electrode)
The negative electrode additive may be PVP itself. Further, in consideration of the ease of production of the negative electrode, it may be prepared as an aqueous solution mixed and dissolved with water. Moreover, since it can melt | dissolve in solvents (solvents), such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and ethanol other than water, you may prepare as a solution dissolved in the solvent. Or you may prepare as a dispersion liquid form which mixed PVP with the solvent and disperse | distributed to the solvent. Alternatively, it may be prepared as an additive in which PVP is mixed in a powder form and a thickener aqueous solution such as carboxymethyl cellulose (CMC) is added and kneaded.

負極用添加剤(PVP)の含有量は、負極の全質量を基準にして、0質量%超過5.0質量%以下であり、好ましくは0.1質量%以上であり、3.0質量%以下であってよく、より好ましくは0.3質量%以上であり、2.0質量%以下であってよい。   The content of the negative electrode additive (PVP) is 0% by mass over 5.0% by mass, preferably 0.1% by mass or more, and 3.0% by mass based on the total mass of the negative electrode. Or less, more preferably 0.3% by mass or more and 2.0% by mass or less.

負極用添加剤(PVP)の含有量が上記数値範囲にあることにより、即ち、上限値以下とすることにより、電池内の負極活物質量の割合が十分となり、所望の設計電池容量を実現することが可能となり、また、負極用添加剤(PVP)は不導体ではあるが、電池の内部抵抗を低く維持することが可能である。また、負極用添加剤(PVP)の含有量が下限値超過であることにより、ケイ素系物質が十分に分散し、電極内で偏析し難くなり、かつ、電解質に対する濡れ性又は保液性も十分に発揮させることが可能となる。
よって、負極用添加剤(PVP)の含有量が上記数値範囲にあることにより、電池容量、電池間容量偏差、寿命特性、電極膨張率に対して最も優れた効果を発揮させることが可能となる。
When the content of the negative electrode additive (PVP) is in the above numerical range, that is, when the content is not more than the upper limit value, the ratio of the amount of the negative electrode active material in the battery becomes sufficient, and a desired design battery capacity is realized. In addition, although the negative electrode additive (PVP) is a non-conductor, it is possible to keep the internal resistance of the battery low. In addition, when the content of the negative electrode additive (PVP) exceeds the lower limit value, the silicon-based material is sufficiently dispersed and segregation within the electrode is difficult, and the wettability or liquid retention of the electrolyte is sufficient. Can be demonstrated.
Therefore, when the content of the negative electrode additive (PVP) is in the above numerical range, it is possible to exert the most excellent effects on battery capacity, inter-battery capacity deviation, life characteristics, and electrode expansion coefficient. .

(負極活物質)
二次電池は、負極活物質として、ケイ素系物質と、黒鉛とを少なくとも含んでなる。
(Negative electrode active material)
The secondary battery includes at least a silicon-based material and graphite as a negative electrode active material.

〈ケイ素系物質(材料)〉
ケイ素系物質(材料)は、例えば、ケイ素粉末、ケイ素合金、ケイ素酸化物(SiOx〔x=1〜4〕)、アモルファスケイ素粉末、ケイ素ナノファイバー、ケイ素ナノワイヤー;前記ケイ素系物質と、黒鉛、カーボンナノチューブ(CNT)又はグラフェンから選択される炭素材料との複合体;リチウムを(予め)ドープした前記ケイ素系物質からなる群から選択される一種又は二種以上の混合物であってよい。
<Silicon-based substances (materials)>
The silicon-based substance (material) is, for example, silicon powder, silicon alloy, silicon oxide (SiOx [x = 1 to 4]), amorphous silicon powder, silicon nanofiber, silicon nanowire; the silicon-based substance, graphite, A composite with a carbon material selected from carbon nanotubes (CNT) or graphene; may be one or a mixture of two or more selected from the group consisting of the silicon-based materials doped with lithium in advance.

ケイ素系物質の含有量は、特に規定はしないが、容量と膨張率のバランスを考慮すると、負極の全質量を基準にして、2質量%超過50質量%以下であり、好ましくは2質量%以上であり、30質量%以下であってよい。   The content of the silicon-based material is not particularly defined, but considering the balance between capacity and expansion coefficient, it is more than 2% by mass and less than 50% by mass, preferably 2% by mass or more, based on the total mass of the negative electrode. It may be 30% by mass or less.

本発明にあっては、ケイ素系物質は粒子形態であってよく、この場合、ケイ素系物質の平均粒径は、0.1μm以上15μm以下であり、好ましくは0.5μm以上10μm以下である。   In the present invention, the silicon-based material may be in the form of particles. In this case, the average particle size of the silicon-based material is 0.1 μm or more and 15 μm or less, preferably 0.5 μm or more and 10 μm or less.

ケイ素系物質の平均粒径を上記数値範囲内にすることにより、即ち、ケイ素系物質は黒鉛に比べて充電による膨張率が高いため、ケイ素系物質の粒子サイズ(粒子径)を上記上限値以下において可能な限り小さくすることで、負極内で黒鉛間の空隙に配置させることが可能となり、二次電池膨張時の電極厚みを均一にすることができ、又は、ケイ素系物質の粒子サイズ(粒子径)を上記下限値以上とすることにより、比表面積の拡大を防止し、電解質との副反応を有意に抑制することができる。   By making the average particle size of the silicon-based material within the above numerical range, that is, since the silicon-based material has a higher expansion rate due to charging than graphite, the particle size (particle diameter) of the silicon-based material is below the above upper limit value. In the negative electrode, it can be arranged in the gap between the graphite, the electrode thickness when the secondary battery is expanded can be made uniform, or the particle size of the silicon-based material (particle By setting the (diameter) to be equal to or more than the above lower limit value, it is possible to prevent the specific surface area from expanding and to significantly suppress the side reaction with the electrolyte.

〈黒鉛〉
黒鉛(グラファイト)は、天然黒鉛、人造黒鉛、又はこれらの混合物であってもよい。天然黒鉛は、一般的に、人造黒鉛及びケイ素系物質と比べて柔らかく、固練りによってケイ素系物質とよく馴染むと共に、一部の黒鉛が劈開して導電剤としての役割を担うことができる。人造黒鉛自体の膨張率は天然黒鉛よりも低いため、人造黒鉛を用いた電極は電極全体の膨張率も小さくなるとの効果を有する。
<graphite>
The graphite (graphite) may be natural graphite, artificial graphite, or a mixture thereof. Natural graphite is generally softer than artificial graphite and silicon-based materials, and is well adapted to silicon-based materials by kneading, and some graphite can cleave to play a role as a conductive agent. Since the expansion coefficient of artificial graphite itself is lower than that of natural graphite, an electrode using artificial graphite has an effect that the expansion coefficient of the entire electrode is also reduced.

