JP4318405B2 - Lithium secondary battery - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウム二次電池に関するものであり、特にリチウムを吸蔵・放出する活物質薄膜を集電体上に堆積して形成した電極を用いたリチウム二次電池における非水電解質の改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、リチウム二次電池の開発が盛んに行われている。リチウム二次電池は、用いられる電極活物質により、充放電電圧、充放電サイクル寿命特性、保存特性などの電池特性が大きく左右される。
【0003】
本出願人は、非晶質シリコン薄膜や微結晶シリコン薄膜などのリチウムを吸蔵・放出する活物質薄膜を集電体上に堆積して形成した電極が、高い充放電容量を示し、かつ優れた充放電サイクル特性を示すことを見出した。このような電極においては、活物質薄膜がその厚み方向に形成された切れ目によって柱状に分離されており、該柱状部分の底部が集電体と密着した構造を有している。このような構造を有する電極では、柱状部分の周囲に隙間が形成されており、この隙間によって充放電サイクルに伴う薄膜の膨張収縮による応力が緩和され、活物質薄膜が集電体から剥離するような応力を抑制することができるため、優れた充放電サイクル特性が得られる。
【0004】
しかしながら、このような電極を用いたリチウム二次電池において非水電解質と充放電サイクル特性との関係については十分に検討されていない。
本発明の目的は、リチウムを吸蔵・放出する活物質薄膜を集電体上に堆積して形成した電極を用いたリチウム二次電池において、充放電サイクル特性がさらに改善されたリチウム二次電池を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明のリチウム二次電池は、正極と、負極と、非水電解質とを備え、正極または負極が、リチウムを吸蔵・放出する活物質薄膜を集電体上に堆積して形成した電極であり、かつ該活物質薄膜がその厚み方向に形成された切れ目によって柱状に分離されており、該柱状部分の底部が集電体と密着している電極であり、活物質性薄膜がシリコン薄膜であり、集電体が集電体成分として銅を含み、非水電解質が、一般式LiBF(C65-pp3(式中、pは1〜5の整数)、LiB(C65-qq4(式中、qは1〜5の整数)、及びLiB〔C65-r(CF3r4(式中、rは1〜5の整数)で表される化合物のうちの少なくとも1種を溶質として含むことを特徴としている。
【0006】
本発明においては、非水電解質中に、上記一般式で表されるフッ素置換芳香族系ホウ酸リチウムが含まれており、これによりフッ素及びホウ素を含む被膜が、活物質薄膜の柱状部分の側面に選択的に形成される。このようにして形成された被膜により活物質薄膜の柱状構造が安定化され、柱状部分の劣化や崩壊が抑制されるものと考えられる。柱状部分の劣化や崩壊が抑制されることにより、柱状部分の底部における集電体との密着状態が良好に保たれ、充放電サイクル特性を向上させることができるものと考えられる。
【0007】
本発明における活物質薄膜は、気相または液相から薄膜を堆積する方法により形成されたものであることが好ましい。気相から薄膜を堆積する方法としては、CVD法、スパッタリング法、蒸着法、及び溶射法などが挙げられる。これらの中でも、CVD法、スパッタリング法、及び蒸着法が特に好ましく用いられる。液相から薄膜を堆積する方法としては、電解めっき法や無電解めっき法などのめっき法が挙げられる。
【0008】
上記の薄膜形成方法で形成された薄膜は、一般に連続した薄膜として形成されるが、この薄膜がリチウムを吸蔵すると体積が膨張し、吸蔵したリチウムを放出すると体積が収縮する。このような体積の膨張及び収縮により、活物質薄膜に切れ目が形成される。
【0009】
本発明においては、このような切れ目が薄膜の厚み方向に形成され、薄膜が柱状に分離される。薄膜が柱状に分離されることにより、充放電により薄膜の体積が膨張収縮しても、柱状部分の周囲に存在する空隙により、このような体積の膨張及び収縮を吸収することができ、薄膜に応力が発生するのを抑制することができる。このため、薄膜が微粉化したり、集電体から薄膜が剥離するのを防止することができ、集電体と薄膜との密着性が保たれ、充放電サイクル特性を高めることができる。
【0010】
本発明においては、このような柱状部分の側面にさらに上記溶質からの被膜が形成されるため、柱状部分の構造が安定化し、さらに充放電サイクル特性を高めることができる。
【0011】
上記の活物質薄膜の体積の膨張及び収縮による切れ目は、初回以降の充放電により形成されることが好ましい。また、後述するように、表面に凹凸を有する集電体の上に薄膜形成法で活物質薄膜を形成すると、集電体表面の凹凸の谷部から上方に向かって低密度領域が形成される場合がある。上記切れ目は、このような活物質薄膜の厚み方向に延びる低密度領域に沿って形成されてもよい。
【0013】
上記局面において、活物質薄膜は、初回以降の充放電により、その体積が膨張・収縮し、薄膜に切れ目が形成される。このようにして形成された薄膜の切れ目の表面に、上記一般式で表されるフッ素置換芳香族系ホウ酸リチウムが反応し、その表面にフッ素及びホウ素を含む被膜が形成される。このような被膜の形成により、活物質薄膜の微粉化が防止され、充放電サイクル特性を高めることができる。また、このような切れ目は、活物質薄膜の厚み方向に形成され、活物質薄膜が柱状に分離されることが好ましい。
【0014】
本発明においては、上記溶質の中でも、特に一般式LiBF(C65-pp3(式中、pは1〜5の整数)で表される化合物を溶質として含むことが好ましい。
【0015】
本発明において溶質として用いるフッ素置換芳香族系ホウ酸リチウムの製造方法は、例えば、Lambertらによる論文 Organometallics,13,2430(1994)に記載されている。
【0016】
また、本発明においては、非水電解質中に、さらに溶質として、一般式LiXFy(式中、XはP、As、Sb、B、Bi、Al、Ga、またはInであり、XがP、AsまたはSbのときyは6であり、XがB、Bi、Al、Ga、またはInのときyは4である。)で表される化合物を含むことが好ましい。従って、本発明においては、フッ素置換芳香族系ホウ酸リチウムとLiXFyの混合溶質であることが好ましい。混合割合としては、フッ素置換芳香族系ホウ酸リチウム:LiXFyのモル比で1:0.01〜1:1の範囲であることが好ましい。フッ素置換芳香族系ホウ酸リチウムの含有量がこの範囲よりも少なくなると、充放電サイクル特性が向上するという本発明の効果が十分に得られない場合があり、フッ素置換芳香族系ホウ酸リチウムの含有量がこの範囲よりも多くなると非水電解質の伝導度が低下する場合がある。LiXFyで示される化合物の中でも、LiPF6及びLiBF4が特に好ましく用いられる。
【0017】
本発明において用いる非水電解質中の溶媒としては、リチウム二次電池に使用される溶媒であれば特に限定されないが、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの環状カーボネートや、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などの鎖状カーボネートが挙げられる。好ましくは、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合溶媒が用いられる。このような混合溶媒においては、環状カーボネートとしてエチレンカーボネートが含まれていることが好ましい。
