JP3627516B2 - Non-aqueous secondary battery - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負極に珪素化合物を用い、高容量でサイクル寿命の長い非水系のリチウム二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
リチウム金属を含まない負極材料とリチウムを含有する正極活物質を用いるリチウム二次電池では、まず、正極活物質に含まれるリチウムを負極材料に挿入して負極材料の活性を上げる。これが充電反応であり、その逆の負極材料からリチウムイオンを正極活物質へ挿入させる反応が放電反応である。このタイプのリチウム電池負極材料として、カーボンが用いられている。カーボン(CLi)の理論容量は372mAh/gであり、さらなる高容量負極材料が望まれている。一方、リチウムと金属間化合物を形成するケイ素の理論容量は4000mAh/gをこえ、カーボンのそれより大きいことはよく知られている。例えば、特開平5−74463では、単結晶のケイ素を開示しており、特開平7−29602では、非晶質ケイ素を開示している。また、ケイ素を含んだ合金では、Li−Al合金にケイ素を含む例が、特開昭63−66369(ケイ素が19重量%)、同63−174275(ケイ素が0.05〜1.0重量%)、同63−285865(ケイ素が1〜5重量%)に開示されている。ただし、これらの合金特許出願はいずれもリチウムを主体としているため、正極活物質にはリチウムを含有しない化合物が用いられていた。また、特開平4−109562では、ケイ素が0.05〜1.0重量%の合金が開示されている。特開昭62−226563では、リチウムと合金可能な金属と黒鉛粉末を混合する方法が開示されている。しかし、いずれもサイクル寿命が劣り、実用されるには至っていない。ケイ素のサイクル寿命が劣る理由として、その電子伝導性が低いこと、リチウム挿入により体積が膨張し、粒子が微粉化されることが推測されている。
また、汎用の4V級リチウムイオン二次電池の正極活物質としては、LiCoO 、LiCo1−x Ni 、LiNiO 、LiNi1−x 、LiMn 、LiMn2−x (Mは1種以上の金属カチオン)等に代表されるLi挿入放出の可能な層状化合物が用いられている。これらのなかでも特に特開昭55−136131で開示されるLiCoO は3.5Vvs.Li以上の高い充放電電位を与え、且つサイクル寿命が長い点でいち早く商品化されている。一方で資源供給量が限られコスト高であるCoに替えて、MnあるいはNiを用いた二次電池の開発が活発化している。Ni系酸化物の二次電池では特開平6−096769,同6−267539等に開示されるように、Co系に比べ電流容量の高いことが特長である。また、Mn系酸化物は3種の金属酸化物中最も安価である点に加え、平均電圧が高く安全性にも優れるという特長を備えている。これらのNi系、Mn系の活物質はしかしながらヤン・テラー歪みの発生などの影響でLiCoOに比べて結晶構造が電気化学的に不安定であるため、充放電のサイクル寿命が劣ることが実用化へ向けての大きな対策課題となっている。とくにNiの場合、Coに比べ還元型のNi3価がより安定なため、LiNiO(x ≦1)では酸化還元電位が低くなり、Niの平均電荷が4価に近づく4Vを超える充電の繰り返しサイクルでは容量の劣化が著しい。そこで特開昭63−211565、特開平5−242891、特開平8−213015等に開示されるように、NiにCoそのほかの金属カチオンを添加してサイクル寿命の安定化と高電位化を図る方法が一般に用いられている。MnにおいてはLi含量の高い放電側でのヤン・テラー歪みの発生に加えて、充電側ではMn3価の溶出の起こることがサイクル性を悪化させており、この対策としてNiと同様にCoそのほかの金属カチオンを添加してサイクル寿命の安定化と高電位化を図る方法が用いられている。しかしながらこれらの金属ドープ型の正極活物質は仕込み組成比が同等であってもドープ元素(D)の原料を含めた合成原料の純度や精製の条件の違いによりサイクル性能、保存性が変動することが問題であり、正極活物質の純度の制御を含めた性能安定化のための技術構築が必要とされる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、リチウム二次電池のエネルギー量を高め、かつサイクル寿命を含めた充放電特性を安定に維持することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は、正極活物質を有する正極、負極材料を有する負極及び非水電解質を構成要素とする非水二次電池に於いて、該負極材料がリチウムの挿入放出可能なケイ素原子を含む化合物であり、該正極活物質が、Li x 1-y y b-a a (MはNiもしくはCoであり、DはMn、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Mo、Ag、W、B、Al、Ga、In、Sn、Pb、Sb、Pから選ばれる1種以上の元素、Xはハロゲン元素であり、0.2<x≦1.2、0≦y≦0.5、1.8≦b≦2.3、0≦a≦1.0)の組成で示されるリチウム含有コバルト複合酸化物もしくはリチウム含有ニッケル複合酸化物、あるいはLi x Mn 2-y y b-a a (DはCr、Fe、Co、Cu、Zn、Mo、Ag、W、B、Al、Ga、In、Sn、Pb、Sb、Pから選ばれる1種以上の元素、Xはハロゲン元素であり、0.05<x≦1.2、0≦y≦0.5、3.5≦b≦4.5、0≦a≦1.0)の組成で示されるスピネル構造型のリチウム含有マンガン複合酸化物であり、該正極複合酸化物中のアルカリ土類元素の含有量が0.1重量%以下、硫黄の含有量が0.1重量%以下であることを特徴とする非水二次電池を用いて解決できた。
【0005】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の態様について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(1) 非水二次電池が、正極活物質を有する正極、負極材料を有する負極及び非水電解質を構成要素とする非水二次電池に於いて、該負極材料がリチウムの挿入放出可能なケイ素原子を含む化合物であり、該正極活物質が、Li x 1-y y b-a a (MはNiもしくはCoであり、DはMn、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Mo、Ag、W、B、Al、Ga、In、Sn、Pb、Sb、Pから選ばれる1種以上の元素、Xはハロゲン元素であり、0.2<x≦1.2、0≦y≦0.5、1.8≦b≦2.3、0≦a≦1.0)の組成で示されるリチウム含有コバルト複合酸化物もしくはリチウム含有ニッケル複合酸化物、あるいはLi x Mn 2-y y b-a a (DはCr、Fe、Co、Cu、Zn、Mo、Ag、W、B、Al、Ga、In、Sn、Pb、Sb、Pから選ばれる1種以上の元素、Xはハロゲン元素であり、0.05<x≦1.2、0≦y≦0.5、3.5≦b≦4.5、0≦a≦1.0)の組成で示されるスピネル構造型のリチウム含有マンガン複合酸化物であり、該正極複合酸化物中のアルカリ土類元素の含有量が0.1重量%以下、硫黄の含有量が0.1重量%以下である。
(2) 項(1) のケイ素化合物の平均粒子サイズは0.01〜50mである。
(3) 項(1) のケイ素化合物が合金である。
(4) 項(3) の合金において、ケイ素以外の金属の少なくとも1種がアルカリ土類金属、遷移金属、半金属である。
(5) 項(3) 、(4) の金属の少なくとも1種がGe、Be、Ag、Al、Au、Cd、Ga、In、Sb、Sn、Znである。
(6) 項(3) 〜(5) のケイ素に対する該金属の重量比率が5〜90%である。
(7) 項(1) のケイ素化合物が金属ケイ化物から金属を除去したケイ素である。
(8) 項(7) の金属ケイ化物がリチウムケイ化物である。
(9) 項(8) のリチウムケイ化物のリチウム含量は、ケイ素に対して、100〜420原子%である。
(10)項(1) のケイ素化合物はリチウムと反応しないセラミックと付着している。
(11)項(10)のセラミックがAl23 、SiO2 、TiO2 、SiC、Si34 から選ばれる少なくとも1種。
(12)項(10)、(11)のケイ素化合物に対する該セラミックの重量比は2〜50%である。
(13)項(10)〜(12)のケイ素化合物に該セラミックを付着させる方法に関し、300〜1300℃に加熱する工程を含む。
(14)項(1) のケイ素化合物は少なくとも金属で被覆されている。
(15)項(14)の金属で被覆させる方法が無電解メッキ法、蒸着法、スパッタリング法、化学気相成長法である。
(16)項(14)、(15)の被覆される金属の少なくとも1種がNi、Cu、Ag、Co、Fe、Cr、W、Ti、Au、Pt、Pd、Sn、Znである。
(17)項(14)〜(16)の金属で被覆されたケイ素化合物の比伝導度は被覆されていないケイ素化合物の比伝導度の10倍以上である。
(18)項(1) のケイ素化合物はあらかじめ熱可塑性樹脂で被覆されている。
(19)項(18)の熱可塑性樹脂がポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレンである。
【0006】
(20)項(18)および(19)のケイ素化合物に対する熱可塑性樹脂に重量比は2〜30%である。
(21)項(18)〜(20)の熱可塑性樹脂の被覆率は5〜100%である。
(22)項(1) のケイ素化合物に対して炭素を重量比で5〜1900%共存する。
(23)項(22)の炭素が鱗片状天然黒鉛である。
(24)項(1) のケイ素化合物の充放電範囲は、ケイ素に挿入放出するリチウムの当量比として、Lix Siで表すとxが0から4.2の範囲内である。
(25)項(1) のケイ素化合物の充放電範囲は、Lix Siで表すとxが0から3.7の範囲内である。
(26)項(1) の正極活物質は、好ましくは、Lix Ni1-yyb-aa (DはMn、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Mo、Ag、W、B、Al、Ga、In、Sn、Pb、Sb、Pから選ばれる1種以上の元素、Xはハロゲン元素であり、0.2<x≦1.2、0.1≦y≦0.5、1.8≦b≦2.3、0≦a≦1.0)の組成で示されるリチウム含有ニッケル複合酸化物である。
【0007】
(28)正極のリチウム含有複合酸化物中のアルカリ土類元素の含有量が0.04重量%以下、硫黄の含有量が0.04重量%以下である。
(29)正極のリチウム含有複合酸化物中の含水率が0.5重量%以下である。
(30)正極のリチウム含有複合酸化物中のアルカリ土類元素の含有量が0.02重量%以下、硫黄の含有量が0.02重量%以下である。
(31)正極のリチウム含有複合酸化物中の含水率が0.2重量%以下である。
(32)項(3)〜(25)で用いるケイ素の平均粒子サイズは0.01〜50μmである。
ここで言うケイ素とは、リチウムと反応できるケイ素単体、ケイ素合金、ケイ化物である。
(33)項(3)〜(6)の合金に項(7)〜(13)のセラミックを付着させる。
(34)項(3)〜(6)の合金に項(14)〜(17)の金属を被覆する。
(35)項(33)の材料に項(14)〜(17)の金属を被覆する。
(36)項(3)〜(6)の合金に項(18)〜(21)の熱可塑性樹脂を被覆する。
(37)項(33)〜(35)の材料に項(18)〜(21)の熱可塑性樹脂を被覆する。
(38)項(3)〜(6)の合金に項(22)、(23)の炭素を共存させる。
(39)項(33)〜(37)の材料に項(22)、(23)の炭素を共存させる。
【0008】
(40)項(3)〜(6)の合金を項(24)、(25)の充放電範囲で用いる
(41)項(33)〜(39)の材料を項(24)、(25)の充放電範囲で用いる。
(42)項(3)〜(6)の合金負極の正極活物質として項(26)の化合物を用いる。
(43)項(33)〜(39)の材料の正極活物質として項(26)の化合物を用いる。
(44)項(7)〜(9)のケイ素に項(7)〜(13)のセラミックを付着させる。
(45)項(7)〜(9)のケイ素に項(14)〜(17)の金属を被覆する。
(46)項(39)の材料に項(14)〜(17)の金属を被覆する。
(47)項(7)〜(9)のケイ素に項(18)〜(21)の熱可塑性樹脂を被覆する。
(48)項(44)〜(46)の材料に項(18)〜(21)の熱可塑性樹脂を被覆する。
(49)項(7)〜(9)のケイ素に項(22)、(23)の炭素を共存させる。
(50)項(44)〜(48)の材料に項(22)、(23)の炭素を共存させる。
(51)項(7)〜(9)のケイ素を項(24)、(25)の充放電範囲で用いる。
(52)項(44)〜(50)の材料を項(24)、(25)の充放電範囲で用いる。
(53)項(7)〜(9)のケイ素負極の正極活物質として項(26)の化合物を用いる。
(54)項(44)〜(50)の負極の正極活物質として項(26)の化合物を用いる。
(55)項(10)〜(13)のケイ素化合物に(14)〜(17)の金属を被覆する。
(56)項(10)〜(13)のケイ素化合物に(18)〜(21)の熱可塑性樹脂を被覆する。
(57)項(50)の材料に項(18)〜(21)の熱可塑性樹脂を被覆する。
(58)項(10)〜(13)のケイ素化合物に項(22)、(23)の炭素を共存させる。
(59)項(55)〜(57)の材料に項(22)、(23)の炭素を共存させる。
【0009】
(60)項(10)〜(13)のケイ素化合物を項(24)、(25)の充放電範囲で用いる。
(61)項(55)〜(57)の材料を項(24)、(25)の充放電範囲で用いる。
(62)項(10)〜(13)のケイ素化合物負極の正極活物質として項(26)の化合物を用いる。
(63)項(55)〜(57)の材料負極の正極活物質として項(26)の化合物を用いる。
(64)項(14)〜(17)の材料に項(7)〜(13)のセラミックを付着させる。
(65)項(14)〜(17)の材料に項(18)〜(21)の熱可塑性樹脂を被覆する。
(66)項(64)の材料に項(18)〜(21)の熱可塑性樹脂を被覆する。
(67)項(14)〜(17)、(64)〜(66)の材料に項(22)、(23)の炭素を共存させる。
(68)項(14)〜(17)、(64)〜(67)の材料を項(24)、(25)の充放電範囲で用いる。
(69)項(14)〜(17)、(64)〜(67)の材料負極の正極活物質として項(26)の化合物を用いる。
【0010】
(70)項(18)〜(21)の材料に項(7)〜(13)のセラミックを付着させる。
(71)項(18)〜(21)、(70)の材料に項(14)〜(17)の金属を被覆する。
(72)項(18)〜(21)、(70)、(71)の材料に項(22)、(23)の炭素を共存させる。
(73)項(18)〜(21)、(70)〜(71)の材料を項(24)、(25)の充放電範囲で用いる。
(74)項(18)〜(21)、(70)〜(71)の材料負極の正極活物質として項(26)の化合物を用いる。
(75)項(22)、(23)の負極の正極活物質として項(26)の化合物を用いる。
【0011】
本発明で用いられる正極(あるいは負極)は、正極合剤(あるいは負極合剤)を集電体上に塗設、成形して作ることができる。正極合剤(あるいは負極合剤)には、正極活物質(あるいは負極材料)の他、導電剤、結着剤、分散剤、フィラー、イオン導電剤、圧力増強剤や各種添加剤を含むことができる。これらの電極は、円盤状、板状であってもよいが、柔軟性のあるシート状であることが好ましい。
【0012】
以下に本発明の構成および材料について詳述する。
本発明の負極材料で用いられるリチウムの挿入放出できるケイ素原子を含む化合物は、ケイ素単体、ケイ素合金、ケイ化物を意味する。ケイ素単体としては、単結晶、多結晶、非晶質のいずれも使用することができる。単体の純度は85重量%以上が好ましく、特に、95重量%以上が好ましい。さらに、99重量%以上が特に好ましい。その平均粒子サイズは0.01〜50μmが好ましい。特に、0.02〜30μmが好ましい。さらに、0.05〜5μmが好ましい。
【0013】
ケイ素合金は、リチウムを挿入放出した際に生じるケイ素の膨張収縮による微粉化を抑制したり、ケイ素の伝導性の低さを改良するので有効であると考えられる。合金としては、アルカリ土類金属、遷移金属あるいは半金属との合金が好ましい。特に、固溶性合金や共融性合金が好ましい。固溶性合金は固溶体を形成する合金をいう。例えばGeの合金が固溶性合金である。共融性合金とは、ケイ素とどんな割合でも共融するが、冷却して得られる固体はケイ素と金属の混合体である合金を言う。Be、Ag、Al、Au、Cd、Ga、In、Sb、Sn、Znが共融性合金を形成する。
これらの中では、Ge、Be、Ag、Al、Au、Cd、Ga、In、Sb、Sn、Znの合金が更に好ましい。またこれらの2種以上の合金も好ましい。とくに、Ge、Ag、Al、Cd、In、Sb、Sn、Znを含む合金が好ましい。
これらの合金の混合比率は、ケイ素に対して5〜70重量%が好ましい。とくに、10〜60重量%が好ましい。この場合、電気伝導性が向上するが電池性能、とくに、放電容量、ハイレート特性、サイクル寿命の点で、比伝導度が合金前のケイ素またはケイ素化合物の比伝導度の10倍以上になることが好ましい。合金の平均粒子サイズは0.01〜40μmが好ましい。特に、0.03〜5μmが好ましい。
【0014】
ケイ化物は、ケイ素と金属の化合物を言う。ケイ化物としては、CaSi、CaSi、MgSi、BaSi、SrSi、CuSi、FeSi、FeSi、CoSi、NiSi、NiSi、MnSi、MnSi、MoSi、CrSi、TiSi、TiSi、CrSi、NbSi、NdSi、CeSi、SmSi、DySi、ZrSi、WSi、WSi、TaSi、TaSi、TmSi、TbSi、YbSi、YSi、YSi、ErSi、ErSi、GdSi、PtSi、VSi、VSi、HfSi、PdSi、PrSi、HoSi、EuSi、LaSi、RuSi、ReSi、RhSi等が用いられる。
【0015】
該ケイ素化合物として、金属ケイ化物から金属を除去したケイ素を用いることができる。このケイ素の形状としては、1μm以下の微粒子で多孔性のものや、微小粒子が凝集して多孔性の二次粒子を形成したものをあげることができる。このケイ素を用いるとサイクル寿命が改良される理由としては、微粉化されにくいと考えられる。該金属ケイ化物の金属はアルカリ金属、アルカリ土類金属であることが好ましい。なかでも、Li、Ca、Mgであることが好ましい。とくに、Liが好ましい。該リチウムケイ化物のリチウム含量は、ケイ素に対して、100〜420モル%が好ましい。特に、200〜420が好ましい。アルカリ金属やアルカリ土類金属のケイ化物からアルカリ金属やアルカリ土類金属を除去する方法は、アルカリ金属やアルカリ土類金属と反応し、かつ、反応生成物が溶解させる溶媒で処理させることが好ましい。溶媒としては、水、アルコール類が好ましい。とくに、脱気し、かつ、脱水したアルコール類が好ましい。アルコール類としては、メチルアルコール、エチルアルコール、1−プロピルアルコール、2−プロピルアルコール、1−ブチルアルコール、2−ブチルアルコール、t−ブチルアルコール、1−ペンチルアルコール、2−ペンチルアルコール、3−ペンチルアルコールが好ましい。とくに、1−プロピルアルコール、2−プロピルアルコール、1−ブチルアルコール、2−ブチルアルコール、t−ブチルアルコールが好ましい。CaやMgの除去は、水が好ましい。中性付近に保つようなpH緩衝剤を用いると更に好ましい。
【0016】
ケイ素化合物に付着させるセラミックはケイ素の微粉化の抑制に有効であると考えられる。セラミックとしては、リチウムと原則的に反応しない化合物が好ましい。とくに、Al、SiO、TiO、SiC、Siが好ましい。
ケイ素とセラミックを付着させる方法としては、混合、加熱、蒸着、CVDが用いられるが、とくに、混合と加熱の併用が好ましい。とくに、AlやSiOゾルとケイ素を分散混合させた後、加熱し、固溶した固まりを粉砕してケイ素とAlやSiOの付着物を得ることができる。この場合、AlやSiOの付着物とは、AlやSiO等の表面がケイ素粉末に覆われていたり、AlやSiO等の固まりの内部に閉じこめられていたり、ケイ素の表面がそれらが覆われていたりする状態を言う。混合分散は、機械的撹拌、超音波、混練により達成できる。加熱は不活性ガス中で300℃〜1300℃の範囲で行うことが好ましいが、とくに500℃〜1200℃が好ましい。不活性ガスはアルゴン、窒素、水素が上げられる。これらの混合ガスも用いられる。粉砕法はボールミル、振動ミル、遊星ボールミル、ジェットミルなどよく知られた方法が用いられる。この粉砕も不活性ガス中で行われることが好ましい。ケイ素に対するセラミックスの混合比は2〜50重量%の範囲が好ましいが、とくに3〜40%が好ましい。