黒鉛の含有量は、負極の全質量を基準にして、0質量%超過98質量%以下であり、好ましくは50質量%以上であり70質量%以下であってよい。   The graphite content is 0% by mass over 98% by mass, preferably 50% by mass or more and 70% by mass or less, based on the total mass of the negative electrode.

本発明にあっては、黒鉛は粒子形態であってよく、黒鉛の平均粒径は、3μm以上30μm以下であり、好ましくは5μm以上であり20μm以下である。本願発明にあっては、好ましくは、黒鉛の平均粒径は、ケイ素系物質の平均粒径と比較して小さいものである。   In the present invention, the graphite may be in the form of particles, and the average particle size of the graphite is 3 μm or more and 30 μm or less, preferably 5 μm or more and 20 μm or less. In the present invention, preferably, the average particle diameter of graphite is smaller than the average particle diameter of the silicon-based material.

また、好ましい態様によれば、黒鉛とケイ素系物質との平均粒径の比(黒鉛/ケイ素系物質)は少なくとも2倍以上、好ましくは、3倍以上であることが好ましい。ケイ素系物質は黒鉛に比べて充電による膨張率が高いため、黒鉛とケイ素系物質との平均粒径の比が上記数値とすることにより、即ち、ケイ素系物質の粒子サイズ(粒子径)を黒鉛の粒子サイズ(粒子径)よりも可能な限り小さくすることで、ケイ素系物質を負極内で黒鉛間の空隙に配置させることが可能となり、二次電池膨張時の電極厚みを均一にすることができる。   According to a preferred embodiment, the ratio of the average particle diameter of graphite and silicon-based material (graphite / silicon-based material) is at least 2 times, preferably 3 times or more. Since the silicon-based material has a higher expansion coefficient due to charging than graphite, the ratio of the average particle diameter of graphite to the silicon-based material is set to the above value, that is, the particle size (particle diameter) of the silicon-based material is set to graphite. By making the particle size (particle diameter) as small as possible, it becomes possible to arrange the silicon-based material in the voids between the graphite in the negative electrode, and to make the electrode thickness uniform when the secondary battery expands. it can.

よって、ケイ素系物質の平均粒径、黒鉛の平均粒径、黒鉛とケイ素系物質の平均粒径の比(黒鉛/ケイ素系物質)が上記数値範囲内であることにより、部分的な膨張による負極からの活物質の脱落、負極内のクラックの形成を有意に抑制することができ、充放電を繰り返しても、負極活物質の利用率が低下せずに、二次電池の容量劣化を高い次元において抑制することが可能となる。   Therefore, when the average particle size of the silicon-based material, the average particle size of graphite, and the ratio of the average particle size of graphite and silicon-based material (graphite / silicon-based material) are within the above numerical range, the negative electrode due to partial expansion It is possible to significantly prevent the active material from falling off and the formation of cracks in the negative electrode. Even when charging and discharging are repeated, the utilization rate of the negative electrode active material does not decrease, and the capacity deterioration of the secondary battery is a high level. Can be suppressed.

本発明にあっては、平均粒径は、体積平均径(MV)であり、粒状物質について、体積基準(体積分布)を用いて測定することができ、例えば、マイクロトラック(レーザー回折・散乱法)等の方法及び装置を用いて体積分布を測定し、解析ソフトを用いて算出することができる。本発明にあっては、ケイ素系物質及び黒鉛おける平均粒径のみならず、他の物質の平均粒径もまた同様にして測定し、数値として定めるものとする。   In the present invention, the average particle diameter is a volume average diameter (MV), and can be measured using a volume standard (volume distribution) for a particulate material. For example, microtrack (laser diffraction / scattering method) The volume distribution can be measured using a method and apparatus such as), and can be calculated using analysis software. In the present invention, not only the average particle diameters of silicon-based materials and graphite but also the average particle diameters of other substances are measured in the same manner and determined as numerical values.

(導電剤)
導電剤は、ケイ素系物質を用いる負極活物質において、黒鉛電極と同等の電池特性を付与することが可能となる。導電剤は、二次電池に化学的変化を誘発しないものが好ましく、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛;カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(商品名)、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック;炭素繊維、金属繊維等の導電性繊維;フロロカーボン、アルミニウム、ニッケル等の金属粉末;酸化亜鉛、チタン酸カリウム等の導電性ウィスカー、酸化チタン等の導電性金属酸化物;ポリフェニレン誘導体等の導電性素材等からなる群から選択される一種又は二種以上の混合物が挙げられ、好ましくは、導電性繊維である。導電性繊維は、ケイ素原子を含む粒子を負極活物質として用いた場合、充放電による膨張収縮によっても負極活物質間又は負極活物質と集電体との間における導電パスを維持し、負極活物質から脱落し難い構造を備えていることから、特に好ましい。
(Conductive agent)
The conductive agent can impart battery characteristics equivalent to those of the graphite electrode in a negative electrode active material using a silicon-based material. The conductive agent is preferably one that does not induce a chemical change in the secondary battery. For example, graphite such as natural graphite or artificial graphite; carbon black, acetylene black, ketjen black (trade name), graphene, carbon nanotube, carbon nano Carbon black such as fiber, channel black, furnace black, lamp black and thermal black; conductive fiber such as carbon fiber and metal fiber; metal powder such as fluorocarbon, aluminum and nickel; conductive whisker such as zinc oxide and potassium titanate One or a mixture of two or more selected from the group consisting of conductive metal oxides such as titanium oxide; conductive materials such as polyphenylene derivatives, etc., preferably conductive fibers. In the case where particles containing silicon atoms are used as the negative electrode active material, the conductive fiber maintains a conductive path between the negative electrode active materials or between the negative electrode active material and the current collector even by expansion and contraction due to charge and discharge. It is particularly preferable because it has a structure that does not easily fall off the substance.

導電剤の含有量は、負極の全質量を基準にして、0質量%超過5質量%以下であり、好ましくは0.5質量%以上であり、2質量%以下であってよい。   The content of the conductive agent is 0% by mass and 5% by mass or less, preferably 0.5% by mass or more, and 2% by mass or less based on the total mass of the negative electrode.

(バインダー)
負極は、必須成分として、バインダーを含んでなる。バインダーは、負極活物質、導電剤を接着させ、或いは、電極集電体に対する結合を促進させる成分である。本発明にあっては、負極用添加剤としてポリビニルピロリドン(PVP)を必須成分として使用するものであるが、既に申し述べた通り、バインダーとして使用するものではない。
(binder)
The negative electrode contains a binder as an essential component. The binder is a component that adheres the negative electrode active material and the conductive agent, or promotes bonding to the electrode current collector. In the present invention, polyvinylpyrrolidone (PVP) is used as an essential component as an additive for a negative electrode, but as already mentioned, it is not used as a binder.

