JP4910281B2 - Negative electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、構成元素としてスズ(Sn)とコバルト(Co)と炭素(C)とを含有する負極活物質と、炭素材料とを含むリチウムイオン二次電池用負極、およびそれを用いたリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a negative electrode for a lithium ion secondary battery comprising a negative electrode active material containing tin (Sn), cobalt (Co) and carbon (C) as constituent elements, and a carbon material, and lithium ion using the negative electrode The present invention relates to a secondary battery.
近年、カメラ一体型VTR(Videotape Recorder;ビデオテープレコーダー)、携帯電話、ノートパソコンなどのポータブル電子機器が多く登場し、その小型化および軽量化が図られている。それに伴い、それらの電子機器のポータブル電源として用いられている電池、特に二次電池についてエネルギー密度の向上が強く要請されている。 In recent years, many portable electronic devices such as a camera-integrated VTR (Videotape Recorder), a mobile phone, and a laptop computer have been introduced, and their size and weight have been reduced. Accordingly, there is a strong demand for an improvement in energy density of batteries used as portable power sources for such electronic devices, particularly secondary batteries.
このような要求に応える二次電池としては、従来より、負極活物質にリチウムイオンのインターカレーション反応を利用した黒鉛材料、または細孔中へのリチウムイオンの吸蔵・放出作用を応用した炭素材料を用いたいわゆるリチウムイオン二次電池が実用化されている。 Secondary batteries that meet these demands have traditionally been graphite materials that use lithium ion intercalation reactions as the negative electrode active material, or carbon materials that apply lithium ion storage and release into the pores. A so-called lithium ion secondary battery using a battery has been put into practical use.
しかしながら、近年の携帯用機器の高性能化に伴い、二次電池の容量に対する要求はさらに強いものとなっている。このような要求に応える二次電池として、リチウム金属などの軽金属をそのまま負極活物質として用いることが提案されている。この電池では、充電過程において負極に軽金属がデンドライト状に析出しやすくなり、デンドライトの先端で電流密度が非常に高くなる。このため、非水電解液の分解などによりサイクル寿命が低下したり、また、過度にデンドライトが成長して電池の内部短絡が発生したりするという問題があった。 However, with the recent improvement in performance of portable devices, the demand for the capacity of the secondary battery has become stronger. As a secondary battery that meets such requirements, it has been proposed to use a light metal such as lithium metal as a negative electrode active material as it is. In this battery, light metal tends to precipitate in a dendrite state on the negative electrode during the charging process, and the current density becomes very high at the end of the dendrite. For this reason, there has been a problem that the cycle life is reduced due to decomposition of the non-aqueous electrolyte, or the dendrite grows excessively and an internal short circuit of the battery occurs.
これに対し、種々の合金材料などを負極活物質として用いることが提案されている。例えば特許文献1〜5には、ケイ素合金について記載されている。また、特許文献6〜14にはスズ−ニッケル合金、リチウム−アルミニウム−スズ合金、スズ−亜鉛合金、リン(P)を1質量%以上55質量%以下の範囲内で含むスズ合金、Cu2 NiSn、Mg2 Sn、スズ−銅合金、あるいはリチウムを吸蔵するスズ含有相と、マンガン(Mn),鉄(Fe),コバルト,ニッケル(Ni)あるいは銅(Cu)から構成されるリチウム(Li)を吸蔵しない相との混合物について記載されている。
On the other hand, using various alloy materials etc. as a negative electrode active material is proposed. For example,
しかしながら、これらの合金材料を用いた場合においても、十分なサイクル特性は得られず、合金材料における高容量負極の特長を十分に活かしきれていないのが実状である。
そこで、サイクル特性を十分に向上させることができる負極活物質として、構成元素として、スズとコバルトと炭素とを少なくとも含有し、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が30質量%以上70質量%以下である材料を開発するに至った。しかし、この負極活物質においても、充放電に伴う膨張・収縮により、充放電サイクル特性が低下してしまうという問題があり、さらなる改善が望まれていた。 Therefore, as a negative electrode active material capable of sufficiently improving cycle characteristics, at least tin, cobalt, and carbon are contained as constituent elements, and the carbon content is 9.9 mass% or more and 29.7 mass% or less. In addition, the inventors have developed a material in which the ratio of cobalt to the total of tin and cobalt is 30% by mass or more and 70% by mass or less. However, this negative electrode active material also has a problem that the charge / discharge cycle characteristics deteriorate due to expansion / contraction associated with charge / discharge, 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、高容量で、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用負極およびそれを用いたリチウムイオン二次電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a negative electrode for a lithium ion secondary battery having high capacity and excellent cycle characteristics, and a lithium ion secondary battery using the same. .
本発明によるリチウムイオン二次電池用負極は、構成元素として、スズと、コバルトと、炭素とを少なくとも含み、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が30質量%以上70質量%以下である負極活物質と、真比重が2.23g/cm3 以上であり、かつタップ密度が0.8g/cm3 以下である炭素材料とを含有し、負極活物質のX線回折により得られる回折ピークの半値幅が回折角2θ=20°以上50°以下の範囲において1.0°以上のものである。 The negative electrode for a lithium ion secondary battery according to the present invention contains at least tin, cobalt, and carbon as constituent elements, the carbon content is 9.9 mass% or more and 29.7 mass% or less, and tin A negative electrode active material in which the ratio of cobalt to the total of cobalt and cobalt is 30% by mass or more and 70% by mass or less, a true specific gravity is 2.23 g / cm 3 or more, and a tap density is 0.8 g / cm 3 or less. The half-value width of the diffraction peak obtained by X-ray diffraction of the negative electrode active material is 1.0 ° or more in the range of diffraction angle 2θ = 20 ° to 50 ° .
本発明によるリチウムイオン二次電池は、正極および負極と共に電解質を備え、負極は、構成元素として、スズと、コバルトと、炭素とを少なくとも含み、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が30質量%以上70質量%以下である負極活物質と、真比重が2.23g/cm3 以上であり、かつタップ密度が0.8g/cm3 以下である炭素材料とを含有し、負極活物質のX線回折により得られる回折ピークの半値幅が回折角2θ=20°以上50°以下の範囲において1.0°以上のものである。 The lithium ion secondary battery according to the present invention includes an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, and the negative electrode includes at least tin, cobalt, and carbon as constituent elements, and the carbon content is 9.9% by mass or more and 29.29%. A negative electrode active material having a ratio of cobalt of 30% by mass to 70% by mass with respect to the total of tin and cobalt, a true specific gravity of 2.23 g / cm 3 or more, and a tap density of 7% by mass or less There contains a carbon material is 0.8 g / cm 3 or less, 1.0 ° in half-width is the diffraction angle 2 [Theta] = 20 ° to 50 ° range of a diffraction peak obtained by X-ray diffraction of the anode active material That's all.
