JP4573053B2 - Negative electrode and battery - Google Patents
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Description
本発明は、構成元素としてケイ素(Si)およびスズ(Sn)のうちの少なくとも一方を含む負極活物質を含有する負極ならびに電池に関する。 The present invention relates to a negative electrode and a battery containing a negative electrode active material containing at least one of silicon (Si) and tin (Sn) as a constituent element.
近年、カメラ一体型VTR(Videotape Recorder;ビデオテープレコーダ),デジタルスチルカメラ,携帯電話,携帯情報端末あるいはノート型パソコンなどのポータブル電子機器が多く登場し、その小型軽量化が図られている。それに伴い、これらの電子機器の電源として、軽量で高エネルギー密度を得ることができる二次電池の開発が進められている。中でも、負極に炭素材料を用い、正極にリチウム(Li)と遷移金属との複合材料を用い、電解液に炭酸エステルを用いたリチウムイオン二次電池は、従来の鉛電池およびニッケルカドミウム電池と比べて、大きなエネルギー密度を得ることができるので広く実用化されている。 In recent years, many portable electronic devices such as a camera-integrated VTR (Videotape Recorder), a digital still camera, a mobile phone, a portable information terminal, or a notebook personal computer have appeared, and the size and weight of the portable electronic device have been reduced. Accordingly, development of secondary batteries that are lightweight and can obtain a high energy density as a power source for these electronic devices is underway. Among them, lithium ion secondary batteries using a carbon material for the negative electrode, a composite material of lithium (Li) and a transition metal for the positive electrode, and a carbonate ester for the electrolyte are compared with conventional lead batteries and nickel cadmium batteries. Since a large energy density can be obtained, it is widely used.
また、最近では、携帯用電子機器の高性能化に伴い、更なる容量の向上が求められており、負極活物質として、炭素材料に代えてスズあるいはケイ素などを用いることが検討されている(例えば、特許文献1参照)。スズの理論容量は994mAh/g、ケイ素の理論容量は4199mAh/gと、黒鉛の理論容量の372mAh/gに比べて格段に大きく、容量の向上を期待できるからである。 In recent years, with the improvement in performance of portable electronic devices, further improvement in capacity has been demanded, and the use of tin or silicon instead of carbon materials as a negative electrode active material has been studied ( For example, see Patent Document 1). This is because the theoretical capacity of tin is 994 mAh / g and the theoretical capacity of silicon is 4199 mAh / g, which is much larger than the theoretical capacity of graphite, 372 mAh / g, and an improvement in capacity can be expected.
しかし、リチウムを吸蔵したスズ合金あるいはケイ素合金は活性が高いので、電解液が分解されやすく、しかもリチウムが不活性化されてしまうという問題があった。よって、充放電を繰り返すと充放電効率が低下してしまい、十分なサイクル特性を得ることができなかった。 However, since the tin alloy or silicon alloy that occludes lithium has high activity, there is a problem that the electrolytic solution is easily decomposed and lithium is inactivated. Therefore, if charging / discharging is repeated, charging / discharging efficiency will fall and sufficient cycle characteristics could not be obtained.
そこで、負極活物質の表面に不活性な層を形成することが検討されており、例えば、負極活物質の表面に酸化ケイ素の被膜を形成することが提案されている(例えば、特許文献2参照)。
しかしながら、一方では、酸化ケイ素の被膜を厚くすると反応抵抗が増大するので、サイクル特性が不十分であるということが検討されている(例えば、特許文献3参照)。よって、活性の高い負極活物質の表面に酸化ケイ素よりなる被膜を形成する方法では、十分なサイクル特性を得ることはできず、更なる改善が望まれていた。 However, on the other hand, since the reaction resistance increases when the silicon oxide film is thickened, it has been studied that the cycle characteristics are insufficient (for example, see Patent Document 3). Therefore, in the method of forming a film made of silicon oxide on the surface of a highly active negative electrode active material, sufficient cycle characteristics cannot be obtained, and further improvement has been desired.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、充放電効率を向上させることができる負極およびそれを用いた電池を提供することにある。 This invention is made | formed in view of this problem, The objective is to provide the negative electrode which can improve charging / discharging efficiency, and a battery using the same.
本発明の負極は、負極集電体と、この負極集電体に設けられた負極活物質層とを有し、負極活物質層は、構成元素としてケイ素およびスズのうちの少なくとも一方を含む負極活物質を含有し、負極活物質は、その表面の少なくとも一部に、ケイ素,ゲルマニウム(Ge)およびスズからなる群のうちの少なくとも1種の酸化物とハロゲン化物とを含む被膜を有するものである。 The negative electrode of the present invention has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer provided on the negative electrode current collector, and the negative electrode active material layer includes at least one of silicon and tin as a constituent element. The active material is contained, and the negative electrode active material has a film containing at least one oxide and halide of a group consisting of silicon, germanium (Ge), and tin on at least a part of the surface thereof. is there.
本発明の電池は、正極および負極と共に電解液を備えたものであって、負極は、負極集電体と、この負極集電体に設けられた負極活物質層とを有し、負極活物質層は、構成元素としてケイ素およびスズのうちの少なくとも一方を含む負極活物質を含有し、負極活物質は、その表面の少なくとも一部に、ケイ素,ゲルマニウムおよびスズからなる群のうちの少なくとも1種の酸化物とハロゲン化物とを含む被膜を有するものである。 The battery of the present invention includes an electrolyte solution together with a positive electrode and a negative electrode. The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer provided on the negative electrode current collector. The layer contains a negative electrode active material containing at least one of silicon and tin as a constituent element, and the negative electrode active material is at least part of the surface of at least one member selected from the group consisting of silicon, germanium, and tin. And a film containing an oxide and a halide.
本発明の負極によれば、負極活物質の表面の少なくとも一部に、ケイ素,ゲルマニウムおよびスズからなる群のうちの少なくとも1種の酸化物とハロゲン化物とを含む被膜を設けるようにしたので、化学的安定性を向上させることができる。よって、この負極を用いた電池によれば、充放電効率を向上させることができる。 According to the negative electrode of the present invention, since at least part of the surface of the negative electrode active material is provided with a film containing at least one oxide and halide of the group consisting of silicon, germanium, and tin, Chemical stability can be improved. Therefore, according to the battery using this negative electrode, charge / discharge efficiency can be improved.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[第1の実施の形態]
(第1の電池)
図1は本発明の第1の実施の形態に係る第1の二次電池の断面構造を表すものである。この二次電池はいわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶11の内部に、帯状の正極21と帯状の負極22とがセパレータ23を介して積層し巻回された巻回電極体20を有している。電池缶11は、例えばニッケルのめっきがされた鉄により構成されており、一端部が閉鎖され他端部が開放されている。電池缶11の内部には、電解液が注入され、セパレータ23に含浸されている。また、巻回電極体20を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板12,13がそれぞれ配置されている。
[First Embodiment]
(First battery)
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a first secondary battery according to the first embodiment of the present invention. This secondary battery is called a so-called cylindrical type, and a winding in which a strip-like positive electrode 21 and a strip-like negative electrode 22 are laminated and wound inside a substantially hollow cylindrical battery can 11 via a separator 23. An electrode body 20 is provided. The battery can 11 is made of, for example, iron plated with nickel, and has one end closed and the other end open. An electrolyte is injected into the battery can 11 and impregnated in the separator 23. In addition, a pair of insulating plates 12 and 13 are arranged perpendicular to the winding peripheral surface so as to sandwich the winding electrode body 20.
電池缶11の開放端部には、電池蓋14と、この電池蓋14の内側に設けられた安全弁機構15および熱感抵抗素子(Positive Temperature Coefficient;PTC素子)16とが、ガスケット17を介してかしめられることにより取り付けられており、電池缶11の内部は密閉されている。電池蓋14は、例えば、電池缶11と同様の材料により構成されている。安全弁機構15は、熱感抵抗素子16を介して電池蓋14と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が一定以上となった場合にディスク板15Aが反転して電池蓋14と巻回電極体20との電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子16は、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限し、大電流による異常な発熱を防止するものである。ガスケット17は、例えば、絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。 At the open end of the battery can 11, a battery lid 14, a safety valve mechanism 15 provided inside the battery lid 14 and a heat sensitive resistance element (Positive Temperature Coefficient; PTC element) 16 are interposed via a gasket 17. It is attached by caulking, and the inside of the battery can 11 is sealed. The battery lid 14 is made of, for example, the same material as the battery can 11. The safety valve mechanism 15 is electrically connected to the battery lid 14 via the heat sensitive resistance element 16, and the disk plate 15A is reversed when the internal pressure of the battery exceeds a certain level due to an internal short circuit or external heating. Thus, the electrical connection between the battery lid 14 and the wound electrode body 20 is cut off. When the temperature rises, the heat sensitive resistance element 16 limits the current by increasing the resistance value and prevents abnormal heat generation due to a large current. The gasket 17 is made of, for example, an insulating material, and asphalt is applied to the surface.
巻回電極体20の中心には例えばセンターピン24が挿入されている。巻回電極体20の正極21にはアルミニウム(Al)などよりなる正極リード25が接続されており、負極22にはニッケルなどよりなる負極リード26が接続されている。正極リード25は安全弁機構15に溶接されることにより電池蓋14と電気的に接続されており、負極リード26は電池缶11に溶接され電気的に接続されている。 For example, a center pin 24 is inserted in the center of the wound electrode body 20. A positive electrode lead 25 made of aluminum (Al) or the like is connected to the positive electrode 21 of the spirally wound electrode body 20, and a negative electrode lead 26 made of nickel or the like is connected to the negative electrode 22. The positive electrode lead 25 is electrically connected to the battery lid 14 by being welded to the safety valve mechanism 15, and the negative electrode lead 26 is welded to and electrically connected to the battery can 11.
図2は図1に示した巻回電極体20の一部を拡大して表すものである。正極21は、例えば、対向する一対の面を有する正極集電体21Aの両面に正極活物質層21Bが設けられた構造を有している。正極集電体21Aは、例えば、アルミニウムなどの金属材料により構成されている。 FIG. 2 shows an enlarged part of the spirally wound electrode body 20 shown in FIG. The positive electrode 21 has, for example, a structure in which a positive electrode active material layer 21B is provided on both surfaces of a positive electrode current collector 21A having a pair of opposed surfaces. The positive electrode current collector 21A is made of, for example, a metal material such as aluminum.
正極活物質層21Bは、例えば、正極活物質として、リチウムを吸蔵および放出可能な正極材料のいずれか1種または2種以上を含んでおり、必要に応じて炭素材料などの導電材およびポリフッ化ビニリデンなどの結着材を含んでいてもよい。リチウムを吸蔵および放出可能な正極材料としては、例えば、硫化チタン(TiS2 ),硫化モリブデン(MoS2 ),セレン化ニオブ(NbSe2 )あるいは酸化バナジウム(V2 O2 )などのリチウムを含有しないカルコゲン化物、またはリチウムを含有するリチウム含有化合物が挙げられる。 The positive electrode active material layer 21B includes, for example, one or more of positive electrode materials capable of inserting and extracting lithium as a positive electrode active material, and a conductive material such as a carbon material and polyfluoride as necessary. A binder such as vinylidene may be included. The positive electrode material capable of inserting and extracting lithium does not contain lithium such as titanium sulfide (TiS 2 ), molybdenum sulfide (MoS 2 ), niobium selenide (NbSe 2 ), or vanadium oxide (V 2 O 2 ). Examples include chalcogenides and lithium-containing compounds containing lithium.
中でも、リチウム含有化合物は、高電圧および高エネルギー密度を得ることができるものがあるので好ましい。このようなリチウム含有化合物としては、例えば、リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物、またはリチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物が挙げられ、特にコバルト,ニッケル,マンガンおよび鉄のうちの少なくとも1種を含むものが好ましい。より高い電圧を得ることができるからである。その化学式は、例えば、Lix MIO2 あるいはLiy MIIPO4 で表される。式中、MIおよびMIIは1種類以上の遷移金属元素を表す。xおよびyの値は電池の充放電状態によって異なり、通常、0.05≦x≦1.10、0.05≦y≦1.10である。 Among these, lithium-containing compounds are preferable because some compounds can obtain a high voltage and a high energy density. Examples of such a lithium-containing compound include a composite oxide containing lithium and a transition metal element, or a phosphoric acid compound containing lithium and a transition metal element. In particular, among cobalt, nickel, manganese, and iron What contains at least 1 sort (s) is preferable. This is because a higher voltage can be obtained. The chemical formula is represented by, for example, Lix MIO 2 or Liy MIIPO 4 . In the formula, MI and MII represent one or more transition metal elements. The values of x and y vary depending on the charge / discharge state of the battery, and are generally 0.05 ≦ x ≦ 1.10 and 0.05 ≦ y ≦ 1.10.
リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物の具体例としては、リチウムコバルト複合酸化物(LiX CoO2 )、リチウムニッケル複合酸化物(LiX NiO2 )、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(LiX Ni1-Z CoZ O2 (z<1))、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(LiX Ni(1-V-W) CoV MnW O2 (v+w<1))、あるいはスピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物(LiMn2 O4 )などが挙げられる。中でも、ニッケルを含む複合酸化物が好ましい。高い容量を得ることができると共に、優れたサイクル特性も得ることができるからである。リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物の具体例としては、例えばリチウム鉄リン酸化合物(LiFePO4 )あるいはリチウム鉄マンガンリン酸化合物(LiFe1-u Mnu PO4 (u<1))が挙げられる。 Specific examples of the composite oxide containing lithium and a transition metal element include lithium cobalt composite oxide (Li x CoO 2 ), lithium nickel composite oxide (Li x NiO 2 ), and lithium nickel cobalt composite oxide (Li x Ni 1-Z Co Z O 2 (z <1)), lithium nickel cobalt manganese composite oxide (Li X Ni (1-VW) Co V Mn W O 2 (v + w <1)), or spinel type structure Examples thereof include lithium manganese composite oxide (LiMn 2 O 4 ). Among these, a composite oxide containing nickel is preferable. This is because a high capacity can be obtained and excellent cycle characteristics can also be obtained. Specific examples of the phosphate compound containing lithium and a transition metal element include, for example, a lithium iron phosphate compound (LiFePO 4 ) or a lithium iron manganese phosphate compound (LiFe 1-u Mn u PO 4 (u <1)). Can be mentioned.
負極22は、例えば、正極21と同様に、対向する一対の面を有する負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bが設けられた構造を有している。負極集電体22Aは、例えば、銅などの金属材料により構成されている。 The negative electrode 22 has, for example, a structure in which a negative electrode active material layer 22B is provided on both surfaces of a negative electrode current collector 22A having a pair of opposed surfaces, as with the positive electrode 21. The negative electrode current collector 22A is made of, for example, a metal material such as copper.
負極活物質層22Bは、構成元素としてケイ素およびスズのうちの少なくとも一方を含む負極活物質を含んでいる。ケイ素およびスズはリチウムを吸蔵および放出する能力が大きく、高いエネルギー密度を得ることができるからである。 The negative electrode active material layer 22B contains a negative electrode active material containing at least one of silicon and tin as a constituent element. This is because silicon and tin have a large ability to occlude and release lithium, and a high energy density can be obtained.
ケイ素およびスズのうちの少なくとも一方を含む負極活物質としては、例えば、ケイ素の単体,合金,あるいは化合物、または、スズの単体,合金,あるいは化合物、またはこれらの1種あるいは2種以上の相を少なくとも一部に有する材料が挙げられる。なお、本発明において、合金には2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とを含むものも含める。また、非金属元素を含んでいてもよい。その組織には固溶体,共晶(共融混合物),金属間化合物あるいはそれらのうちの2種以上が共存するものがある。 Examples of the negative electrode active material containing at least one of silicon and tin include, for example, a simple substance, an alloy, or a compound of silicon, a simple substance, an alloy, or a compound of tin, or one or more phases thereof. The material which has at least one part is mentioned. In the present invention, alloys include those containing one or more metal elements and one or more metalloid elements in addition to those composed of two or more metal elements. Moreover, the nonmetallic element may be included. There are structures in which a solid solution, a eutectic (eutectic mixture), an intermetallic compound, or two or more of them coexist.
ケイ素の合金としては、例えば、ケイ素以外の第2の構成元素として、スズ,ニッケル(Ni),銅(Cu),鉄(Fe),コバルト(Co),マンガン(Mn),亜鉛(Zn),インジウム(In),銀(Ag),チタン(Ti),ゲルマニウム,ビスマス(Bi),アンチモン(Sb)およびクロム(Cr)からなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。スズの合金としては、例えば、スズ以外の第2の構成元素として、ケイ素,ニッケル,銅,鉄,コバルト,マンガン,亜鉛,インジウム,銀,チタン,ゲルマニウム,ビスマス,アンチモンおよびクロムからなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。 As an alloy of silicon, for example, as a second constituent element other than silicon, tin, nickel (Ni), copper (Cu), iron (Fe), cobalt (Co), manganese (Mn), zinc (Zn), Examples include those containing at least one selected from the group consisting of indium (In), silver (Ag), titanium (Ti), germanium, bismuth (Bi), antimony (Sb), and chromium (Cr). As an alloy of tin, for example, as a second constituent element other than tin, among the group consisting of silicon, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, antimony and chromium The thing containing at least 1 sort (s) of these is mentioned.
ケイ素の化合物あるいはスズの化合物としては、例えば、酸素(O)あるいは炭素(C)を含むものが挙げられ、スズまたはケイ素に加えて、上述した第2の構成元素を含んでいてもよい。 Examples of the silicon compound or the tin compound include those containing oxygen (O) or carbon (C), and may contain the second constituent element described above in addition to tin or silicon.
中でも、スズと、コバルトと、炭素とを構成元素として含み、炭素の含有量が9.9質量%以上29.7質量%以下であり、かつスズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合Co/(Sn+Co)が30質量%以上70質量%以下であるSnCoC含有材料を含むことが好ましい。このような組成範囲において高いエネルギー密度を得ることができると共に、優れたサイクル特性を得ることができるからである。 Among them, tin, cobalt, and carbon are included as constituent elements, the carbon content is 9.9 mass% or more and 29.7 mass% or less, and the ratio of cobalt to the total of tin and cobalt Co / ( It is preferable to include a SnCoC-containing material whose Sn + Co) is 30% by mass or more and 70% by mass or less. This is because a high energy density can be obtained in such a composition range, and excellent cycle characteristics can be obtained.
このSnCoC含有材料は、必要に応じて更に他の構成元素を含んでいてもよい。他の構成元素としては、例えば、ケイ素,鉄,ニッケル,クロム,インジウム,ニオブ(Nb),ゲルマニウム,チタン,モリブデン(Mo),アルミニウム,リン(P),ガリウム(Ga)またはビスマスが好ましく、2種以上を含んでいてもよい。容量またはサイクル特性を更に向上させることができるからである。 This SnCoC-containing material may further contain other constituent elements as necessary. As other constituent elements, for example, silicon, iron, nickel, chromium, indium, niobium (Nb), germanium, titanium, molybdenum (Mo), aluminum, phosphorus (P), gallium (Ga) or bismuth is preferable. It may contain more than seeds. This is because the capacity or cycle characteristics can be further improved.