バインダーとしては、水系又は溶剤系のものが挙げられ、水系のものとしては、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリル酸、ポリイミド、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン‐ヘキサフルオロプロピレンコポリマー、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン‐トリクロロエチレン、ポリフッ化ビニリデン‐クロロトリフルオロエチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアセテート、エチレンビニルアセテート共重合体、ポリエチレンオキサイド、セルロースアセテート、セルロースアセテートブチレート、セルロースアセテートプロピオネート、シアノエチルプルラン、シアノエチルポリビニルアルコール、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロース、プルラン、カルボキシルメチルセルロース(CMC)、アクリロニトリル‐スチレン‐ブタジエン共重合体、アルキル変性カルボキシル基含有共重合体、ビニルエステルとエチレン性不飽和カルボン酸エステルとの共重合体からなる群より選択される一種又は二種以上の混合物が好ましくは挙げられる。   Examples of the binder include water-based and solvent-based binders. Examples of the water-based binder include styrene butadiene rubber (SBR), polyacrylic acid, polyimide, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, and polyfluoride. Vinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-trichloroethylene, polyvinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene, polymethyl methacrylate, polyacrylonitrile, polyvinyl acetate, ethylene vinyl acetate copolymer, polyethylene oxide, cellulose acetate, cellulose acetate butyrate, cellulose acetate propio Cyanoethyl pullulan, cyanoethyl polyvinyl alcohol, cyanoethyl cellulose, cyanoethyl skull , Pullulan, carboxymethyl cellulose (CMC), acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer, alkyl-modified carboxyl group-containing copolymer, and a copolymer of vinyl ester and ethylenically unsaturated carboxylic acid ester One or a mixture of two or more is preferably mentioned.

バインダーの含有量は、負極の全質量を基準にして、0質量%超過15質量%以下であり、好ましくは1質量%以上であり、10質量%以下であってよく、より好ましくは、0.5質量%以上であり、5質量%以下であってよい。   The binder content is, based on the total mass of the negative electrode, more than 0% by mass and 15% by mass or less, preferably 1% by mass or more and may be 10% by mass or less. It may be 5% by mass or more and 5% by mass or less.

(増粘剤)
負極は、任意成分として、増粘剤を含んでもよい。増粘剤は、負極活物質、導電剤の分散性を維持し、並びに、電極集電体に対する結合を促進させる成分として有用である。特に、負極スラリー組成物を適正な粘度に調整し、固形分の沈降を予防する役割を担う。増粘剤の例には、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロースおよびヒドロキシプロピルセルロース等のセルロース化合物、上記セルロース化合物のアンモニウム塩およびアルカリ金属塩、ポリ(メタ)アクリル酸および改質ポリ(メタ)アクリル酸等のポリカルボン酸、上記ポリカルボン酸のアルカリ金属塩、ポリビニルアルコール、改質ポリビニルアルコールおよびエチレン−ビニルアルコールコポリマー等のポリビニルアルコールベースの(コ)ポリマー、(メタ)アクリル酸、マレイン酸またはフマル酸等の不飽和カルボン酸とビニルエステルとのコポリマーの鹸化生成物等の水溶性ポリマー、並びにアニオン性(メタ)アクリルポリマー増粘剤からなる群より選択される一種又は二種以上の混合物が好ましくは挙げられる。
(Thickener)
The negative electrode may contain a thickener as an optional component. The thickener is useful as a component that maintains the dispersibility of the negative electrode active material and the conductive agent and promotes bonding to the electrode current collector. In particular, it plays the role of adjusting the negative electrode slurry composition to an appropriate viscosity and preventing sedimentation of solids. Examples of thickeners include cellulose compounds such as carboxymethylcellulose, methylcellulose and hydroxypropylcellulose, ammonium salts and alkali metal salts of the above cellulose compounds, poly (meth) acrylic acid and poly (meth) acrylic acid such as modified poly (meth) acrylic acid. Carboxylic acids, alkali metal salts of the above polycarboxylic acids, polyvinyl alcohols, modified polyvinyl alcohols and polyvinyl alcohol-based (co) polymers such as ethylene-vinyl alcohol copolymers, and (meth) acrylic acid, maleic acid or fumaric acid One or a mixture of two or more selected from the group consisting of a water-soluble polymer such as a saponification product of a copolymer of a saturated carboxylic acid and a vinyl ester, and an anionic (meth) acrylic polymer thickener is preferred.

増粘剤の含有量は、負極の全質量を基準にして、0質量%超過5質量%以下であってよい。   The content of the thickener may be 0% by mass and 5% by mass or less based on the total mass of the negative electrode.

(充填剤)
負極は、任意成分として、充填剤を含んでもよい。充填剤は、負極の膨脹を抑制する成分であり、選択的に使用され、二次電池に化学的変化を誘発せず、繊維状の材料が好ましくは使用される。充填剤の具体例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン系重合体;ガラス繊維、炭素繊維等の繊維状物質からなる群より選択される一種又は二種以上の混合物が好ましくは挙げられる。
(filler)
The negative electrode may contain a filler as an optional component. The filler is a component that suppresses the expansion of the negative electrode, is selectively used, does not induce a chemical change in the secondary battery, and a fibrous material is preferably used. Specific examples of the filler preferably include one or a mixture of two or more selected from the group consisting of olefin polymers such as polyethylene and polypropylene; and fibrous materials such as glass fibers and carbon fibers.

(負極用組成物及びその製造方法)
負極用組成物は、負極活物質として、ケイ素系物質及び黒鉛と、負極用添加剤として、ポリビニルピロリドン(PVP)と、導電剤と、バインダーとを必須成分として用意し、必要に応じて、増粘剤と、充填剤と、任意の添加剤と、水又は溶剤とを用意し、これらの物質を混合して、好ましくは、混錬して製造(調製)することができる。
(Negative electrode composition and production method thereof)
The negative electrode composition is prepared by preparing silicon-based material and graphite as a negative electrode active material, polyvinylpyrrolidone (PVP), a conductive agent, and a binder as negative electrode additives as essential components. A sticky agent, a filler, an optional additive, and water or a solvent are prepared, and these substances are mixed and preferably kneaded and manufactured (prepared).