ケイ素の電子顕微鏡観察から求めた平均粒子サイズは、0.01〜40μmが好ましい。とくに、0.03〜5μmが好ましい。
【0017】
本発明のケイ素化合物の金属被覆としては、電気メッキ法、置換メッキ法、無電解メッキ法、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着、クラスターイオン蒸着法などの蒸着法、スパッタリング法、化学気相成長法(CVD法)により達成できる。とくに、無電解メッキ法、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着、クラスターイオン蒸着法などの蒸着法、スパッタリング法、CVD法が好ましい。さらに、無電解メッキ法がとくに好ましい。無電解めっき法は「無電解メッキ 基礎と応用」電気鍍金研究会編 日刊工業新聞社刊 (1994)に記載されている。その還元剤はホスフィン酸塩、ホスホン酸塩、水素化ホウ素化物、アルデヒド類、糖類、アミン類、金属塩が好ましい。ホスフィン酸水素ナトリウム、ホスホン酸水素ナトリウム、水素化ホウ素ナトリウム、ジメチルアミンボラン、ホルムアルデヒド、蔗糖、デキストリン、ヒドロキシルアミン、ヒドラジン、、アスコルビン酸、塩化チタンが好ましい。メッキ液の中には還元剤の他に、pH調節剤、錯形成剤を含ませることが好ましい。これらについても上記「無電解メッキ 基礎と応用」に記載されている化合物が用いられる。メッキ液のpHはとくに限定されないが、4〜13が好ましい。液の温度は10℃〜100℃が好ましいが、とくに、20℃〜95℃がこのましい。メッキ浴の他にSnCl塩酸水溶液からなる活性化浴、PdCl塩酸水溶液からなる核形成浴を用いたり、さらに濾過工程、水洗工程、粉砕工程、乾燥工程が用いられる。
【0018】
また、被覆されるケイ素化合物の形態としては、粉体状、塊状、板状等のいずれもが用いられる。被覆される金属は導電性の高い金属であれば何でもよいが、とくに、Ni、Cu、Ag、Co、Fe、Cr、W、Ti、Au、Pt、Pd、Sn、Znが好ましい。とくに、Ni、Cu、Ag、Co、Fe、Cr、Au、Pt、Pd、Sn、Znが好ましく、さらに、Ni、Cu、Ag、Pd、Sn、Znがとくに好ましい。被覆される金属量はとくに限定がないが、比伝導度が、素地であるケイ素化合物の比伝導度の10倍以上になるように被覆することが好ましい。
【0019】
本発明で用いられるケイ素化合物を熱可塑性樹脂で被覆することが好ましい。熱可塑性樹脂は含フッ素高分子化合物、イミド系高分子、ビニル系高分子、アクリレート系高分子、エステル系高分子、ポリアクリロニトリルなどが用いられる。とくに、熱可塑性樹脂は電解液に膨潤しにくい樹脂が好ましい。具体例としては、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸Na、ポリビニルフェノール、ポリビニルメチルエーテル、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリルアミド、ポリヒドロキシ(メタ)アクリレート、スチレンーマレイン酸共重合体等の水溶性ポリマー、ポリビニルクロリド、ポリテトラフルロロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体、ビニリデンフロライド−テトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、ポリビニルアセタール樹脂、メチルメタアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート等の(メタ)アクリル酸エステルを含有する(メタ)アクリル酸エステル共重合体、(メタ)アクリル酸エステル−アクリロニトリル共重合体、ビニルアセテート等のビニルエステルを含有するポリビニルエステル共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体、ポリブタジエン、ネオプレンゴム、フッ素ゴム、ポリエチレンオキシド、ポリエステルポリウレタン樹脂、ポリエーテルポリウレタン樹脂、ポリカーボネートポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等のエマルジョン(ラテックス)あるいはサスペンジョンを挙げることが出来る。特にポリアクリル酸エステル系のラテックス、カルボキシメチルセルロース、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンが挙げられる。
これらの化合物は単独または混合して用いることが出来る。とくに、含フッ素高分子化合物が好ましい。なかでもポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンが好ましい。あらかじめ被覆する方法としては、熱可塑性樹脂を溶剤に溶解させておき、その溶液にケイ素化合物を混合、混練する。その溶液を乾燥し、得られた固形物を粉砕する方法が好ましい。ケイ素化合物に対する熱可塑性樹脂の使用量としては、2〜30重量%が好ましい。とくに、3〜20重量%が好ましい。被覆率は5〜100%が好ましいが、とくに、5〜90%が好ましい。被覆された粒子の平均サイズは、0.01μm〜40μmが好ましい。とくに、0.03〜5μmが好ましい。
【0020】
本発明では、ケイ素化合物と炭素質化合物を混合して用いることが好ましい。炭素質材料は導電剤や負極材料で用いられる材料が用いられる。炭素質材料としては、難黒鉛化炭素材料と黒鉛系炭素材料を挙げることができる。具体的には、特開昭62−122066号、特開平2−66856号、同3−245473号等の各公報に記載される面間隔や密度、結晶子の大きさの炭素材料、特開平5−290844号公報に記載の天然黒鉛と人造黒鉛の混合物、特開昭63−24555号、同63−13282号、同63−58763号、特開平6−212617号公報に記載の気相成長炭素材料、特開平5−182664号公報に記載の難黒鉛化炭素を2400℃を超える温度で加熱焼成された材料であり、かつ複数の002面に相当するX線回折のピークを持つ材料、特開平5−307957号、同5−307958号、同7−85862号、同8−315820号公報に記載のピッチ焼成により合成されたメソフェース炭素材料、特開平6−84516号公報に記載の被覆層を有する黒鉛、さらには、各種の粒状体、微小球体、平板状体、微小繊維、ウィスカーの形状の炭素材料、フェノール樹脂、アクリロニトリル樹脂、フルフリルアルコール樹脂の焼成体、水素原子を含むポリアセン材料などの炭素材料等を挙げることができる。
さらに、導電剤としての具体例としては、鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛等の天然黒鉛、石油コークス、石炭コークス、セルロース類、糖類、メソフェーズピッチ等の高温焼成体、気相成長黒鉛等の人工黒鉛等のグラファイト類、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、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類、アスファルトピッチ、コールタール、活性炭、メソフューズピッチ、ポリアセン等の炭素材料が好ましい。これらは単独で用いても良いし、混合物として用いても良い。
【0021】
とくに、特開平5−182664号公報に記載の炭素材料や各種の粒状体、微小球体、平板状体、繊維、ウィスカーの形状の炭素材料、また、メソフェーズピッチ、フェノール樹脂、アクリロニトリル樹脂の焼成体、さらに、水素原子を含むポリアセン材料が好ましい。
なかでも、鱗片状天然黒鉛が合剤膜を強固にさせるため好ましい。
混合比は、ケイ素化合物に対して、5〜1900重量%が好ましい。とくに、20〜500重量%が好ましい。さらに、30〜400重量%が好ましい。
導電剤としては、炭素の他金属を用いることができる。Ni、Cu、Ag、Feが好ましい。
【0022】
ケイ素化合物負極材料の充放電範囲としては、挿入放出できるリチウムとケイ素原子の比をLixSiで表すとき、x=0〜4.2が好ましい。ケイ素のサイクル寿命改良を鋭意検討した結果、x=0〜3.7の範囲に留めるとサイクル寿命が大きく改良することを見いだした。充電電位では、リチウム金属対極に対して、x=4.2では、過電圧を含めて、0.0Vであるのに対し、x=3.7では、約0.05Vであった。
このとき、放電曲線の形状は変化し、0.0V充電折り返しでは0.5V(体リチウム金属)付近に平坦な放電曲線が得られるのに対し、0.05V以上、とくに0.08V以上(x=3.6)では、約0.4Vに平均電圧をもつなだらかな曲線が得られる。即ち、充電終始電圧を上げた方が放電電位が下がるという特異的な現象を見いだし、かつ、充放電反応の可逆性もあがった現象を見いだしたことを示している。
【0023】
ケイ素化合物の高容量を維持しつつ、サイクル寿命を改良する効果を持つ方法を個々に記述してきたが、さらに好ましい態様は、上記のそれぞれの方法の組み合わることによりさらに高い改良効果を得ることを見いだした。
本発明では、負極材料として、本発明のケイ素化合物に対して他の負極材料である炭素質材料、酸化物材料、窒化物材料、硫化物材料、リチウム金属、リチウム合金などリチウムを挿入放出できる化合物を組み合わせることができる。
【0024】
本発明で用いられる正極活物質の組成は、Lix1-yyb-aa (MはNiもしくはCoであり,DはMn、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Mo、Ag、W、B、Al、Ga、In、Sn、Pb、Sb、Pから選ばれる1種以上の元素、Xはハロゲン元素であり、0.2<x≦1.2、0≦y≦0.5、1.8≦b≦2.3、0≦a≦1.0)の組成で示されるリチウム含有コバルト複合酸化物もしくはリチウム含有ニッケル複合酸化物である。このなかでも特に好ましいのは、Lix Ni1-yyb-aa (DはMn、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Mo、Ag、W、B、Al、Ga、In、Sn、Pb、Sb、Pから選ばれる1種以上の元素、Xはハロゲン元素であり、0.2<x≦1.2、0.1≦y≦0.5、1.8≦b≦2.3、0≦a≦1.0)の組成で示されるリチウム含有ニッケル複合酸化物である。また、本発明で用いられる正極活物質の組成は、Lix Mn2-yyb-aa (DはCr、Fe、Co、Cu、Zn、Mo、Ag、W、B、Al、Ga、In、Sn、Pb、Sb、Pから選ばれる1種以上の元素、Xはハロゲン元素であり、0.05<x≦1.2、0≦y≦0.5、3.5≦b≦4.5、0≦a≦1.0)の組成で示されるスピネル構造型のリチウム含有マンガン複合酸化物である。上記の正極活物質一般式の中でDは中心金属の遷移元素(Co、Ni、Mn)もしくはLiの一部を置換する1種以上の金属もしくは半金属元素であり、正極の充放電性能において放電平均電圧の増加やサイクル寿命の改善といった電池性能の改良に寄与する要素である。正極活物質の具体としては、Lix CoO2 、Lix NiO2 、Lix MnO2 、Lix Co1-y Niy2 、Lix Co1-yyz 、Lix Co1-y Fey2 、Lix Mn24 、Lix Mn2-y Coy4 、Lix Mn2-y Niy4 、Lix Mn2-yy4 、Lix Mn2-y Fey4 (ここでx=0.2〜1.2、y =0.1〜0.9、z=2.01〜2.3)などがあげられる。なかでも好ましい組成の例としては、Lix Ni1-y Coy2 、Lix Ni1-y Aly2 、Lix Ni1-y Coy2-bb 、Lix Ni1-yy2 、Lix Mn24 、Lix Mn2-y Aly4 、Lix Mn2-y Coy4 、Lix Mn2-y Fey4 (x=0.2〜1.2、y=0.1〜0.3、b=0〜0.3)があげられる。ここでxの値は充放電開始前の値であり、充放電により上記の範囲を超えて増減する。
【0025】
つぎに、正極活物質として好ましく用いられるNi系酸化物とMn系酸化物のそれぞれについて解説する。
Ni酸化物系の正極活物質の好ましい組成は、LiNi1−y b−a で示される。ここで、Dとして使えるものは通常周期率表の第13族、第14族の元素、遷移金属元素から選ばれる1種以上の元素であり、好ましくはDはCo、Cr、Fe、Cu、Zn、Mo、Ag、W、B、Al、Ga、In、Sn、Pb、Sb、Pから選ばれる1種以上の元素である。Xはハロゲン元素である。これらの元素の組成中の量は、0.2<x≦1.2、0.1≦y≦0.5、1.8≦b≦2.3、0≦a≦1.0、の範囲である。このうち、好ましい組成の1つは、LiNi1−y (MはMn、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Mo、Ag、W、B、Al、Ga、In、Sn、Pb、Sb、Pから選ばれる1種以上の元素、0.2<x≦1.2、0.1≦y≦0.5、1.8≦b≦2.3)の組成で示される。
またNi酸化物系正極活物質の好ましい他の組成は、Xとしてフッ素が置換された組成であり、LiNi1−y b−a (MはMn、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Mo、Ag、W、B、Al、Ga、In、Sn、Pb、Sb、Pから選ばれる1種以上の元素、0.2<x≦1.2、0.1≦y≦0.5、1.8≦b≦2.3、0<a≦1.0)の組成で示される。
本発明の正極活物質の組成として特に好ましいものは、Mとして放電電位の向上に有効なコバルトを含有し、さらに構造補強元素として有効な元素のグループMを含有する構造であり、LiNi1−y−z Cob−a (Mは、Mn、Cr、Fe、Cu、Zn、Mo、Ag、W、B、Al、Ga、In、Sn、Pb、Sb、Pから選ばれる1種以上の元素、0.2<x≦1.2、0.05≦y≦0.5、0.01≦z≦0.3、0≦a≦1.0、1.8≦b≦2.3)の組成で示されるニッケル含有リチウム複合酸化物である。
【0026】
Mn系の正極活物質正極活物質として好ましいのは、A〔B 〕O 型のスピネル構造を持つLiMn 系酸化物である。この系の酸化物にはLiMnのほか、たとえば一般式Li1+x 〔Mn2−y 〕O (0<x <1.7、0≦y<0.7)で示されるような非化学量論的組成をもち欠陥を含む構造の化合物も含まれる。この例としては、Li Mn12あるいはスピネル構造表示でLi〔Li1/3 Mn5/3 〕O が挙げられる。この他の好ましい例は、一般式Li1−x 〔Mn2−y 〕O (0<x<1.0、0≦y<0.5)で示される。この例としては、たとえば特開平4−240117に示される化学量論的でないスピネル化合物であるLi Mn11あるいはスピネル構造表示でLi1−x 〔Mn2−y 〕O (x=0.273、y=0.182)が挙げられる。また、他の好ましい構造は、一般式Li1−x 〔Mn2−y 〕O(0<x≦0.20、0<y<0.4)で示され、例えば、Li Mn が挙げられる。
Ni系酸化物と同様に、サイクル性能改善の目的でMn以外の金属あるいは半金族カチオンを他元素として固溶化した組成のMn系複合酸化物も好ましい。他元素としてはCo、Al、Cr、Feなどの3価の金属元素が最も好ましく、これらを含む活物質組成の例は特開平9−245896に記載されている。
【0027】
上記の他金属元素添加型のLiNiOあるいはLiMnは、NiもしくはMn原料である化合物とLi原料であるLi化合物に加え、添加される各種金属をそれぞれ含む化合物(酸化物もしくは塩)を原料に用いて加熱処理によって合成されるが、多種の金属化合物を用いるために、最終活物質を高純度で生成することは通常困難であり、これらの金属化合物原料に由来するNa、K、Mg、Ca、Al、硫黄、Cu、Fe、Si等の異種元素が不純物として正極活物質に混入しやすい。これらの不純物は、充放電中に非水電解液中へ溶出するなどの影響で電池のサイクル寿命の劣化や高温保存性の悪化を引き起こす可能性がある。従って、これらの不純物を一定レベル以下に低減させることが性能の安定化を図る上で好ましい。
【0028】
本発明者は、上記の不純物元素のうち、とくにアルカリ土類金属と硫黄については、混入するレベルを規定量以内に制限することにより、電池の保存特性を向上させることができることを発見した。すなわち、これらの元素が同時に不純物として含む活物質では、たとえば、電解液と接する活物質表面で局部的に酸度が低下し、金属元素が電解液中に溶出し正極もしくは負極の性能変化を招くといった問題が生じる。この現象は、とくに水分が活物質もしくは電解液中に存在する状況では酸度低下を加速するため、大きな問題となる。
具体的には、正極活物質中のアルカリ土類元素の含有量が0.1重量%以下、硫黄の含有量が0.1重量%以下、含水率が0.5以下であることが保存特性とサイクル寿命の向上に有効である。性能向上により有効な含有量はアルカリ土類元素の含有量が0.04重量%以下、硫黄の含有量が0.04%重量以下で、含水率が0.2重量%以下ある。また、さらにはアルカリ土類元素の含有量が0.02重量%以下、硫黄の含有量が0.02%重量以下、含水率が0.1重量%以下であることがより効果が大きい。最も好ましいのはアルカリ土類元素の含有量は0.02重量%以下、硫黄の含有量は重量で80ppm以下(0.008%以下)、含水率が0.1重量%以下の条件である。
【0029】
本発明で言うアルカリ土類元素のなかで電池性能の向上のために含有量の管理が重要なものは、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)であり、中でも重要なものはマグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、バリウム(Ba)であり、とくにカルシウム(Ca)が重要である。
【0030】
また、硫黄は焼成用の原料に含まれる硫酸根(SO)などから不純物として混入する場合が多く、その含量は0.1%以下であることが保存性改良に効果があり、好ましくは、0.04%以下、さらに好ましくは0.02%以下であることが効果が大きい。最も性能改良に効果があるのは硫黄含量が80ppm以下である。
【0031】
本発明の正極用の複合酸化物の合成は、リチウム原料であるリチウム化合物とCo、Ni、もしくはMnの原料である金属化合物そして必要に応じてB、Al、Cr、Sn、Si、Fe、Tiなどに代表される他元素Dを含む化合物を混合し、高温乾燥状態での原料粉末の焼成、あるいはソル−ゲル法などに代表される溶液状態による化学反応によって行われる。
リチウム原料としては、LiOH、Li CO 、Li O、LiNO 、Li SO 、LiHCO 、Li(CH COO)、アルキルリチウムなどが用いられ、Ni原料には、NiO、NiCO 、Ni(NO 、Ni粉末、NiCl 、NiSO 、Ni (PO 、Ni(CH COO) 、Ni(OH)、NiOOH、Niアルコキシドなどが有用である。また、他元素Mの原料としては、Co 、Co 、CoCO 、Co(NO 、CoCl 、MnCO 、MnO 、Mn(NO) 、B 、B(OH) 、Al ,Al(NO 、Al(OH) 、SnO 、SnO、SnCl、Snアルコキシド、SiO 、SiO、アルコキシシラン、Fe 、FeCl 、FeOOH、Fe(NO 、TiO 、GeO 、ZrO 、Nd 、La 、La 、Zn(NO 、WO 、Ga(NO 、CuO、V 、Sm 、Y 、AlF 、LiF、LaF 、SnF 、Li PO 、AlPO などを用いることができる。これらの原料の混合は、固体粉末のまま混合しともよいし、複数の原料を溶媒に溶かして混合溶液としこれを乾燥固化あるいはスラリー状として混合物としても良い。焼成によって合成する場合は、上記の原料の粉末あるいはスラリー状の混合物を、400℃から1000℃好ましくは600℃から900℃の温度で、酸素存在下あるいは酸素分圧が0.2気圧以上好ましくは酸素分圧が0.5以上の雰囲気下で、4時間から48時間反応させて合成を実施する。焼成は必要に応じて同条件下あるいは条件を変えて複数回繰り返し行う。原料混合物はあらかじめペレット状に充填し成型したものを用いても良い。焼成の方法は、たとえば特開昭62−264560、特開平2−40861、同6−267538、同6−231767に記載の粉末混合法、特開平4−237953、同5−325966、同6−203834に記載の溶液混合法、特開昭63−211565に記載の共沈による合成法、特開平5−198301、同5−205741に記載の焼成物の急冷を行う方法、特開平5−283076、同6−310145に記載のペレット成型による焼成方法、特開平5−325969に記載のLiOH水和物を原料として溶融状態で焼成する方法、特開平6−60887に記載の酸素分圧制御下で合成する方法、特開平6−243871に記載のフッ素ドープ法、特開平8−138670に記載の粒子の内部と表面の組成の異なる活物質を合成する方法などが有効である。