本発明のリチウムイオン二次電池用負極によれば、負極活物質が構成元素としてスズとコバルトと炭素とを少なくとも含み、その負極活物質のX線回折により得られる回折ピークの半値幅が回折角2θ=20°以上50°以下の範囲において1.0°以上である。この場合には、負極活物質が構成元素としてスズを含むようにしたので、高容量を得ることができる。また、この負極活物質が構成元素としてコバルトを含み、スズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合を30質量%以上70質量%以下とするようにしたので、高容量を保ちつつ、充放電サイクル特性を向上させることができる。更に、この負極活物質が構成元素として炭素を含み、その含有量を9.9質量%以上29.7質量%以下とするようにしたので、充放電サイクル特性をより向上させることができる。加えて、真比重が2.23g/cm3 以上であり、かつタップ密度が0.8g/cm3 以下である炭素材料を含むようにしたので、充放電に伴う負極活物質の膨張・収縮による電子伝導性の低下を抑制することができる。よって、この負極を用いた本発明のリチウムイオン二次電池によれば、高容量を得ることができると共に、優れた充放電サイクル特性を得ることができる。 According to the negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention , the negative electrode active material contains at least tin, cobalt, and carbon as constituent elements, and the half width of the diffraction peak obtained by X-ray diffraction of the negative electrode active material is a diffraction angle. 2θ = 1.0 ° or more in a range of 20 ° or more and 50 ° or less. In this case, since the scan's and the negative electrode active material is a constituent element were free Muyo Unishi, a high capacity can be obtained. In addition, since this negative electrode active material contains cobalt as a constituent element and the ratio of cobalt to the total of tin and cobalt is 30% by mass or more and 70% by mass or less, the charge / discharge cycle characteristics are maintained while maintaining a high capacity. Can be improved. Furthermore, since this negative electrode active material contains carbon as a constituent element and its content is set to 9.9 mass% or more and 29.7 mass% or less, the charge / discharge cycle characteristics can be further improved. In addition, since a carbon material having a true specific gravity of 2.23 g / cm 3 or more and a tap density of 0.8 g / cm 3 or less is included, it is caused by expansion / contraction of the negative electrode active material accompanying charge / discharge. A decrease in electron conductivity can be suppressed. Therefore, according to the lithium ion secondary battery of the present invention using this negative electrode, a high capacity can be obtained and an excellent charge / discharge cycle characteristic can be obtained.
また、リチウムイオン二次電池用負極における炭素材料の含有量を、負極活物質に対して15質量%以上50質量%以下とするようにすれば、高い効果を得ることができる。 In addition, if the content of the carbon material in the negative electrode for a lithium ion secondary battery is 15% by mass or more and 50% by mass or less with respect to the negative electrode active material, a high effect can be obtained.
更に、リチウムイオン二次電池用負極にポリフッ化ビニリデンおよびフッ化ビニリデンを成分として含む共重合体のうちの少なくとも1種の結着剤を含有するようにすれば、高い効果を得ることができ、負極活物質層におけるこの結着剤の含有量を1質量%以上10質量%以下とするようにすれば、特に好ましい。 Furthermore, it is possible to be to contain at least one binder of a copolymer containing polyvinylidene fluoride and vinylidene fluoride in a negative electrode for a lithium ion secondary battery as a component, to obtain a high effect, It is particularly preferable that the content of the binder in the negative electrode active material layer is 1% by mass or more and 10% by mass or less.
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.
図1は、本発明の一実施の形態に係る負極10の構成を表したものである。負極10は、例えば、一対の対向面を有する負極集電体11と、負極集電体11の片面に設けられた負極活物質層12とを有している。なお、図示しないが、負極集電体11の両面に負極活物質層12を設けるようにしてもよい。
FIG. 1 illustrates a configuration of a
負極集電体11は、良好な電気化学的安定性、電気伝導性および機械的強度を有することが好ましく、銅,ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料により構成されている。特に、銅は高い電気伝導性を有するので好ましい。 The negative electrode current collector 11 preferably has good electrochemical stability, electrical conductivity, and mechanical strength, and is made of a metal material such as copper, nickel, or stainless steel. In particular, copper is preferable because it has high electrical conductivity.
負極活物質層12は、例えば、リチウムなどと反応可能であり、構成元素として、スズとコバルトとを含む負極活物質を含有している。スズは単位質量あたりのリチウムの反応量が高く、高い容量を得ることができるからである。また、スズ単体では十分な充放電サイクル特性を得ることは難しいが、コバルトを含むことにより充放電サイクル特性を向上させることができるからである。
The negative electrode
この負極活物質におけるコバルトの含有量は、スズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合で、30質量%以上70質量%以下の範囲内であることが好ましく、30質量%以上60%質量以下の範囲内であればより好ましい。割合が低いとコバルトの含有量が低下し十分なサイクル特性が得られず、また、割合が高いとスズの含有量が低下し、従来の負極材料、例えば炭素材料を上回る容量が得られないからである。 The cobalt content in the negative electrode active material is the ratio of cobalt to the total of tin and cobalt, and is preferably in the range of 30% by mass to 70% by mass, and in the range of 30% by mass to 60% by mass. If it is in, it is more preferable. If the ratio is low, the cobalt content decreases and sufficient cycle characteristics cannot be obtained, and if the ratio is high, the tin content decreases and a capacity exceeding conventional negative electrode materials such as carbon materials cannot be obtained. It is.
この負極活物質は、また、構成元素として、スズおよびコバルトに加えて炭素を含んでいる。炭素を含むことにより充放電サイクル特性をより向上させることができるからである。炭素の含有量は、9.9質量%以上29.7質量%以下の範囲内であることが好ましく、14.9質量%以上29.7質量%以下の範囲内、特に16.8質量%以上24.8質量%以下の範囲内であればより好ましい。この範囲内において高い効果を得ることができるからである。 The negative electrode active material also contains carbon as a constituent element in addition to tin and cobalt. This is because the charge / discharge cycle characteristics can be further improved by containing carbon. The carbon content is preferably in the range of 9.9% by mass to 29.7% by mass, more preferably in the range of 14.9% by mass to 29.7% by mass, particularly 16.8% by mass or more. It is more preferable if it is in the range of 24.8% by mass or less. This is because a high effect can be obtained within this range.
この負極活物質は、構成元素として、これらに加えて、ケイ素を含んだ方が好ましい場合もある。ケイ素は単位質量あたりのリチウムの反応量が高く、容量をより向上させることができるからである。ケイ素の含有量は、0.5質量%以上7.9質量%以下の範囲内であることが好ましい。少ないと容量を高くする効果が十分でなく、多いと充放電に伴い微粉化して充放電サイクル特性を低下させてしまうからである。 In some cases, the negative electrode active material preferably contains silicon as a constituent element. This is because silicon has a high reaction amount of lithium per unit mass and can further improve the capacity. The silicon content is preferably in the range of 0.5 mass% or more and 7.9 mass% or less. If the amount is too small, the effect of increasing the capacity is not sufficient, and if the amount is large, the charge / discharge is pulverized and the charge / discharge cycle characteristics are degraded.
この負極活物質は、また、構成元素として、鉄,ニッケルおよびクロム(Cr)からなる群のうちの少なくとも1種を含んだ方が好ましい場合もある。サイクル特性をより向上させることができるからである。鉄の含有量は、0.3質量%以上5.9質量%以下の範囲内であることが好ましい。また、ニッケルおよびクロムの含有量は、0.1質量%以上3.0質量%以下の範囲内であることが好ましい。少ないと充放電サイクル特性を向上させる効果が十分でなく、また、多いとスズの含有量が低下し十分な容量が得られないからである。これらの元素は、ケイ素と共に含まれていてもよい。 In some cases, the negative electrode active material preferably contains at least one member selected from the group consisting of iron, nickel, and chromium (Cr) as a constituent element. This is because the cycle characteristics can be further improved. The iron content is preferably in the range of 0.3 mass% or more and 5.9 mass% or less. Moreover, it is preferable that content of nickel and chromium exists in the range of 0.1 to 3.0 mass%. When the amount is small, the effect of improving the charge / discharge cycle characteristics is not sufficient, and when the amount is large, the tin content is lowered and a sufficient capacity cannot be obtained. These elements may be contained together with silicon.