本発明の好ましい態様によれば、以下の手順によって、負極用組成物を製造(調製)することができる。
最初に、ケイ素系物質と、負極用添加剤(PVP、PVP水溶液、又はPVP溶剤溶液等)とを混合することが好ましい。これにより、負極中におけるケイ素系物質の分散と、ケイ素系物質の粒子表面にFECによるSEI皮膜を十分に形成させることが可能となる。
この際に、CMCなどの増粘剤水溶液又は極微量のバインダー溶液を添加することにより、ケイ素系物質表面にPVPをより効果的に付着させることが可能となる。
次に、導電剤を加えて、黒鉛に比べて導電性が低いケイ素系物質に導電剤が付着するように分散することが好ましい。
その後、黒鉛及び適量の増粘剤、必要に応じてバインダーを添加し、固形分(不揮発成分)が60%以上となるように十分固練りすることにより、さらにケイ素物質の分散性が増加し、黒鉛材料表面にもまた親水性を付与することができる。
最後に、必要に応じて、塗工しやすい粘度になるように水及び溶剤を加えて粘度を調整してもよい。
「混錬(固練り)」は、一般的な混合機又は剪断性を有する混合機を用いておこなうことが可能であり、回転数、温度又は圧力を調整して行うことが可能である。
According to the preferable aspect of this invention, the composition for negative electrodes can be manufactured (prepared) with the following procedures.
First, it is preferable to mix the silicon-based material and an additive for negative electrode (PVP, PVP aqueous solution, PVP solvent solution or the like). Thereby, it becomes possible to disperse the silicon-based material in the negative electrode and to sufficiently form the SEI film by FEC on the particle surface of the silicon-based material.
At this time, by adding a thickener aqueous solution such as CMC or a very small amount of binder solution, PVP can be more effectively adhered to the surface of the silicon-based material.
Next, it is preferable to add a conductive agent and disperse the conductive agent so that the conductive agent adheres to a silicon-based material having lower conductivity than graphite.
Thereafter, graphite and an appropriate amount of thickener, if necessary, a binder is added, and by sufficiently kneading so that the solid content (non-volatile component) is 60% or more, dispersibility of the silicon substance further increases, Hydrophilicity can also be imparted to the surface of the graphite material.
Finally, if necessary, the viscosity may be adjusted by adding water and a solvent so that the viscosity is easy to apply.
The “kneading (kneading)” can be performed using a general mixer or a mixer having shearing properties, and can be performed by adjusting the rotation speed, temperature, or pressure.

(負極)
本発明にあっては、負極は、負極集電体に、上記した負極構成成分(負極組成物)を付与して、構成することができる。
(Negative electrode)
In the present invention, the negative electrode can be constituted by applying the above-described negative electrode component (negative electrode composition) to the negative electrode current collector.

〈負極集電体〉
負極集電体は、二次電池に化学的変化を誘発せず、高い導電性を持つものであればよい。例えば、銅、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼結炭素、アルミニウムやステンレススチールの表面に、カーボン、ニッケル、チタン、銀からなる群より選択される一種又は二種以上の混合物などで表面処理したもの等が用いられる。負極集電体は、表面に微細な凹凸を形成して負極材料の接着力を高めることができ、フィルム、シート、ホイール、ネット、多孔質体、発泡体、及び不織布体からなる群より選択される一種又は二種以上の混合体等の多様な形態が可能である。負極集電体の厚さは3μm以上50μm以下程度でよい。
<Negative electrode current collector>
The negative electrode current collector is not particularly limited as long as it does not induce a chemical change in the secondary battery and has high conductivity. For example, the surface treatment of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, aluminum or stainless steel with one or a mixture of two or more selected from the group consisting of carbon, nickel, titanium, and silver Used. The negative electrode current collector can increase the adhesion of the negative electrode material by forming fine irregularities on the surface, and is selected from the group consisting of a film, a sheet, a wheel, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric body Various forms such as one kind or a mixture of two or more kinds are possible. The thickness of the negative electrode current collector may be about 3 μm to 50 μm.

(負極の製造方法)
負極は、一般に、負極集電体に、負極構成成分を形成し、又は、本発明による負極用組成物を塗布し乾燥させて得ることができる。
(Production method of negative electrode)
In general, the negative electrode can be obtained by forming a negative electrode component on a negative electrode current collector, or applying and drying the negative electrode composition according to the present invention.

(電解質)
〈フルオロエチレンカーボネート(FEC)〉
本発明の二次電池にあっては、(非水性)電解質は、フルオロエチレンカーボネートであり、又は、主成分としてフルオロエチレンカーボネートを含んでなるものである。フルオロエチレンカーボネート(FEC)を含有することにより、活物質中のケイ素系物質とリチウムが合金化する過程において、良好なSEI皮膜が形成され、安定した充放電が行われるため、良好な寿命特性が得られる。
(Electrolytes)
<Fluoroethylene carbonate (FEC)>
In the secondary battery of the present invention, the (non-aqueous) electrolyte is fluoroethylene carbonate or contains fluoroethylene carbonate as a main component. By containing fluoroethylene carbonate (FEC), a good SEI film is formed in the process of alloying the silicon-based material and lithium in the active material, and stable charge / discharge is performed. can get.

FECは、上記優れた特性を有するが、他方、一般的なカーボネート系電解質と比べて粘度が高く、電極に含浸し難い点がある。そこで、負極用(スラリー)組成物において、必須成分として、負極用添加剤であるポリビニルピロリドン(PVP)を含有することにより、負極に対する電解質の含浸性(濡れ性)及び保液性を向上させることが可能となり、初回の充放電において、本来の設計容量を達成させることができる。また、ケイ素系物質は、黒鉛、他の炭素系負極活物質と比べて数桁導電性が低いため、ケイ素系物質に導電剤が接触していない場合、ケイ素系物質の容量が発現され難いが、PVPは分散剤としての機能も併せ持つため、ケイ素系物質及び導電剤の分散性を促進させ、ケイ素系物質に十分は導電性を付与することができる。
よって、PVPは、負極に対して、フルオロエチレンカーボネート(FEC)含有電解質の含浸性(濡れ性)及び保液性を促進させる機能と、ケイ素系物質及び導電剤の分散を促進させる機能とを併せ持ったものである。
FEC has the above-mentioned excellent characteristics, but on the other hand, it has a higher viscosity than a general carbonate-based electrolyte and is difficult to impregnate an electrode. Therefore, in the negative electrode (slurry) composition, by adding polyvinylpyrrolidone (PVP) which is an additive for the negative electrode as an essential component, the impregnation property (wetting property) and liquid retention of the negative electrode are improved. Thus, the original design capacity can be achieved in the first charge / discharge. In addition, since silicon-based materials have several orders of magnitude lower conductivity than graphite and other carbon-based negative electrode active materials, the capacity of silicon-based materials is difficult to be exhibited when no conductive agent is in contact with the silicon-based material. Since PVP also has a function as a dispersant, the dispersibility of the silicon-based material and the conductive agent can be promoted, and sufficient conductivity can be imparted to the silicon-based material.
Therefore, PVP has both the function of promoting the impregnation property (wetting property) and liquid retention of the fluoroethylene carbonate (FEC) -containing electrolyte with respect to the negative electrode and the function of promoting the dispersion of the silicon-based material and the conductive agent. It is a thing.