【0018】
また、本発明において非水電解質は、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデンなどのポリマー電解質に電解液を含浸したゲル状ポリマー電解質や、LiI、Li3Nなどの無機固体電解質であってもよい。
【0019】
本発明において、正極活物質としては、LiCoO2、LiNiO2、LiMn24、LiMnO2、LiCo0.5Ni0.52、LiNi0.7Co0.2Mn0.12などのリチウム含有遷移金属酸化物や、MnO2などのリチウムを含有していない金属酸化物が例示される。また、この他にも、リチウムを電気化学的に挿入・脱離する物質であれば、制限なく用いることができる。
【0020】
本発明における活物質薄膜は、シリコン薄膜である。
【0021】
また、本発明においては、活物質薄膜は、非晶質薄膜または微結晶薄膜であることが好ましい。従って、非晶質シリコン薄膜または微結晶シリコン薄膜であることが特に好ましい。
【0022】
本発明において用いる集電体は、集電体成分として、銅を含んでいる。
【0023】
集電体は、厚みの薄いものであることが好ましく、金属箔であることが好ましい。集電体は、リチウムと合金化しない材料から形成されていることが好ましく、特に好ましい材料としては、銅が挙げられる。集電体は銅箔であることが好ましく、その表面が粗面化された銅箔であることが好ましい。このような銅箔としては電解銅箔が挙げられる。電解銅箔は、例えば、銅イオンが溶解された電解液中に金属製のドラムを浸漬し、これを回転させながら電流を流すことにより、ドラムの表面に銅を析出させ、これを剥離して得られる銅箔である。電解銅箔の片面または両面には、粗面化処理や表面処理がなされていてもよい。
【0024】
また、圧延銅箔の表面(片面または両面)に、電解法により銅を析出させ、表面を粗面化した銅箔であってもよい。
また、集電体の上に中間層を形成し、この中間層の上に活物質薄膜を形成してもよい。この場合、中間層としては、活物質薄膜中に拡散し易い成分を含むものが好ましく、例えば銅層が好ましい。例えば、表面が粗面化されたニッケル箔(電解ニッケル箔など)の上に、銅層を形成した集電体を用いてもよい。また、ニッケル箔の上に電解法により、銅を析出させ、これによって粗面化したニッケル箔を用いてもよい。
【0025】
本発明において、集電体の表面は、上述のように粗面化されていることが好ましい。集電体の表面粗さRaは0.01μm以上であることが好ましく、0.01〜1μmであることがさらに好ましい。表面粗さRaは、日本工業規格(JIS B 0601−1994)に定められており、例えば表面粗さ計により測定することができる。
【0026】
表面に凹凸を有する集電体の上に活物質薄膜を堆積して形成することにより、活物質薄膜の表面にも、下地層である集電体表面の凹凸に対応した凹凸を形成することができる。このような活物質薄膜の凹凸の谷部と集電体表面の凹凸の谷部を結ぶ領域に、上述のように低密度領域が形成され易い。このような領域に沿って上記切れ目が形成され、活物質薄膜が柱状に分離される。このようにして形成された柱状部分の側面に、上述のように、上記一般式で表されるフッ素置換芳香族系ホウ酸リチウムが働き、被膜が形成される。
【0027】
本発明においては、活物質薄膜中に、集電体の成分が拡散していることが好ましい。集電体の成分が拡散することにより、活物質薄膜と集電体との密着性を良好に保つことができる。集電体の成分として、リチウムと合金化しない元素が拡散することにより、拡散領域においてリチウムとの合金化が抑制されるため、充放電反応に伴う薄膜の膨張・収縮を抑制することができ、活物質薄膜の集電体からの剥離を生じさせるような応力の発生を抑制することができる。
【0028】
また、拡散した集電体の成分は、活物質薄膜中において、活物質薄膜の成分と金属間化合物を形成せずに固溶体を形成していることが好ましい。集電体の成分が銅(Cu)であり、活物質薄膜の成分がシリコン(Si)である場合、活物質薄膜中において、銅とシリコンは金属間化合物を形成せずに、固溶体を形成していることが好ましい。ここで、金属間化合物とは、金属同士が特定の比率で化合した特定の結晶構造を有する化合物をいう。活物質薄膜の成分と集電体の成分が、薄膜中において、金属間化合物ではなく、固溶体を形成していることにより、活物質薄膜と集電体との密着状態が良好となり、より良好な充放電サイクル特性を得ることができる。
【0029】
また、本発明における活物質薄膜には、予めリチウムが吸蔵または添加されていてもよい。リチウムは、活物質薄膜を形成する際に添加してもよい。すなわち、リチウムを含有する活物質薄膜を形成することにより、活物質薄膜にリチウムを添加してもよい。また、活物質薄膜を形成した後に、活物質薄膜にリチウムを吸蔵または添加させてもよい。活物質薄膜にリチウムを吸蔵または添加させる方法としては、電気化学的にリチウムを吸蔵または添加させる方法が挙げられる。
【0030】
また、本発明においては、集電体と活物質薄膜との密着性を向上させる目的で、集電体と活物質薄膜との間に中間層を設けてもよい。
図1は、本発明における電極表面の状態を示す模式的断面図である。図1に示すように、集電体10の表面10aの上に、活物質薄膜11が形成されている。集電体10の表面10aには、凹凸が形成されており、凹凸の谷部10bの上方に形成された切れ目12により、活物質薄膜11が柱状に分離されている。従って、活物質薄膜11の柱状部分の周囲には、空隙が形成されており、活物質薄膜11の充放電に伴う体積の膨張及び収縮をこの空隙によって吸収することができる。活物質薄膜11の柱状部分の側面には、被膜13が形成されている。この被膜13は、本発明における非水電解質が溶質としてのフッ素置換芳香族系ホウ酸リチウムを含むことにより形成される被膜であり、フッ素及びホウ素を含む被膜である。
【0031】
このような被膜13が柱状部分11の側面に形成されることにより、柱状構造が安定化し、柱状部分11の劣化や崩壊が抑制され、柱状部分11の底部における集電体10との密着状態を極めて良好に保つことができる。このため、充放電サイクル特性を向上させることができる。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定さるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能なものである。
【0033】
〔負極の作製〕
集電体として電解銅箔(厚み18μm、表面粗さRa=0.188μm)を用い、この電解銅箔の上にRFスパッタリング法によりシリコン薄膜を形成した。スパッタリングの条件は、スパッタガス(Ar)流量:100sccm、基板温度:室温(加熱なし)、反応圧力:0.133Pa(1.0×10-3Torr)、高周波電力:200Wの条件とした。シリコン薄膜は、その厚みが約5μmとなるまで堆積させた。得られたシリコン薄膜について、ラマン分光分析を行ったところ、480cm-1近傍のピークは検出されたが、520cm-1近傍のピークは検出されなかった。このことから、得られたシリコン薄膜は非晶質シリコン薄膜であることがわかる。