【0032】
Ni酸化物もしくはMn酸化物の場合、正極活物質の粒子は一次粒子が凝集してなる二次粒子の形状を持っていることがサイクル寿命と保存性を良くする点で好ましい。このときの好ましい粒径は、二次粒子の粒径が1〜30μm、一次粒子の粒径が0.01以上1μm以下であり、さらに好ましくは二次粒子の粒径が3〜20μm、一次粒子の粒径が0.05〜0.5μmである。ここで二次粒子とは微小な一次粒子が凝集して作る粒子を意味し、通常レーザー散乱式粒度分布測定などで測定される粒子サイズに相当し、通常定義される粒子サイズに相当する。
粒子の形状は、特に二次粒子が球状であることが好ましい。また二次粒子の表面が多孔性であることが好ましい。
【0033】
正極活物質の比表面積は、上記の粒子形態に対応し、BET法による測定で0.1〜10m /gの範囲であることが好ましく、0.3〜3m /gの範囲であることがより好ましい。
【0034】
本発明で用いる正極活物質粒子は結晶性であっても、非晶質構造を粒子の内部あるいは表面に含むものであってもよいが、結晶性であることが好ましい。
【0035】
本発明の合剤に使用される導電剤は、構成された電池において化学変化を起こさない電子伝導性材料であれば何でもよい。具体例としては、鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛等の天然黒鉛、石油コークス、石炭コークス、セルロース類、糖類、メソフェーズピッチ等の高温焼成体、気相成長黒鉛等の人工黒鉛等のグラファイト類、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、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類、アスファルトピッチ、コールタール、活性炭、メソフューズピッチ、ポリアセン等の炭素材料、金属繊維等の導電性繊維類、銅、ニッケル、アルミニウム、銀等の金属粉類、酸化亜鉛、チタン酸カリウム等の導電性ウィスカー類、酸化チタン等の導電性金属酸化物等を挙げる事ができる。黒鉛では、アスペクト比が5以上の平板状のものを用いると好ましい。これらの中では、グラファイトやカーボンブラックが好ましく、粒子の大きさは、0.01μm以上、20μm以下が好ましく、0.02μm以上、10μm以下の粒子がより好ましい。これらは単独で用いても良いし、2種以上を併用してもよい。併用する場合は、アセチレンブラック等のカーボンブラック類と、1〜15μmの黒鉛粒子を併用すると好ましい。
導電剤の合剤層への添加量は、負極材料または正極材料に対し1〜50重量%であることが好ましく、特に2〜30重量%であることが好ましい。カーボンブラックやグラファイトでは、3〜20重量%であることが特に好ましい。
【0036】
本発明では電極合剤を保持するために結着剤を用いる。結着剤の例としては、多糖類、熱可塑性樹脂及びゴム弾性を有するポリマー等が挙げられる。好ましい結着剤としては、でんぷん、カルボキシメチルセルロース、セルロース、ジアセチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、アルギン酸Na、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸Na、ポリビニルフェノール、ポリビニルメチルエーテル、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリルアミド、ポリヒドロキシ(メタ)アクリレート、スチレンーマレイン酸共重合体等の水溶性ポリマー、ポリビニルクロリド、ポリテトラフルロロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体、ビニリデンフロライド−テトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、ポリビニルアセタール樹脂、メチルメタアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート等の(メタ)アクリル酸エステルを含有する(メタ)アクリル酸エステル共重合体、(メタ)アクリル酸エステル−アクリロニトリル共重合体、ビニルアセテート等のビニルエステルを含有するポリビニルエステル共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体、ポリブタジエン、ネオプレンゴム、フッ素ゴム、ポリエチレンオキシド、ポリエステルポリウレタン樹脂、ポリエーテルポリウレタン樹脂、ポリカーボネートポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等のエマルジョン(ラテックス)あるいはサスペンジョンを挙げることが出来る。特にポリアクリル酸エステル系のラテックス、カルボキシメチルセルロース、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンが挙げられる。これらの結着剤は、粒子の平均サイズが0.01〜5μmのものを用いるのがより好ましく、0.05〜1μmのものを用いるのが特に好ましい。
これらの結着剤は単独または混合して用いることが出来る。結着剤の添加量が少ないと電極合剤の保持力・凝集力が弱い。多すぎると電極体積が増加し電極単位体積あるいは単位重量あたりの容量が減少する。このような理由で結着剤の添加量は1〜30重量%が好ましく、特に2〜10重量%が好ましい。
【0037】
充填剤は、構成された電池において、化学変化を起こさない繊維状材料であれば何でも用いることができる。通常、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのオレフィン系ポリマー、ガラス、炭素などの繊維が用いられる。フィラーの添加量は特に限定されないが、0〜30重量%が好ましい。
イオン導電剤は、無機及び有機の固体電解質として知られている物を用いることができ、詳細は電解液の項に記載されている。
圧力増強剤は、電池の内圧を上げる化合物であり、炭酸リチウム等の炭酸塩が代表例である。
【0038】
本発明で使用できる集電体は正極はアルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、またはこれらの合金であり、負極は銅、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、またはこれらの合金である。集電体の形態は箔、エキスパンドメタル、パンチングメタル、もしくは金網である。特に、正極にはアルミニウム箔、負極には銅箔が好ましい。
箔の厚みとしては7μm〜100μmが好ましく、さらに好ましくは7μm〜50μmであり、特に好ましくは7μm〜20μmである。エキスパンドメタル、パンチングメタル、金網の厚みとしては7μm〜200μmが好ましく、さらに好ましくは7μm〜150μmであり、特に好ましくは7μm〜100μmである。
集電体の純度としては98%以上が好ましく、さらに好ましくは99%以上であり、特に好ましくは99.3%以上である。
集電体の表面は酸、アルカリ、有機溶剤などにより洗浄してもよい。
【0039】
次に本発明における正負電極の構成について説明する。正負電極は集電体の両面に電極合剤を塗布した形態であることが好ましい。この場合、片面あたりの層数は1層であっても2層以上から構成されていても良い。片面あたりの層の数が2以上である場合、正極活物質(もしくは負極材料)含有層が2層以上であっても良い。より好ましい構成は、正極活物質(もしくは負極材料)を含有する層と正極活物質(もしくは負極材料)を含有しない層から構成される場合である。
正極活物質(もしくは負極材料)を含有しない層には、正極活物質(もしくは負極材料)を含有する層を保護するための保護層、分割された正極活物質(もしくは負極材料)含有層の間にある中間層、正極活物質(もしくは負極材料)含有層と集電体との間にある下塗り層等があり、本発明においてはこれらを総称して補助層と言う。
【0040】
保護層は正負電極の両方または正負電極のいずれかにあることが好ましい。負極において、リチウムを電池内で負極材料に挿入する場合は負極は保護層を有する形態であることが望ましい。保護層は、少なくとも1層からなり、同種又は異種の複数層により構成されていても良い。また、集電体の両面の合剤層の内の片面にのみ保護層を有する形態であっても良い。これらの保護層は、水不溶性の粒子と結着剤等から構成される。結着剤は、前述の電極合剤を形成する際に用いられる結着剤を用いることが出来る。水不溶性の粒子としては、種種の導電性粒子、実質的に導電性を有さない有機及び無機の粒子を用いることができる。水不溶性粒子の水への溶解度は、100PPM 以下、好ましくは不溶性のものが好ましい。保護層に含まれる粒子の割合は2.5重量%以上、96重量%以下が好ましく、5重量%以上、95重量%以下がより好ましく、10重量%以上、93重量%以下が特に好ましい。
【0041】
水不溶性の導電性粒子としては、金属、金属酸化物、金属繊維、炭素繊維、カーボンブラックや黒鉛等の炭素粒子を挙げることが出来る。これらの水不溶導電性粒子の中で、アルカリ金属特にリチウムとの反応性が低いものが好ましく、金属粉末、炭素粒子がより好ましい。粒子を構成する元素の20℃における電気抵抗率としては、5×10Ω・m以下が好ましい。
【0042】
金属粉末としては、リチウムとの反応性が低い金属、即ちリチウム合金を作りにくい金属が好ましく、具体的には、銅、ニッケル、鉄、クロム、モリブデン、チタン、タングステン、タンタルが好ましい。これらの金属粉末の形は、針状、柱状、板状、塊状のいずれでもよく、最大径が0.02μm以上、20μm以下が好ましく、0.1μm以上、10μm以下がより好ましい。これらの金属粉末は、表面が過度に酸化されていないものが好ましく、酸化されているときには還元雰囲気で熱処理することが好ましい。
【0043】
炭素粒子としては、従来電極活物質が導電性でない場合に併用する導電材料として用いられる公知の炭素材料を用いることが出来る。具体的には電極合剤を作る際に用いられる導電剤が用いられる。
【0044】
実質的に導電性を持たない水不溶性粒子としては、テフロンの微粉末、SiC、窒化アルミニウム、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、ムライト、フォルステライト、ステアタイトを挙げることが出来る。これらの粒子は、導電性粒子と併用してもよく、導電性粒子の0.01倍以上、10倍以下で使うと好ましい。
【0045】
正(負)の電極シートは正(負)極の合剤を集電体の上に塗布、乾燥、圧縮する事により作成する事ができる。
合剤の調製は正極活物質(あるいは負極材料)および導電剤を混合し、結着剤(樹脂粉体のサスペンジョンまたはエマルジョン状のもの)、および分散媒を加えて混練混合し、引続いて、ミキサー、ホモジナイザー、ディゾルバー、プラネタリミキサー、ペイントシェイカー、サンドミル等の攪拌混合機、分散機で分散して行うことが出来る。分散媒としては水もしくは有機溶媒が用いられるが、水が好ましい。このほか、適宜充填剤、イオン導電剤、圧力増強剤等の添加剤を添加しても良い。分散液のpHは負極では5〜10、正極では7〜12が好ましい。
【0046】
塗布は種々の方法で行うことが出来るが、例えば、リバースロール法、ダイレクトロール法、ブレード法、ナイフ法、エクストルージョン法、スライド法、カーテン法、グラビア法、バー法、ディップ法及びスクイーズ法を挙げることが出来る。エクストルージョンダイを用いる方法、スライドコーターを用いる方法が特に好ましい。塗布は、0.1〜100m/分の速度で実施されることが好ましい。この際、合剤ペーストの液物性、乾燥性に合わせて、上記塗布方法を選定することにより、良好な塗布層の表面状態を得ることが出来る。電極層が複数の層である場合にはそれらの複数層を同時に塗布することが、均一な電極の製造、製造コスト等の観点から好ましい。その塗布層の厚み、長さや巾は、電池の大きさにより決められる。典型的な塗布層の厚みは乾燥後圧縮された状態で10〜1000μmである。
塗布後の電極シートは、熱風、真空、赤外線、遠赤外線、電子線及び低湿風の作用により乾燥、脱水される。これらの方法は単独あるいは組み合わせて用いることが出来る。乾燥温度は80〜350℃の範囲が好ましく、特に100〜260℃の範囲が好ましい。乾燥後の含水量は2000ppm以下が好ましく、500ppm以下がより好ましい。
電極シートの圧縮は、一般に採用されているプレス方法を用いることが出来るが、特に金型プレス法やカレンダープレス法が好ましい。プレス圧は、特に限定されないが、10kg/cm 〜3t/cm が好ましい。カレンダープレス法のプレス速度は、0.1〜50m/分が好ましい。プレス温度は、室温〜200℃が好ましい。
【0047】
本発明で使用できるセパレータは、イオン透過度が大きく、所定の機械的強度を持ち、絶縁性の薄膜であれば良く、材質として、オレフィン系ポリマー、フッ素系ポリマー、セルロース系ポリマー、ポリイミド、ナイロン、ガラス繊維、アルミナ繊維が用いられ、形態として、不織布、織布、微孔性フィルムが用いられる。特に、材質として、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリプロピレンとポリエチレンの混合体、ポリプロピレンとテフロンの混合体、ポリエチレンとテフロンの混合体が好ましく、形態として微孔性フィルムであるものが好ましい。特に、孔径が0.01〜1μm、厚みが5〜50μmの微孔性フィルムが好ましい。これらの微孔性フィルムは単独の膜であっても、微孔の形状や密度等や材質等の性質の異なる2層以上からなる複合フィルムであっても良い。例えば、ポリエチレンフィルムとポリプロピレンフィルムを張り合わせた複合フィルムを挙げることができる。
【0048】
電解液は一般に支持塩と溶媒から構成される。リチウム二次電池における支持塩はリチウム塩が主として用いられる。
本発明で使用出来るリチウム塩としては、例えば、LiClO、LiBF、LiPF、LiCFCO、LiAsF、LiSbF、LiB10Cl10、LiOSO2n+1で表されるフルオロスルホン酸(nは6以下の正の整数)、LiN(SO2n+1)(SO2m+1)で表されるイミド塩(m、nはそれぞれ6以下の正の整数)、LiC(SO2p*1)(SO2q+1)(SO2r+1)で表されるメチド塩(p、q、rはそれぞれ6以下の正の整数)、低級脂肪族カルボン酸リチウム、LiAlCl、LiCl、LiBr、LiI、クロロボランリチウム、四フェニルホウ酸リチウムなどのLi塩を上げることが出来、これらの一種または二種以上を混合して使用することができる。なかでもLiBF及び/あるいはLiPFを溶解したものが好ましい。
支持塩の濃度は、特に限定されないが、電解液1リットル当たり0.2〜3モルが好ましい。
【0049】
本発明で使用できる溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネート、炭酸トリフルオロメチルエチレン、炭酸ジフルオロメチルエチレン、炭酸モノフルオロメチルエチレン、六フッ化メチルアセテート、三フッ化メチルアセテート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、ギ酸メチル、酢酸メチル、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、1,3−ジオキソラン、2、2−ビス(トリフルオロメチル)−1,3−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、ジオキサン、アセトニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、リン酸トリエステル、ホウ酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、3−アルキルシドノン(アルキル基はプロピル、イソプロピル、ブチル基等)、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エチルエーテル、1,3−プロパンサルトンなどの非プロトン性有機溶媒を挙げることができ、これらの一種または二種以上を混合して使用する。これらのなかでは、カーボネート系の溶媒が好ましく、環状カーボネートと非環状カーボネートを混合して用いるのが特に好ましい。環状カーボネートとしてはエチレンカーボネート、プロピレンカーボネートが好ましい。また、非環状カーボネートとしては、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネートをが好ましい。
本発明で使用できる電解液としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、ジメチルカーボネートあるいはジエチルカーボネートを適宜混合した電解液にLiCFSO、LiClO、LiBFおよび/またはLiPFを含む電解液が好ましい。特にプロピレンカーボネートもしくはエチレンカーボネートの少なくとも一方とジメチルカーボネートもしくはジエチルカーボネートの少なくとも一方の混合溶媒に、LiCFSO、LiClO、もしくはLiBFの中から選ばれた少なくとも一種の塩とLiPFを含む電解液が好ましい。これら電解液を電池内に添加する量は特に限定されず、正極材料や負極材料の量や電池のサイズに応じて用いることができる。
【0050】
また、電解液の他に次の様な固体電解質も併用することができる。
固体電解質としては、無機固体電解質と有機固体電解質に分けられる。無機固体電解質には、Liの窒化物、ハロゲン化物、酸素酸塩などがよく知られている。なかでも、LiN、LiI、LiNI、LiN−LiI−LiOH、LiSiO、LiSiO−LiI−LiOH、xLiPO(1−x) LiSiO、LiSiS、硫化リン化合物などが有効である。
【0051】
有機固体電解質では、ポリエチレンオキサイド誘導体か該誘導体を含むポリマー、ポリプロピレンオキサイド誘導体あるいは該誘導体を含むポリマー、イオン解離基を含むポリマー、イオン解離基を含むポリマーと上記非プロトン性電解液の混合物、リン酸エステルポリマー、非プロトン性極性溶媒を含有させた高分子マトリックス材料が有効である。さらに、ポリアクリロニトリルを電解液に添加する方法もある。また、無機と有機固体電解質を併用する方法も知られている。
【0052】
また、放電や充放電特性を改良する目的で、他の化合物を電解質に添加しても良い。例えば、ピリジン、ピロリン、ピロール、トリフェニルアミン、フェニルカルバゾール、トリエチルフォスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、n−グライム、ヘキサリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、硫黄、キノンイミン染料、N−置換オキサゾリジノンとN, N’−置換イミダリジノン、エチレングリコールジアルキルエーテル、第四級アンモニウム塩、ポリエチレングリコール、ピロール、2−メトキシエタノール、AlCl、導電性ポリマー電極活物質のモノマー、トリエチレンホスホルアミド、トリアルキルホスフィン、モルホリン、カルボニル基を持つアリール化合物、12−クラウン−4のようなクラウンエーテル類、ヘキサメチルホスホリックトリアミドと4−アルキルモルホリン、二環性の三級アミン、オイル、四級ホスホニウム塩、三級スルホニウム塩などを挙げることができる。特に好ましいのはトリフェニルアミン、フェニルカルバゾールを単独もしくは組み合わせて用いた場合である。
【0053】
また、電解液を不燃性にするために含ハロゲン溶媒、例えば、四塩化炭素、三弗化塩化エチレンを電解液に含ませることができる。また、高温保存に適性をもたせるために電解液に炭酸ガスを含ませることができる。
【0054】
以上のようにして組み立てられた電池は、エージング処理を施すのが好ましい。エージング処理には、前処理、活性化処理及び後処理などがあり、これにより高い充放電容量とサイクル性に優れた電池を製造することができる。前処理は、電極内のリチウムの分布を均一化するための処理で、例えば、リチウムの溶解制御、リチウムの分布を均一にするための温度制御、揺動及び/または回転処理、充放電の任意の組み合わせが行われる。活性化処理は電池本体の負極に対してリチウムを挿入させるための処理で、電池の実使用充電時のリチウム挿入量の50〜120%を挿入するのが好ましい。後処理は活性化処理を十分にさせるための処理であり、電池反応を均一にするための保存処理と、判定のための充放電処理当があり、任意に組み合わせることができる。