フルオロエチレンカーボネート(FEC)の含有量は、電解質全質量を基準にして、0.1質量%超過50質量%以下であり、好ましくは0.5質量%以上であり、30質量%以下であってよい。フルオロエチレンカーボネート(FEC)の含有量が上記数値範囲内にあることにより、繰り返しの充放電によってケイ素系物質が膨張し、充電初期に形成されたSEI皮膜が破れてケイ素系物質が露出しても十分なFECが供給できるため、新たなSEI皮膜が形成され、安定してリチウムとケイ素系物質の合金化が進行し、良好な寿命特性を得ることができる。即ち、FECの含有量が上記下限値以上とされてなることにより、充放電初期にFECが枯渇することがなく、その結果、容量劣化を有意に抑制することができ、また、FECの含有量が上記上限値以下とされてなることにより、特に高温においてガス発生による電池の膨張を高い次元において抑制することができる。   The content of fluoroethylene carbonate (FEC) is more than 0.1% by mass and not more than 50% by mass, preferably not less than 0.5% by mass and not more than 30% by mass, based on the total mass of the electrolyte. Good. Even if the content of fluoroethylene carbonate (FEC) is within the above numerical range, the silicon-based material expands due to repeated charge and discharge, and the SEI film formed at the initial stage of charging is broken to expose the silicon-based material. Since sufficient FEC can be supplied, a new SEI film is formed, and alloying of lithium and a silicon-based material proceeds stably, and good life characteristics can be obtained. That is, since the FEC content is not less than the above lower limit value, the FEC is not depleted in the early stage of charge / discharge, and as a result, the capacity deterioration can be suppressed significantly. Is set to be not more than the above upper limit value, it is possible to suppress the expansion of the battery due to gas generation at a high level particularly at high temperatures.

〈その他の電解質〉
本発明にあっては、FECを主成分とし、その他の電解質を含有してもよい。その他の電解質としては、例えば、環状カーボネート及び/又は鎖状カーボネートを含むことができる。環状カーボネートの例としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、γ−ブチロラクトン(GBL)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)などが挙げられる。鎖状カーボネートの例としては、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)及びメチルプロピルカーボネート(MPC)からなる群より選択された一種又は二種以上の混合物が好ましいが、これに限定されるものではなく、γ-ブチルラクトン(γ-BL)、テトラヒドロフラン(THF)、アセトニトリルやその誘導体、およびイオン液体からなる群より選択された1種又は二種以上の混合物などを用いてもよい。
<Other electrolytes>
In the present invention, FEC may be the main component and other electrolytes may be contained. Other electrolytes can include, for example, cyclic carbonates and / or chain carbonates. Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), γ-butyrolactone (GBL), fluoroethylene carbonate (FEC), and the like. Examples of chain carbonates are preferably one or a mixture of two or more selected from the group consisting of diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), and methyl propyl carbonate (MPC). However, it is not limited to this, and γ-butyl lactone (γ-BL), tetrahydrofuran (THF), acetonitrile and derivatives thereof, and one or a mixture of two or more selected from the group consisting of ionic liquids, etc. It may be used.

〈電解質添加剤〉
本発明にあっては、添加剤として、ビニリレンカーボネート、ビフェニル、プロパンスルトン、及びジフェニルジスルフィドからなる群より選択された1種又は二種以上の混合物などを加えてもよい。また、非水電解質は、カーボネート化合物と共にリチウム塩を含み、具体例としては、LiClO4、LiCF3SO3、LiPF6、LiBF4、LiAsF6及びLiN(CF3SO22からなる群より選択された1種又は二種以上の混合物が好ましいが、これに限定されるものではない。
<Electrolyte additive>
In the present invention, one or a mixture of two or more selected from the group consisting of vinylene carbonate, biphenyl, propane sultone, and diphenyl disulfide may be added as an additive. The nonaqueous electrolyte contains a lithium salt together with a carbonate compound, and specific examples are selected from the group consisting of LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 and LiN (CF 3 SO 2 ) 2. Although the 1 type, or 2 or more types of mixture made are preferable, it is not limited to this.

(正極)
正極は、正極集電体上に、正極活性物質、導電剤、バインダー又は増粘剤、及び充填剤をさらに添加した正極組成物を形成して形成することが可能である。正極集電体、導電剤、バインダー、充填剤等は、負極で説明した材料と同様であってよい。正極集電体の厚さは3μm以上50μm以下程度である。
(Positive electrode)
The positive electrode can be formed by forming a positive electrode composition in which a positive electrode active material, a conductive agent, a binder or a thickener, and a filler are further added on a positive electrode current collector. The positive electrode current collector, the conductive agent, the binder, the filler, and the like may be the same as those described for the negative electrode. The thickness of the positive electrode current collector is about 3 μm to 50 μm.

〈正極活性物質〉
正極活性物質としては、リチウム含有遷移金属酸化物を望ましく使用でき、例えばLixCoO2(0.5<x<1.3)、LixNiO2(0.5<x<1.3)、LixMnO2(0.5<x<1.3)、LixMn24(0.5<x<1.3)、Lix(NiaCobMnc)O2(0.5<x<1.3、0<a<1、0<b<1、0<c<1、a+b+c=1)、LixNi1-yCoy2(0.5<x<1.3、0<y<1)、LixCo1-yMny2(0.5<x<1.3、0≦y<1)、LixNi1-yMny2(0.5<x<1.3、0≦y<1)、Lix(NiaCobMnc)O4(0.5<x<1.3、0<a<2、0<b<2、0<c<2、a+b+c=2)、LixMn2-zNiz4(0.5<x<1.3、0<z<2)、LixMn2-zCoz4(0.5<x<1.3、0<z<2)、LixCoPO4(0.5<x<1.3)、及びLixFePO4(0.5<x<1.3)からなる群より選択される一種又は二種以上の混合物を使用することができる。
<Positive electrode active material>
As the positive electrode active material, a lithium-containing transition metal oxide can be desirably used. For example, Li x CoO 2 (0.5 <x <1.3), Li x NiO 2 (0.5 <x <1.3), Li x MnO 2 (0.5 <x <1.3), Li x Mn 2 O 4 (0.5 <x <1.3), Li x (Ni a Co b Mn c ) O 2 (0.5 <X <1.3, 0 <a <1, 0 <b <1, 0 <c <1, a + b + c = 1), Li x Ni 1-y Co y O 2 (0.5 <x <1.3 , 0 <y <1), Li x Co 1-y Mn y O 2 (0.5 <x <1.3,0 ≦ y <1), Li x Ni 1-y Mn y O 2 (0.5 <X <1.3, 0 ≦ y <1), Li x (Ni a Co b Mn c ) O 4 (0.5 <x <1.3, 0 <a <2, 0 <b <2, 0 <c <2, a + b + c = 2), Li x Mn 2-z Ni z O 4 (0.5 <x <1.3 0 <z <2), Li x Mn 2-z Co z O 4 (0.5 <x <1.3,0 <z <2), Li x CoPO 4 (0.5 <x <1.3) And a mixture of two or more selected from the group consisting of Li x FePO 4 (0.5 <x <1.3) can be used.