なお、このSnCoC含有材料は、スズと、コバルトと、炭素とを含む相を有しており、この相は結晶性の低いまたは非晶質な構造を有していることが好ましい。また、このSnCoC含有材料では、構成元素である炭素の少なくとも一部が、他の構成元素である金属元素または半金属元素と結合していることが好ましい。サイクル特性の低下はスズなどが凝集あるいは結晶化することによるものであると考えられるが、炭素が他の元素と結合することにより、そのような凝集あるいは結晶化を抑制することができるからである。 This SnCoC-containing material has a phase containing tin, cobalt, and carbon, and this phase preferably has a low crystallinity or an amorphous structure. In this SnCoC-containing material, it is preferable that at least a part of carbon that is a constituent element is bonded to a metal element or a metalloid element that is another constituent element. The decrease in cycle characteristics is thought to be due to the aggregation or crystallization of tin or the like, but this is because such aggregation or crystallization can be suppressed by combining carbon with other elements. .
元素の結合状態を調べる測定方法としては、例えばX線光電子分光法(X-ray Photoelectron Spectroscopy;XPS)が挙げられる。XPSでは、炭素の1s軌道(C1s)のピークは、グラファイトであれば、金原子の4f軌道(Au4f)のピークが84.0eVに得られるようにエネルギー較正された装置において、284.5eVに現れる。また、表面汚染炭素であれば、284.8eVに現れる。これに対して、炭素元素の電荷密度が高くなる場合、例えば炭素が金属元素または半金属元素と結合している場合には、C1sのピークは、284.5eVよりも低い領域に現れる。すなわち、SnCoC含有材料について得られるC1sの合成波のピークが284.5eVよりも低い領域に現れる場合には、SnCoC含有材料に含まれる炭素の少なくとも一部が他の構成元素である金属元素または半金属元素と結合している。 As a measuring method for examining the bonding state of elements, for example, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) can be cited. In XPS, the peak of the carbon 1s orbital (C1s) appears at 284.5 eV in an energy calibrated apparatus so that the peak of the gold atom 4f orbital (Au4f) is obtained at 84.0 eV if it is graphite. . Moreover, if it is surface contamination carbon, it will appear at 284.8 eV. On the other hand, when the charge density of the carbon element increases, for example, when carbon is bonded to a metal element or a metalloid element, the C1s peak appears in a region lower than 284.5 eV. That is, when the peak of the synthetic wave of C1s obtained for the SnCoC-containing material appears in a region lower than 284.5 eV, at least a part of the carbon contained in the SnCoC-containing material is a metal element or a half of other constituent elements. Combined with metal elements.
なお、XPS測定では、スペクトルのエネルギー軸の補正に、例えばC1sのピークを用いる。通常、表面には表面汚染炭素が存在しているので、表面汚染炭素のC1sのピークを284.8eVとし、これをエネルギー基準とする。XPS測定では、C1sのピークの波形は、表面汚染炭素のピークとSnCoC含有材料中の炭素のピークとを含んだ形として得られるので、例えば市販のソフトウエアを用いて解析することにより、表面汚染炭素のピークと、SnCoC含有材料中の炭素のピークとを分離する。波形の解析では、最低束縛エネルギー側に存在する主ピークの位置をエネルギー基準(284.8eV)とする。 In XPS measurement, for example, the C1s peak is used for correcting the energy axis of the spectrum. Usually, since surface-contaminated carbon exists on the surface, the C1s peak of the surface-contaminated carbon is set to 284.8 eV, and this is used as an energy standard. In the XPS measurement, the waveform of the C1s peak is obtained as a shape including the surface contamination carbon peak and the carbon peak in the SnCoC-containing material. Therefore, by analyzing using, for example, commercially available software, the surface contamination The carbon peak and the carbon peak in the SnCoC-containing material are separated. In the waveform analysis, the position of the main peak existing on the lowest bound energy side is used as the energy reference (284.8 eV).
このような負極活物質は、例えば各構成元素の原料を混合して電気炉,高周波誘導炉あるいはアーク溶解炉などにより溶解しその後凝固することにより、また、ガスアトマイズあるいは水アトマイズなどの各種アトマイズ法、各種ロール法、またはメカニカルアロイング法あるいはメカニカルミリング法などのメカノケミカル反応を利用した方法により製造することができる。中でも、メカノケミカル反応を利用した方法により製造することが好ましい。負極活物質を低結晶化あるいは非晶質な構造とすることができるからである。この方法には、例えば、遊星ボールミル装置やアトライター等の製造装置を用いることができる。 Such a negative electrode active material is prepared by, for example, mixing raw materials of respective constituent elements, melting them in an electric furnace, a high frequency induction furnace or an arc melting furnace, and then solidifying them, and various atomizing methods such as gas atomization or water atomization, It can be produced by various roll methods, or methods utilizing mechanochemical reactions such as mechanical alloying methods or mechanical milling methods. Especially, it is preferable to manufacture by the method using a mechanochemical reaction. This is because the negative electrode active material can have a low crystallinity or an amorphous structure. In this method, for example, a production apparatus such as a planetary ball mill apparatus or an attritor can be used.
この負極活物質の表面の少なくとも一部には、ケイ素,ゲルマニウムおよびスズからなる群のうちの少なくとも1種の酸化物と、ケイ素,ゲルマニウムおよびスズからなる群のうちの少なくとも1種のハロゲン化物とを含む被膜が設けられている。これにより、負極22の化学的安定を向上させることができ、電解液の分解を抑制して充放電効率を向上させることができるようになっている。この被膜は、例えば、負極活物質層22Bが上述した負極活物質よりなる複数の負極活物質粒子によって構成されている場合には、それらの負極活物質粒子の周囲を覆うように形成されていてもよいし、負極活物質層22Bの表面のみに形成されていてもよく、また、負極活物質層22Bの表面に形成され、更に負極活物質粒子間に形成されていてもよい。 At least a part of the surface of the negative electrode active material includes at least one oxide selected from the group consisting of silicon, germanium, and tin, and at least one halide selected from the group consisting of silicon, germanium, and tin. A coating containing is provided. Thereby, the chemical stability of the negative electrode 22 can be improved, and the charging / discharging efficiency can be improved by suppressing the decomposition of the electrolytic solution. For example, when the negative electrode active material layer 22B is composed of a plurality of negative electrode active material particles made of the negative electrode active material described above, the coating is formed so as to cover the periphery of the negative electrode active material particles. Alternatively, it may be formed only on the surface of the negative electrode active material layer 22B, or may be formed on the surface of the negative electrode active material layer 22B and further formed between the negative electrode active material particles.
ハロゲン化物としては、フッ化物が好ましい。充放電時にフッ化リチウムが生成し、負極22の表面を覆うことにより、負極22の表面をより安定化させることができるからである。 As the halide, fluoride is preferred. This is because lithium fluoride is generated during charging and discharging and the surface of the negative electrode 22 is covered, whereby the surface of the negative electrode 22 can be further stabilized.
また、この被膜は、例えば、液相析出法、電析法、塗布法、ディップコーティング法、蒸着法、スパッタ法、CVD(Chemical Vapor Deposition ;化学気相成長)法あるいはゾルゲル法などにより形成することができる。 Further, this film is formed by, for example, a liquid phase deposition method, an electrodeposition method, a coating method, a dip coating method, a vapor deposition method, a sputtering method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or a sol-gel method. Can do.
中でも、液相析出法により形成することが好ましい。容易に制御して被膜を析出させることができるからである。液相析出法は、例えば、ケイ素,スズあるいはゲルマニウムのフッ化物錯体の溶液に、アニオン捕捉剤としてフッ素(F)を配位しやすい溶存種を添加して混合したのち、負極活物質層22Bが形成された負極集電体22Aを浸漬させ、フッ化物錯体から生じるフッ素アニオンを溶存種に捕捉させることにより、負極活物質層22Bの表面に酸化物とハロゲン化物とを析出させて被膜を形成する方法である。なお、フッ化物錯体に代えて、例えば、硫酸イオンなどの他のアニオンを生じるケイ素の化合物,スズの化合物あるいはゲルマニウムの化合物を用いてもよい。また、被膜がゾルゲル法によって形成される場合には、フッ素アニオン、またはフッ素と13族から15族の元素のうちの1種との化合物(具体的には、フッ素イオン,テトラフルオロホウ酸イオン,ヘキサフルオロリン酸イオンなど)を反応促進物質として含む処理液を利用するとよい。そのようにして得た被膜は、アルコキシ基の含有量が低く、電池などの電気化学デバイスにおける負極として機能させた場合におけるガス発生量が減少するからである。 Especially, it is preferable to form by a liquid phase precipitation method. This is because the film can be deposited easily by controlling. In the liquid phase deposition method, for example, a dissolved species that easily coordinates fluorine (F) as an anion scavenger is added to and mixed with a solution of a fluoride complex of silicon, tin, or germanium. The formed negative electrode current collector 22A is immersed, and the fluorine anions generated from the fluoride complex are captured by the dissolved species, thereby depositing oxide and halide on the surface of the negative electrode active material layer 22B to form a film. Is the method. Instead of the fluoride complex, for example, a silicon compound, a tin compound, or a germanium compound that generates other anions such as sulfate ions may be used. Further, when the film is formed by a sol-gel method, a fluorine anion or a compound of fluorine and one of group 13 to 15 elements (specifically, fluorine ion, tetrafluoroborate ion, A treatment liquid containing hexafluorophosphate ion or the like as a reaction promoting substance may be used. This is because the coating film thus obtained has a low content of alkoxy groups and reduces the amount of gas generated when functioning as a negative electrode in an electrochemical device such as a battery.
負極活物質層22Bは、また、上述した負極活物質に加えて他の負極活物質、または導電材などの他の材料を含んでいてもよい。他の負極活物質としては、例えば、リチウムを吸蔵および放出することが可能な炭素質材料が挙げられる。この炭素質材料は、充放電サイクル特性を向上させることができると共に、導電材としても機能するので好ましい。炭素質材料としては、例えば難黒鉛化炭素,易黒鉛化炭素,グラファイト,熱分解炭素類,コークス類,ガラス状炭素類,有機高分子化合物焼成体,活性炭およびカーボンブラックなどのいずれか1種または2種以上を用いることができる。このうち、コークス類には、ピッチコークス,ニードルコークスあるいは石油コークスなどがあり、有機高分子化合物焼成体というのは、フェノール樹脂やフラン樹脂などの高分子化合物を適当な温度で焼成して炭素化したものをいう。これらの炭素質材料の形状は、繊維状,球状,粒状あるいは鱗片状のいずれでもよい。 The negative electrode active material layer 22B may also contain other materials such as other negative electrode active materials or conductive materials in addition to the negative electrode active materials described above. Examples of the other negative electrode active material include a carbonaceous material capable of inserting and extracting lithium. This carbonaceous material is preferable because it can improve charge / discharge cycle characteristics and also functions as a conductive material. Examples of the carbonaceous material include any one of non-graphitizable carbon, graphitizable carbon, graphite, pyrolytic carbons, cokes, glassy carbons, organic polymer compound fired bodies, activated carbon and carbon black, or the like. Two or more kinds can be used. Among these, cokes include pitch coke, needle coke, and petroleum coke. Organic polymer compound fired bodies are carbonized by firing polymer compounds such as phenol resin and furan resin at an appropriate temperature. What you did. The shape of these carbonaceous materials may be any of fibrous, spherical, granular or scale-like.
負極活物質層22Bでは、負極活物質の表面および被膜の表面のうちの少なくとも一方と固着するように、電極反応物質と合金化しない金属元素を有する金属(例えばめっき膜)が設けられていることが好ましい。ここでの金属元素としては、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)および銅(Cu)のうちの少なくとも1種が挙げられる。 The negative electrode active material layer 22B is provided with a metal (for example, a plating film) having a metal element that does not alloy with the electrode reactant so as to be fixed to at least one of the surface of the negative electrode active material and the surface of the coating. Is preferred. Examples of the metal element here include at least one of iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), zinc (Zn), and copper (Cu).
このような金属は、負極活物質の表面積を減らし、電極反応の進行を妨げる原因となり得る不可逆性被膜の生成を防ぐことができる。例えば、気相法などによって負極活物質粒子が形成される場合、その表面にひげ状の微細な突起部が生じるため、その突起部間に多くの空隙が生じる。この空隙は負極活物質の表面積を増加させることとなるが、上記の金属を予め設けておくことで、電池などの電気化学デバイスにおける負極として機能させた場合に負極活物質粒子の表面に生成される不可逆性被膜が減少することとなる。 Such a metal can reduce the surface area of the negative electrode active material and prevent the formation of an irreversible film that can cause the progress of the electrode reaction. For example, when the negative electrode active material particles are formed by a vapor phase method or the like, fine whisker-like protrusions are formed on the surface, and thus many voids are generated between the protrusions. This void increases the surface area of the negative electrode active material, but by providing the above-mentioned metal in advance, it is generated on the surface of the negative electrode active material particles when functioning as a negative electrode in an electrochemical device such as a battery. Irreversible coating will be reduced.
また、負極活物質層22Bが負極活物質からなる複数の負極活物質粒子によって構成されている場合には、隣接する負極活物質粒子同士の隙間に上記の金属が設けられていることが望ましい。この場合、金属は、被膜に覆われた負極活物質粒子同士の隙間に設けられていてもよいし、被膜に未だ覆われていない状態の負極活物質粒子同士の隙間に設けられていてもよい。後者の場合、負極活物質粒子と、その隙間を埋める金属との双方を覆うように被膜が設けられていればよい。このような構成により、負極活物質同士の結着性が向上すると共に、負極活物質と電解液との接触が回避されて電解液の分解が抑制されることとなる。さらに、この金属は、その結着性を高めるために、隣接する負極活物質粒子間の隙間を十分に埋めるように充填されていることが望ましい。この場合には、隙間の一部でも充填されていればよいが、その充填量が多いほど好ましい。負極活物質層22Bの結着性がより向上するからである。 In addition, when the negative electrode active material layer 22B is composed of a plurality of negative electrode active material particles made of a negative electrode active material, it is desirable that the metal be provided in the gap between adjacent negative electrode active material particles. In this case, the metal may be provided in a gap between the negative electrode active material particles covered with the film, or may be provided in a gap between the negative electrode active material particles that are not yet covered with the film. . In the latter case, a coating may be provided so as to cover both the negative electrode active material particles and the metal filling the gaps. With such a configuration, the binding property between the negative electrode active materials is improved, and the contact between the negative electrode active material and the electrolytic solution is avoided, and the decomposition of the electrolytic solution is suppressed. Furthermore, it is desirable that the metal is filled so as to sufficiently fill the gap between the adjacent negative electrode active material particles in order to enhance the binding property. In this case, it is sufficient that a part of the gap is filled, but a larger filling amount is preferable. This is because the binding property of the negative electrode active material layer 22B is further improved.
また、負極活物質層22Bは、正極活物質層21Bよりも大きな形成面積を有している。すなわち、負極活物質層22Bは、正極活物質層21Bと対向する対向部分と、その対向部分を取り巻くように位置する余剰部分(正極活物質層21Bと対向せずにはみ出している部分)とを有している。このような構成により、充電時において正極21から放出されるリチウムイオンを受け取るべき負極22の面積が十分に確保されるので、負極活物質層22Bの端部での電流密度の上昇が抑制され、デンドライト状(樹枝状)の金属リチウムの析出を回避することができる。ここで、被膜は、負極活物質層22Bのうちの余剰部分における負極活物質の表面にも設けられているとよい。充放電の繰り返しにより、正極活物質層21Bと負極活物質層22Bとの対向する位置がずれてしまった場合においても、上記の被膜による効果(後述)が得られるからである。 The negative electrode active material layer 22B has a larger formation area than the positive electrode active material layer 21B. That is, the negative electrode active material layer 22B includes a facing portion that faces the positive electrode active material layer 21B, and a surplus portion (a portion that protrudes without facing the positive electrode active material layer 21B) that surrounds the facing portion. Have. With such a configuration, the area of the negative electrode 22 that should receive the lithium ions released from the positive electrode 21 during charging is sufficiently secured, so that an increase in current density at the end of the negative electrode active material layer 22B is suppressed, Precipitation of dendritic (dendritic) metallic lithium can be avoided. Here, the coating film may be provided also on the surface of the negative electrode active material in the surplus portion of the negative electrode active material layer 22B. This is because the effects (described later) of the above-described coating film can be obtained even when the opposing positions of the positive electrode active material layer 21B and the negative electrode active material layer 22B are shifted due to repeated charge and discharge.
セパレータ23は、正極21と負極22とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。このセパレータ23は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン,ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどの合成樹脂製の多孔質膜、またはセラミック製の多孔質膜により構成されており、これら2種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。セパレータ23に含浸された電解液は、溶媒と、この溶媒に溶解された電解質塩とを含んでいる。 The separator 23 separates the positive electrode 21 and the negative electrode 22 and allows lithium ions to pass through while preventing a short circuit of current due to contact between the two electrodes. The separator 23 is made of, for example, a porous film made of synthetic resin such as polytetrafluoroethylene, polypropylene, or polyethylene, or a porous film made of ceramic, and has a structure in which two or more kinds of porous films are laminated. It may be said. The electrolytic solution impregnated in the separator 23 includes a solvent and an electrolyte salt dissolved in the solvent.
溶媒としては、例えば、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、炭酸メチルプロピル、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、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、テトラヒドロピラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチル、トリメチル酢酸メチル、トリメチル酢酸エチル、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、3−メトキシプロピオニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリジノン、N−メチルオキサゾリジノン、N,N’−ジメチルイミダゾリジノン、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホラン、燐酸トリメチル、ジメチルスルホキシドあるいはジメチルスルホキシド燐酸などが挙げられる。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチルおよび炭酸エチルメチルからなる群のうちの少なくとも1種が好ましい。より良好なサイクル特性が得られるからである。この場合には、特に、炭酸エチレンあるいは炭酸プロピレンなどの高粘度(高誘電率)溶媒(例えば、比誘電率ε≧30)と、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチルあるいは炭酸ジエチルなどの低粘度溶媒(例えば、粘度≦1mPa・s)とを混合して含有しているのが好ましい。電解質塩の解離性およびイオンの移動度が向上するため、より高い効果が得られるからである。 Examples of the solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, methyl propyl carbonate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, and 2-methyl. Tetrahydrofuran, tetrahydropyran, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, 1,3-dioxane, 1,4-dioxane, methyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, methyl butyrate, Methyl isobutyrate, methyl trimethylacetate, ethyl trimethylacetate, acetonitrile, glutaronitrile, adiponitrile, methoxyacetonitrile, 3-methoxypropionitrile, N, N-dimethylformamide, N-methylpyrrolidinone, N-methyl Examples thereof include oxazolidinone, N, N'-dimethylimidazolidinone, nitromethane, nitroethane, sulfolane, trimethyl phosphate, dimethyl sulfoxide, and dimethyl sulfoxide phosphoric acid. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, at least one selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate is preferable. This is because better cycle characteristics can be obtained. In this case, in particular, a high viscosity (high dielectric constant) solvent such as ethylene carbonate or propylene carbonate (for example, a relative dielectric constant ε ≧ 30) and a low viscosity solvent such as dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate or diethyl carbonate (for example, , Viscosity ≦ 1 mPa · s). This is because the dissociation property of the electrolyte salt and the ion mobility are improved, so that a higher effect can be obtained.