【0055】
本発明の活性化前の好ましいエージング条件(前処理条件)は次の通りである。温度は30℃以上70℃以下が好ましく、30℃以上60℃以下がより好ましく、40℃以上60℃以下がさらに好ましい。また、開路電圧は2.5V以上3.8V以下が好ましく、2.5V以上3.5V以下がより好ましく、2.8V以上3.3V以下がさらに好ましい。エージング期間は1日以上20日以下が好ましく、1日以上15日以下が特に好ましい。活性化の充電電圧は4.0V以上が好ましく、4.05V以上4.3V以下がより好ましく、4.1V以上4.2V以下が更に好ましい。
活性化後のエージング条件としては、開路電圧が3.9V以上4.3V以下が好ましく、4.0V以上4.2V以下が特に好ましく、温度は30℃以上70℃以下が好ましく、40℃以上60℃以下が特に好ましい。エージング期間は0.2日以上20日以下が好ましく、0.5日以上5日以下が特に好ましい。
【0056】
本発明の電池は必要に応じて複数本を直列及び/または並列に組み電池パックに収納される。電池パックには正温度係数抵抗体、温度ヒューズ、ヒューズ及び/または電流遮断素子等の安全素子の他、安全回路(各電池及び/または組電池全体の電圧、温度、電流等をモニターし、必要なら電流を遮断する機能を有す回路)を設けても良い。また電池パックには、組電池全体の正極及び負極端子以外に、各電池の正極及び負極端子、組電池全体及び各電池の温度検出端子、組電池全体の電流検出端子等を外部端子として設けることもできる。また電池パックには、電圧変換回路(DC−DCコンバータ等)を内蔵しても良い。また各電池の接続は、リード板を溶接することで固定しても良いし、ソケット等で容易に着脱できるように固定しても良い。さらには、電池パックに電池残存容量、充電の有無、使用回数等の表示機能を設けても良い。
【0057】
本発明の電池は様々な機器に使用される。特に、ビデオムービー、モニター内蔵携帯型ビデオデッキ、モニター内蔵ムービーカメラ、デジタルカメラ、コンパクトカメラ、一眼レフカメラ、レンズ付きフィルム、ノート型パソコン、ノート型ワープロ、電子手帳、携帯電話、コードレス電話、ヒゲソリ、電動工具、電動ミキサー、自動車等に使用されることが好ましい。
【0058】
【実施例】
以下に具体例をあげ、本発明をさらに詳しく説明するが、発明の主旨を越えない限り、本発明は実施例に限定されるものではない。
【0059】
実施例1
〔負極材料の調製〕
負極材料として下記に示す各種のケイ素を主体とする固体化合物を、機械的に粉砕した粉末の状態で使用した。
多結晶ケイ素単体(化合物−1)、冶金学的に合成した以下の合金化合物として、Si−Ag合金(化合物−2 重量比40−60)、Si−Al(化合物−3 重量比40−60)、Si−Ag−Cd(化合物−4 重量比40−50−10)、Si−Zn(化合物−5 重量40−60)、Si−Au(化合物−6重量比20−80)、Si−Ag−In(化合物−7 重量比40−50−10)、Si−Ge(化合物−8 重量比40−60)、Si−Ag−Sn(化合物−9 重量比40−50−10)、Si−Ag−Sb(化合物−10 重量比40−50−10)、冶金学的に合成したLiSiからイソプロピルアルコールを用いてLiを溶出させたケイ素をアルゴンガス中で粉砕して得られたケイ素(化合物−11)、多結晶ケイ素とコロイダルシリカ微粒子を混合し、1000℃で加熱して得られた固形物をアルゴンガス中で振動ミルにて粉体にしたSi−SiO(化合物−12 重量比90−10)、同様の方法で得られたSi−Al(化合物−13 重量比90−10)、無電解メッキ法にて多結晶ケイ素表面にメッキした化合物としてAgメッキしたSi(化合物−14 Si−Agの重量比 40−60)、同じくNiメッキしたケイ素(化合物−15 Si−Niの重量比 20−80)、同じくZnメッキしたケイ素(化合物−16 Si−Znの重量比 70−30)、ポリフッ化ビニリデン3gをN−メチルピロリドン50gに溶かした液にケイ素を30g添加し、混合混練した後、乾燥し、自動乳鉢にて粉砕した粉体(化合物−17)を用いた。さらに化合物−11を無電解メッキ法にてAgを被覆した化合物(化合物−18 Si−Agの重量比率65−35)、化合物−12を無電解メッキ法にてAgを被覆した化合物(化合物−19 Si−SiO−Agの重量比率65−5−30)、同じく化合物−12を用いてポリフッ化ビニリデンで被覆した化合物(化合物−20 Si−SiO−ポリフッ化ビニリデンの重量比80−10−10)を用いた。
上記負極材料(化合物1〜20)の粉末の平均粒子サイズはいずれも0.05〜4μmの範囲内であった。
次に上記のケイ素材料と等重量の鱗片状天然黒鉛を十分に混合して得られた粉体を190g、結着剤としてポリ沸化ビニリデン10gをN−メチル2−ピロリドン 500mlに分散して、ホモジナイザーで均一混合し、負極ペーストを作成した。
【0060】
〔正極活物質の調製〕
基本組成がLiNi0.8 Co0.2 である正極活物質(C−1)を以下の各種の方法で合成した。
Li原料としてLiOH・H O(純度99.9%以上)、Ni原料としてNi(NO・1.5HO(純度99.9%以上)、Co原料としてCo(OH)(純度99.9%以上)の粉末をモル比1:0.8:0.2の割合で乾燥空気下乳鉢中で十分に混合し、酸素雰囲気下で180℃で2時間熱処理した後,650℃で6時間仮焼成を行った。焼成物を、再混合し、さらに850℃で8時間焼成を行い、1℃/分の速度で室温まで徐冷を行い、上記組成の化合物C−1を合成した。得られた粒子は、球状に近い形をもち、1次粒子の平均粒径が0.1μmであり、2次粒子の平均粒径が7μmであった。またBET法による比表面積は1.7m /gであった。X線回折によって得られた(104)面/(003)面のピーク比は0.6であり、a軸の格子定数は2.83、c軸格子定数は13.89であった。
また、同じ基本組成の活物質を、Ni原料、Co原料としてそれぞれNi(NO・6HO(純度99.9%以上)と高純度の酸化コバルト(純度99.95%以上)を用いて合成し、化合物C−2を得た。
これらの合成物を硝酸水溶液に全溶解し、Li、Co、Ni以外の金属の不純物含量をICP法によって定量した結果、いずれも、アルカリ土類元素についてはカルシウム(Ca)の含有量が0.03重量%、マグネシウム(Mg)の含有量が0.02重量%以下、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)の個々の含有量が0.02重量%以下であり、アルカリ土類元素の合計含量では0.1%以下であり、また、硫黄の含有量が0.1%以下の水準であることが確かめられた。また活物質粉末の含水率をカール・フィッシャー法で測定した結果、いずれも、5重量%未満の水準であることを確認した。
【0061】
比較実験として、Ni原料として低純度(純度99.5%以下)にランクされるバッチの酸化ニッケル(NiOなど)および硝酸ニッケル、Co原料として同じく低純度(純度99.5%以下)にランクされるバッチの酸化コバルトをそれぞれ用いて基本組成がLiNi0.8 Co0.2 である正極活物質(化合物C−3、C−4)を合成した。
これらの比較の活物質は後述の表1に分析値を示すように、アルカリ土類元素の含量もしくはイオウの含量のいずれかまたは両方が0.1重量%を超えるレベルであり、あるいは活物質粉末の含水量が0.5%を超えるレベルであった。
【0062】
このほかに、Li原料としてLiOH・HO、Ni原料としてNi(NO・6HO、Co原料としてCo(NO・6HOに加えて,Al原料としてAl(OH) 、Mn原料として硝酸マンガン、ホウ素原料として硼酸、フッ素原料としてLiFを用いて,下記の組成の活物質(C−5、C−6)を合成した。
これらの活物質中のアルカリ土類元素、イオウの不純物元素の純度は後の表1に示すように、上記のC−1、C−2と同様に本発明の範囲内であり、またカルシウム(Ca)の含有量が0.05重量%以下であることを確認した。
LiNi0.8 Co0.150.052.1 (化合物C−5)
LiNi0.8 Co0.15Al0.051.9 0.1 (化合物C−6)
【0063】
また、正極活物質としてリチウムマンガンコバルト複合酸化物のLi1.05Mn1.95Co0.054.05(C−7)を下記の方法で合成した。粒径0.5〜30μm(1次粒子、2次粒子を含む)、BET表面積40〜70m2 /gの化学合成二酸化マンガン(CMD、不純物としてそれぞれ1重量%以下のMn23 とMn34 および0.1重量%未満の硫酸塩と、それぞれ0.05重量%以下のNa、K、Caを含む)と平均粒径を1〜10μmに粉砕した水酸化リチウム、および炭酸コバルト(純度99.9%)を上記化学式の化学量論量比で混合し、混合物を、600℃で4時間加熱処理した後に、650℃から750℃の範囲で温度条件を変えて18時間空気中で焼成した。最終焼成物を室温まで徐冷して粉砕した結果、得られた粒子は、レーザー式粒度分布測定により一次粒子の平均メジアン径が0.5μmであり、二次粒子の粒径は10μmであった。BET法表面積は2m2 /gの範囲であった。構造と組成をICPとX線回折で同定した結果、焼成物はスピネル結晶型構造のLi1.05Mn1.95Co0.054.05であり、Cu−α線を用いたX線回折における2θ=36の回折ピークの半値幅はおよそ0.3であり、その強度は2θ=18.6のピークに対して27%の値であった。また結晶のa軸の格子定数は8.22Aであった。また、焼成物中には微量のLiMnO2 が混入されていることもわかった。この焼成物5gを100ccの純水に分散してpHを測定した結果、8.0であった。合成物C−7を硝酸水溶液に全溶解し、Li、Co、Mn以外の金属の不純物含量をICP法によって定量した結果,アルカリ土類元素についてはカルシウム(Ca)の含有量が0.03重量%、マグネシウム(Mg)の含有量が0.02重量%以下、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)の個々の含有量が0.02重量%以下であり、アルカリ土類元素の合計含量では0.1%以下であり、また、硫黄の含有量が0.1%以下の水準であることが確かめられた。
【0064】
上記の各種の正極活物質200gとアセチレンブラック10gとをホモジナイザーで混合し、続いて結着剤としてポリ沸化ビニリデン5gを混合し、N−メチル2−ピロリドン 500mlを加え混練混合し、正極合剤ペーストを作成した。
正極合剤ペーストをブレードコーターで厚さ30μmのアルミニウム箔集電体の両面に塗布、150℃乾燥後ローラープレス機で圧縮成型し所定の大きさに裁断し、帯状の正極シートを作成した。さらにドライボックス(露点;−50℃以下の乾燥空気)中で遠赤外線ヒーターにて充分脱水乾燥し、正極シートを作成した。同様に、負極合剤ペーストを20μmの銅箔集電体に塗布し、上記正極シート作成と同様の方法で負極シートを作成した。正負極の塗布量は、正極活物質がリチウム金属に対して4.2Vになる第1サイクルの充電容量と上記負極材料が0.0Vになる第1サイクルの充電容量が合うようにそれぞれの電極合剤の塗布量を調整した。
【0065】
次に電解液は次のようにして作成した。アルゴン雰囲気で、200ccの細口のポリプロピレン容器に65.3gの炭酸ジエチルをいれ、これに液温が30℃を越えないように注意しながら、22.2gの炭酸エチレンを少量ずつ溶解した。次に、0.4gのLiBF 、12.1gのLiPF を液温が30℃を越えないように注意しながら、それぞれ順番に、上記ポリプロピレン容器に少量ずつ溶解した。得られた電解液は比重1.135で無色透明の液体であった。水分は18ppm(京都電子製 商品名MKC−210型カールフィシャー水分測定装置で測定)、遊離酸分は24ppm(ブロムチモールブルーを指示薬とし、0.1規定NaOH水溶液を用いて中和滴定して測定)であった。
【0066】
シリンダー電池は次のようにして作成した。
図1に従い電池の作り方を説明する。上記で作成した正極シート、微孔性ポリエチレンフィルム製セパレーター、負極シートさらにセパレーターを順に積層し、これを渦巻き状に巻回した。この巻回した電極群(2)を負極端子を兼ねるニッケルメッキを施した鉄製の有底円筒型電池缶(1)に収納し、上部絶縁板(3)を更に挿入した。この電池缶内に上記電解液を注入した後、正極端子(6)、絶縁リング、PTC素子(63)、電流遮断体(62)、圧力感応弁体(61)を積層したものをガスケット(5)を介してかしめて円筒型電池を作成した。正極活物質及び負極材料を表1のように組み合わせ電池1から44を作成した。
【0067】
上記の円筒形電池を1.5Aで充電する。この場合、充電は4.1Vまで定電流で充電し、充電開始から2.5時間が経過するまで4.2Vで一定に保つように充電電流を制御した。放電は0.2C電流にて3.0Vまで定電流で実施した。そのときの第1サイクルの放電容量、平均放電電圧、エネルギー量(放電容量×平均放電電圧)また、充放電を繰り返した30サイクル目の容量維持率を表1に示した。
【0068】

Figure 0003627516
Figure 0003627516
【0069】
実施例2
比較用の負極材料として、平均粒径10μmの多結晶ケイ素を用いる以外は上記と同様にして負極合剤ペーストを作成し負極シート(比較例−1)を作製し電池45とした。また、粒径2μmの多結晶ケイ素を用い、負極合剤の該ケイ素と鱗片状黒鉛の添加重量比を80:20にした以外は上記と同様にして負極シート(比較例−2)を作製し電池46とした。更に負極材料としてメソフェーズピッチコークスを用い、導電補助剤としてアセチレンブラックを2重量%加えた以外は同様にして負極シート(比較例−3)を作製し電池47とした。これらの電池を用いて、電池1から44と同様な試験を実施した。
表2にこれらの比較電池について得られた充放電性能の結果を示す。
【0070】
Figure 0003627516
【0071】
本発明の化合物を用いた実施例−1の電池を比較すると、正極活物質中に不純物として含まれるアルカリ土類元素あるいは硫黄の量が本発明の範囲を超える例においてはサイクル寿命が低下し性能劣化が加速されることが明らかである。また、実施例−1の電池と比較例−1の電池性能を比較すると、負極材料の平均粒子サイズの小さな化合物はサイクル寿命に優れていることがわかる。さらに、実施例−1で比較すると、合金、リチウムケイ化物からリチウムを除去したケイ素、コロイダルシリカを付着させたケイ素、メッキにより金属を被覆したケイ素、ポリフッ化ビニリデンにて被覆したケイ素は何も処理を施さないケイ素よりサイクル寿命が改良されている。
さらに、負極材料において本発明の処理を組み合わせることにより、単独処理の負極材料に比較してサイクル寿命が改良されている。
また、比較例−3から本発明の負極材料を用いた電池は負極に炭素質材料を用いたものに比べて放電容量が高い。
以上の結果は、正極活物質にLiNiO系酸化物やLiMn系酸化物に代えてLiCoOおよびLiCo1.92Sn0.08 を用いた場合も同様な効果が得られた。
【0072】
【発明の効果】
本発明によれば、放電容量とエネルギー量を高め、サイクル寿命の向上した非水二次電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例に使用したシリンダー電池の断面図を示したものである。
【符号の説明】
1 負極を兼ねる電池缶
2 巻回電極群
3 上部絶縁板
4 正極リード
5 ガスケット
6 正極端子を兼ねる電池蓋
61 圧力感応弁体
62 電流遮断素子(スイッチ)
63 PTC素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a non-aqueous lithium secondary battery using a silicon compound for a negative electrode and having a high capacity and a long cycle life.
[0002]
[Prior art]
In a lithium secondary battery using a negative electrode material not containing lithium metal and a positive electrode active material containing lithium, first, lithium contained in the positive electrode active material is inserted into the negative electrode material to increase the activity of the negative electrode material. This is a charging reaction, and the reverse reaction is a reaction in which lithium ions are inserted into the positive electrode active material from the negative electrode material. Carbon is used as this type of lithium battery negative electrode material. Carbon (C6The theoretical capacity of Li) is 372 mAh / g, and further high capacity negative electrode materials are desired. On the other hand, it is well known that the theoretical capacity of silicon forming an intermetallic compound with lithium exceeds 4000 mAh / g and is larger than that of carbon. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 5-74463 discloses single crystal silicon, and Japanese Patent Laid-Open No. 7-29602 discloses amorphous silicon. In the case of an alloy containing silicon, examples in which silicon is contained in a Li-Al alloy are disclosed in JP-A-63-66369 (19% by weight of silicon) and 63-174275 (0.05 to 1.0% by weight of silicon). No. 63-285865 (silicon is 1 to 5% by weight). However, since these alloy patent applications are mainly composed of lithium, a compound containing no lithium has been used for the positive electrode active material. JP-A-4-109562 discloses an alloy containing 0.05 to 1.0% by weight of silicon. Japanese Patent Laid-Open No. 62-226563 discloses a method of mixing a metal that can be alloyed with lithium and graphite powder. However, both have poor cycle life and have not yet been put to practical use. The reason why the cycle life of silicon is inferior is presumed that its electronic conductivity is low, the volume expands due to lithium insertion, and the particles are pulverized.