また、前記リチウム含有遷移金属酸化物の外に硫化物、セレン化物、及びハロゲン化物なども使用することができる。好ましくは、LixCoO2(0.5<x<1.3)とLix(NiaCobMnc)O2(0.5<x<1.3、0<a<1、0<b<1、0<c<1、a+b+c=1)との混合物を正極活性物質として使用することができる。特に、Lix(NiaCobMnc)O2(0.5<x<1.3、0<a<1、0<b<1、0<c<1、a+b+c=1)は高電圧条件で高い出力特性を発揮できるという点で望ましいが、これらに限定されるものではない。 In addition to the lithium-containing transition metal oxide, sulfides, selenides, halides, and the like can also be used. Preferably, Li x CoO 2 (0.5 <x <1.3) and Li x (Ni a Co b Mn c ) O 2 (0.5 <x <1.3, 0 <a <1, 0 < A mixture with b <1, 0 <c <1, a + b + c = 1) can be used as the positive electrode active material. In particular, Li x (Ni a Co b Mn c) O 2 (0.5 <x <1.3,0 <a <1,0 <b <1,0 <c <1, a + b + c = 1) is a high voltage Although it is desirable in that it can exhibit high output characteristics under conditions, it is not limited to these.

(セパレータ)
セパレータは、正極及び負極間に介在され、高いイオン透過度及び機械的強度を持つ絶縁性の薄膜が用いられる。一般に、セパレータの気孔直径は0.01〜10μmであり、厚さは5〜300μmである。このようなセパレータとしては、例えば、耐化学性及び疎水性のポリプロピレンなどのオレフィン系ポリマー、ポリイミド、ガラス繊維又はポリエチレンなどで作られたシートや不織布などが用いられ、さらに、安全性を高めるため、表面にアルミナ、チタニア、シリカなどの酸化物層があってもよい。電解質としてポリマーなどの固体電解質が用いられる場合には、固体電解質がセパレータを兼ねることができる。
(Separator)
The separator is an insulating thin film that is interposed between the positive electrode and the negative electrode and has high ion permeability and mechanical strength. Generally, the separator has a pore diameter of 0.01 to 10 μm and a thickness of 5 to 300 μm. As such a separator, for example, an olefin polymer such as chemically resistant and hydrophobic polypropylene, a sheet or a nonwoven fabric made of polyimide, glass fiber, polyethylene, or the like is used. There may be an oxide layer such as alumina, titania or silica on the surface. When a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte can also serve as a separator.

〔二次電池の製造〕
本発明による二次電池は、通常の方法により正極及び負極間に多孔性のセパレータを挿入し、電解質を投入して製造することになる。本発明による二次電池は、円筒型、角型、パウチ型電池など、外形に関係なく用いられる。二次電池は、単一であっても、複数(直列又は並列)の二次電池として構成されてなるものであってよい。
[Manufacture of secondary batteries]
The secondary battery according to the present invention is manufactured by inserting a porous separator between a positive electrode and a negative electrode and introducing an electrolyte by a usual method. The secondary battery according to the present invention is used regardless of the outer shape, such as a cylindrical type, a square type, or a pouch type battery. The secondary battery may be a single secondary battery or may be configured as a plurality (in series or parallel) of secondary batteries.

本発明の内容を以下の実施例を用いて説明するが、本発明の範囲は、これら実施例に限定して解釈されるものではない。また、本明細書に開示された様々な本発明の態様は、本実施例から当業者が容易に実施することができるものである。   The content of the present invention will be described using the following examples, but the scope of the present invention should not be construed as being limited to these examples. Further, various aspects of the present invention disclosed in the present specification can be easily implemented by those skilled in the art from this embodiment.

〔実施例1〕
以下の通り、二次電池を製造した。
(負極作成)
粒子表面に20nmの厚みの炭素被覆が施された平均粒径5μmのSiO粉末と、平均粒径15μmの天然黒鉛とを、重量比10:90になるように混合し負極活物質とした。
次に、負極活物質95重量%、導電剤としてカーボンブラック1.0重量%、負極添加剤としてPVPを1.0重量%混合した。バインダーとしてスチレンブタジエンラバー(SBR)を1.5重量%、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース(CMC)を1.5重量%混合し、純水を加えて十分混練してスラリー化し、塗工しやすい粘度になるように純水を加えて調整し、負極用(スラリー)組成物を得た。
そして、調製した負極用スラリー組成物を、厚さ20μmの銅箔に約100μmの厚さになるように塗布し、80℃で乾燥した。さらに、120℃で真空乾燥し、プレスした後、直径13mmの円形に打ち抜き、電極密度1.7g/ccの負極を調製した。
[Example 1]
A secondary battery was manufactured as follows.
(Create negative electrode)
An SiO powder having an average particle diameter of 5 μm and a carbon coating having a thickness of 20 nm on the particle surface and natural graphite having an average particle diameter of 15 μm were mixed at a weight ratio of 10:90 to obtain a negative electrode active material.
Next, 95% by weight of the negative electrode active material, 1.0% by weight of carbon black as a conductive agent, and 1.0% by weight of PVP as a negative electrode additive were mixed. Viscosity that is easy to apply by mixing 1.5% by weight of styrene butadiene rubber (SBR) as a binder and 1.5% by weight of carboxymethylcellulose (CMC) as a thickener, adding pure water and kneading into a slurry. Then, pure water was added to adjust so that a negative electrode (slurry) composition was obtained.
And the prepared slurry composition for negative electrodes was apply | coated to 20-micrometer-thick copper foil so that it might become a thickness of about 100 micrometers, and it dried at 80 degreeC. Furthermore, after vacuum drying at 120 ° C. and pressing, a negative electrode having an electrode density of 1.7 g / cc was prepared by punching into a circle having a diameter of 13 mm.

(正極作成)
厚さ0.3mmの金属リチウムを正極とした。
(Creating positive electrode)
Metal lithium having a thickness of 0.3 mm was used as the positive electrode.

(電解質の調製)
フルオロエチレンカーボネート(FEC)と、ジエチルカーボネートを3:7の割合で混合し、LiPF61モルを溶解した、電解液を調製した。
(Preparation of electrolyte)
Fluoroethylene carbonate (FEC) and diethyl carbonate were mixed at a ratio of 3: 7 to prepare an electrolytic solution in which 1 mol of LiPF 6 was dissolved.

(二次電池の製造)
上記二次電池構成材を組み立てて、2016型コイン電池を製造した。
(Manufacture of secondary batteries)
The secondary battery component was assembled to produce a 2016 coin battery.

[実施例2]
実施例1の負極作成において、PVPの量を0.5重量%としたこと以外は実施例1と同様の方法でコイン電池を作成した。
[Example 2]
In the production of the negative electrode of Example 1, a coin battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of PVP was 0.5% by weight.