この非晶質シリコン薄膜を形成した電解銅箔を2.5cm×2.5cmの大きさに切り出し、100℃2時間真空下で乾燥して、負極とした。
【0034】
〔正極の作製〕
平均粒径10μmのLiCoO2粉末85重量%と、導電剤としての炭素粉末10重量%と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン粉末5重量%とを混合し、得られた混合物にN−メチルピロリドンを加えて混練しスラリーを作製した。このスラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔からなる集電体の片面にドクターブレード法により塗布した。これを100℃2時間真空下に乾燥した後、2.0cm×2.0cmの大きさに切り出し、正極とした。
【0035】
〔電解液Aの作製〕
エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)を体積比3:7で混合した溶媒に対し、LiF及びB(C653をそれぞれ0.1モル/リットル、さらにLiPF6を1モル/リットル溶解した。LiF及びB(C653を溶解させることにより、溶媒中においてLiBF(C653を0.1モル/リットル合成して含ませたことになる。なお、ここで用いた溶質LiBF(C653の合成方法は、J.McBreen et al.,Jounal of Power Sourses 89(2000)163-167に記載されているものである。
以上のようにして、LiBF(C653を0.1モル/リットル(0.1M)及びLiBF6を1モル/リットル(1.0M)含む電解液Aを作製した。
【0036】
〔電解液Bの作製〕
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比3:7で混合した溶媒に対し、LiPF6を1モル/リットル溶解して電解液Bを作製した。
【0037】
〔電池の作製〕
アルゴンガス雰囲気下のグローブボックス中にて、上記正極と上記負極とをポリエチレン製微多孔膜を介して貼り合わせ、アルミニウム製ラミネート材からなる外装体に挿入した。これに、上記電解液AまたはBを500μl注入し、リチウム二次電池を作製した。電池の設計容量は14mAhである。
【0038】
図2は、作製したリチウム二次電池を示す平面図である。図2に示すように、ポリエチレン製微多孔膜からなるセパレータ2を介して、正極1と負極3とが組合わされて外装体4内に挿入されている。外装体4に挿入した後に、電解液を注入し、外装体4の封止部4aを封止することにより、リチウム二次電池が作製されている。
【0039】
図3は、電池内部における電池の組合せ状態を示すための断面図である。図3に示すように、セパレータ2を介して正極1と負極3が対向するように組み合わされている。正極1においてはアルミニウムからなる正極集電体1bの上に、正極活物質層1aが設けられており、この正極活物質層1aがセパレータ2と接している。また、負極3においては、銅からなる負極集電体3bの上に、負極活物質層3aが設けられおり、この負極活物質層3aがセパレータ2に接している。
【0040】
図3に示すように、正極集電体1bには、外部取り出しのためのアルミニウムからなる正極タブ1cが取り付けられている。また、負極集電体3bにも、外部取り出しのためのニッケルからなる負極タブ3cが取り付けられている。
【0041】
〔充放電サイクル特性の測定〕
上記の電解液A及びBを用いた実施例1及び比較例1の各電池について、充放電サイクル特性を評価した
。充電は14mAの定電流で4.20Vまで行い、サイクル4.20Vの定電圧充電を0.7mAまで行った。放電は14mAの定電流で2.75Vまでとし、これを1サイクルとした。70サイクル後の容量維持率を以下の計算式より求めた。結果を表1に示す。なお、測定は25℃で行った。
【0042】
容量維持率(%)=(70サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100
【0043】
【表1】

Figure 0004318405
【0044】
表1に示す結果から明らかなように、本発明に従いフッ素置換芳香族系ホウ酸リチウムを溶質として含有した実施例1は、比較例1よりも高い容量維持率を示しており、充放電サイクル特性に優れていることがわかる。
【0045】
上記実施例においては、一般式LiBF(C65-pp3で表されるフッ素置換芳香族系ホウ酸リチウムを用いているが、一般式LiB(C65-qq4及びLiB〔C65-r(CF3r4で表されるフッ素置換芳香族系ホウ酸リチウムについても同様の効果が得られることを確認している。
【0046】
【発明の効果】
本発明によれば、リチウム二次電池の充放電サイクル特性をサイクル向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における電極表面を模式的に示す断面図。
【図2】本発明の実施例において作製したリチウム二次電池を示す平面図。
【図3】図2に示すリチウム二次電池における電極の組み合わせ構造を示す断面図。
【符号の説明】
1…正極
1a…正極活物質層
1b…正極集電体
1c…正極タブ
2…セパレータ
3…負極
3a…負極活物質層
3b…負極集電体
3c…負極タブ
4…外装体
4a…外装体の封止部
10…集電体
10a…集電体の表面
10b…集電体表面の凹凸の谷部
11…活物質薄膜の柱状部分
12…切れ目(空隙)
13…被膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a lithium secondary battery, and more particularly to improvement of a nonaqueous electrolyte in a lithium secondary battery using an electrode formed by depositing an active material thin film that absorbs and releases lithium on a current collector. It is.
[0002]
[Prior art and problems to be solved by the invention]
In recent years, lithium secondary batteries have been actively developed. Lithium secondary batteries are greatly affected by battery characteristics such as charge / discharge voltage, charge / discharge cycle life characteristics, and storage characteristics, depending on the electrode active material used.
[0003]