この溶媒は、さらに、不飽和結合を有する環状炭酸エステルを含有しているのが好ましい。そのような溶媒を含む電解液の分解反応がより抑制され、サイクル特性がより向上するからである。この不飽和結合を有する環状炭酸エステルとしては、例えば、炭酸ビニレン系化合物、炭酸ビニルエチレン系化合物および炭酸メチレンエチレン系化合物からなる群のうちの少なくとも1種などが挙げられる。 This solvent preferably further contains a cyclic carbonate having an unsaturated bond. This is because the decomposition reaction of the electrolytic solution containing such a solvent is further suppressed, and the cycle characteristics are further improved. Examples of the cyclic carbonate having an unsaturated bond include at least one selected from the group consisting of vinylene carbonate compounds, vinyl ethylene carbonate compounds and methylene ethylene carbonate compounds.
炭酸ビニレン系化合物としては、例えば、炭酸ビニレン(1,3−ジオキソール−2−オン)、炭酸メチルビニレン(4−メチル−1,3−ジオキソール−2−オン)、炭酸エチルビニレン(4−エチル−1,3−ジオキソール−2−オン)、4,5−ジメチル−1,3−ジオキソール−2−オン、4,5−ジエチル−1,3−ジオキソール−2−オン、4−フルオロ−1,3−ジオキソール−2−オンあるいは4−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソール−2−オンなどが挙げられる。 Examples of the vinylene carbonate compound include vinylene carbonate (1,3-dioxol-2-one), methyl vinylene carbonate (4-methyl-1,3-dioxol-2-one), and ethyl vinylene carbonate (4-ethyl- 1,3-dioxol-2-one), 4,5-dimethyl-1,3-dioxol-2-one, 4,5-diethyl-1,3-dioxol-2-one, 4-fluoro-1,3 -Dioxol-2-one or 4-trifluoromethyl-1,3-dioxol-2-one and the like.
炭酸ビニルエチレン系化合物としては、例えば、炭酸ビニルエチレン(4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン)、4−メチル−4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−エチル−4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−n−プロピル−4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、5−メチル−4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4,4−ジビニル−1,3−ジオキソラン−2−オンあるいは4,5−ジビニル−1,3−ジオキソラン−2−オンなどが挙げられる。 Examples of the vinyl carbonate-based compound include vinyl ethylene carbonate (4-vinyl-1,3-dioxolan-2-one), 4-methyl-4-vinyl-1,3-dioxolan-2-one, and 4-ethyl. -4-vinyl-1,3-dioxolan-2-one, 4-n-propyl-4-vinyl-1,3-dioxolan-2-one, 5-methyl-4-vinyl-1,3-dioxolane-2 -One, 4,4-divinyl-1,3-dioxolan-2-one, 4,5-divinyl-1,3-dioxolan-2-one and the like.
炭酸メチレンエチレン系化合物としては、4−メチレン−1,3−ジオキソラン−2−オン、4,4−ジメチル−5−メチレン−1,3−ジオキソラン−2−オンあるいは4,4−ジエチル−5−メチレン−1,3−ジオキソラン−2−オンなどが挙げられる。 Examples of the methylene ethylene carbonate compound include 4-methylene-1,3-dioxolan-2-one, 4,4-dimethyl-5-methylene-1,3-dioxolan-2-one, and 4,4-diethyl-5-one. And methylene-1,3-dioxolan-2-one.
これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、不飽和結合を有する環状炭酸エステルとしては、炭酸ビニレンおよび炭酸ビニルエチレンからなる群のうちの少なくとも1種が好ましい。十分な効果が得られるからである。この場合には、特に、炭酸ビニルエチレンよりも炭酸ビニレンが好ましい。より高い効果が得られるからである。 These may be used alone or in combination of two or more. Especially, as cyclic carbonate which has an unsaturated bond, at least 1 sort (s) of the group which consists of vinylene carbonate and vinyl ethylene carbonate is preferable. This is because a sufficient effect can be obtained. In this case, vinylene carbonate is particularly preferable to vinyl ethylene carbonate. This is because a higher effect can be obtained.
また、溶媒は、例えば、化1で表されるハロゲンを構成元素として有する鎖状炭酸エステルおよび化7で表されるハロゲンを構成元素として有する環状炭酸エステルからなる群のうちの少なくとも1種を含有しているのが好ましい。それを含む電解液の分解反応がより抑制され、サイクル特性が向上するからである。 The solvent contains, for example, at least one selected from the group consisting of a chain carbonate having a halogen represented by Chemical Formula 1 as a constituent element and a cyclic carbonate having a halogen represented by Chemical Formula 7 as a constituent element. It is preferable. This is because the decomposition reaction of the electrolytic solution containing it is further suppressed, and the cycle characteristics are improved.
(R11〜R16は水素基、ハロゲン基、アルキル基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それらは互いに同一でもよいし異なってもよいが、それらのうちの少なくとも1つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。)
(R11 to R16 are a hydrogen group, a halogen group, an alkyl group or a halogenated alkyl group, which may be the same or different from each other, but at least one of them is a halogen group or a halogenated alkyl group. is there.)
(R21〜R24は水素基、ハロゲン基、アルキル基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それらは互いに同一でもよいし異なってもよいが、それらのうちの少なくとも1つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。)
(R21 to R24 are a hydrogen group, a halogen group, an alkyl group or a halogenated alkyl group, and they may be the same or different, but at least one of them is a halogen group or a halogenated alkyl group. is there.)
化1に示したハロゲンを構成元素として有する鎖状炭酸エステルとしては、例えば、炭酸フルオロメチルメチル、炭酸ビス(フルオロメチル)あるいは炭酸ジフルオロメチルメチルなどが挙げられる。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。 Examples of the chain carbonate having halogen as a constituent element shown in Chemical Formula 1 include fluoromethyl methyl carbonate, bis (fluoromethyl) carbonate, difluoromethyl methyl carbonate, and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
化2に示したハロゲンを構成元素として有する環状炭酸エステルとしては、例えば、化3および化4で表される一連の化合物が挙げられる。すなわち、化3に示した(1)の4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(2)の4−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(3)の4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(4)のテトラフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(5)の4−フルオロ−5−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(6)の4,5−ジクロロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(7)のテトラクロロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(8)の4,5−ビストリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(9)の4−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(10)の4,5−ジフルオロ−4,5−ジメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(11)の4−メチル−5,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(12)の4−エチル−5,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンなどである。また、化4に示した(1)の4−トリフルオロメチル−5−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(2)の4−トリフルオロメチル−5−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(3)の4−フルオロ−4,5−ジメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(4)の4,4−ジフルオロ−5−(1,1−ジフルオロエチル)−1,3−ジオキソラン−2−オン、(5)の4,5−ジクロロ−4,5−ジメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(6)の4−エチル−5−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(7)の4−エチル−4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(8)の4−エチル−4,5,5−トリフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(9)の4−フルオロ−4−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オンなどである。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、ハロゲンを有する環状炭酸エステルとしては、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンおよび4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンからなる群のうちの少なくとも1種が好ましい。容易に入手可能であると共に、十分な効果が得られるからである。この場合には、特に、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンよりも4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンが好ましい。より高い効果が得られるからである。詳細には、4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンとしては、より高い効果を得るために、シス異性体よりもトランス異性体が好ましい。 Examples of the cyclic carbonate having halogen as a constituent element shown in Chemical formula 2 include a series of compounds represented by Chemical formula 3 and Chemical formula 4. That is, 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one of (1) shown in Chemical formula 3, 4-chloro-1,3-dioxolan-2-one of (2), 4,5 of (3) -Difluoro-1,3-dioxolan-2-one, (4) tetrafluoro-1,3-dioxolan-2-one, (5) 4-fluoro-5-chloro-1,3-dioxolane-2-one ON, (6) 4,5-dichloro-1,3-dioxolan-2-one, (7) tetrachloro-1,3-dioxolan-2-one, (8) 4,5-bistrifluoromethyl 1,3-dioxolan-2-one, 4-trifluoromethyl-1,3-dioxolan-2-one of (9), 4,5-difluoro-4,5-dimethyl-1,3 of (10) -Dioxolan-2-one, 4-methyl-5,5 of (11) Difluoro-1,3-dioxolan-2-one, and the like 5,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one (12). In addition, 4-trifluoromethyl-5-fluoro-1,3-dioxolan-2-one of (1) shown in Chemical Formula 4, 4-trifluoromethyl-5-methyl-1,3-dioxolane of (2) 2-one, 4-fluoro-4,5-dimethyl-1,3-dioxolan-2-one of (3), 4,4-difluoro-5- (1,1-difluoroethyl)-of (4) 1,3-dioxolan-2-one, 4,5-dichloro-4,5-dimethyl-1,3-dioxolan-2-one in (5), 4-ethyl-5-fluoro-1, in (6) 3-dioxolan-2-one, 4-ethyl-4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one of (7), 4-ethyl-4,5,5-trifluoro-1 of (8) , 3-Dioxolan-2-one, 4-fluoro-4-methyl-1 of (9) 3-dioxolan-2-one, and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Among them, the cyclic carbonate having a halogen includes at least one selected from the group consisting of 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and 4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one. preferable. This is because it is easily available and a sufficient effect can be obtained. In this case, 4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one is more preferable than 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one. This is because a higher effect can be obtained. Specifically, 4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one is preferably a trans isomer rather than a cis isomer in order to obtain a higher effect.
さらに、溶媒は、例えば、スルトン(環状スルホン酸エステル)や酸無水物を含有しているのが好ましい。それを含む電解液の分解反応がより抑制され、サイクル特性が向上するからである。 Furthermore, the solvent preferably contains, for example, sultone (cyclic sulfonic acid ester) or an acid anhydride. This is because the decomposition reaction of the electrolytic solution containing it is further suppressed, and the cycle characteristics are improved.
スルトンとしては、例えば、プロパンスルトンあるいはプロペンスルトンなどが挙げられる。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、スルトンとしてはプロペンスルトンが好ましい。また、電解液中におけるスルトンの含有量は、0.5重量%以上3重量%以下の範囲内であるのが好ましい。十分な効果が得られるからである。 Examples of sultone include propane sultone and propene sultone. These may be used alone or in combination of two or more. Among them, propene sultone is preferable as sultone. In addition, the content of sultone in the electrolytic solution is preferably in the range of 0.5 wt% to 3 wt%. This is because a sufficient effect can be obtained.
酸無水物としては、例えば、無水コハク酸、無水グルタル酸、無水マレイン酸、無水スルホ安息香酸、無水スルホプロピオン酸あるいは無水スルホ酪酸などが挙げられる。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、酸無水物としては、無水コハク酸および無水スルホ安息香酸からなる群のうちの少なくとも1種が好ましい。十分な効果が得られるからである。この場合には、特に、無水コハク酸よりも無水スルホ安息香酸が好ましい。より高い効果が得られるからである。電解液中における酸無水物の含有量は、0.5重量%以上3重量%以下の範囲内であるのが好ましい。十分な効果が得られるからである。 Examples of the acid anhydride include succinic anhydride, glutaric anhydride, maleic anhydride, anhydrous sulfobenzoic acid, anhydrous sulfopropionic acid, and anhydrous sulfobutyric acid. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, as the acid anhydride, at least one member selected from the group consisting of succinic anhydride and sulfobenzoic anhydride is preferable. This is because a sufficient effect can be obtained. In this case, sulfobenzoic anhydride is particularly preferable to succinic anhydride. This is because a higher effect can be obtained. The content of the acid anhydride in the electrolytic solution is preferably in the range of 0.5 wt% to 3 wt%. This is because a sufficient effect can be obtained.
電解質塩は、例えば、化5、化6および化7で表される化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含有しているのが好ましい。十分な導電性が安定的に得られ、サイクル特性が向上するからである。化5〜化7に示した化合物は単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。 The electrolyte salt preferably contains, for example, at least one selected from the group consisting of compounds represented by Chemical Formula 5, Chemical Formula 6, and Chemical Formula 7. This is because sufficient conductivity can be stably obtained and cycle characteristics can be improved. The compounds shown in Chemical Formula 5 to Chemical Formula 7 may be used alone, or a plurality of types may be mixed and used.
(X31は短周期型周期表における1A族元素あるいは2A族元素、またはアルミニウムである。M31は遷移金属、または短周期型周期表における3B族元素、4B族元素あるいは5B族元素である。R31はハロゲン基である。Y31は−OC−R32−CO−、−OC−CR332 −あるいは−OC−CO−である。ただし、R32はアルキレン基、ハロゲン化アルキレン基、アリーレン基あるいはハロゲン化アリーレン基である。R33はアルキル基、ハロゲン化アルキル基、アリール基あるいはハロゲン化アリール基であり、それは互いに同一でもよいし異なってもよい。なお、a3は1〜4の整数であり、b3は0、または2あるいは4の整数であり、c3、d3、m3およびn3は1〜3の整数である。)
(X31 is 1A group element or 2A group element or aluminum in the short period type periodic table. M31 is a transition metal, or 3B group element, 4B group element or 5B group element in the short period type periodic table. R31 is R31. Y31 is —OC—R32—CO—, —OC—CR33 2 — or —OC—CO—, wherein R32 is an alkylene group, a halogenated alkylene group, an arylene group or a halogenated arylene group. R33 is an alkyl group, a halogenated alkyl group, an aryl group or a halogenated aryl group, which may be the same or different from each other, wherein a3 is an integer of 1 to 4, and b3 is 0, or (It is an integer of 2 or 4, and c3, d3, m3 and n3 are integers of 1 to 3.)
(X41は短周期型周期表における1A族元素あるいは2A族元素である。M41は遷移金属、または短周期型周期表における3B族元素、4B族元素あるいは5B族元素である。Y41は−OC−(CR412 )b4−CO−、−R432 C−(CR422 )c4−CO−、−R432 C−(CR422 )c4−CR432 −、−R432 C−(CR422 )c4−SO2 −、−O2 S−(CR422 )d4−SO2 −あるいは−OC−(CR422 )d4−SO2 −である。ただし、R41およびR43は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それぞれは互いに同一でもよいし異なってもよいが、それぞれのうちの少なくとも1つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。R42は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それは互いに同一でもよいし異なってもよい。なお、a4、e4およびn4は1あるいは2の整数であり、b4およびd4は1〜4の整数であり、c4は0〜4の整数であり、f4およびm4は1〜3の整数である。)
(X41 is a Group 1A element or a Group 2A element in the short period type periodic table. M41 is a transition metal, or a Group 3B element, a Group 4B element, or a Group 5B element in the short period type periodic table. Y41 is —OC—. (CR41 2) b4 -CO -, - R43 2 C- (CR42 2) c4 -CO -, - R43 2 C- (CR42 2) c4 -CR43 2 -, - R43 2 C- (CR42 2) c4 -SO 2 —, —O 2 S— (CR42 2 ) d4 —SO 2 — or —OC— (CR42 2 ) d4 —SO 2 —, wherein R41 and R43 are hydrogen, alkyl, halogen or halogenated Each of which may be the same as or different from each other, at least one of which is a halogen group or a halogenated alkyl group, R42 is a hydrogen group, an alkyl group A halogen group or a halogenated alkyl group, which may be the same or different from each other, wherein a4, e4 and n4 are integers of 1 or 2, b4 and d4 are integers of 1 to 4, c4 is an integer of 0 to 4, and f4 and m4 are integers of 1 to 3.)
(X51は短周期型周期表における1A族元素あるいは2A族元素である。M51は遷移金属、または短周期型周期表における3B族元素、4B族元素あるいは5B族元素である。Rfは炭素数=1〜10のフッ素化アルキル基あるいは炭素数=1〜10のフッ素化アリール基である。Y51は−OC−(CR512 )d5−CO−、−R522 C−(CR512 )d5−CO−、−R522 C−(CR512 )d5−CR522 −、−R522 C−(CR512 )d5−SO2 −、−O2 S−(CR512 )e5−SO2 −あるいは−OC−(CR512 )e5−SO2 −である。ただし、R51は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それは互いに同一でもよいし異なってもよい。R52は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それは互いに同一でもよいし異なってもよいが、そのうちの少なくとも1つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。なお、a5、f5およびn5は1あるいは2の整数であり、b5、c5およびe5は1〜4の整数であり、d5は0〜4の整数であり、g5およびm5は1〜3の整数である。)
(X51 is a group 1A element or a group 2A element in the short period type periodic table. M51 is a transition metal, or a group 3B element, a group 4B element or a group 5B element in the short period type periodic table. Rf is the number of carbon atoms = A fluorinated alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or a fluorinated aryl group having 1 to 10 carbon atoms, Y51 is —OC— (CR51 2 ) d5 —CO—, —R52 2 C— (CR51 2 ) d5 —CO—. , -R52 2 C- (CR51 2) d5 -CR52 2 -, - R52 2 C- (CR51 2) d5 -SO 2 -, - O 2 S- (CR51 2) e5 -SO 2 - or -OC- ( CR51 2) e5 -SO 2 -. is, however, R51 is a hydrogen group, an alkyl group, a halogen group or a halogenated alkyl group, it is .R52 may differ and may be identical to one another hydrogen group, an alkyl group A halogen group or a halogenated alkyl group, which may be the same as or different from each other, at least one of which is a halogen group or a halogenated alkyl group, wherein a5, f5 and n5 are 1 or 2; B5, c5 and e5 are integers of 1 to 4, d5 is an integer of 0 to 4, and g5 and m5 are integers of 1 to 3.)
化5〜化7に示した化合物の一例としては、化8および化9で表される化合物が挙げられる。 As an example of the compound shown in Chemical formula 5 to Chemical formula 7, compounds represented by Chemical formula 8 and Chemical formula 9 are mentioned.
化5に示した化合物としては、例えば、化8(1)から化8(6)で表される化合物が挙げられる。 Examples of the compound shown in Chemical formula 5 include compounds represented by Chemical formula 8 (1) to Chemical formula 8 (6).
化6に示した化合物としては、例えば、化9(1)から化9(8)で表される化合物が挙げられる。 Examples of the compound represented by Chemical formula 6 include the compounds represented by Chemical formula 9 (1) to Chemical formula 9 (8).
化7に示した化合物としては、例えば、化9(9)で表される化合物が挙げられる。
が挙げられる。
Examples of the compound represented by Chemical formula 7 include the compound represented by Chemical formula 9 (9).
Is mentioned.
これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、化5〜化7に示した化合物としては、化8(6)および化9(2)で表される化合物が好ましい。十分な効果が得られるからである。なお、化5〜化7に示した構造を有していれば、それらの化合物が化8あるいは化9に示した化合物に限定されないことは、言うまでもない。 These may be used alone or in combination of two or more. Especially, as a compound shown to Chemical formula 5-Chemical formula 7, the compound represented by Chemical formula 8 (6) and Chemical formula 9 (2) is preferable. This is because a sufficient effect can be obtained. Needless to say, these compounds are not limited to the compounds shown in Chemical Formula 8 or Chemical Formula 9 as long as they have the structures shown in Chemical Formulas 5 to 7.