この負極活物質は、更にまた、構成元素として、インジウム,ニオブ,ゲルマニウム,チタン,モリブデン,アルミニウム,リン,ガリウムおよびビスマスからなる群のうちの少なくとも1種を含んだ方が好ましい場合もある。サイクル特性をより向上させることができるからである。これらの含有量は、14.9質量%以下の範囲内であることが好ましく、2.4質量%以上14.9質量%以下の範囲内、特に4.0質量%以上12.9質量%以下の範囲内であればより好ましい。少ないと十分な効果が得られず、多いとスズの含有量が低下して十分な容量が得られず、また充放電サイクル特性も低下してしまうからである。これらの元素は、ケイ素,鉄,ニッケルあるいはクロムと共に含まれていてもよい。 In some cases, the negative electrode active material preferably contains at least one member selected from the group consisting of indium, niobium, germanium, titanium, molybdenum, aluminum, phosphorus, gallium, and bismuth as a constituent element. This is because the cycle characteristics can be further improved. These contents are preferably in the range of 14.9% by mass or less, preferably in the range of 2.4% by mass or more and 14.9% by mass or less, particularly 4.0% by mass or more and 12.9% by mass or less. If it is in the range, it is more preferable. If the amount is too small, a sufficient effect cannot be obtained. If the amount is large, the tin content decreases, a sufficient capacity cannot be obtained, and charge / discharge cycle characteristics also deteriorate. These elements may be contained together with silicon, iron, nickel or chromium.
また、この負極活物質は、結晶性の低いまたは非晶質な相を有している。この相は、リチウムなどと反応可能な反応相であり、これにより優れたサイクル特性を得ることができるようになっている。この相のX線回折により得られる回折ピークの半値幅は、特定X線としてCuKα線を用い、挿引速度を1°/minとした場合に、回折角2θで1.0°以上であることが好ましい。リチウムなどをより円滑に吸蔵および放出させることができると共に、電解質との反応性をより低減させることができるからである。 The negative electrode active material has a low crystallinity or amorphous phase. This phase is a reaction phase capable of reacting with lithium or the like, whereby excellent cycle characteristics can be obtained. The half width of the diffraction peak obtained by X-ray diffraction of this phase is 1.0 ° or more at a diffraction angle 2θ when CuKα ray is used as the specific X-ray and the drawing speed is 1 ° / min. Is preferred. This is because lithium and the like can be occluded and released more smoothly, and the reactivity with the electrolyte can be further reduced.
なお、X線回折により得られた回折ピークがリチウムなどと反応可能な反応相に対応するものであるか否かは、リチウムなどとの電気化学的反応の前後におけるX線回折チャートを比較することにより容易に判断することができる。例えば、リチウムなどとの電気化学的反応の前後において回折ピークの位置が変化すれば、リチウムなどと反応可能な反応相に対応するものである。この負極活物質では、結晶性の低いまたは非晶質な反応相の回折ピークが例えば2θ=20°〜50°の間に見られる。この結晶性の低いまたは非晶質な反応相は、例えば上述した各構元素を含んでおり、主に炭素により低結晶化または非晶質化しているものと考えられる。 Whether the diffraction peak obtained by X-ray diffraction corresponds to the reaction phase capable of reacting with lithium or the like is compared with the X-ray diffraction chart before and after the electrochemical reaction with lithium or the like. Can be easily determined. For example, if the position of the diffraction peak changes before and after an electrochemical reaction with lithium or the like, it corresponds to a reaction phase capable of reacting with lithium or the like. In this negative electrode active material, a diffraction peak of a low crystallinity or amorphous reaction phase is observed, for example, between 2θ = 20 ° and 50 °. This low crystallinity or amorphous reaction phase contains, for example, each constituent element described above, and is considered to be low crystallized or amorphous mainly by carbon.
なお、この負極活物質は、この結晶性の低いまたは非晶質な相に加えて、各構成元素の単体または一部を含む相を有している場合もある。 In addition to the low crystalline or amorphous phase, the negative electrode active material may have a phase containing a single element or a part of each constituent element.
更に、この負極活物質は、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。 Further, in this negative electrode active material, it is preferable that at least a part of carbon as a constituent element is bonded to a metal element or a metalloid element as 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。このXPSは、軟X線(市販の装置ではAl−Kα線、またはMg−Kα線を用いる)を試料表面に照射し、試料表面から飛び出してくる光電子の運動エネルギーを測定することによって、試料表面から数nmの領域の元素組成、および元素の結合状態を調べる方法である。 As a measuring method for examining the bonding state of elements, for example, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) can be cited. This XPS irradiates a sample surface with soft X-rays (Al-Kα ray or Mg-Kα ray is used in a commercial apparatus), and measures the kinetic energy of photoelectrons jumping out from the sample surface. To elemental composition in the region of several nanometers and the bonding state of the elements.
元素の内殻軌道電子の束縛エネルギーは、第1近似的には、元素上の電荷密度と相関して変化する。例えば、炭素元素の電荷密度が近傍に存在する元素との相互作用により減少した場合には、2p電子などの外殻電子が減少しているので、炭素元素の1s電子は殻から強い束縛力を受けることになる。すなわち、元素の電荷密度が減少すると、束縛エネルギーは高くなる。XPSでは、束縛エネルギーが高くなると、高いエネルギー領域にピークはシフトするようになっている。 The binding energy of the core orbital electrons of the element changes in a first approximation in correlation with the charge density on the element. For example, when the charge density of the carbon element is decreased due to the interaction with an element present in the vicinity, the outer electrons such as 2p electrons are decreased, so that the 1s electron of the carbon element has a strong binding force from the shell. Will receive. That is, the binding energy increases as the charge density of the element decreases. In XPS, when the binding energy increases, the peak shifts to a high energy region.
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、負極活物質について得られる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、負極活物質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。 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 negative electrode active material appears in a region lower than 284.5 eV, at least a part of the carbon contained in the negative electrode active material is a metal element or a half of other constituent elements. Combined with metal elements.
なお、負極活物質のXPS測定に際しては、表面が表面汚染炭素で覆われている場合、XPS装置に付属のアルゴンイオン銃で表面を軽くスパッタすることが好ましい。また、測定対象の負極活物質が後述のように電池の負極中に存在する場合には、電池を解体して負極を取り出した後、炭酸ジメチルなどの揮発性溶媒で洗浄するとよい。負極の表面に存在する揮発性の低い溶媒と電解質塩とを除去するためである。これらのサンプリングは、不活性雰囲気下で行うことが望ましい。 In the XPS measurement of the negative electrode active material, when the surface is covered with surface-contaminated carbon, it is preferable to lightly sputter the surface with an argon ion gun attached to the XPS apparatus. Further, when the negative electrode active material to be measured is present in the negative electrode of the battery as described later, the battery is disassembled and the negative electrode is taken out and then washed with a volatile solvent such as dimethyl carbonate. This is for removing the low-volatile solvent and the electrolyte salt present on the surface of the negative electrode. These samplings are desirably performed under an inert atmosphere.
また、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、物質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。なお、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負極活物質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、負極活物質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 peak of C1s is used to correct the energy axis of the spectrum. Usually, since surface-contaminated carbon exists on the surface of the substance, 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 peak of C1s is obtained as a form including the surface contamination carbon peak and the carbon peak in the negative electrode active material. For example, by analyzing using commercially available software, The peak of surface contamination carbon and the peak of carbon in the negative electrode active 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を用いることができる。 This negative electrode active material is prepared by, for example, mixing raw materials of various constituent elements, melting them in an electric furnace, a high frequency induction furnace, an arc melting furnace, etc., and then solidifying them, various atomizing methods such as gas atomization or water atomization, various rolls, etc. Or a method using a mechanochemical reaction such as a mechanical alloying method or a mechanical milling method. 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 planetary ball mill device can be used.
原料には、各構成元素の単体を混合して用いてもよいが、炭素以外の構成元素の一部については合金を用いることが好ましい。このような合金に炭素を加えてメカニカルアロイング法により合成することにより、低結晶化あるいは非晶質な構造を有するようにすることができ、反応時間の短縮も図ることができるからである。なお、原料の形態は粉体であってもよいし、塊状であってもよい。 The raw material may be a mixture of individual constituent elements, but an alloy is preferably used for some constituent elements other than carbon. This is because by adding carbon to such an alloy and synthesizing it by a mechanical alloying method, the alloy can have a low crystallinity or an amorphous structure, and the reaction time can be shortened. The raw material may be in the form of a powder or a lump.