The present applicant has shown that an electrode formed by depositing an active material thin film that absorbs and releases lithium, such as an amorphous silicon thin film and a microcrystalline silicon thin film, on a current collector exhibits a high charge / discharge capacity and is excellent. It has been found that it exhibits charge / discharge cycle characteristics. In such an electrode, the active material thin film is separated into a columnar shape by a cut formed in the thickness direction, and the bottom of the columnar portion has a structure in close contact with the current collector. In the electrode having such a structure, a gap is formed around the columnar portion, so that the stress due to expansion and contraction of the thin film accompanying the charge / discharge cycle is relieved by this gap, and the active material thin film is separated from the current collector Therefore, excellent charge / discharge cycle characteristics can be obtained.
[0004]
However, in a lithium secondary battery using such an electrode, the relationship between the nonaqueous electrolyte and the charge / discharge cycle characteristics has not been sufficiently studied.
An object of the present invention is to provide a lithium secondary battery using an electrode formed by depositing an active material thin film that occludes / releases lithium on a current collector, wherein the charge / discharge cycle characteristics are further improved. It is to provide.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The lithium secondary battery of the present invention is an electrode that includes a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte, and the positive electrode or the negative electrode is formed by depositing an active material thin film that absorbs and releases lithium on a current collector. and are separated in a columnar shape by cuts active material thin film is formed in the thickness direction, an electrode in which the bottom of the columnar portion is in close contact with the current collector, the active material thin film is silicon down thin film And the current collector contains copper as a current collector component, and the non-aqueous electrolyte is a general formula LiBF (C 6 H 5−p F p ) 3 (wherein p is an integer of 1 to 5), LiB ( C 6 H 5-q F q ) 4 ( wherein, q is an integer of from 1 to 5), and LiB [C 6 H 5-r (CF 3) r ] 4 (wherein, r is an integer of 1 to 5 ) Is included as a solute.
[0006]
In the present invention, the non-aqueous electrolyte contains a fluorine-substituted aromatic lithium borate represented by the above general formula, whereby a film containing fluorine and boron is formed on the side surface of the columnar portion of the active material thin film. Selectively formed. It is considered that the columnar structure of the active material thin film is stabilized by the coating formed in this manner, and deterioration and collapse of the columnar part are suppressed. By suppressing the deterioration and collapse of the columnar part, it is considered that the close contact state with the current collector at the bottom of the columnar part is maintained well, and the charge / discharge cycle characteristics can be improved.