また、電解質塩は、例えば、上記した化5〜化7に示した化合物と共に、他の電解質塩を含有しているのが好ましい。より高い効果が得られるからである。この他の電解質塩としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )、過塩素酸リチウム(LiClO4 )、六フッ化ヒ酸リチウム(LiAsF6 )、テトラフェニルホウ酸リチウム(LiB(C6 H5 )4 )、メタンスルホン酸リチウム(LiCH3 SO3 )、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3 SO3 )、テトラクロロアルミン酸リチウム(LiAlCl4 )、六フッ化ケイ酸リチウム(Li2 SiF6 )、塩化リチウム(LiCl)あるいは臭化リチウム(LiBr)などが挙げられる。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、他の電解質塩としては、六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウムおよび六フッ化ヒ酸リチウムからなる群のうちの少なくとも1種が好ましい。十分な効果が得られるからである。この場合には、六フッ化リン酸リチウムがより好ましい。内部抵抗が低下するため、より高い効果が得られるからである。特に、電解質塩が六フッ化リン酸リチウム等と共に上記した化5〜化7に示した化合物を含有するようにするとよい。 Moreover, it is preferable that the electrolyte salt contains other electrolyte salt with the compound shown to above-mentioned Chemical formula 5-Chemical formula 7, for example. This is because a higher effect can be obtained. Other electrolyte salts include, for example, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluoroarsenate (LiAsF 6). ), Lithium tetraphenylborate (LiB (C 6 H 5 ) 4 ), lithium methanesulfonate (LiCH 3 SO 3 ), lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF 3 SO 3 ), lithium tetrachloroaluminate (LiAlCl 4 ) And lithium hexafluorosilicate (Li 2 SiF 6 ), lithium chloride (LiCl), and lithium bromide (LiBr). These may be used alone or in combination of two or more. Among these, as the other electrolyte salt, at least one selected from the group consisting of lithium hexafluorophosphate, lithium tetrafluoroborate, lithium perchlorate, and lithium hexafluoroarsenate is preferable. This is because a sufficient effect can be obtained. In this case, lithium hexafluorophosphate is more preferable. This is because a higher effect can be obtained because the internal resistance is lowered. In particular, the electrolyte salt may contain the compounds shown in Chemical Formulas 5 to 7 together with lithium hexafluorophosphate and the like.
さらに、電解質塩は、例えば、化10、化11および化12で表される化合物を含有しているのが好ましい。より高い効果が得られるからである。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。特に、電解質塩が上記した六フッ化リン酸リチウム等と共に化10〜化12に示した化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含有し、または、六フッ化リン酸リチウム等と共に化5〜化7に示した化合物および化10〜化12に示した化合物を含有していれば、より高い効果が得られる。 Furthermore, the electrolyte salt preferably contains, for example, compounds represented by Chemical formula 10, Chemical formula 11 and Chemical formula 12. This is because a higher effect can be obtained. These may be used alone or in combination of two or more. In particular, the electrolyte salt contains at least one selected from the group consisting of the compounds shown in Chemical Formulas 10 to 12 together with the above-described lithium hexafluorophosphate, or If the compound shown in Chemical formula 7 and the compound shown in Chemical formulas 10 to 12 are contained, higher effects can be obtained.
(mおよびnは1以上の整数であり、それらは互いに同一でもよいし異なってもよい。)
(M and n are integers of 1 or more, and they may be the same or different.)
(R61は炭素数=2〜4の直鎖状あるいは分岐状のパーフルオロアルキレン基である。)
(R61 is a linear or branched perfluoroalkylene group having 2 to 4 carbon atoms.)
(p、qおよびrは1以上の整数であり、それらは互いに同一でもよいし異なってもよい。)
(P, q and r are integers of 1 or more, and they may be the same or different from each other.)
化10に示した鎖状の化合物としては、例えば、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )2 )、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(C2 F5 SO2 )2 )、(トリフルオロメタンスルホニル)(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )(C2 F5 SO2 ))、(トリフルオロメタンスルホニル)(ヘプタフルオロプロパンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )(C3 F7 SO2 ))あるいは(トリフルオロメタンスルホニル)(ノナフルオロブタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )(C4 F9 SO2 ))などが挙げられる。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。 Examples of the chain compound shown in Chemical formula 10 include bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium (LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ), bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide lithium (LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 ), (trifluoromethanesulfonyl) (pentafluoroethanesulfonyl) imide lithium (LiN (CF 3 SO 2 ) (C 2 F 5 SO 2 )), (trifluoromethanesulfonyl) (heptafluoropropanesulfonyl) imide lithium ( LiN (CF 3 SO 2 ) (C 3 F 7 SO 2 )) or (trifluoromethanesulfonyl) (nonafluorobutanesulfonyl) imidolithium (LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 )) It is done. These may be used alone or in combination of two or more.
化11に示した環状の化合物としては、例えば、化13で表される一連の化合物が挙げられる。すなわち、化13に示した(1)の1,2−パーフルオロエタンジスルホニルイミドリチウム、(2)の1,3−パーフルオロプロパンジスルホニルイミドリチウム、(3)の1,3−パーフルオロブタンジスルホニルイミドリチウム、(4)の1,4−パーフルオロブタンジスルホニルイミドリチウムなどである。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、化11に示した環状の化合物としては、1,3−パーフルオロプロパンジスルホニルイミドリチウムが好ましい。十分な効果が得られるからである。 Examples of the cyclic compound represented by Chemical Formula 11 include a series of compounds represented by Chemical Formula 13. That is, 1,2-perfluoroethanedisulfonylimide lithium of (1) shown in Chemical formula 13, 1,3-perfluoropropane disulfonylimide lithium of (2), 1,3-perfluorobutane of (3) Disulfonylimide lithium, 1,4-perfluorobutane disulfonylimide lithium of (4), and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, 1,3-perfluoropropanedisulfonylimide lithium is preferable as the cyclic compound shown in Chemical formula 11. This is because a sufficient effect can be obtained.
化12に示した鎖状の化合物としては、例えば、リチウムトリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチド(LiC(CF3 SO2 )3 )などが挙げられる。 Examples of the chain compound shown in Chemical formula 12 include lithium tris (trifluoromethanesulfonyl) methide (LiC (CF 3 SO 2 ) 3 ).
電解質塩の含有量は、溶媒に対して0.3mol/kg以上3.0mol/kg以下の範囲内であるのが好ましい。このような範囲であればより高いイオン伝導性が得られ、電池の容量特性などを十分に向上させることができるからである。 The content of the electrolyte salt is preferably in the range of 0.3 mol / kg or more and 3.0 mol / kg or less with respect to the solvent. This is because, within such a range, higher ion conductivity can be obtained, and the capacity characteristics of the battery can be sufficiently improved.
このような構成の電解液を用いることで、電解液自体の化学的安定性が向上し、電池内部での分解反応が抑制される。 By using the electrolytic solution having such a configuration, the chemical stability of the electrolytic solution itself is improved, and the decomposition reaction inside the battery is suppressed.
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。 For example, the secondary battery can be manufactured as follows.
最初に正極21を作製する。具体的には、まず、正極活物質と、導電材と、結着材とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散させてペースト状の正極合剤スラリーとする。続いて、この正極合剤スラリーを正極集電体21Aに塗布し溶剤を乾燥させたのち、ロールプレス機などにより圧縮成型して正極活物質層21Bを形成し、正極21を作製する。 First, the positive electrode 21 is produced. Specifically, first, a positive electrode active material, a conductive material, and a binder are mixed to prepare a positive electrode mixture, and this positive electrode mixture is dispersed in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone. A paste-like positive electrode mixture slurry is obtained. Subsequently, the positive electrode mixture slurry is applied to the positive electrode current collector 21A and the solvent is dried. Then, the positive electrode active material layer 21B is formed by compression molding using a roll press or the like, and the positive electrode 21 is manufactured.
続いて負極22を作製する。具体的には、まず、構成元素としてケイ素およびスズのうちの少なくとも一方を含む負極活物質と、導電材と、結着材とを混合して負極合剤を調製したのち、この負極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散させてペースト状の負極合剤スラリーとする。次いで、この負極合剤スラリーを負極集電体22Aに塗布し乾燥させ、圧縮成型することにより負極活物質層22Bを形成する。続いて、上述した方法により、負極活物質層22Bを構成する負極活物質の表面に、ケイ素,ゲルマニウムおよびスズからなる群のうちの少なくとも1種の酸化物と、ケイ素,ゲルマニウムおよびスズからなる群のうちの少なくとも1種のハロゲン化物とを含む被膜を形成することで、負極22を得る。 Subsequently, the negative electrode 22 is produced. Specifically, first, after preparing a negative electrode mixture by mixing a negative electrode active material containing at least one of silicon and tin as a constituent element, a conductive material, and a binder, Disperse in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone to obtain a paste-like negative electrode mixture slurry. Next, the negative electrode mixture slurry is applied to the negative electrode current collector 22A, dried, and compression molded to form the negative electrode active material layer 22B. Subsequently, the surface of the negative electrode active material constituting the negative electrode active material layer 22B is formed on the surface of the negative electrode active material layer 22B by the method described above, and at least one oxide selected from the group consisting of silicon, germanium, and tin, and the group consisting of silicon, germanium, and tin. The negative electrode 22 is obtained by forming a film containing at least one kind of halide.
ここで、ゾルゲル法を用いて被膜を形成する場合には、処理液にテトラフルオロホウ酸イオン、ヘキサフルオロリン酸イオンまたはフッ素イオンを含む化合物を反応促進物質として添加することが好ましい。こうした反応促進物質を用いることで加水分解反応が促進され、形成される被膜中におけるアルコキシ基の残留量が減少し、結果として電池内部でのガス発生が抑制されるからである。反応促進物質としては、具体的には六フッ化リン酸リチウム、四フッ化リン酸リチウム、フッ酸、フッ化リチウム、六フッ化リン酸ナトリウム、四フッ化リン酸ナトリウム、フッ化ナトリウム、六フッ化リン酸アンモニウム、四フッ化リン酸アンモニウム、フッ化アンモニウムなどが挙げられる。また、ゾルゲル法による酸化物含有膜の原料としては、テトラエトキシシラン、テトラメトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、テトラ−2−メトキシエトキシシラン、ジ−セカンダリ(sec)−ブトキシアルミノキシトリエトキシシランおよびそれらのオリゴマーが挙げられる。あるいは、これらを混合して用いてもよい。これらの原料をアルコール等の溶媒に水、触媒としての酸(塩酸、硫酸、硝酸、酢酸など)またはアルカリ(アンモニア、水酸化リチウムなど)、反応促進物質を加えた溶液中で加水分解させた後、負極を浸漬して引き上げたのち、乾燥させる。浸漬、引き上げおよび乾燥の一連の処理は数回行ってもよい。最後に、150℃から1000℃の温度で焼成することにより被膜が得られる。 Here, when forming a film using the sol-gel method, it is preferable to add a compound containing tetrafluoroborate ions, hexafluorophosphate ions or fluorine ions to the treatment liquid as a reaction accelerator. By using such a reaction promoting substance, the hydrolysis reaction is promoted, the residual amount of alkoxy groups in the formed film is reduced, and as a result, gas generation inside the battery is suppressed. Specific examples of the reaction accelerator include lithium hexafluorophosphate, lithium tetrafluorophosphate, hydrofluoric acid, lithium fluoride, sodium hexafluorophosphate, sodium tetrafluorophosphate, sodium fluoride, six Examples thereof include ammonium fluorophosphate, ammonium tetrafluorophosphate, and ammonium fluoride. Moreover, as a raw material of the oxide-containing film by the sol-gel method, tetraethoxysilane, tetramethoxysilane, tetrapropoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetrabutoxysilane, tetra-2-methoxyethoxysilane, di-secondary (sec)- Examples include butoxyaluminoxytriethoxysilane and oligomers thereof. Alternatively, these may be mixed and used. After hydrolyzing these raw materials in a solvent such as alcohol, water, acid as a catalyst (hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, acetic acid, etc.) or alkali (ammonia, lithium hydroxide, etc.), and a reaction accelerator Then, the negative electrode is dipped and pulled up, and then dried. A series of treatments of dipping, pulling up and drying may be performed several times. Finally, a film is obtained by baking at a temperature of 150 ° C. to 1000 ° C.
また、負極活物質の表面に被膜を形成したのち、あるいはその前に、液相法などを用いて負極活物質の表面あるいは被膜の表面と固着させるように、電極反応物質と合金化しない金属元素を有する金属を形成するとよい。金属元素としては、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛および銅のうちの少なくとも1種を用いる。 In addition, after forming a film on the surface of the negative electrode active material, or before that, a metal element that does not alloy with the electrode reactant so as to adhere to the surface of the negative electrode active material or the surface of the film using a liquid phase method or the like It is preferable to form a metal having As the metal element, at least one of iron, cobalt, nickel, zinc, and copper is used.
正極21および負極22を作製したのち、正極集電体21Aに正極リード25を溶接などにより取り付けると共に、負極集電体22Aに負極リード26を溶接などにより取り付ける。続いて、正極21と負極22とをセパレータ23を介して巻回し、正極リード25の先端部を安全弁機構15に溶接すると共に、負極リード26の先端部を電池缶11に溶接して、巻回した正極21および負極22を一対の絶縁板12,13で挟み電池缶11の内部に収納する。正極21および負極22を電池缶11の内部に収納したのち、電解液を電池缶11の内部に注入し、セパレータ23に含浸させる。そののち、電池缶11の開口端部に電池蓋14,安全弁機構15および熱感抵抗素子16をガスケット17を介してかしめることにより固定する。これにより、図1,2に示した二次電池が完成する。 After producing the positive electrode 21 and the negative electrode 22, the positive electrode lead 25 is attached to the positive electrode current collector 21A by welding or the like, and the negative electrode lead 26 is attached to the negative electrode current collector 22A by welding or the like. Subsequently, the positive electrode 21 and the negative electrode 22 are wound through the separator 23, and the tip of the positive electrode lead 25 is welded to the safety valve mechanism 15, and the tip of the negative electrode lead 26 is welded to the battery can 11. The positive electrode 21 and the negative electrode 22 are sandwiched between a pair of insulating plates 12 and 13 and stored in the battery can 11. After the positive electrode 21 and the negative electrode 22 are accommodated in the battery can 11, the electrolytic solution is injected into the battery can 11 and impregnated in the separator 23. After that, the battery lid 14, the safety valve mechanism 15, and the heat sensitive resistance element 16 are fixed to the opening end of the battery can 11 by caulking through a gasket 17. Thereby, the secondary battery shown in FIGS. 1 and 2 is completed.
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極21からリチウムイオンが放出され、電解液を介して負極22に吸蔵される。放電を行うと、例えば、負極22からリチウムイオンが放出され、電解液を介して正極21に吸蔵される。その際、負極活物質の表面の少なくとも一部には、ケイ素,ゲルマニウムおよびスズからなる群のうちの少なくとも1種の酸化物と、ケイ素,ゲルマニウムおよびスズからなる群のうちの少なくとも1種のハロゲン化物とを含む被膜が設けられているので、負極22の化学的安定を向上し、電解液の分解反応が抑制される。なお、充放電を繰り返し行うことにより、電解液中のフッ素が負極活物質の表面にフッ化物の被膜を形成する可能性も考えられるが、その場合には、被膜が形成される際に電解液の分解反応が生ずる。本実施の形態では、製造段階において予め上記の被膜を形成することで、初回の充放電を行う段階から電解液の分解反応を抑制することができる。 In the secondary battery, when charged, for example, lithium ions are extracted from the positive electrode 21 and inserted in the negative electrode 22 through the electrolytic solution. When discharging is performed, for example, lithium ions are released from the negative electrode 22 and inserted in the positive electrode 21 through the electrolytic solution. At this time, at least a part of the surface of the negative electrode active material has at least one oxide selected from the group consisting of silicon, germanium and tin, and at least one halogen selected from the group consisting of silicon, germanium and tin. Since the coating containing the chemical compound is provided, the chemical stability of the negative electrode 22 is improved, and the decomposition reaction of the electrolytic solution is suppressed. In addition, there is a possibility that the fluorine in the electrolytic solution may form a fluoride film on the surface of the negative electrode active material by repeatedly charging and discharging, but in that case, the electrolytic solution is formed when the coating is formed. The decomposition reaction occurs. In the present embodiment, the above-described film is formed in advance in the manufacturing stage, so that the decomposition reaction of the electrolytic solution can be suppressed from the stage of the first charge / discharge.
このように本実施の形態の二次電池によれば、負極活物質の表面の少なくとも一部に、ケイ素,ゲルマニウムおよびスズからなる群のうちの少なくとも1種の酸化物とハロゲン化物とを含む被膜を設けるようにしたので、化学的安定性を向上させることができ、充放電効率を向上させることができる。 As described above, according to the secondary battery of the present embodiment, at least a part of the surface of the negative electrode active material includes a coating containing at least one oxide and halide of the group consisting of silicon, germanium, and tin. Therefore, chemical stability can be improved and charge / discharge efficiency can be improved.
また、負極活物質の表面に被膜を形成したのち、あるいはその前に、液相法などを用いて負極活物質の表面あるいは被膜の表面と固着させるように、電極反応物質と合金化しない金属元素を有する金属を形成するようにすれば、負極活物質の表面積を減らし、電極反応の進行を妨げる原因となり得る不可逆性被膜の生成を防ぐことができる。 In addition, after forming a film on the surface of the negative electrode active material, or before that, a metal element that does not alloy with the electrode reactant so as to adhere to the surface of the negative electrode active material or the surface of the film using a liquid phase method or the like By forming a metal having, it is possible to reduce the surface area of the negative electrode active material and to prevent the generation of an irreversible film that can cause the electrode reaction to progress.
特に、負極活物質層22Bが複数の負極活物質粒子を含むようにした場合には、負極活物質粒子の表面に被膜を形成したのち、あるいはその前に、液相法などを用いて隣接する負極活物質粒子同士の隙間に、電極反応物質と合金化しない金属元素を有する金属を形成することで、負極活物質粒子同士がその金属を介して強固に結着され、負極活物質層22Bの粉砕や負極集電体22Aからの崩落が生じにくくなる。その結果、サイクル特性を向上させることができる。 In particular, when the negative electrode active material layer 22B includes a plurality of negative electrode active material particles, the negative electrode active material layer 22B is adjacent to the surface of the negative electrode active material particle by using a liquid phase method or the like after or before the formation of a film. By forming a metal having a metal element that does not alloy with the electrode reactant in the gap between the negative electrode active material particles, the negative electrode active material particles are firmly bound to each other through the metal, and the negative electrode active material layer 22B Crushing and collapsing from the negative electrode current collector 22A are less likely to occur. As a result, cycle characteristics can be improved.
(第2の電池)
図3は、本実施の形態に係る第2の二次電池の構成を表すものである。この二次電池は、いわゆるラミネートフィルム型といわれるものであり、正極リード31および負極リード32が取り付けられた巻回電極体30をフィルム状の外装部材40の内部に収容したものである。
(Second battery)
FIG. 3 shows a configuration of the second secondary battery according to the present embodiment. This secondary battery is a so-called laminate film type, and has a wound electrode body 30 to which a positive electrode lead 31 and a negative electrode lead 32 are attached accommodated in a film-shaped exterior member 40.