In addition, as a positive electrode active material of a general-purpose 4V class lithium ion secondary battery, LiCoO2  LiCo1-xNixO2  , LiNiO2  , LiNi1-xMxO2  , LiMn2  O4  , LiMn2-xMxO4Layered compounds capable of inserting and releasing Li, such as (M is one or more metal cations), are used. Among these, especially LiCoO disclosed in JP-A-55-136131.2  Is 3.5 Vvs. It is commercialized quickly because it gives a high charge / discharge potential higher than Li and has a long cycle life. On the other hand, the development of secondary batteries using Mn or Ni has been activated in place of Co, which has a limited resource supply and high cost. As disclosed in JP-A-6-096769, JP-A-6-267539, etc., Ni-based secondary batteries are characterized by a higher current capacity than Co-based batteries. In addition to being the cheapest of the three types of metal oxides, Mn-based oxides are characterized by high average voltage and excellent safety. These Ni-based and Mn-based active materials, however, are affected by the occurrence of Yang-Teller distortion, etc.2Since the crystal structure is electrochemically unstable in comparison with the above, the inferior cycle life of charge / discharge is a major countermeasure for practical application. Especially in the case of Ni, the reduced Ni trivalent is more stable than Co.xNiO2In (x ≦ 1), the oxidation-reduction potential becomes low, and the capacity deterioration is significant in repeated charging cycles in which the average charge of Ni exceeds 4 V approaching tetravalent. Therefore, as disclosed in JP-A-63-2111565, JP-A-5-242891, JP-A-8-213015, etc., a method of stabilizing cycle life and increasing potential by adding Co or other metal cations to Ni. Is commonly used. In Mn, in addition to the occurrence of Yang-Teller distortion on the discharge side with a high Li content, the elution of Mn trivalent on the charge side deteriorates the cycle characteristics. A method of stabilizing the cycle life and increasing the potential by adding a metal cation is used. However, these metal-doped positive electrode active materials vary in cycle performance and storage stability due to differences in the purity of the synthetic raw material including the raw material of the doping element (D) and the purification conditions even if the charged composition ratio is the same. Therefore, it is necessary to construct a technology for stabilizing the performance including the control of the purity of the positive electrode active material.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to increase the energy amount of a lithium secondary battery and to stably maintain charge / discharge characteristics including a cycle life.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
An object of the present invention is to provide a positive electrode having a positive electrode active material, a negative electrode having a negative electrode material, and a non-aqueous secondary battery including non-aqueous electrolytes, and the negative electrode material contains silicon atoms capable of inserting and releasing lithium. A positive electrode active material,, Li x M 1-y D y O ba X a (M is Ni or Co, D is one or more selected from Mn, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Mo, Ag, W, B, Al, Ga, In, Sn, Pb, Sb, P) X is a halogen element, and is represented by a composition of 0.2 <x ≦ 1.2, 0 ≦ y ≦ 0.5, 1.8 ≦ b ≦ 2.3, 0 ≦ a ≦ 1.0) Lithium-containing cobalt composite oxide or lithium-containing nickel composite oxide, or Li x Mn 2-y D y O ba X a (D is one or more elements selected from Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Mo, Ag, W, B, Al, Ga, In, Sn, Pb, Sb, and P, and X is a halogen element. 0.05 <x ≦ 1.2, 0 ≦ y ≦ 0.5, 3.5 ≦ b ≦ 4.5, 0 ≦ a ≦ 1.0) StuffA non-aqueous secondary battery characterized in that the content of alkaline earth element in the positive electrode composite oxide is 0.1 wt% or less and the content of sulfur is 0.1 wt% or less It was solved.
[0005]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Although the aspect of this invention is demonstrated below, this invention is not limited to these.
(1) In a non-aqueous secondary battery in which a non-aqueous secondary battery includes a positive electrode having a positive electrode active material, a negative electrode having a negative electrode material, and a non-aqueous electrolyte, the negative electrode material can insert and release lithium. A compound containing a silicon atom, and the positive electrode active material is, Li x M 1-y D y O ba X a (M is Ni or Co, D is one or more selected from Mn, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Mo, Ag, W, B, Al, Ga, In, Sn, Pb, Sb, P) X is a halogen element, and is represented by a composition of 0.2 <x ≦ 1.2, 0 ≦ y ≦ 0.5, 1.8 ≦ b ≦ 2.3, 0 ≦ a ≦ 1.0) Lithium-containing cobalt composite oxide or lithium-containing nickel composite oxide, or Li x Mn 2-y D y O ba X a (D is one or more elements selected from Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Mo, Ag, W, B, Al, Ga, In, Sn, Pb, Sb, and P, and X is a halogen element. 0.05 <x ≦ 1.2, 0 ≦ y ≦ 0.5, 3.5 ≦ b ≦ 4.5, 0 ≦ a ≦ 1.0) StuffThe alkaline earth element content in the positive electrode composite oxide is 0.1% by weight or less, and the sulfur content is 0.1% by weight or less.
(2) The average particle size of the silicon compound of item (1) is 0.01 to 50 m.
(3) The silicon compound of item (1) is an alloy.
(4) In the alloy of item (3), at least one metal other than silicon is an alkaline earth metal, a transition metal, or a semimetal.
(5) At least one of the metals of the items (3) and (4) is Ge, Be, Ag, Al, Au, Cd, Ga, In, Sb, Sn, Zn.
(6) The weight ratio of the metal to silicon in the items (3) to (5) is 5 to 90%.
(7) The silicon compound of item (1) is silicon obtained by removing a metal from a metal silicide.
(8) The metal silicide of item (7) is lithium silicide.
(9) The lithium content of the lithium silicide of item (8) is 100 to 420 atomic% with respect to silicon.
(10) The silicon compound of item (1) adheres to a ceramic that does not react with lithium.
(11) The ceramic of (10) is Al2 OThree , SiO2 TiO2 , SiC, SiThree NFour At least one selected from
(12) The weight ratio of the ceramic to the silicon compound of items (10) and (11) is 2 to 50%.
(13) A method for attaching the ceramic to the silicon compound of (10) to (12), comprising a step of heating to 300 to 1300 ° C.
(14) The silicon compound of item (1) is at least coated with a metal.
(15) The method of coating with the metal of (14) is an electroless plating method, a vapor deposition method, a sputtering method, or a chemical vapor deposition method.
(16) At least one of the metals to be coated according to items (14) and (15) is Ni, Cu, Ag, Co, Fe, Cr, W, Ti, Au, Pt, Pd, Sn, or Zn.
(17) The specific conductivity of the silicon compound coated with the metal of (14) to (16) is 10 times or more the specific conductivity of the uncoated silicon compound.
The silicon compound of item (18) (1) is previously coated with a thermoplastic resin.
(19) The thermoplastic resin of item (18) is polyvinylidene fluoride or polytetrafluoroethylene.
[0006]
(20) The weight ratio of the thermoplastic resin to the silicon compound of items (18) and (19) is 2 to 30%.
(21) The coverage of the thermoplastic resin of items (18) to (20) is 5 to 100%.
(22) Carbon exists in an amount of 5 to 1900% by weight with respect to the silicon compound of item (1).
(23) The carbon of item (22) is scaly natural graphite.
(24) The charge / discharge range of the silicon compound of item (1) is expressed as Li equivalent ratio of lithium inserted into and released from silicon.x When represented by Si, x is in the range of 0 to 4.2.
(25) The charge / discharge range of the silicon compound of item (1) is Lix When represented by Si, x is in the range of 0 to 3.7.
The positive electrode active material in (26) (1) isGoodPreferably, Lix Ni1-y Dy Oba Xa (D is one or more elements selected from Mn, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Mo, Ag, W, B, Al, Ga, In, Sn, Pb, Sb, and P, and X is a halogen element. 0.2 <x ≦ 1.2, 0.1 ≦ y ≦ 0.5, 1.8 ≦ b ≦ 2.3, 0 ≦ a ≦ 1.0) It is a thing.
[0007]
(28) The content of alkaline earth element in the lithium-containing composite oxide of the positive electrode is 0.04% by weight or less, and the content of sulfur is 0.04% by weight or less.
(29) The water content in the lithium-containing composite oxide of the positive electrode is 0.5% by weight or less.
(30) The content of the alkaline earth element in the lithium-containing composite oxide of the positive electrode is 0.02% by weight or less, and the content of sulfur is 0.02% by weight or less.
(31) The water content in the lithium-containing composite oxide of the positive electrode is 0.2% by weight or less.
(32) The average particle size of silicon used in the items (3) to (25) is 0.01 to 50 μm.
The silicon mentioned here is a silicon simple substance, a silicon alloy, or a silicide that can react with lithium.
(33) The ceramics of the items (7) to (13) are adhered to the alloys of the items (3) to (6).
(34) The metal of the items (14) to (17) is coated on the alloy of the items (3) to (6).
(35) The metal of the items (14) to (17) is coated on the material of the item (33).
(36) The thermoplastic resin of items (18) to (21) is coated on the alloy of items (3) to (6).
(37) The material of items (33) to (35) is coated with the thermoplastic resin of items (18) to (21).
(38) The carbons of the items (22) and (23) are allowed to coexist in the alloys of the items (3) to (6).
(39) The carbons of the items (22) and (23) are allowed to coexist in the materials of the items (33) to (37).
[0008]
(40) The alloys of items (3) to (6) are used in the charge / discharge ranges of items (24) and (25).
(41) The materials of items (33) to (39) are used in the charge / discharge range of items (24) and (25).
(42) The compound of item (26) is used as the positive electrode active material of the alloy negative electrode of items (3) to (6).
(43) The compound of item (26) is used as the positive electrode active material of the material of items (33) to (39).
(44) The ceramics of items (7) to (13) are adhered to the silicon of items (7) to (9).
(45) The silicon of items (14) to (17) is coated on the silicon of items (7) to (9).
(46) The material of item (39) is coated with the metal of items (14) to (17).
(47) The thermoplastic resin of items (18) to (21) is coated on the silicon of items (7) to (9).
(48) The material of items (44) to (46) is coated with the thermoplastic resin of items (18) to (21).
(49) The carbons of the items (22) and (23) are allowed to coexist with the silicon of the items (7) to (9).
(50) The carbons of the items (22) and (23) are allowed to coexist in the materials of the items (44) to (48).
(51) The silicon of items (7) to (9) is used in the charge / discharge range of items (24) and (25).
(52) The materials of items (44) to (50) are used in the charge / discharge ranges of items (24) and (25).
(53) The compound of item (26) is used as the positive electrode active material of the silicon negative electrode of items (7) to (9).
(54) The compound of item (26) is used as the positive electrode active material of the negative electrode of items (44) to (50).
(55) The metal of (14) to (17) is coated on the silicon compound of items (10) to (13).
(56) The thermoplastic resin of (18) to (21) is coated on the silicon compound of items (10) to (13).
(57) The material of item (50) is coated with the thermoplastic resin of items (18) to (21).
(58) The carbons of the items (22) and (23) are allowed to coexist in the silicon compounds of the items (10) to (13).
(59) The carbons of the items (22) and (23) are allowed to coexist in the materials of the items (55) to (57).
[0009]
(60) The silicon compound of the items (10) to (13) is used in the charge / discharge range of the items (24) and (25).
(61) The materials of items (55) to (57) are used in the charge / discharge ranges of items (24) and (25).
(62) The compound of item (26) is used as the positive electrode active material of the silicon compound negative electrode of items (10) to (13).
(63) Items (55) to (57) The compound of item (26) is used as the positive electrode active material of the negative electrode.
(64) The ceramics of items (7) to (13) are adhered to the materials of items (14) to (17).
(65) The material of items (14) to (17) is coated with the thermoplastic resin of items (18) to (21).
(66) The thermoplastic resin of items (18) to (21) is coated on the material of item (64).
(67) The carbons of the items (22) and (23) are allowed to coexist in the materials of the items (14) to (17) and (64) to (66).
(68) The materials of items (14) to (17) and (64) to (67) are used in the charge / discharge ranges of items (24) and (25).
(69) Item (14)-(17), (64)-(67) The compound of item (26) is used as the positive electrode active material of the negative electrode.
[0010]
(70) The ceramics of the items (7) to (13) are adhered to the materials of the items (18) to (21).
(71) The materials of items (14) to (17) are coated on the materials of items (18) to (21) and (70).
(72) The carbons of the items (22) and (23) are allowed to coexist in the materials of the items (18) to (21), (70), and (71).
(73) The materials of items (18) to (21) and (70) to (71) are used in the charge / discharge range of items (24) and (25).
(74) Items (18) to (21), (70) to (71) The compound of item (26) is used as the positive electrode active material of the negative electrode.
(75) The compound of item (26) is used as the positive electrode active material of the negative electrode of items (22) and (23).
[0011]
The positive electrode (or negative electrode) used in the present invention can be prepared by coating and molding a positive electrode mixture (or negative electrode mixture) on a current collector. The positive electrode mixture (or negative electrode mixture) includes a positive electrode active material (or negative electrode material), a conductive agent, a binder, a dispersant, a filler, an ionic conductive agent, a pressure enhancer, and various additives. it can. These electrodes may be disk-shaped or plate-shaped, but are preferably flexible sheets.
[0012]
The configuration and materials of the present invention are described in detail below.
The compound containing a silicon atom capable of inserting and releasing lithium used in the negative electrode material of the present invention means a silicon simple substance, a silicon alloy, or a silicide. As the silicon simple substance, any of single crystal, polycrystal, and amorphous can be used. The purity of the simple substance is preferably 85% by weight or more, and particularly preferably 95% by weight or more. Furthermore, 99 weight% or more is especially preferable. The average particle size is preferably 0.01 to 50 μm. In particular, 0.02 to 30 μm is preferable. Furthermore, 0.05-5 micrometers is preferable.
[0013]
The silicon alloy is considered to be effective because it suppresses pulverization due to expansion and contraction of silicon that occurs when lithium is inserted and released, and improves the low conductivity of silicon. As the alloy, an alloy with an alkaline earth metal, a transition metal, or a metalloid is preferable. In particular, a solid solution alloy or a eutectic alloy is preferable. A solid solution alloy is an alloy that forms a solid solution. For example, an alloy of Ge is a solid solution alloy. An eutectic alloy is an alloy that is eutectic with silicon in any proportion, but the solid obtained by cooling is a mixture of silicon and metal. Be, Ag, Al, Au, Cd, Ga, In, Sb, Sn, and Zn form a eutectic alloy.
Among these, alloys of Ge, Be, Ag, Al, Au, Cd, Ga, In, Sb, Sn, and Zn are more preferable. Two or more of these alloys are also preferred. In particular, an alloy containing Ge, Ag, Al, Cd, In, Sb, Sn, and Zn is preferable.
The mixing ratio of these alloys is preferably 5 to 70% by weight with respect to silicon. 10 to 60 weight% is especially preferable. In this case, electrical conductivity is improved, but in terms of battery performance, in particular, discharge capacity, high rate characteristics, and cycle life, the specific conductivity may be 10 times or more that of silicon or a silicon compound before the alloy. preferable. The average particle size of the alloy is preferably 0.01 to 40 μm. In particular, 0.03 to 5 μm is preferable.
[0014]
Silicide refers to a compound of silicon and metal. As silicide, CaSi, CaSi2, Mg2Si, BaSi2, SrSi2, Cu5Si, FeSi, FeSi2CoSi2, Ni2Si, NiSi2, MnSi, MnSi2, MoSi2, CrSi2TiSi2, Ti5Si3, Cr3Si, NbSi2, NdSi2, CeSi2, SmSi2, DySi2, ZrSi2, WSi2, W5Si3, TaSi2, Ta5Si3, TmSi2, TbSi2, YbSi2, YSi2, YSi2, ErSi, ErSi2, GdSi2, PtSi, V3Si, VSi2, HfSi2, PdSi, PrSi2, HoSi2, EuSi2LaSi, RuSi, ReSi, RhSi, etc. are used.
[0015]
As the silicon compound, silicon obtained by removing metal from a metal silicide can be used. Examples of the shape of silicon include fine particles having a size of 1 μm or less and porous particles, and fine particles aggregated to form porous secondary particles. The reason why the cycle life is improved when silicon is used is considered to be difficult to pulverize. The metal of the metal silicide is preferably an alkali metal or an alkaline earth metal. Of these, Li, Ca, and Mg are preferable. In particular, Li is preferable. The lithium content of the lithium silicide is preferably 100 to 420 mol% with respect to silicon. 200-420 is particularly preferable. The method of removing alkali metal or alkaline earth metal from the alkali metal or alkaline earth metal silicide is preferably treated with a solvent that reacts with the alkali metal or alkaline earth metal and dissolves the reaction product. . As the solvent, water and alcohols are preferable. In particular, degassed and dehydrated alcohols are preferred. Examples of alcohols include methyl alcohol, ethyl alcohol, 1-propyl alcohol, 2-propyl alcohol, 1-butyl alcohol, 2-butyl alcohol, t-butyl alcohol, 1-pentyl alcohol, 2-pentyl alcohol, and 3-pentyl alcohol. Is preferred. In particular, 1-propyl alcohol, 2-propyl alcohol, 1-butyl alcohol, 2-butyl alcohol, and t-butyl alcohol are preferable. The removal of Ca and Mg is preferably water. It is more preferable to use a pH buffering agent that keeps it near neutrality.
[0016]
It is considered that the ceramic adhered to the silicon compound is effective for suppressing silicon fine powder. As the ceramic, a compound which does not react with lithium in principle is preferable. In particular, Al2O3, SiO2TiO2, SiC, Si3N4Is preferred.
As a method for adhering silicon and ceramic, mixing, heating, vapor deposition, and CVD are used, but the combined use of mixing and heating is particularly preferable. In particular, Al2O3And SiO2After the sol and silicon are dispersed and mixed, the mixture is heated and the solid solution is pulverized to obtain silicon and Al.2O3And SiO2Can be obtained. In this case, Al2O3And SiO2The deposits of Al2O3And SiO2Etc. The surface is covered with silicon powder, Al2O3And SiO2It is confined inside a lump or the like, or the surface of silicon is covered. Mixing and dispersing can be achieved by mechanical stirring, ultrasonic waves, and kneading. Heating is preferably performed in the range of 300 ° C to 1300 ° C in an inert gas, but 500 ° C to 1200 ° C is particularly preferable. Inert gases include argon, nitrogen, and hydrogen. These mixed gases are also used. As the pulverization method, well-known methods such as a ball mill, a vibration mill, a planetary ball mill, and a jet mill are used. This pulverization is also preferably performed in an inert gas. The mixing ratio of ceramics to silicon is preferably in the range of 2 to 50% by weight, particularly 3 to 40%.
The average particle size determined from the electron microscope observation of silicon is preferably 0.01 to 40 μm. In particular, 0.03 to 5 μm is preferable.