[0007]
The active material thin film in the present invention is preferably formed by a method of depositing a thin film from a gas phase or a liquid phase. Examples of the method for depositing a thin film from the gas phase include a CVD method, a sputtering method, a vapor deposition method, and a thermal spraying method. Among these, the CVD method, the sputtering method, and the vapor deposition method are particularly preferably used. Examples of the method for depositing a thin film from the liquid phase include plating methods such as an electrolytic plating method and an electroless plating method.
[0008]
The thin film formed by the above-described thin film forming method is generally formed as a continuous thin film. When this thin film occludes lithium, the volume expands, and when the occluded lithium is released, the volume shrinks. Due to the expansion and contraction of the volume, a cut is formed in the active material thin film.
[0009]
In the present invention, such a cut is formed in the thickness direction of the thin film, and the thin film is separated into columns. By separating the thin film into a columnar shape, even if the volume of the thin film expands and contracts due to charge and discharge, the expansion and contraction of the volume can be absorbed by the voids present around the columnar part. Generation of stress can be suppressed. For this reason, it can prevent that a thin film pulverizes or a thin film peels from a collector, the adhesiveness of a collector and a thin film is maintained, and a charge / discharge cycle characteristic can be improved.
[0010]
In the present invention, since the film from the solute is further formed on the side surface of such a columnar portion, the structure of the columnar portion is stabilized, and charge / discharge cycle characteristics can be further improved.
[0011]
The break due to the expansion and contraction of the volume of the active material thin film is preferably formed by charge and discharge after the first time. As will be described later, when an active material thin film is formed on a current collector having irregularities on the surface by a thin film formation method, a low density region is formed upward from the irregular valleys on the current collector surface. There is a case. The cut may be formed along a low density region extending in the thickness direction of such an active material thin film.
[0013]
In the above aspect, the active material thin film expands and contracts due to charge and discharge after the first time, and a cut is formed in the thin film. The fluorine-substituted aromatic lithium borate represented by the above general formula reacts with the surface of the cut of the thin film thus formed, and a film containing fluorine and boron is formed on the surface. By forming such a film, the active material thin film is prevented from being pulverized, and charge / discharge cycle characteristics can be improved. Moreover, it is preferable that such a cut | interruption is formed in the thickness direction of an active material thin film, and an active material thin film is isolate | separated into columnar shape.
[0014]
In the present invention, among the above-mentioned solutes, in particular (in the formula, p is an integer of 1 to 5) Formula LiBF (C 6 H 5-p F p) 3 preferably contains a compound represented by the solute.
[0015]
A method for producing a fluorine-substituted aromatic lithium borate used as a solute in the present invention is described, for example, in a paper by Lambert et al. Organometallics, 13, 2430 (1994).
[0016]
In the present invention, in the nonaqueous electrolyte, as a solute, the general formula LiXF y (wherein X is P, As, Sb, B, Bi, Al, Ga, or In, and X is P, Y is 6 when As or Sb, and y is 4 when X is B, Bi, Al, Ga, or In. Therefore, in the present invention, a mixed solute of fluorine-substituted aromatic lithium borate and LiXF y is preferable. The mixing ratio is preferably in the range of 1: 0.01 to 1: 1 in terms of a molar ratio of fluorine-substituted aromatic lithium borate: LiXF y . If the content of the fluorine-substituted aromatic lithium borate is less than this range, the effect of the present invention that the charge / discharge cycle characteristics are improved may not be sufficiently obtained. If the content exceeds this range, the conductivity of the non-aqueous electrolyte may decrease. Among the compounds represented by LiXF y , LiPF 6 and LiBF 4 are particularly preferably used.
[0017]
The solvent in the non-aqueous electrolyte used in the present invention is not particularly limited as long as it is a solvent used in a lithium secondary battery. For example, cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, and dimethyl Examples include chain carbonates such as carbonate, diethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate. Preferably, a mixed solvent of a cyclic carbonate and a chain carbonate is used. Such a mixed solvent preferably contains ethylene carbonate as a cyclic carbonate.
[0018]
In the present invention, the nonaqueous electrolyte may be a gel polymer electrolyte obtained by impregnating a polymer electrolyte such as polyethylene oxide, polyacrylonitrile, or polyvinylidene fluoride with an electrolytic solution, or an inorganic solid electrolyte such as LiI or Li 3 N. .
[0019]
In the present invention, the positive electrode active material, and LiCoO 2, LiNiO 2, LiMn 2 O 4, LiMnO 2, LiCo 0.5 Ni 0.5 O 2, LiNi 0.7 Co 0.2 Mn 0.1 lithium-containing transition metal oxides such as O 2, Examples include metal oxides such as MnO 2 that do not contain lithium. In addition, any substance that electrochemically inserts and desorbs lithium can be used without limitation.
[0020]
Thin film of active material in the present invention is divorced thin.
[0021]
In the present invention, the active material thin film is preferably an amorphous thin film or a microcrystalline thin film. Therefore, an amorphous silicon thin film or a microcrystalline silicon thin film is particularly preferable.
[0022]
The current collector used in the present invention contains copper as a current collector component.