正極リード31および負極リード32は、それぞれ、外装部材40の内部から外部に向かい例えば同一方向に導出されている。正極リード31および負極リード32は、例えば、アルミニウム,銅,ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料によりそれぞれ構成されており、それぞれ薄板状または網目状とされている。 The positive electrode lead 31 and the negative electrode lead 32 are led out from the inside of the exterior member 40 to the outside, for example, in the same direction. The positive electrode lead 31 and the negative electrode lead 32 are made of, for example, a metal material such as aluminum, copper, nickel, or stainless steel, and each have a thin plate shape or a mesh shape.
外装部材40は、例えば、ナイロンフィルム,アルミニウム箔およびポリエチレンフィルムをこの順に貼り合わせた矩形状のアルミラミネートフィルムにより構成されている。外装部材40は、例えば、ポリエチレンフィルム側と巻回電極体30とが対向するように配設されており、各外縁部が融着あるいは接着剤により互いに密着されている。外装部材40と正極リード31および負極リード32との間には、外気の侵入を防止するための密着フィルム41が挿入されている。密着フィルム41は、正極リード31および負極リード32に対して密着性を有する材料、例えば、ポリエチレン,ポリプロピレン,変性ポリエチレンあるいは変性ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂により構成されている。 The exterior member 40 is made of, for example, a rectangular aluminum laminated film in which a nylon film, an aluminum foil, and a polyethylene film are bonded together in this order. For example, the exterior member 40 is disposed so that the polyethylene film side and the wound electrode body 30 face each other, and the outer edge portions are in close contact with each other by fusion bonding or an adhesive. An adhesive film 41 is inserted between the exterior member 40 and the positive electrode lead 31 and the negative electrode lead 32 to prevent intrusion of outside air. The adhesion film 41 is made of a material having adhesion to the positive electrode lead 31 and the negative electrode lead 32, for example, a polyolefin resin such as polyethylene, polypropylene, modified polyethylene, or modified polypropylene.
なお、外装部材40は、上述したアルミラミネートフィルムに代えて、他の構造を有するラミネートフィルム,ポリプロピレンなどの高分子フィルムあるいは金属フィルムにより構成するようにしてもよい。 The exterior member 40 may be made of a laminated film having another structure, a polymer film such as polypropylene, or a metal film instead of the above-described aluminum laminated film.
図4は、図3に示した巻回電極体30のIV−IV線に沿った断面構造を表すものである。巻回電極体30は、正極33と負極34とをセパレータ35および電解質層36を介して積層し、巻回したものであり、最外周部は保護テープ37により保護されている。 FIG. 4 shows a cross-sectional structure taken along line IV-IV of the spirally wound electrode body 30 shown in FIG. The wound electrode body 30 is obtained by stacking and winding a positive electrode 33 and a negative electrode 34 with a separator 35 and an electrolyte layer 36 interposed therebetween, and the outermost peripheral portion is protected by a protective tape 37.
正極33は、正極集電体33Aの両面に正極活物質層33Bが設けられた構造を有している。負極34は、負極集電体34Aの両面に負極活物質層34Bが設けられた構造を有しており、負極活物質層34Bと正極活物質層33Bとが対向するように配置されている。正極集電体33A,正極活物質層33B,負極集電体34A,負極活物質層34Bおよびセパレータ35の構成は、第1の二次電池における正極集電体21A,正極活物質層21B,負極集電体22A,負極活物質層22Bおよびセパレータ23と同様である。 The positive electrode 33 has a structure in which a positive electrode active material layer 33B is provided on both surfaces of a positive electrode current collector 33A. The negative electrode 34 has a structure in which a negative electrode active material layer 34B is provided on both surfaces of a negative electrode current collector 34A, and the negative electrode active material layer 34B and the positive electrode active material layer 33B are arranged to face each other. The configuration of the positive electrode current collector 33A, the positive electrode active material layer 33B, the negative electrode current collector 34A, the negative electrode active material layer 34B, and the separator 35 is the same as that of the positive electrode current collector 21A, positive electrode active material layer 21B, negative electrode in the first secondary battery. This is the same as the current collector 22A, the negative electrode active material layer 22B, and the separator 23.
電解質層36は、電解液と、この電解液を保持する保持体となる高分子化合物とを含み、いわゆるゲル状となっている。ゲル状の電解質は高いイオン伝導率を得ることができると共に、電池の漏液を防止することができるので好ましい。電解液の構成は、第1の実施の形態と同様である。高分子化合物としては、例えば、ポリエチレンオキサイドあるいはポリエチレンオキサイドを含む架橋体などのエーテル系高分子化合物、ポリメタクリレートなどのエステル系高分子化合物あるいはアクリレート系高分子化合物、またはポリフッ化ビニリデンあるいはフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体などのフッ化ビニリデンの重合体が挙げられ、これらのうちのいずれか1種または2種以上が混合して用いられる。特に、酸化還元安定性の観点からは、フッ化ビニリデンの重合体などのフッ素系高分子化合物を用いることが望ましい。 The electrolyte layer 36 includes an electrolytic solution and a polymer compound serving as a holding body that holds the electrolytic solution, and has a so-called gel shape. A gel electrolyte is preferable because high ion conductivity can be obtained and battery leakage can be prevented. The configuration of the electrolytic solution is the same as that of the first embodiment. Examples of the polymer compound include, for example, an ether polymer compound such as polyethylene oxide or a crosslinked product containing polyethylene oxide, an ester polymer compound such as polymethacrylate, or an acrylate polymer compound, or polyvinylidene fluoride or vinylidene fluoride. Examples thereof include polymers of vinylidene fluoride such as a copolymer with hexafluoropropylene, and any one of these or a mixture of two or more thereof is used. In particular, from the viewpoint of redox stability, it is desirable to use a fluorine-based polymer compound such as a vinylidene fluoride polymer.
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。 For example, the secondary battery can be manufactured as follows.
まず、正極21および正極22と同様にして作製した正極33および負極34のそれぞれに、電解液と、高分子化合物と、混合溶剤とを含む前駆溶液を塗布し、混合溶剤を揮発させて電解質層36を形成する。次いで、正極集電体33Aに正極リード31を取り付けると共に、負極集電体34Aに負極リード32を取り付ける。続いて、電解質層36が形成された正極33と負極34とをセパレータ35を介して積層し積層体としたのち、この積層体をその長手方向に巻回して、最外周部に保護テープ37を接着して巻回電極体30を形成する。そののち、例えば、外装部材40の間に巻回電極体30を挟み込み、外装部材40の外縁部同士を熱融着などにより密着させて封入する。その際、正極リード31および負極リード32と外装部材40との間には密着フィルム41を挿入する。これにより、図3,4に示した二次電池が完成する。 First, a precursor solution containing an electrolytic solution, a polymer compound, and a mixed solvent is applied to each of the positive electrode 33 and the negative electrode 34 manufactured in the same manner as the positive electrode 21 and the positive electrode 22, and the mixed solvent is volatilized to form an electrolyte layer. 36 is formed. Next, the positive electrode lead 31 is attached to the positive electrode current collector 33A, and the negative electrode lead 32 is attached to the negative electrode current collector 34A. Subsequently, the positive electrode 33 and the negative electrode 34 on which the electrolyte layer 36 is formed are laminated via a separator 35 to form a laminated body, and then the laminated body is wound in the longitudinal direction, and the protective tape 37 is attached to the outermost peripheral portion. The wound electrode body 30 is formed by bonding. After that, for example, the wound electrode body 30 is sandwiched between the exterior members 40, and the outer edge portions of the exterior members 40 are sealed and sealed by thermal fusion or the like. At that time, the adhesion film 41 is inserted between the positive electrode lead 31 and the negative electrode lead 32 and the exterior member 40. Thereby, the secondary battery shown in FIGS. 3 and 4 is completed.
また、この二次電池は、次のようにして作製してもよい。まず、上述したようにして正極33および負極34を作製し、正極33および負極34に正極リード31および負極リード32を取り付けたのち、正極33と負極34とをセパレータ35を介して積層して巻回し、最外周部に保護テープ37を接着して、巻回電極体30の前駆体である巻回体を形成する。次いで、この巻回体を外装部材40に挟み、一辺を除く外周縁部を熱融着して袋状とし、外装部材40の内部に収納する。続いて、電解液と、高分子化合物の原料であるモノマーと、必要に応じて重合開始剤あるいは重合禁止剤などの他の材料とを含む電解質用組成物を用意し、外装部材40の内部に注入したのち、外装部材40の開口部を熱融着して密封する。そののち、熱を加えてモノマーを重合させて高分子化合物とすることによりゲル状の電解質層36を形成し、図3,4に示した二次電池を組み立てる。 Further, this secondary battery may be manufactured as follows. First, the positive electrode 33 and the negative electrode 34 are prepared as described above, and after the positive electrode lead 31 and the negative electrode lead 32 are attached to the positive electrode 33 and the negative electrode 34, the positive electrode 33 and the negative electrode 34 are stacked via the separator 35 and wound. Rotate and adhere the protective tape 37 to the outermost periphery to form a wound body that is a precursor of the wound electrode body 30. Next, the wound body is sandwiched between the exterior members 40, and the outer peripheral edge portion excluding one side is heat-sealed to form a bag shape, and is stored inside the exterior member 40. Subsequently, an electrolyte composition including an electrolytic solution, a monomer that is a raw material of the polymer compound, and other materials such as a polymerization initiator or a polymerization inhibitor as necessary is prepared, and the interior of the exterior member 40 is prepared. After the injection, the opening of the exterior member 40 is heat-sealed and sealed. Thereafter, heat is applied to polymerize the monomer to obtain a polymer compound, thereby forming the gel electrolyte layer 36, and assembling the secondary battery shown in FIGS.
この二次電池は、第1の二次電池と同様に作用し、同様の効果を得ることができる。 This secondary battery operates in the same manner as the first secondary battery, and can obtain the same effect.
[第2の実施の形態]
第2の実施の形態に係る二次電池は、負極22,34の構成が異なることを除き、他は第1の実施の形態と同様の構成・作用および効果を有しており、同様にして製造することができる。よって、図1,図2,図3および図4を参照し、対応する構成要素には同一の符号を付して同一の部分の説明は省略する。
[Second Embodiment]
The secondary battery according to the second embodiment has the same configuration, operation, and effects as those of the first embodiment except that the configurations of the negative electrodes 22 and 34 are different. Can be manufactured. Therefore, referring to FIG. 1, FIG. 2, FIG. 3 and FIG. 4, the corresponding components are denoted by the same reference numerals, and the description of the same parts is omitted.
負極22,34は、第1の実施の形態と同様に、負極集電体22A,34Aの両面に負極活物質層22B,34Bが設けられた構造を有しており、負極活物質層22B,34Bは、第1の実施の形態と同様に、構成元素としてケイ素およびスズのうちの少なくとも一方を含む負極活物質を含有しており、この負極活物質の表面の少なくとも一部には、ケイ素,ゲルマニウムおよびスズからなる群のうちの少なくとも1種の酸化物と、ケイ素,ゲルマニウムおよびスズからなる群のうちの少なくとも1種のハロゲン化物とを含む被膜が設けられている。負極活物質は、具体的には、例えば、ケイ素の単体,合金,あるいは化合物、またはスズの単体,合金,あるいは化合物を含有しており、それらの2種以上を含有していてもよい。 Similarly to the first embodiment, the negative electrodes 22 and 34 have a structure in which the negative electrode active material layers 22B and 34B are provided on both surfaces of the negative electrode current collectors 22A and 34A. As in the first embodiment, 34B contains a negative electrode active material containing at least one of silicon and tin as a constituent element, and at least part of the surface of the negative electrode active material contains silicon, A coating comprising at least one oxide from the group consisting of germanium and tin and at least one halide from the group consisting of silicon, germanium and tin is provided. Specifically, the negative electrode active material contains, for example, a simple substance, an alloy, or a compound of silicon, or a simple substance, an alloy, or a compound of tin, and may contain two or more of them.
また、負極活物質層22B,34Bは、例えば、気相法,液相法,あるいは焼成法、またはそれらの2以上の方法を用いて形成されたものであり、負極活物質層22B,34Bと負極集電体22A,34Aとが界面の少なくとも一部において合金化していることが好ましい。具体的には、界面において負極集電体22A,34Aの構成元素が負極活物質層22B,34Bに、または負極活物質層22B,34Bの構成元素が負極集電体22A,34Aに、またはそれらが互いに拡散していることが好ましい。充放電に伴う負極活物質層22B,34Bの膨張・収縮による破壊を抑制することができると共に、負極活物質層22B,34Bと負極集電体22A,34Aとの間の電子伝導性を向上させることができるからである。 The negative electrode active material layers 22B and 34B are formed by using, for example, a vapor phase method, a liquid phase method, a firing method, or two or more methods thereof. The anode current collectors 22A and 34A are preferably alloyed at least at a part of the interface. Specifically, the constituent elements of the negative electrode current collectors 22A and 34A at the interface are the negative electrode active material layers 22B and 34B, the constituent elements of the negative electrode active material layers 22B and 34B are the negative electrode current collectors 22A and 34A, or Are preferably diffusing each other. Breakage due to expansion / contraction of the negative electrode active material layers 22B, 34B due to charge / discharge can be suppressed, and the electron conductivity between the negative electrode active material layers 22B, 34B and the negative electrode current collectors 22A, 34A is improved. Because it can.
なお、気相法としては、例えば、物理堆積法あるいは化学堆積法を用いることができ、具体的には、真空蒸着法,スパッタ法,イオンプレーティング法,レーザーアブレーション法,熱化学気相成長(CVD;Chemical Vapor Deposition )法,プラズマ化学気相成長法あるいは溶射法などが挙げられる。液相法としては、電気鍍金あるいは無電解鍍金などの公知の手法を用いることができる。焼成法というのは、例えば、粒子状の負極活物質を結着材などと混合して溶剤に分散させ、塗布したのち、結着材などの融点よりも高い温度で熱処理する方法である。焼成法に関しても公知の手法が利用可能であり、例えば、雰囲気焼成法,反応焼成法あるいはホットプレス焼成法が挙げられる。 As the vapor phase method, for example, a physical deposition method or a chemical deposition method can be used. Specifically, a vacuum deposition method, a sputtering method, an ion plating method, a laser ablation method, a thermal chemical vapor deposition ( Examples include CVD (Chemical Vapor Deposition), plasma chemical vapor deposition, and thermal spraying. As the liquid phase method, a known method such as electroplating or electroless plating can be used. The firing method is, for example, a method in which a particulate negative electrode active material is mixed with a binder, dispersed in a solvent, applied, and then heat-treated at a temperature higher than the melting point of the binder. A known method can also be used for the firing method, for example, an atmospheric firing method, a reactive firing method, or a hot press firing method.
更に、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。 Further, specific embodiments of the present invention will be described in detail.
(実施例1−1〜1−7)
図5に示したようなコイン型の二次電池を作製した。この二次電池は、正極51と、負極52とを電解液を含浸させたセパレータ53を介して積層し、外装缶54と外装カップ55との間に挟み、ガスケット56を介してかしめたものである。
(Examples 1-1 to 1-7)
A coin-type secondary battery as shown in FIG. 5 was produced. This secondary battery is formed by laminating a positive electrode 51 and a negative electrode 52 via a separator 53 impregnated with an electrolytic solution, sandwiching between an outer can 54 and an outer cup 55 and caulking via a gasket 56. is there.
まず、厚み10μmの銅箔よりなる負極集電体52Aに、電子ビーム蒸着法によりケイ素を蒸着して負極活物質層52Bを形成したのち、直径16mmのペレットに打ち抜いた。 First, silicon was deposited on a negative electrode current collector 52A made of a copper foil having a thickness of 10 μm by an electron beam evaporation method to form a negative electrode active material layer 52B, and then punched into a pellet having a diameter of 16 mm.
続いて、実施例1−1〜1−5では、負極活物質層52Bが形成された負極集電体52Aを、フッ化物錯体としてのケイフッ化水素酸に、アニオン捕捉剤としてのホウ酸を溶解した溶液に浸漬させることにより、ケイ素よりなる負極活物質の表面に、酸化ケイ素(SiO2 )とケイ素のフッ化物とを含む被膜を析出させた。その際、ケイフッ化水素酸およびホウ酸の濃度は、それぞれ2mol/dm3 ,0.028mol/dm3 とした。また、浸漬時間は、実施例1−1では1時間とし、実施例1−2では2時間とし、実施例1−3では3時間とし、実施例1−4では6時間とし、実施例1−5では21時間とした。そののち、水で洗浄し、減圧乾燥して負極52を作製した。 Subsequently, in Examples 1-1 to 1-5, the negative electrode current collector 52A on which the negative electrode active material layer 52B was formed was dissolved in hydrofluoric acid as a fluoride complex with boric acid as an anion scavenger. The film containing silicon oxide (SiO 2 ) and silicon fluoride was deposited on the surface of the negative electrode active material made of silicon by being immersed in the solution. At that time, the concentration of silicic hydrofluoric acid and boric acid, respectively 2 mol / dm 3, was 0.028 mol / dm 3. The immersion time was 1 hour in Example 1-1, 2 hours in Example 1-2, 3 hours in Example 1-3, 6 hours in Example 1-4, and Example 1- 5 was 21 hours. After that, the negative electrode 52 was manufactured by washing with water and drying under reduced pressure.
また、実施例1−6では、負極活物質層52Bが形成された負極集電体52Aを、フッ化物錯体としてのスズフッ化水素酸に、アニオン捕捉剤としての塩化アルミニウムを溶解した溶液に浸漬させることにより、ケイ素よりなる負極活物質の表面に、酸化スズとスズのフッ化物とを含む被膜を析出させた。その際、スズフッ化水素酸および塩化アルミニウムの濃度は、それぞれ0.17mol/dm3 ,0.07mol/dm3 とし、浸漬時間は、3時間とした。そののち、水で洗浄し、減圧乾燥して負極52を作製した。 In Example 1-6, the negative electrode current collector 52A on which the negative electrode active material layer 52B is formed is immersed in a solution in which aluminum chloride as an anion scavenger is dissolved in tin hydrofluoric acid as a fluoride complex. Thus, a film containing tin oxide and tin fluoride was deposited on the surface of the negative electrode active material made of silicon. At that time, the concentration of tin hydrofluoric acid and aluminum chloride, respectively 0.17 mol / dm 3, and 0.07 mol / dm 3, the immersion time was 3 hours. After that, the negative electrode 52 was manufactured by washing with water and drying under reduced pressure.
更に、実施例1−7では、負極活物質層52Bが形成された負極集電体52Aを、フッ化物錯体としてのゲルマニウムフッ化水素酸に、アニオン捕捉剤としての塩化アルミニウムを溶解した溶液に浸漬させることにより、ケイ素よりなる負極活物質の表面に、酸化ゲルマニウムとゲルマニウムのフッ化物とを含む被膜を析出させた。その際、ゲルマニウムフッ化水素酸および塩化アルミニウムの濃度は、それぞれ0.17mol/dm3 ,0.05mol/dm3 とし、浸漬時間は、3時間とした。そののち、水で洗浄し、減圧乾燥して負極52を作製した。 Further, in Example 1-7, the negative electrode current collector 52A on which the negative electrode active material layer 52B was formed was immersed in a solution in which aluminum chloride as an anion scavenger was dissolved in germanium hydrofluoric acid as a fluoride complex. As a result, a film containing germanium oxide and germanium fluoride was deposited on the surface of the negative electrode active material made of silicon. At that time, the concentration of germanium hydrofluoric acid and aluminum chloride, respectively 0.17 mol / dm 3, and 0.05 mol / dm 3, the immersion time was 3 hours. After that, the negative electrode 52 was manufactured by washing with water and drying under reduced pressure.