原料として用いる炭素には、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,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炭素材料のいずれか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 carbon used as a raw material is any one of carbon materials such as non-graphitizable carbon, graphitizable carbon, graphite, pyrolytic carbons, coke, glassy carbons, organic polymer compound fired bodies, activated carbon and carbon black. Species or two or more 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 carbon materials may be any of fibrous, spherical, granular or scale-like.
負極活物質層12は、また、リチウムなどを吸蔵および放出することが可能な炭素材料を含んでいることが好ましい。上述した負極活物質は充放電に伴い膨張・収縮し、負極10における電子伝導性を低下させてしまうが、この炭素材料を含むことにより、電子伝導性の低下を抑制することができるからである。
The negative electrode
このような炭素材料について、具体的に例を挙げれば、鱗状黒鉛,鱗片状黒鉛あるいは土状黒鉛などの天然黒鉛類、石油コークス,石炭コークス,メソフェーズピッチ,あるいはポリアクリロニトリル(PAN),レーヨン,ポリアミド,リグニン,ポリビニルアルコールなどを高温で焼成したもの,気相成長炭素繊維あるいはカーボンナノチューブなどの人造黒鉛類が挙げられる。 Specific examples of such carbon materials include natural graphite such as scaly graphite, scaly graphite, or earthy graphite, petroleum coke, coal coke, mesophase pitch, or polyacrylonitrile (PAN), rayon, polyamide. , Lignin, polyvinyl alcohol, etc. fired at high temperature, and artificial graphites such as vapor-grown carbon fiber or carbon nanotube.
この炭素材料の真比重は、2.23g/cm3 以上であることが好ましい。導電性を高くすることができるからである。また、タップ密度は、0.8g/cm3 以下であることが好ましく、0.1g/cm3 以上であることがより好ましい。この範囲で、負極活物質が充放電に伴い膨張・収縮しても接触性を保つことができるからである。よって、これらの範囲で、負極10における電子伝導性の低下を抑制する効果がより向上する。なお、真比重の上限値は、例えばグラファイトであれば、2.26g/cm3 〜2.28g/cm3 である。また、タップ密度は、例えば、150mLのメスシリンダーに100cm3 の炭素材料を投入し、粉体減少度測定器を用いることにより測定することができる。
The true specific gravity of the carbon material is preferably 2.23 g / cm 3 or more. This is because the conductivity can be increased. Further, the tap density is preferably 0.8 g / cm 3 or less, and more preferably 0.1 g / cm 3 or more. This is because, within this range, even when the negative electrode active material expands / contracts with charge / discharge, the contact can be maintained. Therefore, the effect which suppresses the electronic conductivity fall in the
また、この炭素材料の含有量は、上述した負極活物質に対して15質量%以上50質量%以下の範囲内、特に20質量%以上40質量%以下の範囲内が好ましい。少ないと、負極活物質の充放電に伴う膨張・収縮による電子伝導性の低下を抑制する効果が低下していしまい、多いと負極活物質の含有量が低下するので、容量が低下してしまうからである。 Further, the content of the carbon material is preferably in the range of 15% by mass or more and 50% by mass or less, particularly in the range of 20% by mass or more and 40% by mass or less with respect to the negative electrode active material described above. If the amount is small, the effect of suppressing a decrease in electronic conductivity due to expansion / contraction due to charging / discharging of the negative electrode active material is reduced. It is.
負極活物質層12は、必要に応じて結着剤を含んでいてもよい。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデンあるいはフッ化ビニリデンを成分とする共重合体が好ましい。上述した負極活物質あるいは炭素材料などの負極活物質層12を構成する材料の結着性を向上させることができ、負極活物質の膨張・収縮に伴う電子伝導性の低下をより抑制することができるからである。共重合体の具体例としては、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体,フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、あるいはこれらに更に他のエチレン性不飽和モノマーを共重合したものなどが挙げられる。共重合可能なエチレン性不飽和モノマーとしては、アクリル酸エステル,メタクリル酸エステル,酢酸ビニル,アクリロニトリル,アクリル酸,メタクリル酸,無水マレイン,ブタジエン,スチレン,N−ビニルピロリドン,N−ビニルピリジン,グリシジルメタクリレート,ヒドロキシエチルメタクリレートあるいはメチルビニルエーテルなどが挙げられるが、これらに限定されない。
The negative electrode
結着剤の含有量は、負極活物質層12を構成する材料全体に対して1質量10質量%以下の範囲内、特に2質量%以上5質量%以下の範囲内が好ましい。少ないと負極活物質の膨張・収縮に伴う電子伝導性の低下を抑制する効果が低下してしまい、多いと負極活物質の含有量が低下するので、容量が低下してしまうからである。
The content of the binder is preferably in the range of 1% by mass to 10% by mass, particularly in the range of 2% by mass to 5% by mass with respect to the entire material constituting the negative electrode
負極活物質層12は、また、上述した負極活物質あるいは炭素材料に加えて他の負極活物質を含んでいてもよい。
The negative electrode
負極10は、例えば、次のようにして製造することができる。
The
まず、上述した負極活物質と、炭素材料と、必要に応じて結着剤とを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤を分散媒に分散して負極合剤スラリーとする。分散媒としては、例えば、純水,N−メチル−2−ピロリドン,トルエン,キシレン,メタノール,エタノール,n−プロパノール,イソプロピルアルコール,イソブチルアルコール,アセトン,メチルエチルケトン,メチルイソブチルケトン,シクロヘキサノン,酢酸エチル,酢酸ブチル,テトラヒドロフランあるいはジオキサンが挙げられる。中でも、純水あるいはN−メチル−2−ピロリドンが好ましい。 First, the negative electrode active material, the carbon material, and a binder as necessary are mixed to prepare a negative electrode mixture, and the negative electrode mixture is dispersed in a dispersion medium to form a negative electrode mixture slurry. Examples of the dispersion medium include pure water, N-methyl-2-pyrrolidone, toluene, xylene, methanol, ethanol, n-propanol, isopropyl alcohol, isobutyl alcohol, acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, cyclohexanone, ethyl acetate, acetic acid. Examples include butyl, tetrahydrofuran or dioxane. Of these, pure water or N-methyl-2-pyrrolidone is preferred.
なお、この負極合剤スラリーには、必要に応じて増粘剤などを添加してもよい。増粘剤としては、例えば、でんぷん、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロースのアンモニウム塩,ナトリウム塩あるいはカリウム塩、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、またはジアセチルセルロースが挙げられる。中でも、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロースのアンモニウム塩あるいはナトリウム塩が好ましい。安定したスラリー特性を得ることができ、また、電極の反応を損なわないからである。増粘剤は1種類を単独で用いてもよいが、2種以上を混合して用いてもよい。 In addition, you may add a thickener etc. to this negative mix slurry as needed. Examples of the thickening agent include starch, carboxymethyl cellulose, ammonium salt, sodium salt or potassium salt of carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, or diacetyl cellulose. Of these, carboxymethylcellulose, ammonium salt or sodium salt of carboxymethylcellulose are preferable. This is because stable slurry characteristics can be obtained and the electrode reaction is not impaired. One thickener may be used alone, or two or more thickeners may be mixed and used.
負極活物質、炭素材料および結着剤などの混合、混練、あるいは分散媒への分散には、公知のニーダー、ミキサー、ホモジナイザー、ディゾルバー、プラネタリミキサー、ペイントシェイカー、あるいはサンドミルなどのいずれの混合攪拌機を用いてもよい。 To mix, knead, or disperse the negative electrode active material, carbon material and binder, etc. in a dispersion medium, any mixing agitator such as a known kneader, mixer, homogenizer, dissolver, planetary mixer, paint shaker, or sand mill can be used. It may be used.
