JP2021180083A - New polymer binder composition for negative electrode of secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二次電池の負極用新規高分子バインダー組成物に関する。 The present invention relates to a novel polymer binder composition for a negative electrode of a secondary battery.
物質の化学反応により電気を作る化学電池は、使い切りタイプの一次電池、充放電を繰り返すことができる二次電池、及び燃料電池に大別される、これらのうち、充放電を繰り返すことができる二次電池は、モバイル機器をはじめ、非常用の蓄電池など、種々の用途に用いられている。ここで、二次電池は、蓄電池又は充電池と呼ばれることがある。 Chemical batteries that generate electricity by the chemical reaction of substances are roughly classified into single-use type primary batteries, secondary batteries that can be repeatedly charged and discharged, and fuel cells. Of these, two that can be repeatedly charged and discharged. Sub-batteries are used for various purposes such as mobile devices and emergency storage batteries. Here, the secondary battery may be referred to as a storage battery or a rechargeable battery.
従来は、ニッケル・カドミウム二次電池が長く使用されてきたが、小型、軽量でハイパワーなニッケル・リチウム二次電池(以下、「リチウムイオン電池」ということがある。)が開発され、携帯電話、ノートパソコン等の電源の主流となった。ニッケルイオン電池では、正極材として「コバルト酸リチウム」と、負極材として黒鉛を、そして電解液としては有機系ものが一般的に使用される。ニッケルコバルト酸リチウムの中に含まれるリチウムイオン(正イオン)の移動によって放充電を実現する。
リチウムイオン電池は、電圧とエネルギー密度とが高く、メモリー効果が発生しないことに加え、コンパクトなパッケージングが可能である等、優れた点が多いことから、現在汎用される二次電池としては主流の座を占めている。
Conventionally, nickel-cadmium secondary batteries have been used for a long time, but small, lightweight and high-power nickel-lithium secondary batteries (hereinafter sometimes referred to as "lithium-ion batteries") have been developed and mobile phones. , Became the mainstream of power sources for laptop computers and the like. In nickel ion batteries, "lithium cobalt oxide" is generally used as a positive electrode material, graphite is generally used as a negative electrode material, and an organic type is generally used as an electrolytic solution. Discharge and charge are realized by the movement of lithium ions (cations) contained in lithium nickel cobalt oxide.
Lithium-ion batteries have many advantages such as high voltage and energy density, no memory effect, and compact packaging, so they are currently the mainstream as general-purpose secondary batteries. Occupies the seat of.
二次電池を構成する部材の中でも、正極、負極、及び電解質等の部材は常に脚光を浴び、活発な基礎研究が展開されてきた。その一方、リチウムイオン二次電池用バインダー(図1)としては、長きにわたってポリフッ化ビニリデン(以下、「PVDF」と略すことがある。)が広範に用いられてきたが、新規バインダーに関しては、近年、論文数こそ増加しているものの、十分に検討されているとはいえない状態である。
また、次世代リチウムイオン電池用高容量シリコン系負極用の架橋型ポリアクリル酸バインダーが知られている(Organic Square 55, 2016)。
Among the members that make up secondary batteries, members such as positive electrodes, negative electrodes, and electrolytes have always been in the limelight, and active basic research has been carried out. On the other hand, polyvinylidene fluoride (hereinafter, may be abbreviated as "PVDF") has been widely used as a binder for a lithium ion secondary battery (FIG. 1) for a long time, but in recent years, a new binder has been used. Although the number of papers is increasing, it cannot be said that it has been fully examined.
In addition, cross-linked polyacrylic acid binders for high-capacity silicon-based negative electrodes for next-generation lithium-ion batteries are known (Organic Square 55, 2016).
また、従来の商用のリチウムイオンニ次電池用負極の活物質としてはグラファイトが多年にわたり用いられてきたが、放電容量は高くても300mAhg-1程度にとどまっていた。一方で、シリコンの理論容量は、現在負極活物質として主に使われている黒鉛の約10倍(4200 mAhg-1)と大きいことが知られており、黒鉛負極をシリコン負極に置き換えることが期待されている。こうした技術として、ポリアクリル酸等のバインダーを活用した技術が提案されている(非特許文献1参照。以下、「従来技術1」という。)。
In addition, graphite has been used for many years as the active material for the negative electrode for conventional commercial lithium-ion secondary batteries, but the discharge capacity has been limited to about 300 mAhg -1 at the highest. On the other hand, it is known that the theoretical capacity of silicon is about 10 times (4200 mAhg -1 ) larger than that of graphite, which is currently mainly used as a negative electrode active material, and it is expected that the graphite negative electrode will be replaced with a silicon negative electrode. Has been done. As such a technique, a technique utilizing a binder such as polyacrylic acid has been proposed (see Non-Patent
さらに、リチウムイオン電池においては、バインダーが「電極活物質を接着する」役割を担うことが知られている。負極では、バインダーは、炭素材料その他の活物質と集電体である銅箔その他の金属箔とを結合させている。こうしたバインダーとして、フッ化ビニリデン樹脂が長く使用されてきた。負極表面上の被膜(Solid Electrolyte Interphase、以下、「SEI」ということがある)の形成においては、バインダーが重要な役割を有することが知られており、シリコン負極用バインダーとして、共役系高分子を利用することも報告されている(非特許文献2参照。以下、「従来技術2」という。)。
Further, in a lithium ion battery, it is known that a binder plays a role of "adhering an electrode active material". In the negative electrode, the binder binds a carbon material or other active material to a copper foil or other metal foil which is a current collector. As such a binder, vinylidene fluoride resin has been used for a long time. It is known that the binder plays an important role in the formation of the coating film (Solid Electrolyte Interphase, hereinafter sometimes referred to as "SEI") on the surface of the negative electrode. As a binder for the silicon negative electrode, a conjugated polymer is used. It has also been reported to be used (see Non-Patent
従来技術1は、シリコン負極のリチウム化及び脱リチウム化の際の容積変化(300%)に起因する従来のバインダー(PVDF等)の欠点を改善するための候補となるポリマーバインダーの化学構造等を詳細に紹介したものである。しかし、シリコンを負極材料として使用する場合に問題とされていた、下記の点に関しては解が提供されていない。
The
第1の問題は、純粋なシリコンは導電性が低く、電池材料としては使えないことである。このため、一酸化ケイ素もしくは二酸化ケイ素、又はシリコンに導電性を与えるためにドーピングを行い、不純物半導体(nまたはp型)にした材料とすることも提案されている。シリコンの導電性の低さを補うために、主にカーボン系材料が導電助剤として使用されている。 The first problem is that pure silicon has low conductivity and cannot be used as a battery material. For this reason, it has also been proposed to dope silicon monoxide, silicon dioxide, or silicon in order to impart conductivity to the material as an impurity semiconductor (n or p-type). To compensate for the low conductivity of silicon, carbon-based materials are mainly used as conductive aids.