作製した負極52を用いて、XPSにより、被膜における元素の割合を求めた。結果を表1に示す。 The ratio of the element in a film was calculated | required by XPS using the produced negative electrode 52. FIG. The results are shown in Table 1.
また、炭酸リチウム(Li2 CO3 )と炭酸コバルト(CoCO3 )とをLi2 CO3 :CoCO3 =0.5:1のモル比で混合し、空気中において900℃で5時間焼成して正極活物質としてのリチウム・コバルト複合酸化物(LiCoO2 )を得た。次いで、このリチウム・コバルト複合酸化物91質量部と、導電材としてグラファイト6質量部と、結着材としてポリフッ化ビニリデン3質量部とを混合して正極合剤を調製したのち、溶剤としてのN−メチル−2−ピロリドンに分散させて正極合剤スラリーとした。続いて、この正極合剤スラリーを厚み20μmのアルミニウム箔よりなる正極集電体51Aに均一に塗布して乾燥させたのち圧縮成型して正極活物質層51Bを形成した。そののち、直径15.5mmのペレットに打ち抜き、正極51を作製した。 Also, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and cobalt carbonate (CoCO 3 ) are mixed at a molar ratio of Li 2 CO 3 : CoCO 3 = 0.5: 1, and calcined in air at 900 ° C. for 5 hours. Lithium / cobalt composite oxide (LiCoO 2 ) as a positive electrode active material was obtained. Next, 91 parts by mass of this lithium-cobalt composite oxide, 6 parts by mass of graphite as a conductive material, and 3 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder were prepared to prepare a positive electrode mixture, and then N as a solvent. -Dispersed in methyl-2-pyrrolidone to obtain a positive electrode mixture slurry. Subsequently, the positive electrode mixture slurry was uniformly applied to a positive electrode current collector 51A made of an aluminum foil having a thickness of 20 μm, dried, and then compression molded to form a positive electrode active material layer 51B. After that, the positive electrode 51 was produced by punching into a pellet having a diameter of 15.5 mm.
次いで、作製した正極51と負極52とを微多孔性ポリプロピレンフィルムよりなるセパレータ53を介して外装缶54に載置し、その上から電解液を注入して、外装カップ55を被せてかしめることにより密閉した。電解液には、溶媒として、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと、炭酸ジエチルとを1:1の質量比で混合し、電解質塩として六フッ化リン酸リチウムを1mol/dm3 の濃度で溶解させたものを用いた。 Next, the prepared positive electrode 51 and negative electrode 52 are placed on the outer can 54 via a separator 53 made of a microporous polypropylene film, and an electrolytic solution is injected thereon, and the outer cup 55 is covered and caulked. Was sealed. In the electrolytic solution, 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and diethyl carbonate as a solvent are mixed at a mass ratio of 1: 1, and lithium hexafluorophosphate as an electrolyte salt is 1 mol / dm. What was dissolved at a concentration of 3 was used.
実施例1−1〜1−7に対する比較例1−1として、ケイ素,ゲルマニウムあるいはスズの酸化物とフッ化物とを含む被膜を形成しなかったことを除き、他は実施例1−1〜1−7と同様にして二次電池を作製した。また、比較例1−2として、負極集電体に、電子ビーム蒸着法によりケイ素を蒸着して負極活物質層を形成したのち、負極活物質層の表面に気相法により酸化ケイ素よりなる被膜を形成した負極を用いたことを除き、他は実施例1−1〜1−7と同様にして二次電池を作製した。 As Comparative Example 1-1 with respect to Examples 1-1 to 1-7, except that a film containing silicon, germanium, or tin oxide and fluoride was not formed, Example 1-1 to 1 were otherwise used. A secondary battery was fabricated in the same manner as in -7. Further, as Comparative Example 1-2, a negative electrode current collector was formed by depositing silicon by an electron beam vapor deposition method to form a negative electrode active material layer, and then a coating made of silicon oxide by a vapor phase method on the surface of the negative electrode active material layer A secondary battery was fabricated in the same manner as in Examples 1-1 to 1-7, except that the negative electrode on which was formed was used.
作製した実施例1−1〜1−7および比較例1−1,1−2の二次電池について、サイクル特性を調べた。サイクル特性は、23℃で充放電を100サイクル行い、2サイクル目の放電容量を100とした場合の100サイクル目の放電容量維持率(%)を求めた。その際、充電は、1mA/cm2 の定電流密度で電池電圧が4.2Vに達するまで行ったのち、4.2Vの定電圧で電流密度が0.02mA/cm2 に達するまで行い、放電は、1mA/cm2 の定電流密度で電池電圧が2.5Vに達するまで行った。結果を表1に示す。 The cycle characteristics of the fabricated secondary batteries of Examples 1-1 to 1-7 and Comparative Examples 1-1 and 1-2 were examined. As for the cycle characteristics, 100 cycles of charge and discharge were performed at 23 ° C., and the discharge capacity retention rate (%) at the 100th cycle when the discharge capacity at the second cycle was set to 100 was obtained. In that case, charging, after performing a constant current density of 1 mA / cm 2 until the battery voltage reached 4.2V, performed at a constant voltage of 4.2V until the current density reached 0.02 mA / cm 2, discharge Was performed at a constant current density of 1 mA / cm 2 until the battery voltage reached 2.5V. The results are shown in Table 1.
表1に示したように、XPSの結果により、実施例1−1〜1−5では、ケイ素と酸素とフッ素とが確認され、酸化ケイ素とケイ素のフッ化物とが存在することが確認された。また、実施例1−6では、酸素とフッ素とスズとが確認され、酸化スズとスズのフッ化物とが存在することが確認された。更に、実施例1−7では、酸素とフッ素とゲルマニウムとが確認され、酸化ゲルマニウムとゲルマニウムのフッ化物とが存在することが確認された。 As shown in Table 1, according to the results of XPS, in Examples 1-1 to 1-5, silicon, oxygen, and fluorine were confirmed, and it was confirmed that silicon oxide and a fluoride of silicon were present. . In Example 1-6, oxygen, fluorine, and tin were confirmed, and the presence of tin oxide and tin fluoride was confirmed. Furthermore, in Example 1-7, oxygen, fluorine, and germanium were confirmed, and it was confirmed that germanium oxide and germanium fluoride were present.
また、ケイ素よりなる負極活物質の表面に、ケイ素の酸化物とケイ素のフッ化物とを含む被膜、あるいはスズの酸化物とスズのフッ化物とを含む被膜、あるいはゲルマニウムの酸化物とゲルマニウムのフッ化物とを被膜を形成した実施例1−1〜1−7によれば、これらのような被膜を形成していない比較例1−1,1−2よりも、放電容量維持率が向上した。 Further, a film containing silicon oxide and silicon fluoride, a film containing tin oxide and tin fluoride, or a film of germanium oxide and germanium on the surface of the negative electrode active material made of silicon. According to Examples 1-1 to 1-7 in which a film was formed from the chemical compound, the discharge capacity retention ratio was improved as compared with Comparative Examples 1-1 and 1-2 in which such a film was not formed.
すなわち、構成元素としてケイ素を含む負極活物質の表面の少なくとも一部に、ケイ素,ゲルマニウムおよびスズからなる群のうちの少なくとも1種の酸化物とハロゲン化物とを含む被膜を設けるようにすれば、サイクル特性を向上させることができることが分かった。 That is, if at least part of the surface of the negative electrode active material containing silicon as a constituent element is provided with a film containing at least one oxide and halide of the group consisting of silicon, germanium and tin, It was found that cycle characteristics can be improved.
(実施例2−1〜2−5)
まず、負極活物質として、平均粒径が1μmのケイ素粉末90質量%と、結着材としてポリフッ化ビニリデン10質量%とを混合し、溶剤としてのN−メチル−2−ピロリドンに分散させて負極合剤スラリーとした。続いて、この負極合剤スラリーを厚み18μmの銅箔よりなる負極集電体52Aに均一に塗布して乾燥させ加圧したのち、真空雰囲気下において、400℃で12時間加熱することにより、負極活物質層52Bを形成し、直径16mmのペレットに打ち抜いた。続いて、この負極活物質層52Bが形成された負極集電体52Aを、実施例1−1〜1−5と同様のケイフッ化水素酸にホウ酸を溶解した溶液に浸漬させることにより、ケイ素よりなる負極活物質の表面に、酸化ケイ素(SiO2 )とケイ素のフッ化物とを含む被膜を析出させた。その際、浸漬時間は、実施例2−1では1時間とし、実施例2−2では2時間とし、実施例2−3では3時間とし、実施例2−4では6時間とし、実施例2−5では21時間とした。そののち、水で洗浄し、減圧乾燥して負極52を作製した。
(Examples 2-1 to 2-5)
First, 90% by mass of silicon powder having an average particle diameter of 1 μm as a negative electrode active material and 10% by mass of polyvinylidene fluoride as a binder are mixed and dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent to form a negative electrode. A mixture slurry was obtained. Subsequently, the negative electrode mixture slurry was uniformly applied to a negative electrode current collector 52A made of a copper foil having a thickness of 18 μm, dried and pressurized, and then heated at 400 ° C. for 12 hours in a vacuum atmosphere, thereby An active material layer 52B was formed and punched into a pellet having a diameter of 16 mm. Subsequently, the negative electrode current collector 52A on which the negative electrode active material layer 52B was formed was immersed in a solution obtained by dissolving boric acid in hydrofluoric acid similar to Examples 1-1 to 1-5. A film containing silicon oxide (SiO 2 ) and silicon fluoride was deposited on the surface of the negative electrode active material. At that time, the immersion time was 1 hour in Example 2-1, 2 hours in Example 2-2, 3 hours in Example 2-3, 6 hours in Example 2-4, and Example 2 In -5, it was 21 hours. After that, the negative electrode 52 was manufactured by washing with water and drying under reduced pressure.
負極52を作製したのち、この負極52を用い、実施例1−1〜1−5と同様にして二次電池を作製した。 After producing the negative electrode 52, the secondary battery was produced using this negative electrode 52 like Example 1-1 to 1-5.
実施例2−1〜2−5に対する比較例2−1として、ケイ素の酸化物とケイ素のフッ化物とを含む被膜を形成しなかったことを除き、他は実施例2−1〜2−5と同様にして二次電池を作製した。また、比較例2−2として、平均粒径が1μmのケイ素粉末の表面を空気中で1000℃に加熱することにより酸化して酸化ケイ素よりなる被膜を形成した負極を用いたことを除き、他は実施例2−1〜2−5と同様にして二次電池を作製した。 As Comparative Example 2-1 with respect to Examples 2-1 to 2-5, except that a film containing a silicon oxide and a silicon fluoride was not formed, the others were Examples 2-1 to 2-5. A secondary battery was fabricated in the same manner as described above. Further, as Comparative Example 2-2, except that a negative electrode in which a surface of a silicon powder having an average particle diameter of 1 μm was oxidized by heating to 1000 ° C. in air to form a film made of silicon oxide was used. Produced secondary batteries in the same manner as in Examples 2-1 to 2-5.
作製した実施例2−1〜2−5および比較例2−1,2−2の二次電池について、実施例1−1〜1−7と同様にして、サイクル特性を調べた。結果を表2に示す。 For the fabricated secondary batteries of Examples 2-1 to 2-5 and Comparative examples 2-1 and 2-2, cycle characteristics were examined in the same manner as in Examples 1-1 to 1-7. The results are shown in Table 2.
表2に示したように、実施例1−1〜1−5と同様の結果が得られた。すなわち、構成元素としてケイ素を含む負極活物質の表面の少なくとも一部に、ケイ素,ゲルマニウムおよびスズからなる群のうちの少なくとも1種の酸化物とハロゲン化物とを含む被膜を設けるようにすれば、負極活物質層52Bの形成方法を変えても、サイクル特性を向上させることができることが分かった。 As shown in Table 2, the same results as in Examples 1-1 to 1-5 were obtained. That is, if at least part of the surface of the negative electrode active material containing silicon as a constituent element is provided with a film containing at least one oxide and halide of the group consisting of silicon, germanium and tin, It was found that the cycle characteristics can be improved even if the method for forming the negative electrode active material layer 52B is changed.
(実施例3−1〜3−3)
負極活物質としてSnCoC含有材料80質量部と、導電材としてグラファイト11質量部およびアセチレンブラック1質量部と、結着材としてポリフッ化ビニリデン8質量部とを混合し、溶剤としてのN−メチル−2−ピロリドンに分散させて負極合剤スラリーとした。続いて、この負極合剤スラリーを厚み10μmの銅箔よりなる負極集電体52Aに均一に塗布して乾燥させたのち圧縮成型して負極活物質層52Bを形成し、直径16mmのペレットに打ち抜いた。続いて、この負極活物質層52Bが形成された負極集電体52Aを、実施例1−1〜1−5と同様のケイフッ化水素酸にホウ酸を溶解した溶液に浸漬させることにより、SnCoC含有材料よりなる負極活物質の表面に、酸化ケイ素(SiO2 )とケイ素のフッ化物とを含む被膜を析出させた。その際、ケイフッ化水素酸およびホウ酸の濃度は、それぞれ0.1mol/l,0.028mol/lとした。浸漬時間は、実施例3−1では1時間とし、実施例3−2では3時間とし、実施例3−3では6時間とした。そののち、水で洗浄し、減圧乾燥して負極52を作製した。
(Examples 3-1 to 3-3)
80 parts by mass of SnCoC-containing material as a negative electrode active material, 11 parts by mass of graphite and 1 part by mass of acetylene black as a conductive material, and 8 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder are mixed, and N-methyl-2 as a solvent -Dispersed in pyrrolidone to make a negative electrode mixture slurry. Subsequently, the negative electrode mixture slurry is uniformly applied to a negative electrode current collector 52A made of a copper foil having a thickness of 10 μm and dried, followed by compression molding to form a negative electrode active material layer 52B, which is punched into a pellet having a diameter of 16 mm. It was. Subsequently, the negative electrode current collector 52A on which the negative electrode active material layer 52B is formed is immersed in a solution obtained by dissolving boric acid in hydrofluoric acid similar to those in Examples 1-1 to 1-5, thereby SnCoC. A film containing silicon oxide (SiO 2 ) and silicon fluoride was deposited on the surface of the negative electrode active material made of the containing material. At that time, the concentrations of silicofluoric acid and boric acid were 0.1 mol / l and 0.028 mol / l, respectively. The immersion time was 1 hour in Example 3-1, 3 hours in Example 3-2, and 6 hours in Example 3-3. After that, the negative electrode 52 was manufactured by washing with water and drying under reduced pressure.
なお、SnCoC含有材料は、スズ・コバルト・インジウム合金粉末と、炭素粉末とを混合し、メカノケミカル反応を利用して合成した。得られたSnCoC含有材料について組成の分析を行ったところ、スズの含有量は48質量%、コバルトの含有量は23質量%、炭素の含有量は20質量%、スズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合Co/(Sn+Co)は32.4質量%であった。なお、炭素の含有量は、炭素・硫黄分析装置により測定し、スズおよびコバルトの含有量は、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合プラズマ)発光分析により測定した。また、得られたSnCoC含有材料についてX線回折を行ったところ、回折角2θ=20°〜50°の間に、回折角2θが1.0°以上の広い半値幅を有する回折ピークが観察された。更に、このSnCoC含有材料についてXPSを行ったところ、図6に示したようにピークP1が得られた。ピークP1を解析すると、表面汚染炭素のピークP2と、ピークP2よりも低エネルギー側にSnCoC含有材料中におけるC1sのピークP3とが得られた。このピークP3は、284.5eVよりも低い領域に得られた。すなわち、SnCoC含有材料中の炭素が他の元素と結合していることが確認された。 The SnCoC-containing material was synthesized using a mechanochemical reaction by mixing tin / cobalt / indium alloy powder and carbon powder. When the composition of the obtained SnCoC-containing material was analyzed, the tin content was 48 mass%, the cobalt content was 23 mass%, the carbon content was 20 mass%, and the cobalt relative to the total of tin and cobalt The ratio Co / (Sn + Co) was 32.4% by mass. The carbon content was measured by a carbon / sulfur analyzer, and the tin and cobalt contents were measured by ICP (Inductively Coupled Plasma) emission analysis. Further, when X-ray diffraction was performed on the obtained SnCoC-containing material, a diffraction peak having a wide half-width with a diffraction angle 2θ of 1.0 ° or more was observed between the diffraction angle 2θ = 20 ° and 50 °. It was. Further, when XPS was performed on this SnCoC-containing material, a peak P1 was obtained as shown in FIG. When the peak P1 was analyzed, a peak P2 of surface contamination carbon and a peak P3 of C1s in the SnCoC-containing material on the lower energy side than the peak P2 were obtained. This peak P3 was obtained in a region lower than 284.5 eV. That is, it was confirmed that carbon in the SnCoC-containing material was bonded to other elements.
負極52を作製したのち、この負極52を用い、実施例1−1〜1−5と同様にして二次電池を作製した。 After producing the negative electrode 52, the secondary battery was produced using this negative electrode 52 like Example 1-1 to 1-5.
実施例3−1〜3−3に対する比較例3−1として、ケイ素の酸化物とケイ素のフッ化物とを含む被膜を形成しなかったことを除き、他は実施例3−1〜3−3と同様にして二次電池を作製した。 As Comparative Example 3-1 with respect to Examples 3-1 to 3-3, except that a film containing a silicon oxide and a silicon fluoride was not formed, the others were Examples 3-1 to 3-3. A secondary battery was fabricated in the same manner as described above.
作製した実施例3−1〜3−3および比較例3−1の二次電池について、実施例1−1〜1−7と同様にして、サイクル特性を調べた。結果を表3に示す。 For the fabricated secondary batteries of Examples 3-1 to 3-3 and Comparative example 3-1, cycle characteristics were examined in the same manner as in Examples 1-1 to 1-7. The results are shown in Table 3.
表3に示したように、実施例1−1〜1−5と同様の結果が得られた。すなわち、構成元素としてスズを含む負極活物質の表面の少なくとも一部に、ケイ素,ゲルマニウムおよびスズからなる群のうちの少なくとも1種の酸化物とハロゲン化物とを含む被膜を設けるようにすれば、サイクル特性を向上させることができることが分かった。 As shown in Table 3, the same results as in Examples 1-1 to 1-5 were obtained. That is, if at least a part of the surface of the negative electrode active material containing tin as a constituent element is provided with a film containing at least one oxide and halide of the group consisting of silicon, germanium and tin, It was found that cycle characteristics can be improved.