次いで、この負極合剤スラリーをドクターブレード法などにより負極集電体11に均一に塗布し、塗布層を形成する。続いて、この塗布層を乾燥させて分散媒を除去したのち、ロールプレス機などにより圧縮成型して負極活物質層12を形成する。これにより、図1に示した負極10が得られる。
Next, the negative electrode mixture slurry is uniformly applied to the negative electrode current collector 11 by a doctor blade method or the like to form a coating layer. Subsequently, after drying the coating layer to remove the dispersion medium, the negative electrode
この負極10は、例えば、次のようにして二次電池に用いられる。
This
(第1の電池)
図2はそ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21の内部に、帯状の正極31と帯状の負極10とがセパレータ32を介して積層し巻回された巻回電極体30を有している。電池缶21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21の内部には、液状の電解質である電解液が注入され、セパレータ32に含浸されている。また、巻回電極体30を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板22,23がそれぞれ配置されている。
(First battery)
FIG. 2 shows a cross-sectional structure of the secondary battery. This secondary battery is called a so-called cylindrical type, and a winding in which a strip-like positive electrode 31 and a strip-like
電池缶21の開放端部には、電池蓋24と、この電池蓋24の内側に設けられた安全弁機構25および熱感抵抗素子(Positive Temperature Coefficient;PTC素子)26とが、ガスケット27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21の内部は密閉されている。電池蓋24は、例えば、電池缶21と同様の材料により構成されている。安全弁機構25は、熱感抵抗素子26を介して電池蓋24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25Aが反転して電池蓋24と巻回電極体30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26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27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 21, a
巻回電極体30は、例えば、センターピン33を中心に巻回されている。巻回電極体30の正極31にはアルミニウムなどよりなる正極リード34が接続されており、負極10にはニッケルなどよりなる負極リード35が接続されている。正極リード34は安全弁機構25に溶接されることにより電池蓋24と電気的に接続されており、負極リード35は電池缶21に溶接され電気的に接続されている。
The
図3は図2に示した巻回電極体30の一部を拡大して表すものである。負極10は上述した構成を有している。これにより、高い容量を保ちつつ、充放電サイクル特性を向上させることができるようになっている。なお、図3では、負極活物質層12は、負極集電体11の両面に形成されているように表されている。
FIG. 3 shows an enlarged part of the spirally
正極31は、例えば、対向する一対の面を有する正極集電体31Aの両面あるいは片面に正極活物質層31Bが設けられた構造を有している。正極集電体31Aは、例えば、アルミニウム箔などの金属箔により構成されている。正極活物質層31Bは、例えば、正極活物質として、リチウムを吸蔵および放出することが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、必要に応じて人造黒鉛あるいはカーボンブラックなどの導電助剤およびポリフッ化ビニリデンなどの結着剤を含んでいてもよい。
The positive electrode 31 has, for example, a structure in which a positive electrode active material layer 31B is provided on both surfaces or one surface of a positive electrode
リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、TiS2 ,MoS2 ,NbSe2 あるいはV2 O5 などのリチウムを含有しない金属硫化物あるいは酸化物などや、化学式がLix M1O2 (M1は1種以上の遷移金属を表す。xは電池の充放電状態によって異なり、一般に0.05≦x≦1.10である。)で表される化合物を主体とするリチウム複合酸化物、または特定のポリマーなどが挙げられる。正極材料は、1種類を単独で用いてもよいが、2種以上を混合して用いてもよい。 Examples of the positive electrode material capable of inserting and extracting lithium include metal sulfides or oxides that do not contain lithium, such as TiS 2 , MoS 2 , NbSe 2, and V 2 O 5, and a chemical formula of Li x M1O 2 ( M1 represents one or more transition metals, x is different depending on the charge / discharge state of the battery, and is generally 0.05 ≦ x ≦ 1.10. Specific polymers are exemplified. As the positive electrode material, one kind may be used alone, or two or more kinds may be mixed and used.
中でも、化学式Lix M1O2 において、遷移金属M1としてコバルト,ニッケルおよびマンガンからなる群のうちの少なくとも1種を含むリチウム複合酸化物が好ましい。具体的には、LiCoO2 ,LiNiO2 ,Liy Niz Co1-z O2 (yおよびzは電池の充放電状態によって異なり、一般に0<y<1、0.7<z<1.0である。)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などが挙げられる。これらリチウム複合酸化物は、高電圧および高エネルギー密度を得ることができるからである。 Among these, in the chemical formula Li x M1O 2 , a lithium composite oxide containing at least one member selected from the group consisting of cobalt, nickel, and manganese as the transition metal M1 is preferable. Specifically, LiCoO 2, LiNiO 2, Li y Ni z Co 1-z O 2 (y and z vary according to charge and discharge state of the battery, generally 0 <y <1,0.7 <z < 1.0 Or a lithium manganese composite oxide having a spinel structure. This is because these lithium composite oxides can obtain a high voltage and a high energy density.
セパレータ32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。
The
セパレータ32には、液状の電解質である電解液が含浸されている。この電解液は、例えば有機溶媒などの非水溶媒と、この非水溶媒に溶解された電解質塩とを含んでいる。非水溶媒には、例えば、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ビニレン、炭酸ジエチル、炭酸ジメチル、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、γーブチロラクトン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、アニソール、酢酸エステル、酪酸エステル、あるいはプロピオン酸エステルが用いられる。これらは単独で使用してもよく、複数種を混合して用いてもよい。
The
電解質塩には、例えば、LiClO4 ,LiAsF6 ,LiPF6 ,LiBF4 ,LiB(C6 H5 )4 ,CH3 SO3 Li,CF3 SO3 Li,LiClあるいはLiBrが用いられる。これらは単独で使用してもよく、複数種を混合して用いてもよい。 For example, LiClO 4 , LiAsF 6 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiB (C 6 H 5 ) 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, LiCl, or LiBr is used as the electrolyte salt. These may be used alone or in combination of two or more.