電池体積は規格で定められているため、導電助剤の増量は活物質の減量に直結し、電池容量の低下を招く。この問題を回避するためには、導電助剤をすべてのシリコン粒子に付着させるとともに、導電助剤同士の距離を極力小さくして接触する構造を構築しなければならないという問題がある。現在のところ、安定的に高容量な充放電サイクルを産業的に供する系は見いだされておらず、産業的にはグラファイトに10-20wt%のシリコンを添加して、400-500mAhg-lを実現する段階にとどまっている。 Since the battery volume is defined by the standard, increasing the amount of the conductive auxiliary agent directly leads to the decrease in the amount of the active material, which leads to a decrease in the battery capacity. In order to avoid this problem, there is a problem that the conductive auxiliary agent must be attached to all the silicon particles and the distance between the conductive auxiliary agents must be made as small as possible to construct a structure in which they come into contact with each other. At present, no system has been found that industrially provides a stable and high-capacity charge / discharge cycle, and industrially, 10-20 wt% silicon is added to graphite to achieve 400-500 mAhg-l. It is still in the stage of doing.
従来技術2は、従来のPVDFバインダーを含む電極と比べて、出力における電気化学的性能、サイクリング挙動及びspecific capacityが有意に向上したビスイミノアセナフテンキノン(BIAN)-フルオレンポリマーをバインダーとして提供したという点では優れた発明である。しかし、シリコン電極の上記のような体積変化によって生じる問題を解決するためには、さらに改善の余地があった。
第2の問題は、リチウムイオンの挿入・脱離が、シリコン粒子を膨張・収縮させるため、電極の体積を変動させるということである。電極の体積の変動は、黒鉛系負極を使用した場合でも生じるが、シリコン系負極を使用した場合には変動の度合いが大きく、充放電を繰り返すことによって、シリコン粒子が破砕され、負極の導電ネットワークが寸断される、又は集電体から負極が剥離するといった問題がある。
It is said that the
The second problem is that the insertion / desorption of lithium ions causes the silicon particles to expand / contract, thus varying the volume of the electrode. Fluctuations in the volume of the electrodes occur even when a graphite-based negative electrode is used, but the degree of fluctuation is large when a silicon-based negative electrode is used, and by repeating charging and discharging, silicon particles are crushed and the conductive network of the negative electrode is used. There is a problem that the negative electrode is cut off or the negative electrode is peeled off from the current collector.
こうした問題を解決するために、新たなバインダー材料が求められている。そして、その設計に際しては、電極活物質との混和性がよく、集電体へのフィルム形成能が高く、接着性が高いフィルムを形成することができ、電極活物質との界面抵抗が低く、電気化学的に安定であり、良好な固体電解質界面(SEI)の形成を補助できること、といった種々の性質を有することを検討する必要がある。 In order to solve these problems, new binder materials are required. In designing the film, the mixture with the electrode active material is good, the film forming ability on the current collector is high, the film with high adhesiveness can be formed, and the interfacial resistance with the electrode active material is low. It is necessary to consider that it is electrochemically stable and has various properties such as being able to assist in the formation of a good solid electrolyte interface (SEI).
したがって、安定的に高容量な充放電サイクルを産業的に供する系を実現すること、及びのために必要とされる上記のような性質を有する新たなバインダー材料に対する高い社会的要請があった。 Therefore, there has been a high social demand for a new binder material having the above-mentioned properties required for realizing a system that industrially provides a stable and high-capacity charge / discharge cycle.
本発明の発明者等は、以上のような状況の下で鋭意研究を重ね、新たなバインダー材料としてビスイミノアセナフテキノン(以下、「BIAN」と略すことがある。)構造を有するπ-共役系高分子を合成し、本発明を完成したものである。
すなわち、本発明の一の態様は、下記式(I)で表される化合物とポリ酸とを含む二次電池の負極用高分子バインダー組成物である。
The inventors of the present invention have conducted extensive research under the above circumstances, and as a new binder material, π-conjugated having a bisiminoacenaftecinone (hereinafter, abbreviated as "BIAN") structure. The present invention was completed by synthesizing a system polymer.
That is, one aspect of the present invention is a polymer binder composition for a negative electrode of a secondary battery containing a compound represented by the following formula (I) and a polyacid.
ここで、上記式(I)中、R1及びR2は、水素原子、炭素数1〜12の飽和炭化水素鎖及び炭素数6〜10の環式炭化水素からなる群から選ばれるいずれかの置換基であり、nは10〜500の整数を表す。 Here, in the above formula (I), R 1 and R 2 are any one selected from the group consisting of a hydrogen atom, a saturated hydrocarbon chain having 1 to 12 carbon atoms, and a cyclic hydrocarbon having 6 to 10 carbon atoms. It is a substituent, and n represents an integer of 10 to 500.
前記式(I)で表される化合物は、下記式(II)で表される化合物からなる群から選ばれるいずれかの化合物であることが好ましい。 The compound represented by the formula (I) is preferably any compound selected from the group consisting of the compounds represented by the following formula (II).
上記式中、R1及びR2は、水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ペンチル基、ヘキシル基及びナフチル基からなる群から選ばれるいずれかの基であり、nは10〜500の整数を表す。 In the above formula, R 1 and R 2 are any group selected from the group consisting of a hydrogen atom, a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, a pentyl group, a hexyl group and a naphthyl group, and n is 10 Represents an integer of ~ 500.
ここで、前記式(I)又は(II)で表される化合物は、下記式(III)〜(VIII)で表される化合物からなる群から選ばれるいずれかの化合物であることが好ましく、下記記式(III)〜(VIII)で表される化合物中、nは10〜500の整数を表す。 Here, the compound represented by the formula (I) or (II) is preferably any compound selected from the group consisting of the compounds represented by the following formulas (III) to (VIII), and is preferably described below. In the compounds represented by the formulas (III) to (VIII), n represents an integer of 10 to 500.
また、前記ポリ酸は、ポリアクリル酸又はフィチン酸であることが好ましく、前記ポリアクリル酸は、3,000〜500,000の数平均分子量を有する化合物であることが好ましい。前記式(I)〜(VIII)のいずれかで表される化合物は、ビスイミノアセナフテキノン骨格を有するジハライド化合物とジエチニルフルオレン誘導体との重合体であることが好ましい。また、これらの化合物の数平均分子量は、3,500〜4,500であることが好ましい。 The polyacid is preferably polyacrylic acid or phytic acid, and the polyacrylic acid is preferably a compound having a number average molecular weight of 3,000 to 500,000. The compound represented by any of the formulas (I) to (VIII) is preferably a polymer of a dihalide compound having a bisiminoasenaftequinone skeleton and a diethynylfluorene derivative. The number average molecular weight of these compounds is preferably 3,500 to 4,500.
本発明の別の態様は、上述した二次電池の負極用高分子バインダー組成物と、負極活物質と、導電材とを溶媒中で分散混合させてスラリーを調製し、前記スラリーを集電体上に塗工し、乾燥させて作製した二次電池用負極である。 In another aspect of the present invention, the above-mentioned polymer binder composition for a negative electrode of a secondary battery, a negative electrode active material, and a conductive material are dispersed and mixed in a solvent to prepare a slurry, and the slurry is used as a current collector. It is a negative electrode for a secondary battery manufactured by applying it on top and drying it.
ここで、前記二次電池用負極は、20〜80重量%の負極活物質であるシリコン及び10〜25重量%の導電材であるアセチレンブラックを含むシリコン負極であることが好ましく、グラファイトをさらに含むことが好ましい。 Here, the negative electrode for a secondary battery is preferably a silicon negative electrode containing 20 to 80% by weight of silicon as a negative electrode active material and 10 to 25% by weight of acetylene black as a conductive material, and further contains graphite. Is preferable.