[0017]
The metal coating of the silicon compound of the present invention includes electroplating, displacement plating, electroless plating, resistance heating vapor deposition, electron beam vapor deposition, cluster ion vapor deposition and other vapor deposition methods, sputtering methods, and chemical vapor deposition methods. (CVD method). In particular, an electroless plating method, a resistance heating vapor deposition method, an electron beam vapor deposition method, a cluster ion vapor deposition method or the like, a sputtering method, or a CVD method is preferable. Furthermore, an electroless plating method is particularly preferable. The electroless plating method is described in “Electroless Plating Basics and Applications” published by Nikkan Kogyo Shimbun (1994). The reducing agent is preferably a phosphinate, phosphonate, borohydride, aldehyde, saccharide, amine, or metal salt. Sodium hydrogen phosphinate, sodium hydrogen phosphonate, sodium borohydride, dimethylamine borane, formaldehyde, sucrose, dextrin, hydroxylamine, hydrazine, ascorbic acid, and titanium chloride are preferred. In addition to the reducing agent, the plating solution preferably contains a pH adjusting agent and a complexing agent. Also for these, the compounds described in “Electroless plating basics and applications” are used. The pH of the plating solution is not particularly limited, but 4 to 13 is preferable. The temperature of the liquid is preferably 10 ° C to 100 ° C, but 20 ° C to 95 ° C is particularly preferable. In addition to the plating bath, SnCl2Activation bath consisting of aqueous hydrochloric acid, PdCl2A nucleation bath composed of an aqueous hydrochloric acid solution is used, and a filtration step, a water washing step, a pulverization step, and a drying step are further used.
[0018]
Moreover, as a form of the silicon compound to be coated, any of powder, block, plate and the like is used. The metal to be coated may be anything as long as it is a highly conductive metal, but Ni, Cu, Ag, Co, Fe, Cr, W, Ti, Au, Pt, Pd, Sn, and Zn are particularly preferable. In particular, Ni, Cu, Ag, Co, Fe, Cr, Au, Pt, Pd, Sn, and Zn are preferable, and Ni, Cu, Ag, Pd, Sn, and Zn are particularly preferable. The amount of metal to be coated is not particularly limited, but it is preferable to coat so that the specific conductivity is 10 times or more of the specific conductivity of the silicon compound as the base.
[0019]
The silicon compound used in the present invention is preferably coated with a thermoplastic resin. As the thermoplastic resin, a fluorine-containing polymer compound, an imide polymer, a vinyl polymer, an acrylate polymer, an ester polymer, polyacrylonitrile, or the like is used. In particular, the thermoplastic resin is preferably a resin that does not easily swell in the electrolytic solution. Specific examples include water-soluble polymers such as polyacrylic acid, polyacrylic acid Na, polyvinyl phenol, polyvinyl methyl ether, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, polyacrylamide, polyhydroxy (meth) acrylate, styrene-maleic acid copolymer, Polyvinyl chloride, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, polyvinyl acetal resin, methyl methacrylate, and (meth) acrylic acid esters such as 2-ethylhexyl acrylate (Meth) acrylic acid ester copolymer, (meth) acrylic acid ester-acrylonitrile copolymer, polyvinyl ester copolymer containing vinyl ester such as vinyl acetate, styrene-butadiene copolymer, acrylonitrile-butadiene copolymer Examples thereof include emulsions (latex) or suspensions of coalesced polybutadiene, neoprene rubber, fluoro rubber, polyethylene oxide, polyester polyurethane resin, polyether polyurethane resin, polycarbonate polyurethane resin, polyester resin, phenol resin, epoxy resin and the like. In particular, polyacrylate ester latex, carboxymethyl cellulose, polytetrafluoroethylene, and polyvinylidene fluoride are exemplified.
These compounds can be used alone or in combination. In particular, a fluorine-containing polymer compound is preferable. Of these, polytetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride are preferred. As a method for coating in advance, a thermoplastic resin is dissolved in a solvent, and a silicon compound is mixed and kneaded in the solution. A method of drying the solution and pulverizing the obtained solid is preferred. As a usage-amount of the thermoplastic resin with respect to a silicon compound, 2 to 30 weight% is preferable. In particular, 3 to 20% by weight is preferable. The coverage is preferably 5 to 100%, particularly preferably 5 to 90%. The average particle size of the coated particles is preferably 0.01 μm to 40 μm. In particular, 0.03 to 5 μm is preferable.
[0020]
In the present invention, it is preferable to use a mixture of a silicon compound and a carbonaceous compound. As the carbonaceous material, a material used for a conductive agent or a negative electrode material is used. Examples of the carbonaceous material include non-graphitizable carbon materials and graphite-based carbon materials. Specifically, carbon materials having surface spacing, density, and crystallite size described in JP-A-62-122066, JP-A-2-66856, JP-A-3-245473, etc. A mixture of natural graphite and artificial graphite described in Japanese Patent No. -290844, and vapor-grown carbon materials described in Japanese Patent Laid-Open Nos. 63-24555, 63-13282, 63-58763, and Japanese Patent Laid-Open No. 6-212617 A material obtained by heating and baking non-graphitizable carbon described in JP-A-5-182664 at a temperature exceeding 2400 ° C. and having a peak of X-ray diffraction corresponding to a plurality of 002 planes, No. 307957, JP-A-5-307958, JP-A-7-85862, and JP-A-8-315820, a mesophase carbon material synthesized by pitch firing described in JP-A-6-84516 Graphite with the above coating layer, various granular materials, microspheres, flat bodies, microfibers, whisker-shaped carbon materials, phenolic resins, acrylonitrile resins, furfuryl alcohol resin fired bodies, hydrogen atoms Examples thereof include carbon materials such as polyacene material.
Furthermore, specific examples of the conductive agent include natural graphite such as scaly graphite, scaly graphite, and earthy graphite, high-temperature fired bodies such as petroleum coke, coal coke, celluloses, saccharides, and mesophase pitch, and vapor-grown graphite. Graphite such as artificial graphite, carbon black such as acetylene black, furnace black, ketjen black, channel black, lamp black, thermal black, carbon materials such as asphalt pitch, coal tar, activated carbon, mesofuse pitch, polyacene preferable. These may be used singly or as a mixture.
[0021]
In particular, the carbon material described in JP-A-5-182664, various granular materials, microspheres, flat plate bodies, fibers, whisker-shaped carbon materials, and mesophase pitch, phenol resin, acrylonitrile resin fired bodies, Furthermore, a polyacene material containing a hydrogen atom is preferable.
Of these, scaly natural graphite is preferable because it makes the mixture film strong.
The mixing ratio is preferably 5 to 1900% by weight with respect to the silicon compound. In particular, 20 to 500% by weight is preferable. Furthermore, 30 to 400% by weight is preferable.
As the conductive agent, a metal other than carbon can be used. Ni, Cu, Ag, and Fe are preferable.
[0022]
The charge / discharge range of the silicon compound negative electrode material is preferably x = 0 to 4.2 when the ratio of lithium and silicon atoms that can be inserted and released is represented by LixSi. As a result of intensive studies on improving the cycle life of silicon, it was found that the cycle life is greatly improved when x is kept in the range of 0 to 3.7. The charge potential was 0.0 V, including overvoltage, at x = 4.2 against the lithium metal counter electrode, whereas it was about 0.05 V at x = 3.7.
At this time, the shape of the discharge curve changes, and a flat discharge curve is obtained in the vicinity of 0.5 V (body lithium metal) at 0.0 V charge folding, whereas it is 0.05 V or more, particularly 0.08 V or more (x = 3.6), a gentle curve with an average voltage of about 0.4V is obtained. That is, it shows that a specific phenomenon in which the discharge potential is lowered when the voltage at the end of charging is increased and a reversibility of the charge / discharge reaction is also found.
[0023]
Although the method having the effect of improving the cycle life while maintaining the high capacity of the silicon compound has been individually described, a more preferable embodiment is that a further improved effect can be obtained by combining each of the above methods. I found it.
In the present invention, as a negative electrode material, a compound capable of inserting and releasing lithium, such as a carbonaceous material, an oxide material, a nitride material, a sulfide material, lithium metal, and a lithium alloy, which are other negative electrode materials, with respect to the silicon compound of the present invention Can be combined.
[0024]
Used in the present inventionPositiveThe composition of the active material is Lix M1-y Dy Oba Xa (M is Ni or Co, D is one or more selected from Mn, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Mo, Ag, W, B, Al, Ga, In, Sn, Pb, Sb, P) X is a halogen element, and is represented by a composition of 0.2 <x ≦ 1.2, 0 ≦ y ≦ 0.5, 1.8 ≦ b ≦ 2.3, 0 ≦ a ≦ 1.0) Lithium-containing cobalt composite oxide or lithium-containing nickel composite oxide. Of these, Li is particularly preferable.x Ni1-y Dy Oba Xa (D is one or more elements selected from Mn, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Mo, Ag, W, B, Al, Ga, In, Sn, Pb, Sb, and P, and X is a halogen element. 0.2 <x ≦ 1.2, 0.1 ≦ y ≦ 0.5, 1.8 ≦ b ≦ 2.3, 0 ≦ a ≦ 1.0) It is a thing. Also,Used in the present inventionThe composition of the positive electrode active material is Lix Mn2-y Dy Oba Xa (D is one or more elements selected from Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Mo, Ag, W, B, Al, Ga, In, Sn, Pb, Sb, P, and X is a halogen element. 0.05 <x ≦ 1.2, 0 ≦ y ≦ 0.5, 3.5 ≦ b ≦ 4.5, 0 ≦ a ≦ 1.0) It is a thing. In the above-described general formula of the positive electrode active material, D is a transition element (Co, Ni, Mn) of the central metal or one or more metal or metalloid elements substituting for a part of Li. This is an element that contributes to improvement of battery performance such as increase of discharge average voltage and improvement of cycle life. Specific examples of positive electrode active materialsExampleAs Lix CoO2 , Lix NiO2 , Lix MnO2 , Lix Co1-y Niy O2 , Lix Co1-y Vy Oz , Lix Co1-y Fey O2 , Lix Mn2 OFour , Lix Mn2-y Coy OFour , Lix Mn2-y Niy OFour , Lix Mn2-y Vy OFour , Lix Mn2-y Fey OFour (Where x = 0.2 to 1.2, y = 0.1 to 0.9, z = 2.01 to 2.3). Among these, examples of preferable compositions include Lix Ni1-y Coy O2 , Lix Ni1-y Aly O2 , Lix Ni1-y Coy O2-b Fb , Lix Ni1-y By O2 , Lix Mn2 OFour , Lix Mn2-y Aly OFour , Lix Mn2-y Coy OFour , Lix Mn2-y Fey OFour (X = 0.2 to 1.2, y = 0.1 to 0.3, b = 0 to 0.3). Here, the value of x is a value before the start of charging / discharging, and increases or decreases beyond the above range due to charging / discharging.
[0025]
Next, each of the Ni-based oxide and the Mn-based oxide preferably used as the positive electrode active material will be described.
The preferred composition of the Ni oxide-based positive electrode active material is LixNi1-yDyObaXaIndicated by Here, what can be used as D is usually one or more elements selected from Group 13 and Group 14 elements and transition metal elements of the periodic table, and preferably D is Co, Cr, Fe, Cu, Zn , Mo, Ag, W, B, Al, Ga, In, Sn, Pb, Sb, P are one or more elements. X is a halogen element. The amount of these elements in the composition ranges from 0.2 <x ≦ 1.2, 0.1 ≦ y ≦ 0.5, 1.8 ≦ b ≦ 2.3, 0 ≦ a ≦ 1.0. It is. Of these, one of the preferred compositions is LixNi1-yMyOb(M is one or more elements selected from Mn, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Mo, Ag, W, B, Al, Ga, In, Sn, Pb, Sb, P, 0.2 <x ≦ 1.2, 0.1 ≦ y ≦ 0.5, 1.8 ≦ b ≦ 2.3).
Further, another preferable composition of the Ni oxide-based positive electrode active material is a composition in which fluorine is substituted as X, and LixNi1-yMyObaFa(M is one or more elements selected from Mn, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Mo, Ag, W, B, Al, Ga, In, Sn, Pb, Sb, P, 0.2 <x ≦ 1.2, 0.1 ≦ y ≦ 0.5, 1.8 ≦ b ≦ 2.3, 0 <a ≦ 1.0).
Particularly preferred as the composition of the positive electrode active material of the present invention is a structure containing cobalt which is effective for improving the discharge potential as M, and further containing a group M of elements which are effective as structural reinforcing elements.xNi1-yzCoyMzObaFa(M is one or more elements selected from Mn, Cr, Fe, Cu, Zn, Mo, Ag, W, B, Al, Ga, In, Sn, Pb, Sb, and P, 0.2 <x ≦ 1.2, 0.05 ≦ y ≦ 0.5, 0.01 ≦ z ≦ 0.3, 0 ≦ a ≦ 1.0, 1.8 ≦ b ≦ 2.3) It is a complex oxide.
[0026]
As the Mn-based positive electrode active material, A [B2  ] O4  Type LiMn with spinel structure2  O4  It is a system oxide. This type of oxide includes LiMn2O4For example, the general formula Li1 + x[Mn2-y] O4  A compound having a non-stoichiometric composition and a structure including a defect represented by (0 <x <1.7, 0 ≦ y <0.7) is also included. As an example of this, Li4  Mn5  O12Alternatively, Li [Li1/3Mn5/3] O4  Is mentioned. Another preferred example is the general formula Li1-x[Mn2-y] O4  (0 <x <1.0, 0 ≦ y <0.5). Examples of this include Li which is a non-stoichiometric spinel compound disclosed in, for example, JP-A-4-240117.2  Mn5  O11Or in the spinel structure display1-x[Mn2-y] O4  (X = 0.273, y = 0.182). Another preferred structure is the general formula Li1-x[Mn2-y] O4(0 <x ≦ 0.20, 0 <y <0.4), for example, Li2  Mn4  O9  Is mentioned.
Similarly to the Ni-based oxide, a Mn-based composite oxide having a composition in which a metal other than Mn or a half-metal cation is used as another element for the purpose of improving cycle performance is also preferable. As other elements, trivalent metal elements such as Co, Al, Cr and Fe are most preferable, and examples of active material compositions containing these are described in JP-A-9-245896.
[0027]
LiNiO added with other metal elements2Or LiMn2O4Is synthesized by heat treatment using compounds (oxides or salts) each containing various metals added to the compound that is a Ni or Mn raw material and the Li compound that is a Li raw material. Since the compound is used, it is usually difficult to produce the final active material with high purity, and different kinds of materials such as Na, K, Mg, Ca, Al, sulfur, Cu, Fe, and Si derived from these metal compound raw materials are used. Elements are likely to be mixed into the positive electrode active material as impurities. These impurities may cause deterioration of the cycle life or high temperature storage stability of the battery due to the effect of elution into the non-aqueous electrolyte during charging / discharging. Therefore, it is preferable to reduce these impurities below a certain level in order to stabilize the performance.
[0028]
The present inventor has found that, among the above-mentioned impurity elements, particularly alkaline earth metals and sulfur, the storage characteristics of the battery can be improved by limiting the level of contamination within a specified amount. That is, in the active material containing these elements as impurities at the same time, for example, the acidity is locally reduced on the surface of the active material in contact with the electrolytic solution, and the metal element is eluted in the electrolytic solution, resulting in a change in performance of the positive electrode or the negative electrode. Problems arise. This phenomenon is a serious problem because it accelerates the decrease in acidity especially in the situation where moisture is present in the active material or the electrolyte.
Specifically, the alkaline earth element content in the positive electrode active material is 0.1% by weight or less, the sulfur content is 0.1% by weight or less, and the water content is 0.5 or less. And effective in improving cycle life. Effective contents for improving the performance include an alkaline earth element content of 0.04% by weight or less, a sulfur content of 0.04% by weight or less, and a moisture content of 0.2% by weight or less. Furthermore, it is more effective that the alkaline earth element content is 0.02% by weight or less, the sulfur content is 0.02% by weight or less, and the water content is 0.1% by weight or less. Most preferably, the alkaline earth element content is 0.02% by weight or less, the sulfur content is 80 ppm or less (0.008% or less) by weight, and the water content is 0.1% by weight or less.
[0029]
Among the alkaline earth elements referred to in the present invention, those whose content management is important for improving battery performance are magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), and barium (Ba). Of these, magnesium (Mg), calcium (Ca), and barium (Ba) are important, and calcium (Ca) is particularly important.
[0030]
Sulfur is a sulfate radical (SO) contained in the raw material for firing.4) And the like are often mixed as impurities, and the content of 0.1% or less is effective in improving storage stability, preferably 0.04% or less, more preferably 0.02% or less. The effect is great. The sulfur content is 80 ppm or less which is most effective for improving the performance.
[0031]
The synthesis of the composite oxide for the positive electrode of the present invention includes a lithium compound that is a lithium raw material and a metal compound that is a raw material of Co, Ni, or Mn, and optionally B, Al, Cr, Sn, Si, Fe, Ti. A compound containing other element D typified by, for example, is mixed and the raw material powder is baked in a high-temperature dry state, or by a chemical reaction in a solution state typified by a sol-gel method.
Lithium raw materials include LiOH and Li2  CO3  , Li2  O, LiNO3  , Li2  SO4  , LiHCO3  , Li (CH3  COO), alkyl lithium and the like are used, and Ni raw materials include NiO and NiCO.3  , Ni (NO3  )2  , Ni powder, NiCl2  , NiSO4  , Ni3  (PO4  )2  , Ni (CH3  COO)2  , Ni (OH)2NiOOH, Ni alkoxide, etc. are useful. In addition, as a raw material for the other element M, Co2  O3  , Co3  O4  , CoCO3  , Co (NO3  )2  CoCl2  , MnCO3  , MnO2  , Mn (NO)3  , B2  O3  , B (OH)3  , Al2  O3  , Al (NO3  )3  , Al (OH)3  , SnO2  , SnO, SnCl2, Sn alkoxide, SiO2  , SiO, alkoxysilane, Fe2  O3  , FeCl3  , FeOOH, Fe (NO3  )3  TiO2  , GeO2  , ZrO2  , Nd2  O3  , La2  O3  , La2  O3  , Zn (NO3  )2  , WO3  , Ga (NO3  )2  , CuO, V2  O5  , Sm2  O3  , Y2  O3  , AlF3  , LiF, LaF3  , SnF2  , Li3  PO4  , AlPO4  Etc. can be used. These raw materials may be mixed as a solid powder, or a plurality of raw materials may be dissolved in a solvent to form a mixed solution, which may be dried, solidified, or made into a mixture as a slurry. In the case of synthesizing by firing, the above raw material powder or slurry mixture is preferably used at a temperature of 400 ° C. to 1000 ° C., preferably 600 ° C. to 900 ° C. in the presence of oxygen or an oxygen partial pressure of 0.2 atm or higher. The synthesis is carried out by reacting for 4 to 48 hours in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 0.5 or more. Firing is repeated a plurality of times under the same conditions or under different conditions as necessary. The raw material mixture may be previously filled in a pellet and molded. Examples of the firing method include powder mixing methods described in JP-A-62-264560, JP-A-2-40861, JP-A-6-267538, and JP-A-6-231767, JP-A-4-237793, JP-A-5-325966, and JP-A-6-208334. The solution mixing method described in JP-A-62-211565, the synthesis method by coprecipitation described in JP-A-62-211565, the method of quenching the fired product described in JP-A-5-198301 and JP-A-5-205741, JP-A-5-283076, A method of firing by pellet molding described in JP-A-6-310145, a method of firing in a molten state using LiOH hydrate described in JP-A-5-325969, and synthesis under oxygen partial pressure control described in JP-A-6-60887 Method, a fluorine doping method described in JP-A-6-243871, and active materials having different internal and surface compositions of particles described in JP-A-8-138670. And a method in which it is effective.