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、例えば、上述したようにして負極10を作製する。次いで、例えば、正極材料と、必要に応じて導電助剤および結着剤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−ピロリドンなどの分散媒に分散してペースト状の正極合剤スラリーとする。この正極合剤スラリーを正極集電体31Aに塗布し分散媒を乾燥させたのち、ロールプレス機などにより圧縮成型して正極活物質層31Bを形成し、正極31を作製する。
First, for example, the
続いて、正極集電体31Aに正極リード34を溶接などにより取り付けると共に、負極集電体11に負極リード35を溶接などにより取り付ける。そののち、正極31と負極10とをセパレータ32を介して積層して巻回し、正極リード34の先端部を安全弁機構25に溶接すると共に、負極リード35の先端部を電池缶21に溶接して、巻回した正極31および負極10を一対の絶縁板22,23で挟み電池缶21の内部に収納する。次いで、例えば、電解質を電池缶21の内部に注入し、セパレータ32に含浸させる。そののち、電池缶21の開口端部に電池蓋24,安全弁機構25および熱感抵抗素子26をガスケット27を介してかしめることにより固定する。これにより、図2および図3に示した二次電池が形成される。
Subsequently, the positive electrode lead 34 is attached to the positive electrode
この二次電池では、充電を行うと、正極活物質層31Bからリチウムイオンが放出され、セパレータ32に含浸された電解質を介して、負極活物質層12に吸蔵される。次いで、放電を行うと、負極活物質層12からリチウムイオンが放出され、セパレータ32に含浸された電解質を介して、正極活物質層31Bに吸蔵される。ここでは、負極10が、スズ,コバルトおよび炭素を上述した割合で含む負極活物質を含有しているので、高い容量を保ちつつ、充放電サイクル特性が改善される。また、上述した真比重およびタップ密度を有する炭素材料を含有しているので、負極活物質の充放電に伴う膨張・収縮による電子伝導性の低下が抑制される。
In this secondary battery, when charged, lithium ions are released from the positive electrode active material layer 31 </ b> B and inserted in the negative electrode
このように本実施の形態に係る負極10によれば、構成元素として、スズを含む負極活物質を含有するようにしたので、高容量を得ることができる。また、この負極活物質が構成元素としてコバルトを含み、スズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合を30質量%以上70質量%以下とするようにしたので、高容量を保ちつつ、充放電サイクル特性を向上させることができる。更に、この負極活物質が構成元素として炭素を含み、その含有量を9.9質量%以上29.7質量%以下とするようにしたので、充放電サイクル特性をより向上させることができる。加えて、真比重が2.23g/cm3 以上であり、かつタップ密度が0.8g/cm3 以下である炭素材料を含むようにしたので、充放電に伴う負極活物質の膨張・収縮による電子伝導性の低下を抑制することができる。よって、この負極10を用いた本発明の電池によれば、高容量を得ることができると共に、優れた充放電サイクル特性を得ることができる。
Thus, according to the
また、負極10における炭素材料の含有量を、負極活物質に対して15質量%以上50質量%以下とするようにすれば、高い効果を得ることができる。
Further, if the content of the carbon material in the
更に、負極10にポリフッ化ビニリデンおよびフッ化ビニリデンを成分として含む共重合体からなる群のうちの少なくとも1種の結着剤を含有するようにすれば、高い効果を得ることができ、負極活物質層12におけるこの結着剤の含有量を1質量%以上10質量%以下とするようにすれば、特に好ましい。
Further, if the
(第2の電池)
図4は、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、正極リード41および負極リード42が取り付けられた巻回電極体40をフィルム状の外装部材50の内部に収容したものであり、小型化,軽量化および薄型化が可能となっている。
(Second battery)
FIG. 4 shows the configuration of the second secondary battery. In this secondary battery, a
正極リード41,負極リード42は、それぞれ、外装部材50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41および負極リード42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
外装部材50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50は、例えば、ポリエチレンフィルム側と巻回電極体40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50と正極リード41および負極リード42との間には、外気の侵入を防止するための密着フィルム51が挿入されている。密着フィルム51は、正極リード41および負極リード42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
なお、外装部材50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
図5は、図4に示した巻回電極体40のI−I線に沿った断面構造を表すものである。巻回電極体40は、正極43と負極10とをセパレータ44および電解質層45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46により保護されている。
FIG. 5 shows a cross-sectional structure taken along line II of the spirally
正極43は、正極集電体43Aの片面あるいは両面に正極活物質層43Bが設けられた構造を有している。負極10は、負極集電体11の片面あるいは両面に負極活物質層12が設けられた構造を有しており、負極活物質層12の側が正極活物質層43Bと対向するように配置されている。正極集電体43A,正極活物質層43B,およびセパレータ44の構成は、それぞれ上述した正極集電体31A,正極活物質層31B,およびセパレータ32と同様である。
The
電解質層45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。ゲル状の電解質層45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(すなわち溶媒および電解質塩)の構成は、図2に示した円筒型の二次電池と同様である。高分子化合物は、例えば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素系高分子化合物、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、またはポリアクリロニトリルなどが挙げられる。特に、酸化還元安定性の観点からは、フッ素系高分子化合物が望ましい。
The
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43および負極10のそれぞれに、溶媒と、電解質塩と、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45を形成する。そののち、正極集電体43Aの端部に正極リード41を溶接により取り付けると共に、負極集電体11の端部に負極リード42を溶接により取り付ける。次いで、電解質層45が形成された正極43と負極10とをセパレータ44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46を接着して巻回電極体40を形成する。最後に、例えば、外装部材50の間に巻回電極体40を挟み込み、外装部材50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41および負極リード42と外装部材50との間には密着フィルム51を挿入する。これにより、図4および図5に示した二次電池が完成する。
First, a precursor solution containing a solvent, an electrolyte salt, a polymer compound, and a mixed solvent is applied to each of the
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43および負極10を作製し、正極43および負極10に正極リード41および負極リード42を取り付けたのち、正極43と負極10とをセパレータ44を介して積層して巻回し、最外周部に保護テープ46を接着して、巻回電極体40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50で挟み、一辺を除く外周縁部を熱融着して袋状とし、外装部材50の内部に収納する。続いて、溶媒と、電解質塩と、高分子化合物の原料であるモノマーと、重合開始剤と、必要に応じて重合禁止剤などの他の材料とを含む電解質用組成物とを用意し、外装部材50の内部に注入する。
Further, this secondary battery may be manufactured as follows. First, the
電解質用組成物を注入したのち、外装部材50の開口部を真空雰囲気下で熱融着して密封する。次いで、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45を形成し、図4に示した二次電池を組み立てる。
After injecting the electrolyte composition, the opening of the
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3の電池)
図6は、第3の二次電池の断面構成を表すものである。この二次電池は、正極リード61が取り付けられた正極62と、負極リード63が取り付けられた負極10とを、電解質層64を介して対向配置させた平板状の電極体60をフィルム状の外装部材65に収容したものである。外装部材65の構成は、上述した外装部材50と同様である。
(Third battery)
FIG. 6 illustrates a cross-sectional configuration of the third secondary battery. In this secondary battery, a
正極62は、正極集電体62Aに正極活物質層62Bが設けられた構造を有している。負極10は、負極活物質層12の側が正極活物質層62Bと対向するように配置されている。正極集電体62A,正極活物質層62Bの構成は、それぞれ上述した正極集電体31A,正極活物質層31Bと同様である。
The
電解質層64は、例えば、固体電解質により構成されている。固体電解質には、例えば、リチウムイオン導電性を有する材料であれば無機固体電解質、高分子固体電解質のいずれも用いることができる。無機固体電解質としては、窒化リチウムあるいはヨウ化リチウムなどを含むものなどが挙げられる。高分子固体電解質は、主に、電解質塩と電解質塩を溶解する高分子化合物とからなるものである。高分子固体電解質の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、アクリレート系高分子化合物を単独あるいは混合して、または共重合させて用いることができる。 The electrolyte layer 64 is made of, for example, a solid electrolyte. As the solid electrolyte, for example, an inorganic solid electrolyte or a polymer solid electrolyte can be used as long as the material has lithium ion conductivity. Examples of the inorganic solid electrolyte include those containing lithium nitride or lithium iodide. The polymer solid electrolyte is mainly composed of an electrolyte salt and a polymer compound that dissolves the electrolyte salt. Examples of the polymer compound of the solid polymer electrolyte 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, and an acrylate polymer compound. Or can be copolymerized.
高分子固体電解質は、例えば、高分子化合物と、電解質塩と、混合溶剤とを混合したのち、混合溶剤を揮発させて形成することができる。また、電解質塩と、高分子化合物の原料であるモノマーと、重合開始剤と、必要に応じて重合禁止剤などの他の材料とを、混合溶剤に溶解させ、混合溶剤を揮発させたのち、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形成することもできる。 The polymer solid electrolyte can be formed, for example, by mixing a polymer compound, an electrolyte salt, and a mixed solvent, and then volatilizing the mixed solvent. Moreover, after dissolving electrolyte salt, the monomer which is a raw material of a polymer compound, a polymerization initiator, and other materials such as a polymerization inhibitor as necessary in a mixed solvent, the mixed solvent is volatilized, It can also be formed by polymerizing the monomer by applying heat to form a polymer compound.
無機固体電解質は、例えば、正極62あるいは負極10の表面にスパッタリング法,真空蒸着法,レーザーアブレーション法,イオンプレーティング法,あるいはCVD(Chemical Vapor Deposition )法などの気相法、またはゾルゲル法などの液相法により形成することができる。
The inorganic solid electrolyte may be formed on the surface of the
この二次電池は、第1または第2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 or second secondary battery and can obtain the same effect.