前記シリコン負極は、上記高分子化π-共役系高分子、及びポリアクリル酸をさらに含むことが好ましく、グラファイト:シリコン:アセチレンブラック:上記高分子化π-共役系高分子:ポリアクリル酸=28〜32:23〜27:18〜22:18〜22:1〜9(重量%)を含むことが好ましい。 The silicon negative electrode preferably further contains the polymerized π-conjugated polymer and polyacrylic acid, and graphite: silicon: acetylene black: the polymerized π-conjugated polymer: polyacrylic acid = 28. It is preferable to contain ~ 32: 23 to 27: 18 to 22: 18 to 22: 1 to 9 (% by weight).
本発明のさらに別の態様は、上述した二次電池の負極用高分子バインダー組成物を含むスラリーを調製し、前記スラリーで負極中に形成された自己修復性マトリックスである。ここで、前記自己修復性マトリックスは、下記式(IX)で表される水素結合を有する化合物であることが好ましい。本明細書中において「自己修復性」とは、力学的に生じた構造的損傷を水と結合ネットワークの再形成により修復できることと定義する。 Yet another aspect of the present invention is a self-healing matrix formed in a negative electrode by preparing a slurry containing the above-mentioned polymer binder composition for a negative electrode of a secondary battery. Here, the self-healing matrix is preferably a compound having a hydrogen bond represented by the following formula (IX). As used herein, "self-healing" is defined as the ability of mechanically occurring structural damage to be repaired by reshaping the water-bound network.
本発明のさらに別の態様は、上述した負極を備える二次電池である。ここで、前記二次電池は、負極中に二次電池の負極用高分子バインダー組成物を備えるものであることが好ましい。 Yet another aspect of the present invention is a secondary battery comprising the negative electrode described above. Here, it is preferable that the secondary battery includes a polymer binder composition for the negative electrode of the secondary battery in the negative electrode.
本発明のバインダー組成物によれば、上記バインダー組成物に含まれるビスイミノアセナフテキノン(BIAN)構造を有するπ-共役系高分子が、バインダーとして求められるグラファイトとの相互作用、NMPへの溶解性、上記集電体との相互作用等の面で、従来のバインダーよりも格別に有利な効果を発揮する。 According to the binder composition of the present invention, the π-conjugated polymer having a bisiminoacenaftecinone (BIAN) structure contained in the binder composition interacts with graphite, which is required as a binder, and dissolves in NMP. In terms of properties, interaction with the current collector, etc., it exerts a particularly advantageous effect over the conventional binder.
また、本発明のバインダー組成物を使用することにより、負極を保護するための自己修復性マトリックスが提供される。このマトリックスは、シリコン電極の体積変動によって破断した導電ネットワークの自己修復を可能にする。 Also, by using the binder composition of the present invention, a self-healing matrix for protecting the negative electrode is provided. This matrix allows self-healing of conductive networks broken due to volume fluctuations in silicon electrodes.
以下に、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明は、下記式(I)で表される化合物とポリ酸とを含む二次電池の負極用高分子バインダー組成物である。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings as necessary.
The present invention is a polymer binder composition for a negative electrode of a secondary battery containing a compound represented by the following formula (I) and a polyacid.
上記式(I)中、R1及びR2は、水素原子、炭素数1〜12の飽和炭化水素鎖及び炭素数6〜10の環式炭化水素からなる群から選ばれるいずれかの置換基であり、nは10〜500の整数を表す。
前記式(I)で表される化合物は、下記式(II)で表される化合物からなる群から選ばれるいずれかの化合物であることが、負極を作製したときに、高い性能を有しつつ、上記負極の体積変化による容量低下を防ぐことができることから好ましい。
In the above formula (I), R 1 and R 2 are any substituent selected from the group consisting of a hydrogen atom, a saturated hydrocarbon chain having 1 to 12 carbon atoms, and a cyclic hydrocarbon having 6 to 10 carbon atoms. Yes, n represents an integer from 10 to 500.
The compound represented by the formula (I) is any compound selected from the group consisting of the compounds represented by the following formula (II), while having high performance when the negative electrode is manufactured. This is preferable because it is possible to prevent a decrease in capacity due to a change in the volume of the negative electrode.
上記式中、R1及びR2は、水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ペンチル基、ヘキシル基及びナフチル基からなる群から選ばれるいずれかの基であり、nは10〜500の整数を表す。
また、前記式(I)又は(II)で表される化合物は、下記式(III)〜(VIII)で表される化合物(以下、「高分子化π-共役系高分子」ということがある。)からなる群から選ばれるいずれかの化合物であることが、負極を作製したときに、高い性能を有しつつ、上記負極の体積変化による容量低下を防ぐことができることから好ましい。下記式(III)〜(VIII)で表される化合物中、nは10〜500の整数を表す。
In the above formula, R 1 and R 2 are any group selected from the group consisting of a hydrogen atom, a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, a pentyl group, a hexyl group and a naphthyl group, and n is 10 Represents an integer of ~ 500.
Further, the compound represented by the formula (I) or (II) may be referred to as a compound represented by the following formulas (III) to (VIII) (hereinafter, "polymerized π-conjugated polymer"). It is preferable that any compound selected from the group consisting of ()) is used because it has high performance when a negative electrode is produced and can prevent a decrease in capacity due to a change in the volume of the negative electrode. In the compounds represented by the following formulas (III) to (VIII), n represents an integer of 10 to 500.
前記ポリ酸は、効果的な水素結合形成ができることからポリアクリル酸又はフィチン酸であることが好ましく、前記ポリアクリル酸は、3,000〜500,000の数平均分子量を有することが、十分な力学特性を与えることから好ましい。 The polyacid is preferably polyacrylic acid or phytic acid because it can form effective hydrogen bonds, and the polyacrylic acid has a number average molecular weight of 3,000 to 500,000, which gives sufficient mechanical properties. Therefore, it is preferable.
前記式(I)〜(VIII)のいずれかで表される化合物は、ビスイミノアセナフテキノン骨格を有するジハライド化合物とジエチニルフルオレン誘導体との重合体であることが、好ましい。また、前記式(I)〜(VIII)のいずれかで表される化合物の数平均分子量は、3,500〜4,500であることが、好ましい。 The compound represented by any of the formulas (I) to (VIII) is preferably a polymer of a dihalide compound having a bisiminoasenaftequinone skeleton and a diethynylfluorene derivative. The number average molecular weight of the compound represented by any of the formulas (I) to (VIII) is preferably 3,500 to 4,500.
本発明の二次電池の負極用高分子バインダー組成物と、負極活物質と、導電材とを溶媒中で分散混合させることによってスラリーを調製し、前記スラリーを集電体上に塗工し、乾燥させ、二次電池用負極を作製することができる。なお、上記スラリーの粘度を所望のものとするために、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース(CMC)その他の増粘剤を、本発明のバインダーの特性を損なわない範囲で適宜添加することもできる。 A slurry is prepared by dispersing and mixing the negative electrode polymer binder composition for the negative electrode of the secondary battery of the present invention, the negative electrode active material, and the conductive material in a solvent, and the slurry is applied onto the current collector. It can be dried to produce a negative electrode for a secondary battery. In order to obtain the desired viscosity of the slurry, methyl cellulose, carboxymethyl cellulose (CMC) and other thickeners can be appropriately added as long as the characteristics of the binder of the present invention are not impaired.