[実施例3]
実施例1の負極作成において、PVPの量を2.0重量%としたこと以外は実施例1と同様の方法でコイン電池を3個作成した。
[Example 3]
In the production of the negative electrode of Example 1, three coin batteries were produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of PVP was 2.0% by weight.

[比較例1]
実施例1において、PVPを負極に添加しないこと以外は、実施例1と同様の方法でコイン電池を作成した。
[Comparative Example 1]
In Example 1, a coin battery was produced in the same manner as in Example 1 except that PVP was not added to the negative electrode.

[比較例2]
実施例1において、PVPを負極に添加せず、また、電解質の調整において、フルオロエチレンカーボネート(FEC)を使用せず、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートを3:7の割合で混合したこと以外は、実施例1と同様の方法でコイン電池を作成した。
[Comparative Example 2]
In Example 1, PVP was not added to the negative electrode, and in adjusting the electrolyte, fluoroethylene carbonate (FEC) was not used, and ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate were mixed at a ratio of 3: 7, A coin battery was prepared in the same manner as in Example 1.

[比較例3]
実施例1において、PVPを1.0%添加し、フルオロエチレンカーボネート(FEC)を使用せず、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)を3:7の割合で混合したこと以外は、実施例1と同様の方法でコイン電池を作成した。
[Comparative Example 3]
In Example 1, 1.0% of PVP was added, fluoroethylene carbonate (FEC) was not used, and ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) were mixed at a ratio of 3: 7, A coin battery was prepared in the same manner as in Example 1.

〔評価試験〕
実施例及び比較例におけるコイン電池について以下の評価試験を行った。その結果は、下記表1に示した通りであった。
〔Evaluation test〕
The following evaluation tests were performed on the coin batteries in Examples and Comparative Examples. The results were as shown in Table 1 below.

(評価試験1:セル間容量偏差評価)
製造したコイン電池各々3個についての初期容量は、表1に示した通りであった。単位重量あたりの容量の計算は、電池容量を、SiO、黒鉛、及び導電剤の合計の重量で除して行った。
(Evaluation test 1: Evaluation of capacity deviation between cells)
The initial capacity for each of the three manufactured coin batteries was as shown in Table 1. The capacity per unit weight was calculated by dividing the battery capacity by the total weight of SiO, graphite, and conductive agent.

(評価結果1)
実施例1では、PVPを1.0重量%添加し、かつ、粘度の高いFECを30%含む電解液組成であっても、設計容量である485mAh/gが得られており、コイン電池3個の間の容量偏差はなかった。
実施例2では、PVPを0.5重量%添加したため、コイン電池3個の間の容量に若干の差(偏差)があり、容量自体も実施例1よりは少なかった。
実施例3では、実施例1と同程度の初期容量が得られ、電池間偏差も見られなかった。
(Evaluation result 1)
In Example 1, a design capacity of 485 mAh / g was obtained even with an electrolyte composition containing 1.0% by weight of PVP and 30% of high-viscosity FEC, and three coin batteries There was no capacity deviation between.
In Example 2, since 0.5% by weight of PVP was added, there was a slight difference (deviation) in the capacity between the three coin batteries, and the capacity itself was also smaller than in Example 1.
In Example 3, an initial capacity comparable to that of Example 1 was obtained, and no inter-battery deviation was observed.

実施例に対して、比較例1では、PVPを添加していないため、FECを含む電解液組成では、設計容量より5%程度も低い初期容量しか得られなかった。これらの結果より、PVPを負極スラリー作成時に添加することにより、活物質及び導電剤の濡れ性、保液性が高まり、電解液がすべての活物質に均一に素早く均一に浸透するとともに、活物質及び導電剤の電極内での分散性も改善されるため、活物質の利用率が初回充放電から100%となり、設計容量通りの容量が得られるとともに、電池間の偏差が改善されたことが明らかに理解された。   In contrast to the examples, in Comparative Example 1, since no PVP was added, the electrolyte composition containing FEC could only obtain an initial capacity of about 5% lower than the design capacity. From these results, by adding PVP at the time of preparing the negative electrode slurry, the wettability and liquid retention of the active material and the conductive agent are increased, and the electrolytic solution penetrates all the active materials uniformly and quickly, and the active material In addition, since the dispersibility of the conductive agent in the electrode is also improved, the utilization factor of the active material is 100% from the initial charge / discharge, the capacity as designed capacity is obtained, and the deviation between the batteries is improved. Clearly understood.

比較例2及び比較例3では、電解液に粘度が低いECとEMCの混合溶媒を用いているため、本来含浸し易く、コイン電池間の容量偏差はなく、PVPを添加しなくても、設計容量が得られた。しかしながら、FECが含まれていないため、初期充放電から劣化し始め、実施例1と比較すると明らかに容量が低下した。   In Comparative Example 2 and Comparative Example 3, since a mixed solvent of EC and EMC having a low viscosity is used for the electrolytic solution, it is originally easy to impregnate, there is no capacity deviation between coin cells, and it is possible to design without adding PVP. Capacity was obtained. However, since no FEC was contained, the capacity began to deteriorate from the initial charge / discharge, and the capacity was clearly reduced as compared with Example 1.

(評価試験2:寿命特性評価)
製造したコイン電池各々3個について、初回放電容量に対する50サイクル時の放電容量の比率は、表1に示した通りであった。
(Evaluation Test 2: Lifetime Characteristic Evaluation)
The ratio of the discharge capacity at 50 cycles to the initial discharge capacity for each of the three coin batteries manufactured was as shown in Table 1.

(評価結果2)
実施例1〜実施例3は、電解液にFECを30%添加しているため、ケイ素系物質が充放電により膨張収縮して、ケイ素系物質の形状、表面積及び体積が変化しても良好なSEI被膜が形成されると共に、PVP添加により、高い電解液の保液性と、複数の活物質及び導電剤が均一に分散され、充放電に伴う電極厚みの変化が電極内の部位に依らず均一になり、電池の歪み及び電流集中等が生じ難くなる為、高いサイクル容量維持率を示した。
(Evaluation result 2)
In Examples 1 to 3, since 30% of FEC was added to the electrolytic solution, the silicon-based material expands and contracts due to charge and discharge, and the shape, surface area, and volume of the silicon-based material are good. The SEI film is formed, and by adding PVP, high electrolyte retention and a plurality of active materials and conductive agents are evenly dispersed, and the change in electrode thickness associated with charge / discharge does not depend on the site in the electrode. Since it becomes uniform and it is difficult for battery distortion and current concentration to occur, a high cycle capacity retention rate was exhibited.