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)
まず、負極活物質を作製した。原料としてコバルト粉末と、スズ粉末と、グラファイト粉末とを用意し、コバルト粉末とスズ粉末とを合金化してコバルト・スズ合金粉末を作製したのち、この合金粉末にグラファイト粉末を加えて乾式混合した。その際、原料比は、質量比で、コバルト粉末:スズ粉末:グラファイト粉末=29.6:50.4:20とした。なお、スズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合(以下、Co/(Sn+Co) 比という)は37質量%とした。続いて、この混合物20gを直径9mmの鋼玉約400gと共に、伊藤製作所製の遊星ボールミルの反応容器中にセットした。次いで、反応容器中をアルゴン雰囲気に置換し、毎分250回転の回転速度による10分間の運転と、10分間の休止とを運転時間の合計が30時間になるまで繰り返した。そののち、反応容器を室温まで冷却して合成された負極活物質粉末を取り出し、200メッシュのふるいを通して粗粉を取り除いた。
(Example 1-1)
First, a negative electrode active material was prepared. Cobalt powder, tin powder, and graphite powder were prepared as raw materials, and cobalt powder and tin powder were alloyed to produce a cobalt-tin alloy powder. Then, graphite powder was added to the alloy powder and dry mixed. At that time, the raw material ratio was cobalt powder: tin powder: graphite powder = 29.6: 50.4: 20 by mass ratio. The ratio of cobalt to the total of tin and cobalt (hereinafter referred to as Co / (Sn + Co) ratio) was 37% by mass. Subsequently, 20 g of this mixture was set together with about 400 g of steel balls having a diameter of 9 mm in a reaction vessel of a planetary ball mill manufactured by Ito Seisakusho. Next, the inside of the reaction vessel was replaced with an argon atmosphere, and a 10-minute operation at a rotation speed of 250 revolutions per minute and a 10-minute pause were repeated until the total operation time reached 30 hours. Thereafter, the reaction vessel was cooled to room temperature, the synthesized negative electrode active material powder was taken out, and the coarse powder was removed through a 200-mesh sieve.
得られた負極活物質について組成の分析を行った。炭素の含有量は、炭素・硫黄分析装置により測定し、コバルトおよびスズの含有量は、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合プラズマ)発光分析により測定した。その結果、コバルトの含有量は29.3質量%、スズの含有量は49.9質量%、炭素の含有量は19.8質量%であった。また、得られた負極活物質についてX線回折を行ったところ、2θ=20°〜50°の間に広い半値幅を有する回折ピークが観察された。この回折ピークの半値幅を測定したところ、1.0°以上であった。更に、この負極活物質についてXPSを行ったところ、図7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負極活物質中における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、負極活物質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 composition of the obtained negative electrode active material was analyzed. The carbon content was measured by a carbon / sulfur analyzer, and the cobalt and tin contents were measured by ICP (Inductively Coupled Plasma) emission analysis. As a result, the cobalt content was 29.3 mass%, the tin content was 49.9 mass%, and the carbon content was 19.8 mass%. Moreover, when X-ray diffraction was performed about the obtained negative electrode active material, the diffraction peak which has a wide half value width between 2 (theta) = 20 degrees-50 degrees was observed. When the half width of this diffraction peak was measured, it was 1.0 ° or more. Further, when XPS was performed on this negative electrode active 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 negative electrode active 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 negative electrode active material was bonded to other elements.
得られた負極活物質と、炭素材料と、結着剤であるポリフッ化ビニリデンと、増粘剤であるカルボキシメチルセルロースとを混合して負極合剤を調製したのち、この負極合剤を分散媒である純水を用いてプラネタリーミキサーにより混合し、負極合剤スラリーを調製した。炭素材料は、真比重が2.24g/cm3 であり、タップ密度が0.6g/cm3 の人造黒鉛を用いた。なお、真比重は、セイシン企業製のMAT−7000により分散媒にブタノールを使用して測定した。更にまた、タップ密度は、筒井理化学器械株式会社製の粉体減少度測定器(TPM)により150mLのメスシリンダーに100cm3 の炭素材料を静かに投入し、20回運転後の密度を読み取った。加えて炭素材料の混合量は、負極活物質に対して20質量%とした。結着剤の混合量は、負極合剤全体に対して4.0質量%とした。増粘剤の混合量は、負極合剤全体に対して1質量%とした。 After preparing the negative electrode mixture by mixing the obtained negative electrode active material, the carbon material, polyvinylidene fluoride as the binder, and carboxymethyl cellulose as the thickener, this negative electrode mixture was used as a dispersion medium. A pure water was mixed by a planetary mixer to prepare a negative electrode mixture slurry. Carbon material, a true specific gravity of 2.24 g / cm 3, a tap density using artificial graphite of 0.6 g / cm 3. The true specific gravity was measured with MAT-7000 manufactured by Seishin Enterprise Co., Ltd. using butanol as a dispersion medium. Furthermore, the tap density was obtained by gently charging 100 cm 3 of carbon material into a 150 mL measuring cylinder using a powder reduction measuring instrument (TPM) manufactured by Tsutsui Rika Instruments Co., Ltd., and reading the density after 20 operations. In addition, the mixing amount of the carbon material was 20% by mass with respect to the negative electrode active material. The mixing amount of the binder was 4.0% by mass with respect to the whole negative electrode mixture. The mixing amount of the thickener was 1% by mass with respect to the whole negative electrode mixture.
続いて、この負極合剤スラリーを帯状の銅箔よりなる負極集電体11の上に塗布し、乾燥させたのちロールプレス機で圧縮成型し、更に、真空雰囲気中において200℃で2時間熱処理を行うことにより負極活物質層12を形成し、負極10を作製した。そののち、負極集電体11の一端にニッケル製の負極リード35を取り付けた。
Subsequently, this negative electrode mixture slurry was applied onto the negative electrode current collector 11 made of a strip-shaped copper foil, dried, and then compression molded with a roll press, and further heat treated at 200 ° C. for 2 hours in a vacuum atmosphere. The negative electrode
また、炭酸リチウム(Li2 CO3 )と炭酸コバルト(CoCO3 )とを0.5:1のモル比で混合し、空気中において900℃で5時間焼成してリチウム・コバルト複合酸化物(LiCoO2 )を得た。このLiCoO2 91質量部と、導電助剤としてグラファイト6質量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン3質量部とを混合し、分散媒である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。そののち、この正極合剤スラリーを帯状のアルミニウム箔よりなる正極集電体31Aの両面に均一に塗布して乾燥させ、圧縮成型して正極活物質層31Bを形成し正極31を作製した。そののち、正極集電体31Aの一端にアルミニウム製の正極リード34を取り付けた。
Further, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and cobalt carbonate (CoCO 3 ) are mixed at a molar ratio of 0.5: 1, and calcined in air at 900 ° C. for 5 hours to obtain a lithium / cobalt composite oxide (LiCoO). 2 ) got. 91 parts by mass of LiCoO 2, 6 parts by mass of graphite as a conductive additive, and 3 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder are mixed and dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a dispersion medium to mix the positive electrode. An agent slurry was obtained. After that, this positive electrode mixture slurry was uniformly applied to both surfaces of a positive electrode
正極31および負極10をそれぞれ作製したのち、厚み25μmの微孔性ポリプロピレンフィルムからなるセパレータ32を用意し、負極10,セパレータ32,正極31,セパレータ32の順に積層してこの積層体を渦巻状に多数回巻回して巻回電極体30を作製した。
After each of the positive electrode 31 and the
巻回電極体30を作製したのち、巻回電極体30を一対の絶縁板22,23で挟み、負極リード35を電池缶21に溶接すると共に、正極リード34を安全弁機構25に溶接して、巻回電極体30をニッケルめっきした鉄製の電池缶21の内部に収納した。そののち、電池缶21の内部に電解液を減圧方式により注入した。電解液には、炭酸エチレンと炭酸ジメチルとを1:1の体積比で混合した溶媒に、電解質塩としてLiPF6 を1mol/lとなるように溶解させたものを用いた。
After producing the
電池缶21の内部に電解液を注入したのち、表面にアスファルトを塗布したガスケット27を介して電池蓋24を電池缶21にかしめることにより図2に示した円筒型の二次電池を得た。
After injecting the electrolyte into the battery can 21, the
実施例1−1に対する比較例1−1として、グラファイト粉末を用いなかったことを除き、他は実施例1−1と同様にして負極活物質を合成し、二次電池を作製した。コバルト粉末とスズ粉末との原料比は、質量比で、コバルト粉末:スズ粉末=37.0:63.0とした。また、この負極活物質について、実施例1−1と同様にして組成の分析を行ったところ、コバルトの含有量は36.6質量%、スズの含有量は62.4質量%であった。更に、XPSを行ったところ、図8に示したようにピークP4が得られ、これを解析したところ、表面汚染炭素のピークP2のみが得られた。 As Comparative Example 1-1 with respect to Example 1-1, a negative electrode active material was synthesized in the same manner as in Example 1-1 except that graphite powder was not used, and a secondary battery was manufactured. The raw material ratio of the cobalt powder and the tin powder was a mass ratio of cobalt powder: tin powder = 37.0: 63.0. The composition of the negative electrode active material was analyzed in the same manner as in Example 1-1. As a result, the cobalt content was 36.6% by mass and the tin content was 62.4% by mass. Further, when XPS was performed, a peak P4 was obtained as shown in FIG. 8. When this was analyzed, only a peak P2 of surface contamination carbon was obtained.