[0023]
The current collector is preferably thin, and is preferably a metal foil. The current collector is preferably formed of a material that does not alloy with lithium, and a particularly preferable material is copper. The current collector is preferably a copper foil, and is preferably a copper foil having a roughened surface. Examples of such copper foil include electrolytic copper foil. For example, an electrolytic copper foil is prepared by immersing a metal drum in an electrolytic solution in which copper ions are dissolved, and flowing current while rotating the copper drum, thereby depositing copper on the surface of the drum and peeling it off. It is the obtained copper foil. One side or both sides of the electrolytic copper foil may be subjected to roughening treatment or surface treatment.
[0024]
Moreover, copper foil which roughened the surface by depositing copper on the surface (one side or both sides) of the rolled copper foil by an electrolytic method may be used.
Further, an intermediate layer may be formed on the current collector, and an active material thin film may be formed on the intermediate layer. In this case, the intermediate layer preferably includes a component that easily diffuses into the active material thin film, and for example, a copper layer is preferable. For example, a current collector in which a copper layer is formed on a nickel foil (such as an electrolytic nickel foil) whose surface is roughened may be used. Moreover, you may use the nickel foil which precipitated copper on the nickel foil by the electrolytic method and was roughened by this.
[0025]
In the present invention, the surface of the current collector is preferably roughened as described above. The surface roughness Ra of the current collector is preferably 0.01 μm or more, and more preferably 0.01 to 1 μm. The surface roughness Ra is defined in Japanese Industrial Standard (JIS B 0601-1994), and can be measured by, for example, a surface roughness meter.
[0026]
By depositing and forming an active material thin film on a current collector having irregularities on the surface, it is possible to form irregularities corresponding to the irregularities of the current collector surface, which is the underlayer, on the surface of the active material thin film. it can. As described above, the low density region is easily formed in the region connecting the uneven valley of the active material thin film and the uneven valley of the current collector surface. The cut is formed along such a region, and the active material thin film is separated into columns. As described above, the fluorine-substituted aromatic lithium borate represented by the above general formula acts on the side surface of the columnar portion thus formed, and a film is formed.
[0027]
In the present invention, it is preferable that components of the current collector are diffused in the active material thin film. Due to the diffusion of the components of the current collector, good adhesion between the active material thin film and the current collector can be maintained. As a component of the current collector, by copper element which is not alloyed with lithium is diffused, since the alloying with lithium is suppressed in diffusion region, it is possible to suppress the expansion and contraction of the film due to charge and discharge reaction Further, it is possible to suppress the generation of stress that causes peeling of the active material thin film from the current collector.
[0028]
The diffused current collector component preferably forms a solid solution in the active material thin film without forming an intermetallic compound with the active material thin film component . When the current collector component is copper (Cu) and the active material thin film component is silicon (Si), copper and silicon do not form an intermetallic compound in the active material thin film, and form a solid solution. It is preferable. Here, the intermetallic compound refers to a compound having a specific crystal structure in which metals are combined at a specific ratio. The active material thin film component and the current collector component form a solid solution rather than an intermetallic compound in the thin film, so that the adhesion state between the active material thin film and the current collector is improved, and the better Charge / discharge cycle characteristics can be obtained.
[0029]
Moreover, lithium may be occluded or added to the active material thin film in the present invention in advance. Lithium may be added when forming the active material thin film. That is, lithium may be added to the active material thin film by forming an active material thin film containing lithium. Further, after forming the active material thin film, lithium may be occluded or added to the active material thin film. Examples of a method for inserting or adding lithium into the active material thin film include a method for electrochemically inserting or adding lithium.
[0030]
In the present invention, an intermediate layer may be provided between the current collector and the active material thin film for the purpose of improving the adhesion between the current collector and the active material thin film.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the state of the electrode surface in the present invention. As shown in FIG. 1, an active material thin film 11 is formed on the surface 10 a of the current collector 10. Concavities and convexities are formed on the surface 10 a of the current collector 10, and the active material thin film 11 is separated into columns by the cuts 12 formed above the concave and convex valley portions 10 b. Therefore, voids are formed around the columnar portions of the active material thin film 11, and volume expansion and contraction associated with charge / discharge of the active material thin film 11 can be absorbed by the voids. A film 13 is formed on the side surface of the columnar portion of the active material thin film 11. The coating 13 is a coating formed by containing the fluorine-substituted aromatic lithium borate as a solute in the nonaqueous electrolyte in the present invention, and is a coating containing fluorine and boron.
[0031]
By forming such a coating 13 on the side surface of the columnar portion 11, the columnar structure is stabilized, deterioration and collapse of the columnar portion 11 are suppressed, and the close contact state with the current collector 10 at the bottom of the columnar portion 11 is maintained. It can be kept very good. For this reason, charge / discharge cycle characteristics can be improved.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail on the basis of examples. However, the present invention is not limited to the following examples, and can be implemented with appropriate modifications without departing from the scope of the present invention. It is.
[0033]
(Production of negative electrode)
An electrolytic copper foil (thickness 18 μm, surface roughness Ra = 0.188 μm) was used as a current collector, and a silicon thin film was formed on the electrolytic copper foil by RF sputtering. The sputtering conditions were a sputtering gas (Ar) flow rate: 100 sccm, a substrate temperature: room temperature (no heating), a reaction pressure: 0.133 Pa (1.0 × 10 −3 Torr), and a high-frequency power: 200 W. The silicon thin film was deposited until its thickness was about 5 μm. When the obtained silicon thin film was subjected to Raman spectroscopic analysis, a peak in the vicinity of 480 cm −1 was detected, but a peak in the vicinity of 520 cm −1 was not detected. This shows that the obtained silicon thin film is an amorphous silicon thin film.