[0032]
In the case of Ni oxide or Mn oxide, it is preferable that the positive electrode active material particles have the shape of secondary particles formed by agglomeration of primary particles from the viewpoint of improving cycle life and storage stability. The preferable particle size at this time is such that the particle size of the secondary particles is 1 to 30 μm, the particle size of the primary particles is 0.01 to 1 μm, more preferably the particle size of the secondary particles is 3 to 20 μm, and the primary particles Has a particle size of 0.05 to 0.5 μm. Here, the secondary particle means a particle formed by agglomeration of fine primary particles, and corresponds to a particle size usually measured by a laser scattering particle size distribution measurement or the like, and corresponds to a normally defined particle size.
As for the shape of the particles, the secondary particles are particularly preferably spherical. Moreover, it is preferable that the surface of the secondary particle is porous.
[0033]
The specific surface area of the positive electrode active material corresponds to the above particle form, and is 0.1 to 10 m as measured by the BET method.2  / G is preferred, 0.3-3 m2  / G is more preferable.
[0034]
The positive electrode active material particles used in the present invention may be crystalline or may contain an amorphous structure inside or on the surface, but are preferably crystalline.
[0035]
The conductive agent used in the mixture of the present invention may be anything as long as it is an electron conductive material that does not cause a chemical change in the constructed battery. Specific examples include natural graphite such as scaly graphite, scaly graphite and earthy graphite, high-temperature fired bodies such as petroleum coke, coal coke, celluloses, saccharides and mesophase pitch, and graphite such as artificial graphite such as vapor-grown graphite. , Carbon blacks such as acetylene black, furnace black, ketjen black, channel black, lamp black, thermal black, etc., carbon materials such as asphalt pitch, coal tar, activated carbon, mesofuse pitch, polyacene, conductivity of metal fibers, etc. Examples thereof include fibers, metal powders such as copper, nickel, aluminum and silver, conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate, and conductive metal oxides such as titanium oxide. It is preferable to use a graphite plate having an aspect ratio of 5 or more. Among these, graphite and carbon black are preferable, and the particle size is preferably 0.01 μm or more and 20 μm or less, and more preferably 0.02 μm or more and 10 μm or less. These may be used alone or in combination of two or more. When using together, it is preferable to use together carbon blacks, such as acetylene black, and a 1-15 micrometers graphite particle.
The addition amount of the conductive agent to the mixture layer is preferably 1 to 50% by weight, particularly 2 to 30% by weight, based on the negative electrode material or the positive electrode material. In the case of carbon black or graphite, the content is particularly preferably 3 to 20% by weight.
[0036]
In the present invention, a binder is used to hold the electrode mixture. Examples of the binder include polysaccharides, thermoplastic resins, and polymers having rubber elasticity. Preferred binders include starch, carboxymethyl cellulose, cellulose, diacetyl cellulose, methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, sodium alginate, polyacrylic acid, polyacrylic acid Na, polyvinyl phenol, polyvinyl methyl ether, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone. Water-soluble polymers such as polyacrylamide, polyhydroxy (meth) acrylate, styrene-maleic acid copolymer, polyvinyl chloride, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene furo Ride-tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene (Meth) acrylic acid ester copolymer containing (meth) acrylic acid ester such as di-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, polyvinyl acetal resin, methyl methacrylate, 2-ethylhexyl acrylate, (meth) acrylic Acid ester-acrylonitrile copolymer, polyvinyl ester copolymer containing vinyl ester such as vinyl acetate, styrene-butadiene copolymer, acrylonitrile-butadiene copolymer, polybutadiene, neoprene rubber, fluoro rubber, polyethylene oxide, polyester polyurethane Resin, polyether polyurethane resin, polycarbonate polyurethane resin, polyester resin, phenol resin, epoxy resin emulsion (latex) or suspension It can be cited. In particular, polyacrylate ester latex, carboxymethyl cellulose, polytetrafluoroethylene, and polyvinylidene fluoride are exemplified. These binders are more preferably those having an average particle size of 0.01 to 5 μm, and particularly preferably 0.05 to 1 μm.
These binders can be used alone or in combination. When the amount of the binder added is small, the holding power and cohesion of the electrode mixture is weak. If the amount is too large, the electrode volume increases and the capacity per electrode unit volume or unit weight decreases. For this reason, the addition amount of the binder is preferably 1 to 30% by weight, and particularly preferably 2 to 10% by weight.
[0037]
Any filler can be used as long as it is a fibrous material that does not cause a chemical change in the constructed battery. Usually, olefin polymers such as polypropylene and polyethylene, fibers such as glass and carbon are used. Although the addition amount of a filler is not specifically limited, 0 to 30 weight% is preferable.
As the ionic conductive agent, those known as inorganic and organic solid electrolytes can be used, and details are described in the section of the electrolytic solution.
A pressure enhancer is a compound that increases the internal pressure of a battery, and carbonates such as lithium carbonate are typical examples.
[0038]
In the current collector that can be used in the present invention, the positive electrode is aluminum, stainless steel, nickel, titanium, or an alloy thereof, and the negative electrode is copper, stainless steel, nickel, titanium, or an alloy thereof. The form of the current collector is foil, expanded metal, punching metal, or wire mesh. In particular, an aluminum foil is preferable for the positive electrode and a copper foil is preferable for the negative electrode.
The thickness of the foil is preferably 7 μm to 100 μm, more preferably 7 μm to 50 μm, and particularly preferably 7 μm to 20 μm. The thickness of the expanded metal, punching metal, and wire mesh is preferably 7 μm to 200 μm, more preferably 7 μm to 150 μm, and particularly preferably 7 μm to 100 μm.
The purity of the current collector is preferably 98% or more, more preferably 99% or more, and particularly preferably 99.3% or more.
The surface of the current collector may be washed with an acid, alkali, organic solvent or the like.
[0039]
Next, the configuration of the positive and negative electrodes in the present invention will be described. The positive and negative electrodes are preferably in a form in which an electrode mixture is applied to both sides of the current collector. In this case, the number of layers per side may be one or may be composed of two or more layers. When the number of layers per side is 2 or more, the positive electrode active material (or negative electrode material) -containing layer may be 2 or more. A more preferable configuration is a case where the layer is composed of a layer containing a positive electrode active material (or negative electrode material) and a layer not containing a positive electrode active material (or negative electrode material).
The layer that does not contain the positive electrode active material (or the negative electrode material) includes a protective layer for protecting the layer containing the positive electrode active material (or the negative electrode material) and a divided positive electrode active material (or negative electrode material) containing layer. And an undercoat layer between the positive electrode active material (or negative electrode material) -containing layer and the current collector. These are collectively referred to as an auxiliary layer in the present invention.
[0040]
The protective layer is preferably on both the positive and negative electrodes or on the positive and negative electrodes. In the negative electrode, when lithium is inserted into the negative electrode material in the battery, the negative electrode preferably has a protective layer. The protective layer is composed of at least one layer, and may be composed of a plurality of layers of the same type or different types. Moreover, the form which has a protective layer only in the single side | surface of the mixture layers of both surfaces of a collector may be sufficient. These protective layers are composed of water-insoluble particles and a binder. The binder used when forming the above-mentioned electrode mixture can be used as the binder. As the water-insoluble particles, various kinds of conductive particles and organic and inorganic particles having substantially no conductivity can be used. The solubility of water-insoluble particles in water is 100 PPM or less, preferably insoluble. The ratio of the particles contained in the protective layer is preferably 2.5% by weight or more and 96% by weight or less, more preferably 5% by weight or more and 95% by weight or less, and particularly preferably 10% by weight or more and 93% by weight or less.
[0041]
Examples of water-insoluble conductive particles include carbon particles such as metals, metal oxides, metal fibers, carbon fibers, carbon black, and graphite. Among these water-insoluble conductive particles, those having low reactivity with alkali metals, particularly lithium, are preferable, and metal powders and carbon particles are more preferable. The electrical resistivity at 20 ° C. of the elements constituting the particles is 5 × 109Ω · m or less is preferable.
[0042]
The metal powder is preferably a metal having low reactivity with lithium, that is, a metal that is difficult to form a lithium alloy. Specifically, copper, nickel, iron, chromium, molybdenum, titanium, tungsten, and tantalum are preferable. The shape of these metal powders may be any of acicular, columnar, plate-like, and massive shapes, and the maximum diameter is preferably 0.02 μm or more and 20 μm or less, more preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less. These metal powders are preferably those whose surfaces are not excessively oxidized, and when oxidized, heat treatment is preferably performed in a reducing atmosphere.
[0043]
As the carbon particles, a known carbon material used as a conductive material used in combination when the electrode active material is not conductive can be used. Specifically, a conductive agent used for making an electrode mixture is used.
[0044]
Examples of the water-insoluble particles having substantially no conductivity include fine powder of Teflon, SiC, aluminum nitride, alumina, zirconia, magnesia, mullite, forsterite, and steatite. These particles may be used in combination with conductive particles, and are preferably used in an amount of 0.01 to 10 times that of the conductive particles.
[0045]
The positive (negative) electrode sheet can be prepared by applying a positive (negative) electrode mixture onto a current collector, drying, and compressing.
The mixture is prepared by mixing a positive electrode active material (or negative electrode material) and a conductive agent, adding a binder (suspension or emulsion of resin powder) and a dispersion medium, kneading and mixing, It can be carried out by dispersing with a mixer / disperser such as a mixer, homogenizer, dissolver, planetary mixer, paint shaker or sand mill. As the dispersion medium, water or an organic solvent is used, but water is preferable. In addition, additives such as a filler, an ionic conductive agent, and a pressure enhancer may be added as appropriate. The pH of the dispersion is preferably 5 to 10 for the negative electrode and 7 to 12 for the positive electrode.
[0046]
Application can be performed by various methods, for example, reverse roll method, direct roll method, blade method, knife method, extrusion method, slide method, curtain method, gravure method, bar method, dip method and squeeze method. I can list them. A method using an extrusion die and a method using a slide coater are particularly preferred. The application is preferably performed at a speed of 0.1 to 100 m / min. Under the present circumstances, the surface state of a favorable coating layer can be obtained by selecting the said application | coating method according to the liquid physical property of a mixture paste, and drying property. When the electrode layer is a plurality of layers, it is preferable to apply the plurality of layers at the same time from the viewpoint of uniform electrode production, production cost, and the like. The thickness, length and width of the coating layer are determined by the size of the battery. The thickness of a typical coating layer is 10 to 1000 μm in a compressed state after drying.
The electrode sheet after application is dried and dehydrated by the action of hot air, vacuum, infrared rays, far infrared rays, electron beams and low-humidity air. These methods can be used alone or in combination. The drying temperature is preferably in the range of 80 to 350 ° C, particularly preferably in the range of 100 to 260 ° C. The water content after drying is preferably 2000 ppm or less, and more preferably 500 ppm or less.
For the compression of the electrode sheet, a generally employed pressing method can be used, but a die pressing method and a calendar pressing method are particularly preferable. The press pressure is not particularly limited, but is 10 kg / cm.2  ~ 3t / cm2  Is preferred. The press speed of the calendar press method is preferably 0.1 to 50 m / min. The pressing temperature is preferably room temperature to 200 ° C.
[0047]
The separator that can be used in the present invention is only required to be an insulating thin film having a large ion permeability, a predetermined mechanical strength, and an olefin polymer, a fluorine polymer, a cellulose polymer, polyimide, nylon, Glass fiber and alumina fiber are used, and as a form, a nonwoven fabric, a woven fabric, and a microporous film are used. In particular, the material is preferably polypropylene, polyethylene, a mixture of polypropylene and polyethylene, a mixture of polypropylene and Teflon, or a mixture of polyethylene and Teflon, and the form is preferably a microporous film. In particular, a microporous film having a pore diameter of 0.01 to 1 μm and a thickness of 5 to 50 μm is preferable. These microporous films may be a single film or a composite film composed of two or more layers having different properties such as the shape, density, and material of the micropores. For example, the composite film which bonded the polyethylene film and the polypropylene film can be mentioned.
[0048]
The electrolytic solution is generally composed of a supporting salt and a solvent. Lithium salt is mainly used as the supporting salt in the lithium secondary battery.
Examples of lithium salts that can be used in the present invention include LiClO.4, LiBF4, LiPF6, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiB10Cl10, LiOSO2CnF2n + 1(N is a positive integer of 6 or less), LiN (SO2CnF2n + 1) (SO2CmF2m + 1) Imide salt (m and n are each a positive integer of 6 or less), LiC (SO2CpF2p * 1) (SO2CqF2q + 1) (SO2CrF2r + 1) (Wherein p, q, and r are positive integers of 6 or less), lower aliphatic lithium carboxylate, LiAlCl4Li salts such as LiCl, LiBr, LiI, chloroborane lithium and lithium tetraphenylborate can be raised, and these can be used alone or in combination. Above all, LiBF4And / or LiPF6What melt | dissolved is preferable.
The concentration of the supporting salt is not particularly limited, but is preferably 0.2 to 3 mol per liter of the electrolytic solution.
[0049]
Solvents that can be used in the present invention include propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, chloroethylene carbonate, trifluoromethyl ethylene carbonate, difluoromethyl ethylene carbonate, monofluoromethyl ethylene carbonate, hexafluoromethyl acetate, and methyl trifluoride acetate. , Dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, γ-butyrolactone, methyl formate, methyl acetate, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, 2,2-bis ( Trifluoromethyl) -1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane, dioxane, acetonitrile, nitromethane, ethyl Glyme, phosphoric acid triester, boric acid triester, trimethoxymethane, dioxolane derivative, sulfolane, 3-methyl-2-oxazolidinone, 3-alkylsydnone (alkyl group is propyl, isopropyl, butyl group, etc.), propylene carbonate derivative And aprotic organic solvents such as tetrahydrofuran derivatives, ethyl ether, and 1,3-propane sultone. These may be used alone or in combination. Among these, carbonate-based solvents are preferable, and it is particularly preferable to use a mixture of a cyclic carbonate and an acyclic carbonate. As the cyclic carbonate, ethylene carbonate and propylene carbonate are preferable. Moreover, as an acyclic carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate are preferable.
As an electrolytic solution that can be used in the present invention, LiCF is added to an electrolytic solution in which ethylene carbonate, propylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane, dimethyl carbonate or diethyl carbonate is appropriately mixed.3SO3LiClO4, LiBF4And / or LiPF6An electrolytic solution containing is preferable. In particular, in a mixed solvent of at least one of propylene carbonate or ethylene carbonate and at least one of dimethyl carbonate or diethyl carbonate, LiCF3SO3LiClO4Or LiBF4At least one salt selected from the group consisting of LiPF and LiPF6An electrolytic solution containing is preferable. The amount of the electrolyte added to the battery is not particularly limited, and can be used depending on the amount of the positive electrode material or the negative electrode material or the size of the battery.
[0050]
In addition to the electrolytic solution, the following solid electrolyte can be used in combination.
The solid electrolyte is classified into an inorganic solid electrolyte and an organic solid electrolyte. Well-known inorganic solid electrolytes include Li nitrides, halides, oxyacid salts, and the like. Among them, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, xLi3PO4(1-x)Li4SiO4, Li2SiS3In addition, phosphorus sulfide compounds are effective.
[0051]
In the organic solid electrolyte, a polyethylene oxide derivative or a polymer containing the derivative, a polypropylene oxide derivative or a polymer containing the derivative, a polymer containing an ion dissociation group, a mixture of a polymer containing an ion dissociation group and the above aprotic electrolyte, phosphoric acid A polymer matrix material containing an ester polymer and an aprotic polar solvent is effective. Furthermore, there is a method of adding polyacrylonitrile to the electrolytic solution. A method of using an inorganic and organic solid electrolyte in combination is also known.
[0052]
Further, other compounds may be added to the electrolyte for the purpose of improving discharge and charge / discharge characteristics. For example, pyridine, pyrroline, pyrrole, triphenylamine, phenylcarbazole, triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, nitrobenzene derivatives, sulfur, quinoneimine dyes, N-substituted oxazolidinones and N , N′-substituted imidazolidinone, ethylene glycol dialkyl ether, quaternary ammonium salt, polyethylene glycol, pyrrole, 2-methoxyethanol, AlCl3, Monomers of conductive polymer electrode active materials, triethylenephosphoramide, trialkylphosphine, morpholine, aryl compounds having a carbonyl group, crown ethers such as 12-crown-4, hexamethylphosphoric triamide and 4- Examples thereof include alkylmorpholine, bicyclic tertiary amine, oil, quaternary phosphonium salt, and tertiary sulfonium salt. Particularly preferred is a case where triphenylamine and phenylcarbazole are used alone or in combination.
[0053]
In order to make the electrolyte nonflammable, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride chloride can be contained in the electrolyte. In addition, carbon dioxide gas can be included in the electrolyte in order to make it suitable for high-temperature storage.
[0054]
The battery assembled as described above is preferably subjected to an aging treatment. The aging treatment includes pre-treatment, activation treatment, post-treatment, and the like, whereby a battery with high charge / discharge capacity and excellent cycleability can be produced. The pretreatment is a treatment for homogenizing the distribution of lithium in the electrode. For example, control of lithium dissolution, temperature control to make the lithium distribution uniform, oscillation and / or rotation treatment, optional charging / discharging A combination is made. The activation process is a process for inserting lithium into the negative electrode of the battery body, and it is preferable to insert 50 to 120% of the amount of lithium inserted during actual use charging of the battery. The post-processing is processing for sufficient activation processing, and includes storage processing for uniform battery reaction and charge / discharge processing for determination, which can be arbitrarily combined.
[0055]
Preferred aging conditions (pretreatment conditions) before activation of the present invention are as follows. The temperature is preferably 30 ° C. or higher and 70 ° C. or lower, more preferably 30 ° C. or higher and 60 ° C. or lower, and further preferably 40 ° C. or higher and 60 ° C. or lower. The open circuit voltage is preferably 2.5 V or more and 3.8 V or less, more preferably 2.5 V or more and 3.5 V or less, and further preferably 2.8 V or more and 3.3 V or less. The aging period is preferably 1 day or more and 20 days or less, and particularly preferably 1 day or more and 15 days or less. The charging voltage for activation is preferably 4.0 V or higher, more preferably 4.05 V or higher and 4.3 V or lower, and still more preferably 4.1 V or higher and 4.2 V or lower.