(実施例4−1〜4−3)
図1,2に示した円筒型の二次電池を作製した。その際、正極21および負極22は、実施例1−1,1−3,1−4と同様にして作製した。なお、負極22は、ケイ素よりなる負極活物質層22Bを電子ビーム蒸着法により形成したのち、酸化ケイ素とケイ素のフッ化物とを含む被膜を形成したものである。また、セパレータ23には厚み25μmの微多孔性ポリプロピレンフィルムを用い、電解液は、実施例1−1〜1−7と同様とした。
(Examples 4-1 to 4-3)
The cylindrical secondary battery shown in FIGS. At that time, the positive electrode 21 and the negative electrode 22 were produced in the same manner as in Examples 1-1, 1-3, and 1-4. The negative electrode 22 is obtained by forming a negative electrode active material layer 22B made of silicon by an electron beam evaporation method and then forming a film containing silicon oxide and silicon fluoride. Further, a microporous polypropylene film having a thickness of 25 μm was used for the separator 23, and the electrolytic solution was the same as in Examples 1-1 to 1-7.
また、作製した負極22を用いて、XPSにより、被膜における元素の割合を求めた。結果を表4に示す。 Moreover, the ratio of the element in a film was calculated | required by XPS using the produced negative electrode 22. FIG. The results are shown in Table 4.
実施例4−1〜4−3に対する比較例4−1として、ケイ素の酸化物とケイ素のフッ化物とを含む被膜を形成しなかったことを除き、他は実施例4−1〜4−3と同様にして二次電池を作製した。 As Comparative Example 4-1 with respect to Examples 4-1 to 4-3, except that a film containing a silicon oxide and a silicon fluoride was not formed, the others were Examples 4-1 to 4-3. A secondary battery was fabricated in the same manner as described above.
作製した実施例4−1〜4−3および比較例4−1の二次電池について、実施例1−1〜1−7と同様にして、サイクル特性を調べた。結果を表4に示す。 For the fabricated secondary batteries of Examples 4-1 to 4-3 and Comparative example 4-1, cycle characteristics were examined in the same manner as in Examples 1-1 to 1-7. The results are shown in Table 4.
表4に示したように、実施例1−1〜1−5と同様の結果が得られた。すなわち、他の形状を有する二次電池の場合にも、構成元素としてケイ素およびスズのうちの少なくとも一方を含む負極活物質の表面の少なくとも一部に、ケイ素,ゲルマニウムおよびスズからなる群のうちの少なくとも1種の酸化物とハロゲン化物とを含む被膜を設けるようにすれば、サイクル特性を向上させることができることが分かった。 As shown in Table 4, the same results as in Examples 1-1 to 1-5 were obtained. That is, even in the case of a secondary battery having another shape, at least part of the surface of the negative electrode active material containing at least one of silicon and tin as a constituent element is selected from the group consisting of silicon, germanium, and tin. It has been found that cycle characteristics can be improved by providing a film containing at least one oxide and a halide.
(実施例5−1〜5−3)
図3,4に示したラミネートフィルム型の二次電池を作製した。まず、正極33および負極34を実施例1−1,1−3,1−4と同様にして作製した。なお、負極34は、ケイ素よりなる負極活物質層34Bを電子ビーム蒸着法により形成したのち、酸化ケイ素とケイ素のフッ化物とを含む被膜を形成したものである。また、作製した負極34を用いて、XPSにより、被膜における元素の割合を求めた。結果を表5に示す。
(Examples 5-1 to 5-3)
The laminate film type secondary battery shown in FIGS. First, the positive electrode 33 and the negative electrode 34 were produced like Example 1-1, 1-3, 1-4. The negative electrode 34 is obtained by forming a negative electrode active material layer 34B made of silicon by an electron beam vapor deposition method and then forming a film containing silicon oxide and silicon fluoride. Moreover, the ratio of the element in a film was calculated | required by XPS using the produced negative electrode 34. FIG. The results are shown in Table 5.
次いで、溶媒として4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンと、炭酸プロピレンとを1:1の質量比で混合し、電解質塩として六フッ化リン酸リチウムを1mol/lの濃度で溶解させて電解液を作製した。続いて、高分子化合物としてフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとを、フッ化ビニリデン:ヘキサフルオロプロピレン=93:7の質量比でブロック共重合させた共重合体を用意し、この高分子化合物と、作製した電解液とを、混合溶剤を用いて混合して前駆溶液を作製した。そののち、作製した前駆溶液を正極33および負極34のそれぞれに塗布し、混合溶剤を揮発させてゲル状の電解質層36を形成した。 Next, 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one as a solvent and propylene carbonate are mixed at a mass ratio of 1: 1, and lithium hexafluorophosphate as an electrolyte salt is dissolved at a concentration of 1 mol / l. To prepare an electrolyte solution. Subsequently, a polymer obtained by block copolymerization of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene at a mass ratio of vinylidene fluoride: hexafluoropropylene = 93: 7 as a polymer compound was prepared. The prepared electrolytic solution was mixed with a mixed solvent to prepare a precursor solution. After that, the prepared precursor solution was applied to each of the positive electrode 33 and the negative electrode 34, and the mixed solvent was volatilized to form a gel electrolyte layer 36.
次いで、正極33にアルミニウム製の正極リード31と取り付けると共に、負極34にニッケル製の負極リード32を取り付け、正極33と負極34とを厚み25μmのポリエチレンよりなるセパレータ35を介して積層し、巻回したのち、ラミネートフィルムよりなる外装部材40に減圧封入して二次電池を作製した。 Next, the positive electrode lead 31 made of aluminum is attached to the positive electrode 33, the negative electrode lead 32 made of nickel is attached to the negative electrode 34, and the positive electrode 33 and the negative electrode 34 are laminated via a separator 35 made of polyethylene having a thickness of 25 μm. After that, a secondary battery was produced by enclosing the outer member 40 made of a laminate film under reduced pressure.
実施例5−1〜5−3に対する比較例5−1として、ケイ素の酸化物とケイ素のフッ化物とを含む被膜を形成しなかったことを除き、他は実施例5−1〜5−3と同様にして二次電池を作製した。 As Comparative Example 5-1 with respect to Examples 5-1 to 5-3, except that a film containing an oxide of silicon and a fluoride of silicon was not formed, other examples 5-1 to 5-3 A secondary battery was fabricated in the same manner as described above.
作製した実施例5−1〜5−3および比較例5−1の二次電池について、実施例1−1〜1−7と同様にして、サイクル特性を調べた。結果を表5に示す。 For the fabricated secondary batteries of Examples 5-1 to 5-3 and Comparative example 5-1, cycle characteristics were examined in the same manner as in Examples 1-1 to 1-7. The results are shown in Table 5.
表5に示したように、実施例1−1〜1−5と同様の結果が得られた。すなわち、ゲル状の電解質を用いた場合にも、構成元素としてケイ素およびスズのうちの少なくとも一方を含む負極活物質の表面の少なくとも一部に、ケイ素,ゲルマニウムおよびスズからなる群のうちの少なくとも1種の酸化物とハロゲン化物とを含む被膜を設けるようにすれば、サイクル特性を向上させることができることが分かった。 As shown in Table 5, the same results as in Examples 1-1 to 1-5 were obtained. That is, even when a gel electrolyte is used, at least a part of the surface of the negative electrode active material containing at least one of silicon and tin as a constituent element is at least one of the group consisting of silicon, germanium, and tin. It was found that the cycle characteristics can be improved by providing a film containing a seed oxide and a halide.
(実施例6−1〜6−11) (Examples 6-1 to 6-11)
まず、正極33を作製した。すなわち、炭酸リチウム(Li2 CO3 )と炭酸コバルト(CoCO3 )とをLi2 CO3 :CoCO3 =0.5:1のモル比で混合し、空気中において900℃で5時間焼成して正極活物質としてのリチウム・コバルト複合酸化物(LiCoO2 )を得た。次いで、このリチウム・コバルト複合酸化物91質量部と、導電材としてグラファイト6質量部と、結着材としてポリフッ化ビニリデン3質量部とを混合して正極合剤を調製したのち、溶剤としてのN−メチル−2−ピロリドンに分散させて正極合剤スラリーとした。続いて、この正極合剤スラリーを厚み12μmのアルミニウム箔よりなる正極集電体33Aの両面に均一に塗布して乾燥させたのち、ロールプレス機で圧縮成型することにより正極活物質層33Bを形成した。こののち、正極集電体33Aの一端部に、アルミニウム製の正極リード31を溶接して取り付けた。 First, the positive electrode 33 was produced. That is, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and cobalt carbonate (CoCO 3 ) are mixed at a molar ratio of Li 2 CO 3 : CoCO 3 = 0.5: 1, and calcined in air at 900 ° C. for 5 hours. Lithium / cobalt composite oxide (LiCoO 2 ) as a positive electrode active material was obtained. Next, 91 parts by mass of this lithium-cobalt composite oxide, 6 parts by mass of graphite as a conductive material, and 3 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder were prepared to prepare a positive electrode mixture, and then N as a solvent. -Dispersed in methyl-2-pyrrolidone to obtain a positive electrode mixture slurry. Subsequently, the positive electrode mixture slurry is uniformly applied to both surfaces of a positive electrode current collector 33A made of an aluminum foil having a thickness of 12 μm, dried, and then compression-molded with a roll press to form a positive electrode active material layer 33B. did. After that, the positive electrode lead 31 made of aluminum was welded and attached to one end of the positive electrode current collector 33A.
次に、負極34を作製した。具体的には、まず、厚み10μmの銅箔よりなる負極集電体34Aに、電子ビーム蒸着法によりケイ素からなる複数の負極活物質粒子を形成し、その負極活物質粒子の表面に酸化ケイ素とケイ素のフッ化物とを含む被膜を選択的に形成することで負極活物質層34Bを得た。被膜については、実施例6−1〜6−9ではゾルゲル法を用いて形成した。ゾルゲル法を行うにあたっては、まず、75.2gのエタノールと、23.5gの水と、0.3gの塩酸と、0.9gの六フッ化リン酸リチウムとを混合した溶液に25gのテトラエトキシシランを加え2時間撹拌することで処理溶液を生成した。続いて、この処理溶液に負極活物質層34Bが形成された負極集電体34Aを浸漬し、処理溶液から引き上げ、エタノールなどの溶媒を十分に揮発させたのち、200℃で1時間に亘って焼成した。一方、実施例6−10,6−11では、実施例1−3と同様にして液相析出法により被膜を形成した。被膜の厚みは、30nm〜300nmの範囲に収まるようにした。さらに、実施例6−9,6−11では、被膜によって覆われた負極活物質粒子同士の隙間を埋めるように、めっき浴にエアーを供給しながら電解めっき法によってコバルトを堆積させるようにした。この際、鍍金液として日本高純度化学株式会社製のコバルトめっき液を用い、電流密度を2A/dm2 〜5A/dm2 とし、めっき速度を10nm/秒とした。最後に、負極集電体34Aの一端部にニッケル製の負極リード32を取り付けた。 Next, the negative electrode 34 was produced. Specifically, first, a plurality of negative electrode active material particles made of silicon are formed on a negative electrode current collector 34A made of a copper foil having a thickness of 10 μm by an electron beam evaporation method, and silicon oxide and silicon oxide are formed on the surface of the negative electrode active material particles. A negative electrode active material layer 34B was obtained by selectively forming a film containing a silicon fluoride. The coating was formed using the sol-gel method in Examples 6-1 to 6-9. In performing the sol-gel method, first, 25 g of tetraethoxy was added to a solution in which 75.2 g of ethanol, 23.5 g of water, 0.3 g of hydrochloric acid, and 0.9 g of lithium hexafluorophosphate were mixed. Silane was added and stirred for 2 hours to produce a treatment solution. Subsequently, the negative electrode current collector 34A on which the negative electrode active material layer 34B is formed is immersed in this treatment solution, pulled up from the treatment solution, and sufficiently evaporated a solvent such as ethanol, and then at 200 ° C. for 1 hour. Baked. On the other hand, in Examples 6-10 and 6-11, a film was formed by the liquid phase precipitation method in the same manner as in Example 1-3. The thickness of the coating was adjusted to fall within the range of 30 nm to 300 nm. Furthermore, in Examples 6-9 and 6-11, cobalt was deposited by an electrolytic plating method while supplying air to the plating bath so as to fill the gaps between the negative electrode active material particles covered with the coating film. At this time, a cobalt plating solution manufactured by Japan High Purity Chemical Co., Ltd. was used as the plating solution, the current density was 2 A / dm 2 to 5 A / dm 2 , and the plating rate was 10 nm / second. Finally, a nickel negative electrode lead 32 was attached to one end of the negative electrode current collector 34A.
続いて、溶媒として、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)とを1:1の質量比で混合した主剤に表6(後出)に示した各種の添加剤を外割で1質量%ずつ混合したものを用意したのち、この溶媒に、電解質塩として六フッ化リン酸リチウムを1mol/kgの濃度で溶解させることで電解液を作製した。但し、実施例6−1では添加剤を添加しなかった。なお、表6において、VCは炭酸ビニレン(1,3−ジオキソール−2−オン)であり、VECは炭酸ビニルエチレン(4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン)であり、FECはフルオロエチレンカーボネート(4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン)であり、DFECはジフルオロエチレンカーボネート(4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン)であり、PRSはプロペンスルトンであり、SCAHは無水コハク酸であり、SBAHは無水スルホ安息香酸である。電解液を作製したのち、高分子化合物としてフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとをフッ化ビニリデン:ヘキサフルオロプロピレン=93:7の質量比でブロック共重合させた共重合体を用意し、この高分子化合物と、先に作製した電解液とを、所定の混合溶剤を用いて混合して前駆溶液を作製した。そののち、作製した前駆溶液を正極33および負極34のそれぞれに塗布し、混合溶剤を揮発させてゲル状の電解質層36を形成した。 Subsequently, as a solvent, various additives shown in Table 6 (described later) are mixed with the main agent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) are mixed at a mass ratio of 1: 1. After preparing what was mixed each, the electrolyte solution was produced by dissolving lithium hexafluorophosphate as an electrolyte salt at a concentration of 1 mol / kg in this solvent. However, no additive was added in Example 6-1. In Table 6, VC is vinylene carbonate (1,3-dioxol-2-one), VEC is vinyl ethylene carbonate (4-vinyl-1,3-dioxolan-2-one), and FEC is fluoro. Ethylene carbonate (4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one), DFEC is difluoroethylene carbonate (4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one), and PRS is propene sultone. Yes, SCAH is succinic anhydride, and SBAH is anhydrous sulfobenzoic acid. After preparing the electrolytic solution, a polymer prepared by block copolymerization of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene at a mass ratio of vinylidene fluoride: hexafluoropropylene = 93: 7 as a polymer compound was prepared. The compound and the previously prepared electrolyte were mixed using a predetermined mixed solvent to prepare a precursor solution. After that, the prepared precursor solution was applied to each of the positive electrode 33 and the negative electrode 34, and the mixed solvent was volatilized to form a gel electrolyte layer 36.
次いで、正極33と負極34とを厚み25μmのポリエチレンよりなるセパレータ35を介して積層して巻回したのち、ラミネートフィルムよりなる外装部材40に減圧封入して二次電池を作製した。 Next, the positive electrode 33 and the negative electrode 34 were laminated and wound via a separator 35 made of polyethylene having a thickness of 25 μm, and then enclosed in an exterior member 40 made of a laminate film under reduced pressure to produce a secondary battery.
(比較例6−1〜6−3)
また、比較例6−1として、被膜を設けなかったことを除き、他は実施例6−1と同様にして二次電池を作製し、比較例6−2として、被膜を設けなかったことを除き、他は実施例6−5,6−10と同様にして二次電池を作製し、比較例6−3として、被膜を設けなかったことを除き、他は実施例6−9,6−11と同様にして二次電池を作製した。
(Comparative Examples 6-1 to 6-3)
Further, as Comparative Example 6-1, a secondary battery was fabricated in the same manner as Example 6-1 except that no coating was provided, and as Comparative Example 6-2, no coating was provided. Other than that, a secondary battery was fabricated in the same manner as in Examples 6-5 and 6-10, and as Comparative Example 6-3, except that no coating was provided, Examples 6-9 and 6-6 were the same. In the same manner as in Example 11, a secondary battery was produced.
作製した実施例6−1〜6−11および比較例6−1〜6−3の二次電池について、サイクル特性を調べた。サイクル特性は、23℃で充放電を100サイクル行い、2サイクル目の放電容量を100とした場合の100サイクル目の放電容量維持率(%)を求めた。その際、充電は、1mA/cm2 の定電流密度で電池電圧が4.2Vに達するまで行ったのち、4.2Vの定電圧で電流密度が0.02mA/cm2 に達するまで行い、放電は、1mA/cm2 の定電流密度で電池電圧が2.5Vに達するまで行った。また、作製した負極34について、XPSにより、被膜における元素の割合を求めた。それらの結果を表6に示す。 The cycle characteristics of the fabricated secondary batteries of Examples 6-1 to 6-11 and Comparative Examples 6-1 to 6-3 were examined. As for the cycle characteristics, 100 cycles of charge and discharge were performed at 23 ° C., and the discharge capacity retention rate (%) at the 100th cycle when the discharge capacity at the second cycle was set to 100 was obtained. In that case, charging, after performing a constant current density of 1 mA / cm 2 until the battery voltage reached 4.2V, performed at a constant voltage of 4.2V until the current density reached 0.02 mA / cm 2, discharge Was performed at a constant current density of 1 mA / cm 2 until the battery voltage reached 2.5V. Moreover, about the produced negative electrode 34, the ratio of the element in a film was calculated | required by XPS. The results are shown in Table 6.
表6に示したように、XPSの結果により、実施例6−1〜6−11では、ケイ素と酸素とフッ素とが確認され、酸化ケイ素とケイ素のフッ化物とが存在することが確認された。さらに、ゾルゲル法または液相析出法を用いて負極活物質粒子の表面に酸化ケイ素とケイ素のフッ化物とを含む被膜を形成するようにすれば、サイクル特性が向上することがわかった。また、実施例6−5と実施例6−9との比較、または実施例6−10と実施例6−11との比較により、隣接する負極活物質粒子間の隙間に電極反応物質と合金化しない金属元素を有する金属を充填することで、サイクル特性がさらに向上することが確認できた。さらに、実施例6−9,6−11と比較例6−3との比較により、被膜の形成と併せて上述の金属を充填することで、サイクル特性がさらに向上することが確認できた。 As shown in Table 6, according to the results of XPS, in Examples 6-1 to 6-11, silicon, oxygen, and fluorine were confirmed, and it was confirmed that silicon oxide and a fluoride of silicon were present. . Furthermore, it was found that the cycle characteristics were improved by forming a film containing silicon oxide and silicon fluoride on the surface of the negative electrode active material particles using the sol-gel method or the liquid phase precipitation method. Further, by comparing Example 6-5 with Example 6-9, or comparing Example 6-10 with Example 6-11, the electrode reactant was alloyed with the gap between the adjacent negative electrode active material particles. It was confirmed that the cycle characteristics were further improved by filling a metal having a metal element that was not used. Furthermore, by comparing Examples 6-9 and 6-11 with Comparative Example 6-3, it was confirmed that the cycle characteristics were further improved by filling the above-mentioned metal together with the formation of the film.