上記溶媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(以下、「NMP」と略すことがある。)、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルスルホキシド、ヘキサメチルスルホルアミド、およびメチルエチルケトン等の有機溶媒を、単独で、又は混合して使用することができる。また、必要に応じて、各種分散剤、界面活性剤、安定剤等を添加してもよい。 Examples of the solvent include N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter, may be abbreviated as “NMP”), N, N-dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, hexamethylsulfoxide, and hexamethylsulfoxide. , And organic solvents such as methyl ethyl ketone can be used alone or in admixture. Further, various dispersants, surfactants, stabilizers and the like may be added as needed.
重量あたりの電池容量が黒鉛に比べて格段に大きいことから、上記負極活物質はシリコン系化合物であることが好ましい。本明細書において「シリコン系の負極活物質」とは、充放電の際にリチウムイオンと反応するシリコンおよびシリコン化合物をいう。例えば、冶金グレードシリコン(二酸化珪素を炭素で還元して作製されるシリコン)、工業グレードシリコン(上記冶金グレードシリコンに対して酸処理又は一方向凝固等処理を行い、不純物を低減したシリコン)、高純度結晶シリコン(シリコンを反応させて得られたシランから作製されるシリコンで、単結晶、多結晶、アモルファス等、種々の結晶状態が知られている)等を挙げることができる。 Since the battery capacity per weight is much larger than that of graphite, the negative electrode active material is preferably a silicon-based compound. As used herein, the term "silicon-based negative electrode active material" refers to silicon and silicon compounds that react with lithium ions during charging and discharging. For example, metallurgical grade silicon (silicon produced by reducing silicon dioxide with carbon), industrial grade silicon (silicon obtained by subjecting the above metallurgical grade silicon to acid treatment or one-way solidification to reduce impurities), high. Examples thereof include pure crystalline silicon (silicon produced from silane obtained by reacting silicon, and various crystalline states such as single crystal, polycrystal, and amorphous are known).
ここで、前記二次電池用負極は、20〜80重量%の負極活物質であるシリコン及び10〜25重量%の導電材であるアセチレンブラックを含むシリコン負極であることが、高い放電容量を実現できることから好ましい。また、前記シリコン負極は、グラファイトをさらに含むことが、導電性が向上することから好ましい。 Here, the negative electrode for the secondary battery is a silicon negative electrode containing 20 to 80% by weight of silicon, which is a negative electrode active material, and 10 to 25% by weight of acetylene black, which is a conductive material, to realize a high discharge capacity. It is preferable because it can be done. Further, it is preferable that the silicon negative electrode further contains graphite because the conductivity is improved.
前記シリコン負極は、上記の高分子化π-共役系高分子、及びポリアクリル酸をさらに含むことが、負極マトリックスの導電性と自己修復能に基づく耐久性の点から好ましい。そして、前記シリコン負極は、グラファイト:シリコン:アセチレンブラック:上記高分子化π-共役系高分子:ポリアクリル酸を、28〜32:23〜27:18〜22:18〜22:1〜9(重量%)の比率で含むようにすることが、負極マトリックスの導電性と、自己修復能に基づく耐久性とが一層向上することから好ましい。 It is preferable that the silicon negative electrode further contains the above-mentioned polymerized π-conjugated polymer and polyacrylic acid from the viewpoint of the conductivity of the negative electrode matrix and the durability based on the self-repairing ability. The silicon negative electrode is graphite: silicon: acetylene black: the polymerized π-conjugated polymer: polyacrylic acid, and 28 to 32:23 to 27:18 to 22:18 to 22: 1-9 ( It is preferable to include it in a ratio of (% by weight) because the conductivity of the negative electrode matrix and the durability based on the self-repairing ability are further improved.
本発明のバインダーを含む負極は、以下のようにして調製することができる。例えば、N-メチル-2-ピロリドン(以下、「NMP」と略すことがある。)溶媒中に、所望の比率でグラファイト又は還元型グラフェン(以下、「rGO」と略すことがある。)、シリコンナノパウダー、上記BIAN-p-フェニレンコポリマーバインダー、PAAバインダー、アセチレンブラックを含む組成物を分散させてスラリーとし、これを所望の金属箔上に塗工して作製することができる。 The negative electrode containing the binder of the present invention can be prepared as follows. For example, graphite or reduced graphene (hereinafter, may be abbreviated as “rGO”), silicon in a desired ratio in an N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter, abbreviated as “NMP”) solvent. A composition containing nanopowder, the above-mentioned BIAN-p-phenylene copolymer binder, PAA binder, and acetylene black can be dispersed to form a slurry, which can be coated on a desired metal foil to prepare the slurry.
上記組成物中に含まれる各化合物の比率は、例えば、グラファイト又はrGOが約25〜約35wt%、シリコンナノパウダーが約10〜約20 wt%、BIAN-p-フェニレンコポリマーバインダーが約15〜約25 wt%、PAAバインダーが約2〜7 wt%、アセチレンブラックが約15〜約25 wt%とすることができる。集電体を構成する金属箔としては、アルミニウム、銅、亜鉛、ニッケル、チタン及びステンレス等の箔を使用することができる。 The ratio of each compound contained in the above composition is, for example, about 25 to about 35 wt% for graphite or rGO, about 10 to about 20 wt% for silicon nanopowder, and about 15 to about 15 to about 15 to about BIAN-p-phenylene copolymer binder. It can be 25 wt%, PAA binder about 2-7 wt%, acetylene black about 15-about 25 wt%. As the metal foil constituting the current collector, foils such as aluminum, copper, zinc, nickel, titanium and stainless steel can be used.
上記箔への塗工は、グラビア法、リバースロール法、ダイレクトロール法、ドクターブレード法、ナイフ法、エクストルージョン法等によって行うことができる。均質で厚みの一定した板状に塗工できることから、ドクターブレード法を採用することが好ましい。塗工で得られた均質で厚みの一定した電極からNMP溶媒を完全に除去するために、この電極を真空中、例えば、約80〜約95℃にて、約10〜15時間乾燥させ、その後、例えば、約70〜約90℃にて、所望の厚さ、例えば、約60〜約90μmになるようにロールプレスする。このようにして得られた電極を、パンチを用いて所望の大きさの円盤に打ち抜き、あらかじめ作製しておいた正極との間にセパレータを挟んで筐体に格納し、電気化学試験用のコイン型電池を作製する。 The coating on the foil can be performed by a gravure method, a reverse roll method, a direct roll method, a doctor blade method, a knife method, an extrusion method or the like. It is preferable to adopt the doctor blade method because it can be applied in the form of a plate having a uniform thickness. In order to completely remove the NMP solvent from the homogeneous and consistent thickness electrode obtained by coating, this electrode is dried in vacuum, for example, at about 80 to about 95 ° C. for about 10 to 15 hours, and then. , For example, at about 70 to about 90 ° C., roll press to a desired thickness, for example, about 60 to about 90 μm. The electrode thus obtained is punched into a disk of a desired size using a punch, a separator is sandwiched between the electrode and a positive electrode prepared in advance, and the electrode is stored in a housing, and a coin for an electrochemical test is used. Make a mold battery.