As an aging condition after activation, the open circuit voltage is preferably 3.9 V or more and 4.3 V or less, particularly preferably 4.0 V or more and 4.2 V or less, and the temperature is preferably 30 ° C. or more and 70 ° C. or less, and 40 ° C. or more and 60 A temperature of not higher than ° C is particularly preferred. The aging period is preferably from 0.2 days to 20 days, particularly preferably from 0.5 days to 5 days.
[0056]
A plurality of the batteries of the present invention are assembled in series and / or in parallel as needed, and stored in a battery pack. In addition to safety elements such as positive temperature coefficient resistors, temperature fuses, fuses and / or current interrupting elements, the battery pack also requires safety circuits (monitoring the voltage, temperature, current, etc. of each battery and / or the entire battery pack) In this case, a circuit having a function of interrupting current may be provided. In addition to the positive and negative terminals of the entire assembled battery, the battery pack should be provided with the positive and negative terminals of each battery, the entire assembled battery, the temperature detection terminal of each battery, the current detection terminal of the entire assembled battery, etc. as external terminals. You can also. The battery pack may incorporate a voltage conversion circuit (such as a DC-DC converter). The connection of each battery may be fixed by welding a lead plate, or may be fixed so that it can be easily attached and detached with a socket or the like. Further, the battery pack may be provided with display functions such as the remaining battery capacity, the presence / absence of charging, and the number of uses.
[0057]
The battery of the present invention is used in various devices. In particular, video movies, portable video decks with built-in monitors, movie cameras with built-in monitors, digital cameras, compact cameras, single-lens reflex cameras, film with lenses, notebook computers, notebook word processors, electronic notebooks, mobile phones, cordless phones, bearded scorpions, It is preferably used for electric tools, electric mixers, automobiles and the like.
[0058]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to the examples unless it exceeds the gist of the invention.
[0059]
Example 1
(Preparation of negative electrode material)
As the negative electrode material, the following various solid compounds mainly composed of silicon were used in the state of mechanically pulverized powder.
Polycrystalline silicon simple substance (compound-1), metallurgically synthesized following alloy compounds: Si-Ag alloy (compound-2 weight ratio 40-60), Si-Al (compound-3 weight ratio 40-60) Si-Ag-Cd (compound-4 weight ratio 40-50-10), Si-Zn (compound-5 weight 40-60), Si-Au (compound-6 weight ratio 20-80), Si-Ag- In (compound-7 weight ratio 40-50-10), Si-Ge (compound-8 weight ratio 40-60), Si-Ag-Sn (compound-9 weight ratio 40-50-10), Si-Ag- Sb (compound-10, weight ratio 40-50-10), metallurgically synthesized Li4Obtained by mixing silicon eluting Li from Si with isopropyl alcohol in argon gas (compound 11), mixing polycrystalline silicon and colloidal silica fine particles, and heating at 1000 ° C. Si-SiO made from powdered solids in argon gas by a vibration mill2(Compound-12, weight ratio 90-10), Si-Al obtained by the same method2O3(Compound-13 weight ratio 90-10), Ag-plated Si (compound-14 Si-Ag weight ratio 40-60), and Ni-plated silicon as the compound plated on the polycrystalline silicon surface by electroless plating method (Compound-15 Si-Ni weight ratio 20-80), Zn-plated silicon (compound-16 Si-Zn weight ratio 70-30), 3 g of polyvinylidene fluoride dissolved in N-methylpyrrolidone 50 g After adding 30 g of silicon, mixing and kneading, powder (compound-17) dried and pulverized in an automatic mortar was used. Further, compound 11 was coated with Ag by electroless plating (compound-18 Si-Ag weight ratio 65-35), and compound-12 was coated with Ag by electroless plating (compound-19). Si-SiO2-Ag weight ratio 65-5-30), and a compound (compound-20Si-SiO) coated with polyvinylidene fluoride using the same compound-12.2-Polyvinylidene fluoride weight ratio 80-10-10).
The average particle size of the powder of the negative electrode material (compounds 1 to 20) was in the range of 0.05 to 4 μm.
Next, 190 g of a powder obtained by sufficiently mixing the above-mentioned silicon material and equal weight of scaly natural graphite, 10 g of polyvinylidene fluoride as a binder were dispersed in 500 ml of N-methyl 2-pyrrolidone, Uniform mixing was performed with a homogenizer to prepare a negative electrode paste.
[0060]
(Preparation of positive electrode active material)
The basic composition is LiNi0.8Co0.2O2  The positive electrode active material (C-1) was synthesized by the following various methods.
LiOH / H as Li raw material2  O (purity 99.9% or more), Ni (NO) as Ni raw material3)2・ 1.5H2O (purity 99.9% or more), Co (OH) as a Co raw material2A powder of (purity 99.9% or more) was thoroughly mixed in a mortar under dry air at a molar ratio of 1: 0.8: 0.2, heat-treated at 180 ° C. for 2 hours in an oxygen atmosphere, and then 650 Pre-baking was performed at ° C for 6 hours. The fired product was mixed again, fired at 850 ° C. for 8 hours, and gradually cooled to room temperature at a rate of 1 ° C./minute to synthesize Compound C-1 having the above composition. The obtained particles had a nearly spherical shape, the average primary particle size was 0.1 μm, and the average secondary particle size was 7 μm. The specific surface area by the BET method is 1.7m.2  / G. The peak ratio of (104) plane / (003) plane obtained by X-ray diffraction was 0.6, the a-axis lattice constant was 2.83, and the c-axis lattice constant was 13.89.
Further, active materials having the same basic composition are made of Ni (NO) and Ni raw materials, respectively.3)2・ 6H2The compound C-2 was obtained by synthesis using O (purity 99.9% or higher) and high purity cobalt oxide (purity 99.95% or higher).
These synthetic products were completely dissolved in an aqueous nitric acid solution, and the impurity content of metals other than Li, Co, and Ni was quantified by ICP method. 03 wt%, magnesium (Mg) content of 0.02 wt% or less, strontium (Sr), barium (Ba) content of 0.02 wt% or less, total content of alkaline earth elements Is 0.1% or less, and it has been confirmed that the sulfur content is at a level of 0.1% or less. Moreover, as a result of measuring the moisture content of the active material powder by the Karl Fischer method, it was confirmed that all were at a level of less than 5% by weight.
[0061]
As a comparative experiment, nickel nickel (NiO, etc.) batches that are ranked as low purity (purity 99.5% or less) as Ni raw materials and nickel nitrate, Co raw materials are also ranked as low purity (purity 99.5% or less) The basic composition is LiNi using each batch of cobalt oxide.0.8Co0.2O2  A positive electrode active material (compounds C-3 and C-4) was synthesized.
These comparative active materials have an alkaline earth element content or sulfur content at or above 0.1% by weight, as shown in Table 1 below, or active material powder. The water content was more than 0.5%.
[0062]
In addition, LiOH / H as Li raw material2O, Ni Ni (NO as raw material)3)2・ 6H2Co (NO as a raw material for O and Co)3)2・ 6H2In addition to O, Al (OH) as an Al raw material3  The active materials (C-5, C-6) having the following compositions were synthesized using manganese nitrate as the Mn raw material, boric acid as the boron raw material, and LiF as the fluorine raw material.
As shown in Table 1 below, the purity of alkaline earth elements and sulfur impurity elements in these active materials is within the scope of the present invention as in the case of C-1 and C-2 described above, and calcium ( It was confirmed that the content of Ca) was 0.05% by weight or less.
LiNi0.8Co0.15B0.05O2.1(Compound C-5)
LiNi0.8Co0.15Al0.05O1.9F0.1(Compound C-6)
[0063]
Further, as a positive electrode active material, lithium manganese cobalt composite oxide Li1.05Mn1.95Co0.05O4.05(C-7) was synthesized by the following method. Particle size 0.5-30 μm (including primary particles and secondary particles), BET surface area 40-70 m2 / G chemically synthesized manganese dioxide (CMD, each containing 1% by weight or less of Mn as an impurity)2 OThree And MnThree OFour And less than 0.1% by weight of sulfate, 0.05% by weight or less of Na, K, and Ca, respectively, lithium hydroxide ground to an average particle size of 1 to 10 μm, and cobalt carbonate (purity 99.99). 9%) was mixed at a stoichiometric ratio of the above chemical formula, and the mixture was heat-treated at 600 ° C. for 4 hours, and then calcined in air for 18 hours while changing the temperature conditions in the range of 650 ° C. to 750 ° C. As a result of gradual cooling of the final fired product to room temperature, the obtained particles had an average median diameter of 0.5 μm of primary particles and a particle size of secondary particles of 10 μm as measured by laser particle size distribution measurement. . BET surface area is 2m2 / G. As a result of identifying the structure and composition by ICP and X-ray diffraction, the fired product was a spinel crystal type Li1.05Mn1.95Co0.05O4.05The half-width of the diffraction peak at 2θ = 36 in the X-ray diffraction using Cu-α rays is about 0.3, and the intensity is 27% of the peak at 2θ = 18.6. It was. The lattice constant of the a axis of the crystal was 8.22A. In addition, a small amount of LiMnO is contained in the fired product.2 It was also found that was mixed. As a result of dispersing 5 g of this fired product in 100 cc of pure water and measuring the pH, it was 8.0. Compound C-7 was completely dissolved in an aqueous nitric acid solution, and the impurity content of metals other than Li, Co, and Mn was quantified by the ICP method. As a result, the content of calcium (Ca) for alkaline earth elements was 0.03 wt. %, Magnesium (Mg) content of 0.02% by weight or less, strontium (Sr), barium (Ba) content of 0.02% by weight or less, and the total content of alkaline earth elements is 0. It was confirmed that the sulfur content was 0.1% or less and the sulfur content was 0.1% or less.
[0064]
200 g of the above various positive electrode active materials and 10 g of acetylene black are mixed with a homogenizer, then 5 g of polyvinylidene fluoride is mixed as a binder, and 500 ml of N-methyl 2-pyrrolidone is added and kneaded and mixed. Created a paste.
The positive electrode mixture paste was applied to both surfaces of a 30 μm thick aluminum foil current collector with a blade coater, dried at 150 ° C., compression-molded with a roller press, and cut into a predetermined size to prepare a belt-like positive electrode sheet. Furthermore, it was sufficiently dehydrated and dried with a far-infrared heater in a dry box (dew point: dry air of −50 ° C. or lower) to prepare a positive electrode sheet. Similarly, a negative electrode mixture paste was applied to a 20 μm copper foil current collector, and a negative electrode sheet was prepared in the same manner as the above positive electrode sheet. The coating amount of the positive and negative electrodes is such that the charge capacity of the first cycle where the positive electrode active material is 4.2 V with respect to lithium metal and the charge capacity of the first cycle where the negative electrode material is 0.0 V match each other. The coating amount of the mixture was adjusted.
[0065]
Next, the electrolytic solution was prepared as follows. In an argon atmosphere, 65.3 g of diethyl carbonate was placed in a 200 cc narrow-necked polypropylene container, and 22.2 g of ethylene carbonate was dissolved little by little while taking care that the liquid temperature did not exceed 30 ° C. Next, 0.4 g of LiBF4  12.1 g LiPF6  The solution was dissolved in a small amount in the polypropylene container in order, taking care that the liquid temperature did not exceed 30 ° C. The obtained electrolyte was a colorless and transparent liquid with a specific gravity of 1.135. Moisture was 18 ppm (measured with a trade name MKC-210, Karl Fischer moisture measuring device, manufactured by Kyoto Electronics), free acid content was 24 ppm (measured by neutralization titration with 0.1 N NaOH aqueous solution using bromthymol blue as an indicator) )Met.
[0066]
The cylinder battery was prepared as follows.
A method of making a battery will be described with reference to FIG. The positive electrode sheet prepared above, a separator made of a microporous polyethylene film, a negative electrode sheet and a separator were laminated in this order, and this was wound in a spiral shape. The wound electrode group (2) was housed in a nickel-plated bottomed cylindrical battery can (1) plated with nickel which also serves as a negative electrode terminal, and an upper insulating plate (3) was further inserted. After injecting the electrolyte into the battery can, a laminate of a positive electrode terminal (6), an insulating ring, a PTC element (63), a current interrupter (62), and a pressure sensitive valve element (61) is laminated with a gasket (5 ) To form a cylindrical battery. Batteries 1 to 44 were prepared by combining the positive electrode active material and the negative electrode material as shown in Table 1.
[0067]
The cylindrical battery is charged at 1.5A. In this case, charging was performed at a constant current up to 4.1 V, and the charging current was controlled so as to be kept constant at 4.2 V until 2.5 hours had elapsed from the start of charging. Discharging was carried out at a constant current up to 3.0 V at 0.2 C current. The discharge capacity, average discharge voltage, energy amount (discharge capacity × average discharge voltage) of the first cycle at that time, and the capacity retention rate at the 30th cycle after repeated charge and discharge are shown in Table 1.
[0068]
Figure 0003627516
Figure 0003627516
[0069]
Example 2
A negative electrode mixture paste was prepared in the same manner as described above except that polycrystalline silicon having an average particle diameter of 10 μm was used as a negative electrode material for comparison, and a negative electrode sheet (Comparative Example-1) was prepared. Further, a negative electrode sheet (Comparative Example-2) was prepared in the same manner as described above except that polycrystalline silicon having a particle size of 2 μm was used and the weight ratio of the silicon in the negative electrode mixture was changed to 80:20. A battery 46 was obtained. Furthermore, a negative electrode sheet (Comparative Example-3) was prepared in the same manner as Battery 47 except that mesophase pitch coke was used as the negative electrode material and 2% by weight of acetylene black was added as a conductive auxiliary agent. Using these batteries, tests similar to those of batteries 1 to 44 were performed.
Table 2 shows the results of charge / discharge performance obtained for these comparative batteries.
[0070]
Figure 0003627516
[0071]
When the battery of Example-1 using the compound of the present invention is compared, in the example where the amount of alkaline earth element or sulfur contained as an impurity in the positive electrode active material exceeds the range of the present invention, the cycle life decreases and the performance It is clear that the degradation is accelerated. Moreover, when the battery performance of Example-1 and the battery performance of Comparative Example-1 are compared, it can be seen that the compound having a small average particle size of the negative electrode material is excellent in cycle life. Furthermore, when compared in Example-1, no treatment was performed on the alloy, silicon from which lithium was removed from lithium silicide, silicon to which colloidal silica was adhered, silicon coated with metal by plating, or silicon coated with polyvinylidene fluoride. Cycle life has been improved over silicon without the treatment.
Furthermore, the cycle life is improved by combining the treatment of the present invention in the negative electrode material compared to the single treatment negative electrode material.
Moreover, the battery using the negative electrode material of the present invention from Comparative Example-3 has a higher discharge capacity than that using a carbonaceous material for the negative electrode.
The above results indicate that the positive electrode active material is LiNiO.2Oxides and LiMn2O4LiCoO instead of the base oxide2And LiCo1.92Sn0.08O2  The same effect was obtained when using.
[0072]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the discharge capacity | capacitance and energy amount can be raised and the non-aqueous secondary battery with improved cycle life can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a cylinder battery used in Examples.
[Explanation of symbols]
1 Battery can also serves as negative electrode
2 wound electrode group
3 Upper insulation plate
4 Positive lead
5 Gasket
6 Battery cover that also serves as a positive terminal
61 Pressure sensitive valve
62 Current interrupt device (switch)
63 PTC element

Claims (2)

正極活物質を有する正極、負極材料を有する負極及び非水電解質を構成要素とする非水二次電池に於いて、該負極材料がリチウムの挿入放出可能なケイ素原子を含む化合物であり、該正極活物質が、Li x 1-y y b-a a (MはNiもしくはCoであり、DはMn、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Mo、Ag、W、B、Al、Ga、In、Sn、Pb、Sb、Pから選ばれる1種以上の元素、Xはハロゲン元素であり、0.2<x≦1.2、0≦y≦0.5、1.8≦b≦2.3、0≦a≦1.0)の組成で示されるリチウム含有コバルト複合酸化物もしくはリチウム含有ニッケル複合酸化物、あるいはLi x Mn 2-y y b-a a (DはCr、Fe、Co、Cu、Zn、Mo、Ag、W、B、Al、Ga、In、Sn、Pb、Sb、Pから選ばれる1種以上の元素、Xはハロゲン元素であり、0.05<x≦1.2、0≦y≦0.5、3.5≦b≦4.5、0≦a≦1.0)の組成で示されるスピネル構造型のリチウム含有マンガン複合酸化物であり、該正極複合酸化物中のアルカリ土類元素の含有量が0.1重量%以下、硫黄の含有量が0.1重量%以下であることを特徴とする非水二次電池。In a nonaqueous secondary battery comprising a positive electrode having a positive electrode active material, a negative electrode having a negative electrode material, and a nonaqueous electrolyte, the negative electrode material is a compound containing a silicon atom capable of inserting and releasing lithium, and the positive electrode The active material is Li x M 1-y D y O ba X a (M is Ni or Co, D is one or more selected from Mn, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Mo, Ag, W, B, Al, Ga, In, Sn, Pb, Sb, P) X is a halogen element, and is represented by a composition of 0.2 <x ≦ 1.2, 0 ≦ y ≦ 0.5, 1.8 ≦ b ≦ 2.3, 0 ≦ a ≦ 1.0) Lithium-containing cobalt composite oxide or lithium-containing nickel composite oxide, or Li x Mn 2-y D y O ba X a (D is one or more elements selected from Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Mo, Ag, W, B, Al, Ga, In, Sn, Pb, Sb, and P, and X is a halogen element. 0.05 <x ≦ 1.2, 0 ≦ y ≦ 0.5, 3.5 ≦ b ≦ 4.5, 0 ≦ a ≦ 1.0) ones, and the 0.1 wt% content of alkaline earth elements of the positive electrode composite oxide following nonaqueous secondary battery, wherein the content of sulfur of 0.1 wt% or less. 正極活物質が、LiThe positive electrode active material is Li xx NiNi 1-y1-y D yy O b-ab-a X aa (DはMn、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Mo、Ag、W、B、Al、Ga、In、Sn、Pb、Sb、Pから選ばれる1種以上の元素、Xはハロゲン元素であり、0.2<x≦1.2、0.1≦y≦0.5、1.8≦b≦2.3、0≦a≦1.0)の組成で示されるリチウム含有ニッケル複合酸化物である、請求項1記載の非水二次電池。(D is one or more elements selected from Mn, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Mo, Ag, W, B, Al, Ga, In, Sn, Pb, Sb, and P, and X is a halogen element. 0.2 <x ≦ 1.2, 0.1 ≦ y ≦ 0.5, 1.8 ≦ b ≦ 2.3, 0 ≦ a ≦ 1.0) The nonaqueous secondary battery according to claim 1, which is a product.
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