これに対し、比較例1では、PVPを添加していないため、初期容量は低く、偏差が認められたが、FECを30%添加した電解液を使用したことから、90%以上の容量維持率は得られた。しかし、導電剤の分散性が不十分であり、PVPを添加した実施例1〜実施例3と比較して、サイクル容量維持率は明らかに低かった。
また、比較例2と比較例3では、FECが含まれていない電解液組成であるため、著しい容量劣化を示した。
On the other hand, in Comparative Example 1, since no PVP was added, the initial capacity was low and a deviation was observed. However, since the electrolytic solution to which 30% of FEC was added was used, the capacity retention rate of 90% or more was used. Was obtained. However, the dispersibility of the conductive agent was insufficient, and the cycle capacity retention rate was clearly lower compared to Examples 1 to 3 to which PVP was added.
Moreover, in Comparative Example 2 and Comparative Example 3, since the electrolytic solution compositions did not contain FEC, significant capacity deterioration was shown.

(総合評価)
本発明によれば、二次電池の負極において、ケイ素系物質と黒鉛を負極活物質とし、さらに導電剤が含み、電解液にフルオロエチレンカーボネート(FEC)を含む二次電池の系において、負極製造時にポリビニルピロリドン(PVP)を添加することにより、PVPが活物質および導電剤表面を親水化することで、粘度の高いFECを含む電解液の含浸性と保液性を高め、かつ、活物質および導電剤の均一な分散を高めるため、理論的に計算される設計容量が初回放電時に発現され、複数の電池間の容量偏差を改善することができた。
また、複数の活物質および導電剤が均一に分散されることにより、充放電に伴う電極厚みの変化を電極内の部位に依らず均一にし、電池の歪みや電流集中などが起こり難くなり、良好な寿命特性の二次電池を得ることができた。
(Comprehensive evaluation)
According to the present invention, in the secondary battery negative electrode, in the secondary battery system in which the silicon-based material and graphite are used as the negative electrode active material, the conductive agent is included, and the electrolyte contains fluoroethylene carbonate (FEC). Occasionally by adding polyvinylpyrrolidone (PVP), PVP hydrophilizes the surface of the active material and the conductive agent, thereby improving the impregnation property and liquid retention of the high viscosity FEC, and the active material and In order to enhance the uniform dispersion of the conductive agent, a theoretically calculated design capacity was developed at the time of the first discharge, and the capacity deviation between the plurality of batteries could be improved.
In addition, by uniformly dispersing multiple active materials and conductive agents, changes in electrode thickness due to charge / discharge are made uniform regardless of the location in the electrode, and battery distortion and current concentration are less likely to occur. A secondary battery with excellent life characteristics could be obtained.

Claims (11)

二次電池であって、
正極と、負極と、前記正極と前記負極との間におけるセパレータと、電解質とを備えてなり、
前記負極が、負極用添加剤と、負極活物質と、導電剤と、バインダーとを含んでなり、
前記負極用添加剤が、ポリビニルピロリドンであり、又は、主成分としてポリビニルピロリドンを含んでなるものであり、
前記負極用添加剤が、親水剤、分散剤、及び電解質含浸(促進)剤又は電解質保液剤であり、
前記電解質が、フルオロエチレンカーボネートであり、又は、主成分としてフルオロエチレンカーボネートを含んでなるものである、二次電池。
A secondary battery,
A positive electrode, a negative electrode, a separator between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte;
The negative electrode comprises a negative electrode additive, a negative electrode active material, a conductive agent, and a binder,
The negative electrode additive is polyvinyl pyrrolidone, or comprises polyvinyl pyrrolidone as a main component,
The negative electrode additive is a hydrophilic agent, a dispersant, and an electrolyte impregnation (acceleration) agent or an electrolyte retention agent,
A secondary battery in which the electrolyte is fluoroethylene carbonate or contains fluoroethylene carbonate as a main component.
前記負極添加剤の含有量は、前記負極の全質量を基準にして、0質量%超過5.0質量%以下であることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 1, wherein the content of the negative electrode additive is 0% by mass and 5.0% by mass or less based on the total mass of the negative electrode. 前記ケイ素系物質は、ケイ素粉末、ケイ素合金、ケイ素酸化物(SiOx〔x=1〜4〕)、アモルファスケイ素粉末、ケイ素ナノファイバー、ケイ素ナノワイヤー;前記ケイ素系物質と、黒鉛、カーボンナノチューブ(CNT)又はグラフェンから選択される炭素材料との複合体;リチウムをドープした前記ケイ素系物質からなる群から選択される一種又は二種以上の混合物である、請求項1又は2に記載の二次電池。   The silicon-based material includes silicon powder, silicon alloy, silicon oxide (SiOx [x = 1 to 4]), amorphous silicon powder, silicon nanofiber, silicon nanowire; the silicon-based material, graphite, and carbon nanotube (CNT). Or a composite with a carbon material selected from graphene; the secondary battery according to claim 1, which is one or a mixture of two or more selected from the group consisting of the silicon-based materials doped with lithium . 前記ケイ素系物質の含有量は、前記負極の全質量を基準にして、2質量%超過50質量%以下である、請求項1〜3の何れか一項に記載の二次電池。   4. The secondary battery according to claim 1, wherein the content of the silicon-based material is more than 2% by mass and 50% by mass or less based on the total mass of the negative electrode. 前記ケイ素系物質の平均粒径(MV)は、0.1μm以上15μm以下である、請求項1〜4の何れか一項に記載の二次電池。   5. The secondary battery according to claim 1, wherein an average particle size (MV) of the silicon-based material is 0.1 μm or more and 15 μm or less. 前記黒鉛は、天然黒鉛、人造黒鉛、又はこれらの混合物である、請求項1〜5の何れか一項に記載の二次電池。   The secondary battery according to any one of claims 1 to 5, wherein the graphite is natural graphite, artificial graphite, or a mixture thereof. 前記黒鉛の含有量は、前記二次電池の全質量を基準にして、0質量%超過98質量%以下である、請求項1〜6の何れか一項に記載の二次電池。   7. The secondary battery according to claim 1, wherein a content of the graphite is 0% by mass and 98% by mass or less based on the total mass of the secondary battery. 前記黒鉛の平均粒径(MV)は、3μm以上30μm以下である、請求項1〜7の何れか一項に記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 1, wherein the graphite has an average particle size (MV) of 3 μm or more and 30 μm or less. 前記黒鉛と前記ケイ素系物質との平均粒径(MV)の比(黒鉛/ケイ素系物質)は、少なくとも2倍以上である、請求項1〜8の何れか一項に記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 1, wherein a ratio of an average particle diameter (MV) between the graphite and the silicon-based material (graphite / silicon-based material) is at least twice or more. 前記導電剤は、炭素繊維又は金属繊維である、請求項1〜9の何れか一項に記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 1, wherein the conductive agent is carbon fiber or metal fiber. 前記導電剤の含有量は、前記負極の全質量を基準にして、0質量%超過5質量%以下である、請求項1〜10の何れか一項に記載の二次電池。   11. The secondary battery according to claim 1, wherein the content of the conductive agent is greater than 0% by mass and 5% by mass or less based on the total mass of the negative electrode.
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