また、本願発明においては、上記二次電池の負極用高分子バインダー組成物を調製し、これを上述した溶媒中に分散させてスラリーとし、このスラリーを用いて負極を形成することにより、前記負極中に自己修復性マトリックスを形成させることができる。ここで、前記溶媒としては、例えば、構成成分の溶解性がよく、分散性が高いことからNMPを好適に使用することができる。また、スラリーを塗工する箔としては、上述した箔を使用することができるが、銅箔を使用することがコスト面からから好ましい。 Further, in the present invention, the negative electrode is prepared by preparing a polymer binder composition for a negative electrode of the secondary battery, dispersing the polymer binder composition in the above-mentioned solvent to form a slurry, and forming a negative electrode using this slurry. A self-healing matrix can be formed in it. Here, as the solvent, for example, NMP can be preferably used because the constituent components have good solubility and high dispersibility. Further, as the foil for coating the slurry, the above-mentioned foil can be used, but it is preferable to use a copper foil from the viewpoint of cost.
本発明の自己修復性を有するマトリックスは、例えば、上記のようにして調製した本発明のバインダーを含む負極を形成する際に、同時に形成される。そして、前記自己修復性マトリックスは、下記式(IX)で表される水素結合を有する化合物であることが、負極マトリックスの導電性と自己修復能に基づく耐久性とを付与することから好ましい。自己修復性マトリックスが形成されることにより、シリコンを用いた負極の体積変化で負極表面が荒れることが防止され、本発明のバインダーを含む負極を備えるセルのサイクリング数を向上させることができる。 The self-healing matrix of the present invention is formed at the same time, for example, when forming the negative electrode containing the binder of the present invention prepared as described above. The self-repairing matrix is preferably a compound having a hydrogen bond represented by the following formula (IX) because it imparts conductivity based on the self-repairing ability and conductivity of the negative electrode matrix. By forming the self-healing matrix, it is possible to prevent the surface of the negative electrode from being roughened by the volume change of the negative electrode using silicon, and it is possible to improve the number of cycles of the cell including the negative electrode containing the binder of the present invention.
(実施例1)グラファイト-シリコンコンポジット系アノードハーフセルの作製
N-パラフェニレン-PAA (20wt%-5wt%) ポリマーをバインダーとして用いた上記ハーフセルを下記のようにして作製した。
(1)スラリーの調製
電極活物質として、グラファイト(Merk社製)の超微粉末を使用した。導電性添加剤として、平均粒径40 nmのバッテリーグレードのアセチレンブラック(以下、「AB」と略すことがある。)を使用した。負極用組成物は総重量で100g調製した。この組成物に含まれる各成分の比率は、グラファイト30 wt%、シリコンナノパウダー(粒径は100 nm未満) 25 wt%、BIAN-p-フェニレンコポリマーバインダー20 wt%、及びPAAバインダー5 wt%並びにアセチレンブラック20 wt%とした。
この組成物50gを100mLのN-メチル-2-ピロリドン(以下、「NMP」と略すことがある。)溶媒中に懸濁させて、スラリーを調製した。下記表1に示す組成のスラリーも同様に作製した。
(Example 1) Fabrication of graphite-silicon composite anode half cell
The above half cell using N-paraphenylene-PAA (20wt% -5wt%) polymer as a binder was prepared as follows.
(1) Preparation of slurry An ultrafine powder of graphite (manufactured by Merck & Co., Ltd.) was used as the electrode active material. As a conductive additive, battery grade acetylene black with an average particle size of 40 nm (hereinafter, may be abbreviated as “AB”) was used. The composition for the negative electrode was prepared by a total weight of 100 g. The proportions of each component in this composition are 30 wt% graphite, 25 wt% silicon nanopowder (particle size less than 100 nm), 20 wt% BIAN-p-phenylene copolymer binder, and 5 wt% PAA binder. Acetylene black was set to 20 wt%.
A slurry was prepared by suspending 50 g of this composition in 100 mL of N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter, abbreviated as "NMP") solvent. A slurry having the composition shown in Table 1 below was also prepared in the same manner.
*1:還元型グラフェン *2:アセチレンブラック
* 1: Reduced graphene * 2: Acetylene black
(2)負極の調製
次いで、上記スラリーを幅220mm、厚さ20μmの電解銅箔の片面に対して、塗布幅200mm、塗布厚70μmとなるようにドクターブレードを用いて塗布し、電極を作製した。
上記電極を真空中、90℃にて12時間乾燥させ、NMP溶媒を完全に除去した。さらに、上記電極を80℃にて厚さ70μmになるようにロールプレスし、小さな円盤(直径15mm)に打ち抜き、本発明の負極電極とした。この負極電極は、作製後直ちに測定に供した。
(2) Preparation of Negative Electrode Next, the slurry was applied to one side of an electrolytic copper foil having a width of 220 mm and a thickness of 20 μm using a doctor blade so as to have a coating width of 200 mm and a coating thickness of 70 μm to prepare an electrode. ..
The electrodes were dried in vacuum at 90 ° C. for 12 hours to completely remove the NMP solvent. Further, the electrode was roll-pressed at 80 ° C. to a thickness of 70 μm and punched into a small disk (
(3)正極の調製
金属リチウムを正極として使用した。その後、負極と同じ大きさの円盤に打ち抜き、正極電極を調製した。
(3) Preparation of positive electrode Metallic lithium was used as the positive electrode. Then, a disk having the same size as the negative electrode was punched to prepare a positive electrode.
(4)非水電解液の調製
アルゴンガスを充填したグローブボックス内で、エチレンカーボネート:ジエチルカーボネート=1:1(v/v)の混合溶液に、LiPF6を1.0 Mとなるよう溶解させ、非水電解液を調製した。
(4) Preparation of non-aqueous electrolytic solution In a glove box filled with argon gas, LiPF 6 was dissolved in a mixed solution of ethylene carbonate: diethyl carbonate = 1: 1 (v / v) so as to be 1.0 M, and non-aqueous electrolyte solution was prepared. A water electrolyte was prepared.
(5)リチウムイオン二次電池(コインセル)の作製
上記のように作製した負極電極、正極電極、非水電解液、及び厚さ30μmのポリプロピレン製微多孔質フィルムのセパレータを用いて、性能評価用のコイン型リチウムイオン二次電池(非水電解質二次電池)を作製した。
(5) Preparation of Lithium Ion Secondary Battery (Coin Cell) For performance evaluation using the negative electrode, positive electrode, non-aqueous electrolyte, and separator of a 30 μm thick polypropylene microporous film prepared as described above. Coin-type lithium-ion secondary battery (non-aqueous electrolyte secondary battery) was manufactured.
(6)リチウム-シリコンアロイにおける充電量の計算
(6−1)電気化学的に駆動される固体アモルファスの場合
Li21Si5アロイのシリコンの理論最大キャパシティは4200 mAhg-1であることが報告されている(P. Limthongkul et al. / Acta Materialia 51 (2003) 1103-1113 Huggins RA, Nix WD. Ionics 2000;6:57.を参照されたい)。また、リチウム‐シリコンアロイを電気化学的な固体状態でアモルファス化することは、室温で十分に可能であることが確認されている(P. Limthongkul et al. によって2003年に報告されている)。
そこで、下記表2に示す組成(Li/Siモル比)を有する電極の充電量を測定した。
(6) Calculation of charge amount in lithium-silicon alloy (6-1) In the case of electrochemically driven solid amorphous
The theoretical maximum capacity of silicon for Li 21 Si 5 alloys has been reported to be 4200 mAhg -1 (P. Limthongkul et al. / Acta Materialia 51 (2003) 1103-1113 Huggins RA, Nix WD.
Therefore, the charge amount of the electrode having the composition (Li / Si molar ratio) shown in Table 2 below was measured.