The electrolytic copper foil on which this amorphous silicon thin film was formed was cut into a size of 2.5 cm × 2.5 cm and dried under vacuum at 100 ° C. for 2 hours to obtain a negative electrode.
[0034]
[Production of positive electrode]
85% by weight of LiCoO 2 powder having an average particle diameter of 10 μm, 10% by weight of carbon powder as a conductive agent, and 5% by weight of polyvinylidene fluoride powder as a binder were mixed, and N-methylpyrrolidone was added to the resulting mixture. And kneaded to prepare a slurry. This slurry was applied to one side of a current collector made of an aluminum foil having a thickness of 20 μm by a doctor blade method. This was dried under vacuum at 100 ° C. for 2 hours and then cut into a size of 2.0 cm × 2.0 cm to form a positive electrode.
[0035]
[Preparation of Electrolytic Solution A]
LiF and B (C 6 F 5 ) 3 are each 0.1 mol / liter, and LiPF 6 is 1 mol / liter with respect to a solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) are mixed at a volume ratio of 3: 7. 1 liter was dissolved. By dissolving LiF and B (C 6 F 5 ) 3 , LiBF (C 6 F 5 ) 3 was synthesized by 0.1 mol / liter and contained in the solvent. The method for synthesizing the solute LiBF (C 6 F 5 ) 3 used here is described in J. McBreen et al., Journal of Power Sourses 89 (2000) 163-167.
As described above, an electrolytic solution A containing 0.1 mol / liter (0.1 M) of LiBF (C 6 F 5 ) 3 and 1 mol / liter (1.0 M) of LiBF 6 was produced.
[0036]
[Preparation of Electrolytic Solution B]
An electrolyte solution B was prepared by dissolving 1 mol / liter of LiPF 6 in a solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 3: 7.
[0037]
[Production of battery]
The positive electrode and the negative electrode were bonded together through a polyethylene microporous film in a glove box under an argon gas atmosphere, and inserted into an outer package made of an aluminum laminate material. Into this, 500 μl of the electrolyte A or B was injected to produce a lithium secondary battery. The design capacity of the battery is 14 mAh.
[0038]
FIG. 2 is a plan view showing the manufactured lithium secondary battery. As shown in FIG. 2, a positive electrode 1 and a negative electrode 3 are combined and inserted into an exterior body 4 through a separator 2 made of a polyethylene microporous membrane. After being inserted into the outer package 4, an electrolytic solution is injected to seal the sealing portion 4 a of the outer package 4, thereby producing a lithium secondary battery.
[0039]
FIG. 3 is a cross-sectional view for showing a combination state of the batteries inside the battery. As shown in FIG. 3, the positive electrode 1 and the negative electrode 3 are combined so as to face each other with the separator 2 interposed therebetween. In the positive electrode 1, a positive electrode active material layer 1 a is provided on a positive electrode current collector 1 b made of aluminum, and the positive electrode active material layer 1 a is in contact with the separator 2. In the negative electrode 3, a negative electrode active material layer 3 a is provided on a negative electrode current collector 3 b made of copper, and the negative electrode active material layer 3 a is in contact with the separator 2.
[0040]
As shown in FIG. 3, a positive electrode tab 1c made of aluminum for external extraction is attached to the positive electrode current collector 1b. The negative electrode current collector 3b is also provided with a negative electrode tab 3c made of nickel for external extraction.
[0041]
[Measurement of charge / discharge cycle characteristics]
The charge / discharge cycle characteristics of each battery of Example 1 and Comparative Example 1 using the electrolytic solutions A and B were evaluated. Charging was performed at a constant current of 14 mA up to 4.20 V, and constant voltage charging at a cycle of 4.20 V was performed up to 0.7 mA. Discharging was performed at a constant current of 14 mA up to 2.75 V, which was one cycle. The capacity retention rate after 70 cycles was determined from the following formula. The results are shown in Table 1. The measurement was performed at 25 ° C.
[0042]
Capacity maintenance ratio (%) = (discharge capacity at the 70th cycle / discharge capacity at the first cycle) × 100
[0043]
[Table 1]
Figure 0004318405
[0044]
As is apparent from the results shown in Table 1, Example 1 containing a fluorine-substituted aromatic lithium borate as a solute according to the present invention shows a higher capacity retention rate than Comparative Example 1, and charge / discharge cycle characteristics. It turns out that it is excellent in.
[0045]
In the above embodiment, fluorine-substituted aromatic lithium borate represented by the general formula LiBF (C 6 H 5-p F p ) 3 is used, but the general formula LiB (C 6 H 5-q F q is used. ) It has been confirmed that the same effect can be obtained with respect to the fluorine-substituted aromatic lithium borate represented by 4 and LiB [C 6 H 5-r (CF 3 ) r ] 4 .
[0046]
【The invention's effect】
According to the present invention, the charge / discharge cycle characteristics of a lithium secondary battery can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an electrode surface in the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing a lithium secondary battery manufactured in an example of the present invention.