(実施例7−1)
電解質塩として、LiPF6 およびLiBF4 を、それぞれ0.9mol/kgおよび0.1mol/kgの濃度で電解液に溶解させたものを用いるようにしたことを除き、他は実施例6−1と同様にして実施例7−1の二次電池を作製した。
(Example 7-1)
Except that LiPF 6 and LiBF 4 were dissolved in an electrolyte solution at concentrations of 0.9 mol / kg and 0.1 mol / kg, respectively, as the electrolyte salt, Example 6-1 and others were used. Similarly, a secondary battery of Example 7-1 was produced.
(実施例7−2)
電解質塩として、LiPF6 および化8(6)に示した化合物を、電解液に対しそれぞれ0.9mol/kgおよび0.1mol/kgの濃度で溶解させたものを用いるようにしたことを除き、他は実施例6−1と同様にして実施例7−2の二次電池を作製した。
(Example 7-2)
Except that LiPF 6 and the compound shown in Chemical Formula 8 (6) were dissolved in the electrolyte solution at concentrations of 0.9 mol / kg and 0.1 mol / kg, respectively, as the electrolyte salt, Otherwise, the secondary battery of Example 7-2 was produced in the same manner as Example 6-1.
(実施例7−3)
電解質塩として、LiPF6 および化9(2)に示した化合物を、電解液に対しそれぞれ0.9mol/kgおよび0.1mol/kgの濃度で溶解させたものを用いるようにしたことを除き、他は実施例6−1と同様にして実施例7−3の二次電池を作製した。
(Example 7-3)
Except that LiPF 6 and the compound shown in Chemical Formula 9 (2) were dissolved in the electrolyte at concentrations of 0.9 mol / kg and 0.1 mol / kg, respectively, as the electrolyte salt, Otherwise, the secondary battery of Example 7-3 was produced in the same manner as Example 6-1.
(実施例7−4)
電解質塩として、LiPF6 および化13(2)に示した化合物を、電解液に対しそれぞれ0.9mol/kgおよび0.1mol/kgの濃度で溶解させたものを用いるようにしたことを除き、他は実施例6−1と同様にして実施例7−4の二次電池を作製した。
(Example 7-4)
Except that LiPF 6 and the compound shown in chemical formula 13 (2) were dissolved in the electrolyte at concentrations of 0.9 mol / kg and 0.1 mol / kg, respectively, as the electrolyte salt, Otherwise, the secondary battery of Example 7-4 was produced in the same manner as Example 6-1.
(実施例7−5)
電解質塩として、LiPF6 、化8(6)に示した化合物および化13(2)に示した化合物を、電解液に対しそれぞれ0.9mol/kg、0.05mol/kgおよび0.05mol/kgの濃度で溶解させたものを用いるようにしたことを除き、他は実施例6−1と同様にして実施例7−5の二次電池を作製した。
(Example 7-5)
As the electrolyte salt, LiPF 6 , the compound shown in Chemical formula 8 (6) and the compound shown in Chemical formula 13 (2) are respectively 0.9 mol / kg, 0.05 mol / kg and 0.05 mol / kg with respect to the electrolytic solution. A secondary battery of Example 7-5 was made in the same manner as Example 6-1 except that the material dissolved at a concentration of 5 was used.
また、比較例7−1として、酸化物含有膜を設けなかったことを除き、他は実施例7−2と同様にして二次電池を作製した。 Further, as Comparative Example 7-1, a secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 7-2 except that the oxide-containing film was not provided.
作製した実施例7−1〜7−5および比較例7−1の二次電池について、実施例6−1〜6−11と同様にしてサイクル特性を調べた。その結果を実施例6−1および比較例6−1と併せて表7に示す。 For the fabricated secondary batteries of Examples 7-1 to 7-5 and Comparative example 7-1, cycle characteristics were examined in the same manner as in Examples 6-1 to 6-11. The results are shown in Table 7 together with Example 6-1 and Comparative example 6-1.
表7に示したように、実施例6−1と、実施例7−1〜7−5との比較から、LiPF6 に加えて電解質塩にLiBF4 、化8(6)の化合物、化9(2)の化合物、化13(2)の化合物などを含むようにすれば、より高いサイクル特性が得られることがわかった。また、実施例7−2と比較例7−1との比較により、LiPF6 に他の電解質塩を加えた場合であっても、被膜を設けることによるサイクル特性向上の効果が得られることが確認できた。 As shown in Table 7, from comparison between Example 6-1 and Examples 7-1 to 7-5, in addition to LiPF 6 , LiBF 4 , a compound of Chemical formula 8 (6), Chemical formula 9 It was found that higher cycle characteristics can be obtained by including the compound (2), the compound (13), and the like. In addition, comparison between Example 7-2 and Comparative Example 7-1 confirms that the effect of improving the cycle characteristics by providing a film can be obtained even when another electrolyte salt is added to LiPF 6. did it.
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は実施の形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、電解質として電解液または電解液を高分子化合物に保持させたゲル状電解質を用いる場合についても説明したが、他の電解質を用いるようにしてもよい。他の電解質としては、例えば、イオン伝導性セラミックス,イオン伝導性ガラスあるいはイオン性結晶などのイオン伝導性無機化合物、または他の無機化合物、またはこれらの無機化合物と電解液あるいはゲル状電解質とを混合したものが挙げられる。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments and examples, the present invention is not limited to the embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiments and examples, the case where the electrolyte solution or the gel electrolyte in which the polymer solution is held in the polymer compound is used as the electrolyte has been described, but other electrolytes may be used. Other electrolytes include, for example, ion conductive inorganic compounds such as ion conductive ceramics, ion conductive glass or ionic crystals, or other inorganic compounds, or a mixture of these inorganic compounds and an electrolyte or gel electrolyte. The thing which was done is mentioned.
また、上記実施の形態および実施例では、電極反応物質としてリチウムを用いる電池について説明したが、ナトリウム(Na)あるいはカリウム(K)などの他のアルカリ金属、またはマグネシウム(Mg)あるいはカルシウム(Ca)などのアルカリ土類金属、またはアルミニウムなどの他の軽金属を用いる場合についても、本発明を適用することができる。 In the above embodiment and examples, a battery using lithium as an electrode reactant has been described. However, other alkali metals such as sodium (Na) or potassium (K), magnesium (Mg), or calcium (Ca). The present invention can also be applied to the case of using alkaline earth metals such as other light metals or other light metals such as aluminum.
更に、上記実施の形態または実施例では、円筒型,ラミネートフィルム型あるいはコイン型の二次電池を具体的に挙げて説明したが、本発明はボタン型、あるいは角型などの他の形状を有する二次電池、または積層構造などの他の構造を有する二次電池についても同様に適用することができる。また、本発明は、二次電池に限らず、一次電池などの他の電池についても同様に適用することができる。 Further, in the above-described embodiment or example, a cylindrical type, laminated film type, or coin type secondary battery has been specifically described, but the present invention has other shapes such as a button type or a square type. The present invention can be similarly applied to a secondary battery or a secondary battery having another structure such as a laminated structure. Further, the present invention is not limited to the secondary battery, and can be similarly applied to other batteries such as a primary battery.
また、上記実施例では、溶媒として環状炭酸エステルを用いた場合について説明したが、化1で表されるハロゲンを有する鎖状炭酸エステルを用いた場合においても同様の傾向が確認された。 Moreover, although the said Example demonstrated the case where cyclic carbonate was used as a solvent, the same tendency was confirmed also when the chain carbonate which has the halogen represented by Chemical formula 1 is used.
11…電池缶、12,13…絶縁板、14…電池蓋、15…安全弁機構、15A…ディスク板、16…熱感抵抗素子、17,56…ガスケット、20,30…巻回電極体、21,33,51…正極、21A,33A,51A…正極集電体、21B,33B,51B…正極活物質層、22,34,52…負極、22A,34A,52A…負極集電体、22B,34B,52B…負極活物質層、23,35,53…セパレータ、24…センターピン、25,31…正極リード、26,32…負極リード、36…電解質層、37…保護テープ、40…外装部材、41…密着フィルム、54…外装缶、55…外装カップ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Battery can, 12, 13 ... Insulation board, 14 ... Battery cover, 15 ... Safety valve mechanism, 15A ... Disc board, 16 ... Heat sensitive resistance element, 17, 56 ... Gasket, 20, 30 ... Winding electrode body, 21 , 33, 51 ... positive electrode, 21A, 33A, 51A ... positive electrode current collector, 21B, 33B, 51B ... positive electrode active material layer, 22, 34, 52 ... negative electrode, 22A, 34A, 52A ... negative electrode current collector, 22B, 34B, 52B ... negative electrode active material layer, 23, 35, 53 ... separator, 24 ... center pin, 25, 31 ... positive electrode lead, 26, 32 ... negative electrode lead, 36 ... electrolyte layer, 37 ... protective tape, 40 ... exterior member 41 ... Adhesion film, 54 ... Exterior can, 55 ... Exterior cup.
Claims (26)
前記負極活物質層は、構成元素としてケイ素(Si)およびスズ(Sn)のうちの少なくとも一方を含む負極活物質を含有し、
前記負極活物質は、その表面の少なくとも一部に、ケイ素,ゲルマニウム(Ge)およびスズからなる群のうちの少なくとも1種の酸化物とハロゲン化物とを含む被膜を有する
ことを特徴とする負極。 A negative electrode current collector, and a negative electrode active material layer provided on the negative electrode current collector,
The negative electrode active material layer contains a negative electrode active material containing at least one of silicon (Si) and tin (Sn) as a constituent element,
The negative electrode active material has a coating film containing at least one oxide selected from the group consisting of silicon, germanium (Ge), and tin and a halide on at least a part of the surface of the negative electrode active material.
ことを特徴とする請求項1記載の負極。 The negative electrode according to claim 1, wherein the coating film includes a fluorine anion or a compound of fluorine and one of group 13 to group 15 elements.
前記負極は、負極集電体と、この負極集電体に設けられた負極活物質層とを有し、
前記負極活物質層は、構成元素としてケイ素(Si)およびスズ(Sn)のうちの少なくとも一方を含む負極活物質を含有し、
前記負極活物質は、その表面の少なくとも一部に、ケイ素,ゲルマニウム(Ge)およびスズからなる群のうちの少なくとも1種の酸化物とハロゲン化物とを含む被膜を有する
ことを特徴とする電池。 A battery comprising an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode,
The negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer provided on the negative electrode current collector,
The negative electrode active material layer contains a negative electrode active material containing at least one of silicon (Si) and tin (Sn) as a constituent element,
The negative electrode active material has a coating film containing at least one oxide of a group consisting of silicon, germanium (Ge), and tin and a halide on at least a part of a surface of the negative electrode active material.
ことを特徴とする請求項10記載の電池。 The battery according to claim 10, wherein the coating film includes a fluorine anion or a compound of fluorine and one of elements in groups 13 to 15.
(R11〜R16は水素基、ハロゲン基、アルキル基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それらは互いに同一でもよいし異なってもよいが、それらのうちの少なくとも1つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。)
(R21〜R24は水素基、ハロゲン基、アルキル基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それらは互いに同一でもよいし異なってもよいが、それらのうちの少なくとも1つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。) The electrolyte includes at least one selected from the group consisting of a chain carbonate having a halogen represented by Chemical Formula 1 and a cyclic carbonate having a halogen represented by Chemical Formula 2 as a solvent. Item 11. The battery according to Item 10.
(R11 to R16 are a hydrogen group, a halogen group, an alkyl group or a halogenated alkyl group, which may be the same or different from each other, but at least one of them is a halogen group or a halogenated alkyl group. is there.)
(R21 to R24 are a hydrogen group, a halogen group, an alkyl group or a halogenated alkyl group, and they may be the same or different, but at least one of them is a halogen group or a halogenated alkyl group. is there.)
前記ハロゲンを有する環状炭酸エステルは、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンおよび4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンのうちの少なくとも1種を含む
ことを特徴とする請求項19記載の電池。 The chain carbonate having halogen includes at least one of fluoromethyl methyl carbonate, bis (fluoromethyl) carbonate and difluoromethyl methyl carbonate,
The cyclic ester carbonate having halogen includes at least one of 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and 4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one. The battery according to claim 19.
(X31は短周期型周期表における1A族元素あるいは2A族元素、またはアルミニウム(Al)である。M31は遷移金属、または短周期型周期表における3B族元素、4B族元素あるいは5B族元素である。R31はハロゲン基である。Y31は−OC−R32−CO−、−OC−CR332 −あるいは−OC−CO−である。ただし、R32はアルキレン基、ハロゲン化アルキレン基、アリーレン基あるいはハロゲン化アリーレン基である。R33はアルキル基、ハロゲン化アルキル基、アリール基あるいはハロゲン化アリール基であり、それは互いに同一でもよいし異なってもよい。なお、a3は1〜4の整数であり、b3は0,2あるいは4の整数であり、c3、d3、m3およびn3は1〜3の整数である。)
(X41は短周期型周期表における1A族元素あるいは2A族元素である。M41は遷移金属、または短周期型周期表における3B族元素、4B族元素あるいは5B族元素である。Y41は−OC−(CR412 )b4−CO−、−R432 C−(CR422 )c4−CO−、−R432 C−(CR422 )c4−CR432 −、−R432 C−(CR422 )c4−SO2 −、−O2 S−(CR422 )d4−SO2 −あるいは−OC−(CR422 )d4−SO2 −である。ただし、R41およびR43は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それぞれは互いに同一でもよいし異なってもよいが、それぞれのうちの少なくとも1つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。R42は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それは互いに同一でもよいし異なってもよい。なお、a4、e4およびn4は1あるいは2の整数であり、b4およびd4は1〜4の整数であり、c4は0〜4の整数であり、f4およびm4は1〜3の整数である。)
(X51は短周期型周期表における1A族元素あるいは2A族元素である。M51は遷移金属、または短周期型周期表における3B族元素、4B族元素あるいは5B族元素である。Rfは炭素数=1〜10のフッ素化アルキル基あるいは炭素数=1〜10のフッ素化アリール基である。Y51は−OC−(CR512 )d5−CO−、−R522 C−(CR512 )d5−CO−、−R522 C−(CR512 )d5−CR522 −、−R522 C−(CR512 )d5−SO2 −、−O2 S−(CR512 )e5−SO2 −あるいは−OC−(CR512 )e5−SO2 −である。ただし、R51は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それは互いに同一でもよいし異なってもよい。R52は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それは互いに同一でもよいし異なってもよいが、そのうちの少なくとも1つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。なお、a5、f5およびn5は1あるいは2の整数であり、b5、c5およびe5は1〜4の整数であり、d5は0〜4の整数であり、g5およびm5は1〜3の整数である。) 11. The battery according to claim 10, wherein the electrolyte contains at least one selected from the group consisting of compounds represented by Chemical Formula 3, Chemical Formula 4 and Chemical Formula 5 as an electrolyte salt.
(X31 is a 1A group element or 2A group element or aluminum (Al) in the short period type periodic table. M31 is a transition metal, or a 3B group element, 4B group element or 5B group element in the short period type periodic table. R31 is a halogen group, Y31 is —OC—R32—CO—, —OC—CR33 2 — or —OC—CO—, wherein R32 is an alkylene group, a halogenated alkylene group, an arylene group or a halogenated group. R33 is an alkyl group, a halogenated alkyl group, an aryl group or a halogenated aryl group, which may be the same or different from each other, wherein a3 is an integer of 1 to 4, and b3 is (It is an integer of 0, 2 or 4. c3, d3, m3 and n3 are integers of 1 to 3.)
(X41 is a Group 1A element or a Group 2A element in the short period type periodic table. M41 is a transition metal, or a Group 3B element, a Group 4B element, or a Group 5B element in the short period type periodic table. Y41 is —OC—. (CR41 2) b4 -CO -, - R43 2 C- (CR42 2) c4 -CO -, - R43 2 C- (CR42 2) c4 -CR43 2 -, - R43 2 C- (CR42 2) c4 -SO 2 —, —O 2 S— (CR42 2 ) d4 —SO 2 — or —OC— (CR42 2 ) d4 —SO 2 —, wherein R41 and R43 are hydrogen, alkyl, halogen or halogenated Each of which may be the same as or different from each other, at least one of which is a halogen group or a halogenated alkyl group, R42 is a hydrogen group, an alkyl group A halogen group or a halogenated alkyl group, which may be the same or different from each other, wherein a4, e4 and n4 are integers of 1 or 2, b4 and d4 are integers of 1 to 4, c4 is an integer of 0 to 4, and f4 and m4 are integers of 1 to 3.)
(X51 is a group 1A element or a group 2A element in the short period type periodic table. M51 is a transition metal, or a group 3B element, a group 4B element or a group 5B element in the short period type periodic table. Rf is the number of carbon atoms = A fluorinated alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or a fluorinated aryl group having 1 to 10 carbon atoms, Y51 is —OC— (CR51 2 ) d5 —CO—, —R52 2 C— (CR51 2 ) d5 —CO—. , -R52 2 C- (CR51 2) d5 -CR52 2 -, - R52 2 C- (CR51 2) d5 -SO 2 -, - O 2 S- (CR51 2) e5 -SO 2 - or -OC- ( CR51 2) e5 -SO 2 -. is, however, R51 is a hydrogen group, an alkyl group, a halogen group or a halogenated alkyl group, it is .R52 may differ and may be identical to one another hydrogen group, an alkyl group A halogen group or a halogenated alkyl group, which may be the same as or different from each other, at least one of which is a halogen group or a halogenated alkyl group, wherein a5, f5 and n5 are 1 or 2; B5, c5 and e5 are integers of 1 to 4, d5 is an integer of 0 to 4, and g5 and m5 are integers of 1 to 3.)
前記化4に示した化合物は、化7(1)から化7(8)で表される化合物のうちの少なくとも1種を含み、
前記化5に示した化合物は、化7(9)で表される化合物である
ことを特徴とする請求項23記載の電池。
The compound represented by Chemical Formula 4 includes at least one of the compounds represented by Chemical Formula 7 (1) to Chemical Formula 7 (8),
24. The battery according to claim 23, wherein the compound represented by chemical formula 5 is a compound represented by chemical formula 7 (9).
(mおよびnは1以上の整数であり、それらは互いに同一でもよいし異なってもよい。)
(R61は炭素数=2〜4の直鎖状あるいは分岐状のパーフルオロアルキレン基である。)
(p、qおよびrは1以上の整数であり、それらは互いに同一でもよいし異なってもよい。) The electrolyte comprises, as an electrolyte salt, lithium hexafluorophosphate, lithium tetrafluoroborate, lithium perchlorate, lithium hexafluoroarsenate, and compounds represented by chemical formula 8, chemical formula 9 and chemical formula 10. The battery according to claim 10, comprising at least one member of the group.
(M and n are integers of 1 or more, and they may be the same or different.)
(R61 is a linear or branched perfluoroalkylene group having 2 to 4 carbon atoms.)
(P, q and r are integers of 1 or more, and they may be the same or different from each other.)
ことを特徴とする請求項10記載の電池。 The battery according to claim 10, wherein the coating is also provided on a surface of the negative electrode active material in a region other than a region of the negative electrode active material layer facing the positive electrode active material layer of the positive electrode. .
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