(6−2)本発明のバインダー組成物を用いた時に期待される理論充電量
本発明のポリ(BIAN)-PAAポリマーバインダーとグラファイト/シリコンコンポジットを用いた場合の理論充電量をを、グラファイト(LiC6)の理論充電量である372 mAhg-1に基づいて求めた。すなわち、Li15Si4 アロイは、3569 mAhg-1に相当することから、作製した電極の理論的充電量は、1423 mAhg-1、すなわち、(0.333 × 3569) + (0.666 × 372)となった。
(6-2) Theoretical charge amount expected when the binder composition of the present invention is used The theoretical charge amount when the poly (BIAN) -PAA polymer binder of the present invention and the graphite / silicon composite are used is determined by graphite (6-2). It was calculated based on the theoretical charge of 372 mAhg -1 of LiC 6). That is, since the Li 15 Si 4 alloy corresponds to 3569 mAhg -1 , the theoretical charge of the prepared electrode was 1423 mAhg -1 , that is, (0.333 × 3569) + (0.666 × 372). ..
(実施例2)実行セル(performing cells)の性能評価
(1)実行セル(performing cells)を用いたEISプロファイル
実施例1で作製したコイン型二次電池(実行セル)を用いて、サイクリックボルタンメトリー(CV)及び電気化学インピーダンス(Electrochemical Impedance Spectroscopy:以下、「EIS」と略すことがある。)プロファイルを測定した。
(Example 2) Performance evaluation of executing cells (1) EIS profile using executing cells Cyclic voltammetry using the coin-type secondary battery (execution cell) produced in Example 1. (CV) and Electrochemical Impedance Spectroscopy (hereinafter, may be abbreviated as "EIS") profile were measured.
(VSP ポテンショスタット(Bio-Logic Science Instruments))を用いて、負極/負極対称モデルセルのEISを測定した。周波数範囲は65 kHz〜10 mHz、振幅電圧は± 5 mV、周辺温度は25℃とした。結果を図3に示す。
図3に示されるように、この測定結果では、実装後及びCV後のいずれにおいてもナイキスト線図上で円弧を描いた後に、直線的な上昇を示していた。
(VSP potentiostat (Bio-Logic Science Instruments)) was used to measure the EIS of the negative electrode / negative electrode symmetric model cell. The frequency range was 65 kHz to 10 mHz, the amplitude voltage was ± 5 mV, and the ambient temperature was 25 ° C. The results are shown in FIG.
As shown in FIG. 3, this measurement result showed a linear rise after drawing an arc on the Nyquist diagram both after mounting and after CV.
(2)実行セル(performing cells)を用いたCVプロファイル
次いで、シリコン-グラファイト系負極用のポリ(BIAN)-PAA系バインダー(本発明のバインダー)のサイクリックボルタンメトリー試験によって、上記バインダーの電気化学特性を評価した。サイクリックボルタンメトリー試験には、VSP ポテンショスタット(Bio-Logic Science Instruments) を使用した。図4にサイクリックボルタングラムを示す。サイクル1では不可逆的な電極の分解が観察された。また、サイクル2〜4では、グラファイトからの脱リチウム化に対応するピーク及びシリコンからのLi+の脱アロイ化による脱リチウム化に対応するピークが観察された。
(2) CV profile using performing cells Then, by cyclic voltammetry test of a poly (BIAN) -PAA-based binder (binder of the present invention) for a silicon-graphite-based negative electrode, the electrochemical characteristics of the above binder Was evaluated. VSP potentiostats (Bio-Logic Science Instruments) were used for the cyclic voltammetry test. FIG. 4 shows a cyclic voltangram. Irreversible electrode decomposition was observed in
(3)実行セル(performing cells)を用いた放電量及びクーロン効率の測定
次に、クーロン効率を含めた充放電特性評価は、Electrofield ABE 1024を用いて行った。結果を図5(A)に示す。その結果、上記ポリ(BIAN)-PAA系バインダーを含むグラファイト‐シリコンコンポジット電極では、335サイクル後の可逆容量は230 mAhg-1 であった。また、クーロン効率は100%付近でほぼ一定であった。このことから、本発明の負極を用いると、充電に要した電気量(Ah)に対して有効に取り出せた放電電気量が多いことが示された。また、活物質としてのシリコンの量に対する335サイクル後(図5(B))の可逆容量は470 mAhg-1 であった。
(3) Measurement of discharge amount and Coulomb efficiency using performing cells Next, charge / discharge characterization including Coulomb efficiency was performed using Electrofield ABE 1024. The results are shown in FIG. 5 (A). As a result, in the graphite-silicon composite electrode containing the poly (BIAN) -PAA-based binder, the reversible capacitance after 335 cycles was 230 mAhg -1 . In addition, the Coulomb efficiency was almost constant at around 100%. From this, it was shown that when the negative electrode of the present invention was used, the amount of discharged electricity that could be effectively taken out was larger than the amount of electricity (Ah) required for charging. The reversible capacity after 335 cycles (FIG. 5 (B)) with respect to the amount of silicon as an active material was 470 mAhg -1 .
(実施例3)セルを用いた性能評価−1
(1)放電量及びクーロン効率の測定
PAAのみのバインダーを含むセルを対照とし、上記ポリ(BIAN)-PAA系バインダーを含むセルの放電容量及びクーロン効率を測定した。測定条件は実施例2と同様とした。結果を図6(A)に示す。25サイクル以降の放電容量の低下を見ると、上記ポリ(BIAN)-PAA系バインダーを含むセルと明確な差異が見られた。また、活物質としてのシリコンの量に対する放電量でも同じ傾向が示された(図6(B))。
(Example 3) Performance evaluation using cells-1
(1) Measurement of discharge amount and coulomb efficiency
Using a cell containing a PAA-only binder as a control, the discharge capacity and the Coulomb efficiency of the cell containing the poly (BIAN) -PAA-based binder were measured. The measurement conditions were the same as in Example 2. The results are shown in FIG. 6 (A). Looking at the decrease in discharge capacity after 25 cycles, a clear difference was observed from the cells containing the above poly (BIAN) -PAA-based binder. In addition, the same tendency was shown in the amount of discharge with respect to the amount of silicon as an active material (FIG. 6 (B)).
(2)サイクリング前後における電極表面の変化
サイクリング前後における電極表面の変化を図7に示す。3つのセルのサイクリング前の電極表面の状態を示す電子顕微鏡像を(A1)〜(A3)として示す。上記(1)で評価に使用した335サイクリング後の状態を示す電子顕微鏡像を(B1)〜(B3)として示す。拡大率は、(A3)及び(B3)がそれぞれ300倍、(A2)及び(B2)がそれぞれ600倍、(A1)及び(B1)がそれぞれ2,000倍である。
サイクリング後の電極表面(ポジション1)は、本発明のバインダーを含む負極電極(A1)及び(B1)と比べて、対照では電極の容量の変化によって大きな変化が認められた(図7の(A2)、(A3)及び同図(B2)、(B3))。
(2) Changes in the electrode surface before and after cycling Fig. 7 shows changes in the electrode surface before and after cycling. Electron microscope images showing the state of the electrode surface of the three cells before cycling are shown as (A1) to (A3). The electron microscope images showing the state after 335 cycling used for the evaluation in (1) above are shown as (B1) to (B3). The magnification is 300 times for (A3) and (B3), 600 times for (A2) and (B2), and 2,000 times for (A1) and (B1), respectively.