3 is a cross-sectional view showing a combined structure of electrodes in the lithium secondary battery shown in FIG. 2;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Positive electrode 1a ... Positive electrode active material layer 1b ... Positive electrode collector 1c ... Positive electrode tab 2 ... Separator 3 ... Negative electrode 3a ... Negative electrode active material layer 3b ... Negative electrode collector 3c ... Negative electrode tab 4 ... Exterior body 4a ... Sealing portion 10 ... current collector 10a ... current collector surface 10b ... uneven surface 11 of the current collector surface ... active material thin film columnar portion 12 ... cut (void)
13 ... coating

Claims (15)

正極と、負極と、非水電解質とを備え、前記負極が、リチウムを吸蔵・放出する活物質薄膜を集電体上に堆積して形成した電極であり、かつ該活物質薄膜がその厚み方向に形成された切れ目によって柱状に分離されており、該柱状部分の底部が前記集電体と密着している電極であるリチウム二次電池において、
前記活物質薄膜がシリコン薄膜であり、前記集電体が集電体成分として銅を含み、
前記非水電解質が、一般式LiBF(C65-pp3(式中、pは1〜5の整数)、LiB(C65-qq4(式中、qは1〜5の整数)、及びLiB〔C65-r(CF3r4(式中、rは1〜5の整数)で表される化合物のうちの少なくとも1種を溶質として含むことを特徴とするリチウム二次電池。
A positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte, wherein the negative electrode is an electrode formed by depositing an active material thin film that absorbs and releases lithium on a current collector, and the active material thin film is formed in a thickness direction thereof In the lithium secondary battery, which is an electrode that is separated into a columnar shape by a cut formed in the columnar portion and the bottom of the columnar portion is in close contact with the current collector,
The active material thin film is a silicon down thin film, wherein the current collector comprises copper as a current collector components,
The nonaqueous electrolyte is, (wherein, p is an integer of 1 to 5) Formula LiBF (C 6 H 5-p F p) 3, LiB (C 6 H 5-q F q) 4 ( wherein, q Is an integer of 1 to 5), and LiB [C 6 H 5-r (CF 3 ) r ] 4 (wherein r is an integer of 1 to 5) A lithium secondary battery comprising:
前記活物質薄膜が、CVD法、スパッタリング法、蒸着法、溶射法、またはめっき法により形成された薄膜であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。  The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the active material thin film is a thin film formed by a CVD method, a sputtering method, a vapor deposition method, a thermal spraying method, or a plating method. 前記切れ目が初回以降の充放電により形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載のリチウム二次電池。  The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the cut is formed by charge and discharge after the first time. 前記切れ目が、前記活物質薄膜の厚み方向に延びる低密度領域に沿って形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。  The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the cut is formed along a low density region extending in a thickness direction of the active material thin film. 前記溶質として含まれる化合物が、一般式LiBF(C65-pp3(式中、pは1〜5の整数)であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。Compound contained as the solute, the general formula LiBF (C 6 H 5-p F p) 3 ( where, p is an integer of 1 to 5) any one of the preceding claims, characterized in that a 1 The lithium secondary battery according to item. 前記非水電解質中に、溶質としてさらに、一般式LiXFy(式中、XはP、As、Sb、B、Bi、Al、Ga、またはInであり、XがP、AsまたはSbのときyは6であり、XがB、Bi、Al、Ga、またはInのときyは4である。)で表される化合物が含まれていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。In the non-aqueous electrolyte, as a solute, the general formula LiXF y (wherein X is P, As, Sb, B, Bi, Al, Ga, or In, and when X is P, As, or Sb, y 6 is included, and when X is B, Bi, Al, Ga, or In, y is 4. The compound represented by any one of claims 1 to 5 is included. The lithium secondary battery according to item. 前記活物質薄膜が非晶質シリコン薄膜または微結晶シリコン薄膜であることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。The lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 6, wherein the thin film of active material is amorphous silicon thin film or a microcrystalline silicon thin film. 前記集電体の表面粗さRaが0.01〜1μmであることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。The lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 7, the surface roughness Ra of the current collector is characterized in that it is a 0.01 to 1 [mu] m. 前記集電体が銅箔であることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。The lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 8, wherein the current collector is a copper foil. 前記銅箔が表面を粗面化した銅箔であることを特徴とする請求項に記載のリチウム二次電池。The lithium secondary battery according to claim 9 , wherein the copper foil is a copper foil having a roughened surface. 前記銅箔が電解銅箔であることを特徴とする請求項に記載のリチウム二次電池。The lithium secondary battery according to claim 9 , wherein the copper foil is an electrolytic copper foil. 前記活物質薄膜に前記集電体の成分が拡散していることを特徴とする請求項1〜1のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。The lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 1 1, components of the current collector to the active material thin film is characterized by being diffused. 拡散した前記集電体の成分が、前記活物質薄膜中において、前記活物質薄膜の成分と金属間化合物を形成せずに固溶体を形成していることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。Diffuse component of the current collector, wherein the active material thin film, according possible to Claim 1 2, characterized in that to form a solid solution without forming component and intermetallic compounds of the thin film of active material Lithium secondary battery. 前記非水電解質が2種以上の溶媒からなる混合溶媒を含むことを特徴とする請求項1〜1のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。The lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 1 3, characterized in that it comprises a mixed solvent in which the non-aqueous electrolyte is composed of two or more solvents. 前記混合溶媒が、環状カーボネートと鎖状カーボネートとを含む混合溶媒であり、環状カーボネートとしてエチレンカーボネートが含まれることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。The mixed solvent is a mixed solvent containing a cyclic carbonate and a chain carbonate, a lithium secondary battery according to claim 1 4, characterized in that it contains ethylene carbonate as the cyclic carbonate.
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