The electrode surface (position 1) after cycling showed a large change due to the change in the capacitance of the electrode in the control as compared with the negative electrode (A1) and (B1) containing the binder of the present invention ((A2) in FIG. 7). ), (A3) and the same figure (B2), (B3)).
また、上記電極表面の別のポジションについても、図7と同様に、サイクリング前後(サイクリング前及び335サイクリング後)の状態を示す電子顕微鏡像を得た(図8(A1)〜(B3)参照)。これらの電子顕微鏡像も、図7と同様の結果を示した。 Further, for the other positions of the electrode surface, electron microscope images showing the states before and after cycling (before and after 335 cycling) were obtained as in FIG. 7 (see FIGS. 8 (A1) to 8 (B3)). .. These electron microscope images also showed the same results as in FIG. 7.
(実施例4)セルを用いた性能評価−2
(1)放電量及びクーロン効率の測定
別のセルを用いて上記実施例3と同様の性能評価を行った。結果を図9に示す。このセルの場合、325サイクル後の可逆容量は510 mAhg-1であった(図9(A))。また、活物質としてのシリコンの量に対する可逆容量は、325サイクル後で1122 mAhg-1であった(図9(B))。また、図10に対照(PAAのみを含むバインダーを含むセル)と上記ポリ(BIAN)-PAA系バインダーを含むセルとを比較した結果を示す。実施例3と同様の傾向が示された。
(Example 4) Performance evaluation using cells-2
(1) Measurement of discharge amount and Coulomb efficiency The same performance evaluation as in Example 3 was performed using another cell. The results are shown in FIG. For this cell, the reversible capacitance after 325 cycles was 510 mAhg -1 (FIG. 9 (A)). In addition, the reversible capacity with respect to the amount of silicon as an active material was 1122 mAhg -1 after 325 cycles (Fig. 9 (B)). In addition, FIG. 10 shows the results of comparing the control (cell containing a binder containing only PAA) and the cell containing the above poly (BIAN) -PAA-based binder. The same tendency as in Example 3 was shown.
(2)サイクリング前後における電極表面の変化
サイクリング前後における電極表面の変化を図11及び12に示す。いずれの図面においても、3つのセルのサイクリング前の電極表面の状態を示す電子顕微鏡像を(A1)〜(A3)として示す。上記(1)で評価に使用した320サイクリング後の状態を示す電子顕微鏡像を(B1)〜(B3)として示す。各像の拡大率は図7と同じである。サイクリング後の電極表面(ポジション1)及び(ポジション2)ではいずれも、サイクリング後に表面が大きく変化していることが観察された。
(2) Changes in the electrode surface before and after cycling The changes in the electrode surface before and after cycling are shown in FIGS. 11 and 12. In each of the drawings, electron microscope images showing the state of the electrode surface of the three cells before cycling are shown as (A1) to (A3). The electron microscope images showing the state after 320 cycling used for the evaluation in (1) above are shown as (B1) to (B3). The magnification of each image is the same as in FIG. It was observed that the surface of each of the electrode surfaces (position 1) and (position 2) after cycling changed significantly after cycling.
(3)銅箔上にスラリーを塗工したときのBP-コポリマー及び電極物質のFT-IRの結果
図13に及び14に銅箔上にスラリーを塗工したときのBP-コポリマー及び電極物質のFT-IRの結果を示す。図13にはポリBIANのFT-IRの結果を、また、図14にはPAAのFT-ITの結果をそれぞれ示す。ポリBIANではC-Nストレッチが観察された。これに対し、PAAではC=Oストレッチが観察された。
(3) FT-IR results of BP-copolymer and electrode material when slurry is applied on copper foil The BP-copolymer and electrode material when slurry is applied on copper foil in FIGS. 13 and 14. The result of FT-IR is shown. FIG. 13 shows the results of FT-IR of poly BIAN, and FIG. 14 shows the results of FT-IT of PAA. CN stretch was observed in Poly BIAN. In contrast, C = O stretch was observed in PAA.
(実施例5)バインダーの組成の検討−1
BIAN-パラフェニレン-PAA (20wt% - 5wt%)ポリマーをバインダーとして含む負極を含むグラファイト-シリコンコンポジット(以下、「rGO-Siコンポジット」ということがある。)でハーフセルを作製し、性能を評価した。
(Example 5) Examination of binder composition-1
A half cell was prepared from a graphite-silicon composite (hereinafter sometimes referred to as "rGO-Si composite") containing a negative electrode containing a BIAN-paraphenylene-PAA (20wt% -5wt%) polymer as a binder, and its performance was evaluated. ..
(1)EISプロファイル測定
負極は、グラファイトに代えてrGOを使用した以外は、上記と同様にして作製した。上記実施例2と同様の条件でファブリケーション後及びCV後のEISプロファイルを測定した結果を図15に示す。ファブリケーション後とCV後のプロファイルには大きな相違があり、サイクリング後の界面抵抗の向上が見られた。
(1) EIS profile measurement The negative electrode was prepared in the same manner as above except that rGO was used instead of graphite. FIG. 15 shows the results of measuring the EIS profile after fabrication and after CV under the same conditions as in Example 2. There was a large difference between the post-fabrication and post-CV profiles, showing an increase in interfacial resistance after cycling.
CVプロファイルも実施例2と同様の条件で測定した。結果(サイクリックボルタングラム)を図16に示す。サイクル1では不可逆的な電極の分解と、部分的な電極の分解が観察された。また、サイクル2〜4は、ほぼ同じボルタングラムが得られた。
The CV profile was also measured under the same conditions as in Example 2. The results (cyclic voltangram) are shown in FIG. In
(2)放電容量及びクーロン効率の測定
実施例3と同様にして、ポリ(BIAN)-PAAをバインダーとして含むrGO-Siコンポジットを用いた場合の放電容量及びクーロン効率を測定した。結果を図17に示す。ポリ(BIAN)-PAAをバインダーとして含むrGO-シリコンコンポジット電極の放電量は、330サイクル後750 mAhg-1であった(図17(A))。活物質としてのシリコンの量に対する放電量は、330サイクル後1,500 mAhg-1を超えていた(図17(B))。
(2) Measurement of discharge capacity and coulombic efficiency The discharge capacity and coulombic efficiency were measured when the rGO-Si composite containing poly (BIAN) -PAA as a binder was used in the same manner as in Example 3. The results are shown in FIG. The discharge rate of the rGO-silicon composite electrode containing poly (BIAN) -PAA as a binder was 750 mAhg -1 after 330 cycles (Fig. 17 (A)). The amount of discharge relative to the amount of silicon as the active material exceeded 1,500 mAhg -1 after 330 cycles (Fig. 17 (B)).
また、rGO-Si系システム中におけるPAAのみを含むバインダーを使用したセルと、BIAN-PAAを含むバインダーを使用したセルとの放電容量及びクーロン効率を図18に示す。BIAN-PAAを含むバインダーを使用したセルが、高い放電容量を示した。 In addition, FIG. 18 shows the discharge capacity and the coulombic efficiency of the cell using the binder containing only PAA in the rGO-Si system and the cell using the binder containing BIAN-PAA. Cells with binders containing BIAN-PAA showed high discharge capacity.
(実施例6)バインダーの組成の検討−2
BIAN-パラフェニレン-PAA (20wt%-5wt%)ポリマー及びフィチン酸を含グラファイト-シリコンコンポジットを負極とした点を以外は上記と同様にしてハーフセルを作製し、その性能を測定した。
(Example 6) Examination of binder composition-2
A half cell was prepared in the same manner as above except that a graphite-silicon composite containing a BIAN-paraphenylene-PAA (20wt% -5wt%) polymer and phytic acid was used as a negative electrode, and its performance was measured.
(1)EISプロファイル及びCV
BP-コポリマー/PAAバインダーを含むセルのEISプロファイルを図19に示す。この結果から、界面抵抗の向上が示された。また、CVの結果を図20に示す。
(1) EIS profile and CV
The EIS profile of the cell containing the BP-copolymer / PAA binder is shown in Figure 19. From this result, it was shown that the interfacial resistance was improved. The results of CV are shown in Fig. 20.
(2)放電容量及びクーロン効率の測定
上記と同様の条件下に、BIAN-PAA及びフィチン酸をバインダーとして含むグラファイト-シリコン電極の放電量を測定した。400サイクル後の放電容量は、750 mAhg-1 であった。また、活物質としてのシリコンの量に対する放電容量は400サイクル後1,600 mAhg-1を超えていた。
(2) Measurement of discharge capacity and Coulomb efficiency The discharge amount of the graphite-silicon electrode containing BIAN-PAA and phytic acid as a binder was measured under the same conditions as above. The discharge capacity after 400 cycles was 750 mAhg -1 . In addition, the discharge capacity with respect to the amount of silicon as an active material exceeded 1,600 mAhg -1 after 400 cycles.
(3)PAAを対照とした時の放電容量の比較
対照として、PAAのみを含むバインダーを使用した負極を使用した。上記ポリ(BIAN)及びフィチン酸を含む負極は、高い放電容量を示した(図21(A))。活物質としてのシリコンの量に対する放電容量を図21(B)に示す。このプロファイルは図21(A)に示したものと同様であった。
(3) Comparison of discharge capacity when PAA is used as a control A negative electrode using a binder containing only PAA was used as a control. The negative electrode containing poly (BIAN) and phytic acid showed a high discharge capacity (FIG. 21 (A)). The discharge capacity with respect to the amount of silicon as an active material is shown in FIG. 21 (B). This profile was similar to that shown in FIG. 21 (A).
(4)負極のケイ素含有量の検討―1
45wt%Si、10wt%グラファイト、25wt%バインダー及び20wt%アセチレンブラックを含む負極の放電容量及びクーロン効率を上記と同様にして測定した。結果を図22(A)及び(B)に示す。クーロン効率は100%前後に維持され、また、放電容量は300サイクルまでは500mAhg-1以上であった(図22(A))。活物質としてのシリコンの量に対する放電容量も同様であった(同図(B))。
(4) Examination of silicon content of negative electrode-1
The discharge capacity and Coulomb efficiency of the negative electrode containing 45 wt% Si, 10 wt% graphite, 25 wt% binder and 20 wt% acetylene black were measured in the same manner as above. The results are shown in FIGS. 22 (A) and 22 (B). The Coulomb efficiency was maintained at around 100%, and the discharge capacity was 500 mAhg -1 or more up to 300 cycles (Fig. 22 (A)). The discharge capacity with respect to the amount of silicon as an active material was also the same (Fig. (B)).
(5)負極のケイ素含有量の検討―2
55wt%Si、25wt%バインダー及び20wt%アセチレンブラックを含む負極の放電容量及びクーロン効率を上記と同様にして測定した。結果を図23(A)及び(B)に示す。クーロン効率は100%前後に維持され、また、放電容量は120サイクルまでは400mAhg-1以上であった(図23(A))。活物質としてのシリコンの量に対する放電容量も同様であった(同図(B))。
(5) Examination of silicon content of negative electrode-2
The discharge capacity and coulombic efficiency of the negative electrode containing 55 wt% Si, 25 wt% binder and 20 wt% acetylene black were measured in the same manner as above. The results are shown in FIGS. 23 (A) and 23 (B). The Coulomb efficiency was maintained at around 100%, and the discharge capacity was 400 mAhg -1 or more up to 120 cycles (Fig. 23 (A)). The discharge capacity with respect to the amount of silicon as an active material was also the same (Fig. (B)).
(6)負極のケイ素含有量の検討―3
40wt%Si、25wt%グラファイト、20wt%アセチレンブラック及び15wt%バインダーを含む負極の放電容量及びクーロン効率を上記と同様にして測定した。結果を図24(A)及び(B)に示す。クーロン効率は100%前後に維持され、また、放電容量は210サイクルまで400mAhg-1以上であった(図24(A))。活物質としてのシリコンの量に対する放電容量も同様であった(同図(B))。
(6) Examination of silicon content of negative electrode-3
The discharge capacity and Coulomb efficiency of the negative electrode containing 40 wt% Si, 25 wt% graphite, 20 wt% acetylene black and 15 wt% binder were measured in the same manner as above. The results are shown in FIGS. 24 (A) and 24 (B). The Coulomb efficiency was maintained at around 100%, and the discharge capacity was 400 mAhg -1 or more up to 210 cycles (Fig. 24 (A)). The discharge capacity with respect to the amount of silicon as an active material was also the same (Fig. (B)).
(6)BP-コポリマーのみを含むバインダーを使用した負極
BP-コポリマーのみを含むバインダーを使用した負極の放電容量及びクーロン効率を上記と同様にして測定した。結果を図25(A)及び(B)に示す。クーロン効率は100%前後に維持され、また、放電容量は200サイクルまでは1,000mAhg-1以上であった(図25(A))。活物質としてのシリコンの量に対する放電容量も同様であった(同図(B))。
(6) Negative electrode using a binder containing only BP-copolymer
The discharge capacity and Coulomb efficiency of the negative electrode using the binder containing only the BP-copolymer were measured in the same manner as above. The results are shown in FIGS. 25 (A) and 25 (B). The Coulomb efficiency was maintained at around 100%, and the discharge capacity was 1,000 mAhg -1 or more up to 200 cycles (Fig. 25 (A)). The discharge capacity with respect to the amount of silicon as an active material was also the same (Fig. (B)).
以上より、本発明のバインダーを使用することによって、高い放電容量を有し、クーロン効率のよい負極を作製できることが示された。 From the above, it was shown that by using the binder of the present invention, a negative electrode having a high discharge capacity and high Coulomb efficiency can be produced.
本発明は、二次電池の分野で有用である。 The present invention is useful in the field of secondary batteries.
Claims (15)
上記式(III)〜(VIII)で表される化合物中、nは10〜500の整数を表す。 Claim 1 is characterized in that the compound represented by the formula (I) or (II) is any compound selected from the group consisting of the compounds represented by the following formulas (III) to (VIII). Or the polymer binder composition for the negative electrode of the secondary battery according to 2.
In the compounds represented by the above formulas (III) to (VIII), n represents an integer of 10 to 500.
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WO2022239746A1 (en) * | 2021-05-10 | 2022-11-17 | 国立大学法人北陸先端科学技術大学院大学 | Binder for silicon negative electrode of lithium ion secondary battery |
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WO2022239746A1 (en) * | 2021-05-10 | 2022-11-17 | 国立大学法人北陸先端科学技術大学院大学 | Binder for silicon negative electrode of lithium ion secondary battery |
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