また、比較例1−2として、コバルトとスズと炭素とを含む負極活物質を用いずに負極10を作製したことを除き、すなわち、炭素材料の混合量を、負極合剤全体に対し95質量%としたことを除き、他は実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。
Further, as Comparative Example 1-2, except that the
得られた実施例1−1および比較例1−1,1−2の二次電池について充放電試験を行い、放電容量、および充放電サイクル特性をそれぞれ求めた。その際、充電は、23℃で0.5Cの定電流充電を上限4.2Vまで行った後、4.2Vで4時間にわたり定電圧充電を行い、放電は、0.5Cの定電流放電を終止電圧2.5Vまで行った。なお、放電容量は、1サイクル目の放電容量について実施例1−1の値を100とした場合の相対値で求めた。また、充放電サイクル特性は、上述した条件で100サイクル充放電を行い、1サイクル目の放電容量を100としたときの100サイクル目の放電容量の割合から求めた。それらの結果を表1に示す。なお、負極活物質の各構成元素の前に記載した数値は、各構成元素の含有量を質量比で表したものである。また、0.5Cは、理論容量を2時間で放出できる電流値である。 The obtained secondary batteries of Example 1-1 and Comparative Examples 1-1 and 1-2 were subjected to a charge / discharge test, and the discharge capacity and the charge / discharge cycle characteristics were determined, respectively. At that time, charging was performed at a constant current of 0.5 C at 23 ° C. up to an upper limit of 4.2 V, followed by constant voltage charging at 4.2 V for 4 hours, and discharging was performed at a constant current of 0.5 C. The final voltage was 2.5V. In addition, discharge capacity was calculated | required by the relative value when the value of Example 1-1 was set to 100 about the discharge capacity of the 1st cycle. The charge / discharge cycle characteristics were determined from the ratio of the discharge capacity at the 100th cycle when 100 cycles of charge / discharge were performed under the conditions described above and the discharge capacity at the first cycle was taken as 100. The results are shown in Table 1. In addition, the numerical value described before each structural element of a negative electrode active material represents content of each structural element by mass ratio. Further, 0.5 C is a current value at which the theoretical capacity can be discharged in 2 hours.
表1から分かるように、スズとコバルトと炭素とを含有し、炭素の含有量が9.9質量%以上29.7質量%以下で、かつスズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合が30質量%以上70質量%以下である負極活物質を用いた実施例1−1によれば、炭素を含有しない負極活物質を用いた比較例1−1、あるいはスズとコバルトと炭素とを含有する負極活物質を用いていない比較例1−2よりも放電容量および容量維持率が飛躍的に向上した。 As can be seen from Table 1, tin, cobalt and carbon are contained, 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 is 30 mass. According to Example 1-1 using a negative electrode active material of not less than 70% and not more than 70% by mass, Comparative Example 1-1 using a negative electrode active material not containing carbon, or a negative electrode containing tin, cobalt and carbon The discharge capacity and capacity retention rate were dramatically improved over Comparative Example 1-2 in which no active material was used.
すなわち、スズとコバルトと炭素とを含有し、炭素の含有量が9.9質量%以上29.7質量%以下で、かつスズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合が30質量%以上70質量%以下である負極活物質と、真比重が2.24g/cm3 、タップ密度が0.6g/cm3 である炭素材料とを用いた場合に、高容量で優れた充放電サイクル特性を得ることができることが分かった。 That is, it contains tin, cobalt, and carbon, 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 is 30 mass% or more and 70 mass%. a negative electrode active material is less, the true specific gravity of 2.24 g / cm 3, when the tap density was used and the carbon material is 0.6 g / cm 3, to obtain an excellent charge-discharge cycle characteristics at high capacity I found out that
(実施例2−1,2−2)
炭素材料として、真比重が2.26g/cm3 であり、タップ密度が0.5g/cm3 である人造黒鉛、または真比重が2.23g/cm3 であり、タップ密度が0.8g/cm3 である人造黒鉛を用いて負極10を作製したことを除き、他は実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。
(Examples 2-1 and 2-2)
As the carbon material, a true specific gravity of 2.26 g / cm 3, artificial graphite tap density of 0.5 g / cm 3 or true specific gravity, is 2.23 g / cm 3, a tap density of 0.8 g / A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-1 except that the
実施例2−1,2−2に対する比較例2−1〜2−6として、炭素材料の真比重およびタップ密度を表2に示したように変化させて負極10を作製したことを除き、他は実施例2−1,2−2と同様にして二次電池を作製した。
As Comparative Examples 2-1 to 2-6 with respect to Examples 2-1 and 2-2, except that the true specific gravity and tap density of the carbon material were changed as shown in Table 2, and the
得られた実施例2−1,2−2および比較例2−1〜2−6について、実施例1−1と同様にして放電容量および充放電サイクル特性を調べた。それらの結果を表2に示す。なお、放電容量は、実施例1−1の値を100とした場合の相対値で求めた。また、真比重またはタップ密度と、充放電サイクル特性との関係を図9,10に示す。図9,10では、真比重が2.23g/cm3 以上である領域、およびタップ密度が0.8g/cm3 以下である領域は梨子地で表している。 For the obtained Examples 2-1 and 2-2 and Comparative Examples 2-1 to 2-6, the discharge capacity and the charge / discharge cycle characteristics were examined in the same manner as in Example 1-1. The results are shown in Table 2. In addition, the discharge capacity was calculated | required by the relative value when the value of Example 1-1 is set to 100. 9 and 10 show the relationship between true specific gravity or tap density and charge / discharge cycle characteristics. In FIGS. 9 and 10, the region where the true specific gravity is 2.23 g / cm 3 or more and the region where the tap density is 0.8 g / cm 3 or less are represented by nashiji.
表2および図9,10から分かるように、真比重が2.23g/cm3 以上であり、かつタップ密度は0.8g/cm3 以下である炭素材料を用いた実施例2−1,2−2によれば、これらの範囲外にある炭素材料を用いた比較例2−1〜2−6よりも、放電容量および容量維持率について高い値が得られた。 As can be seen from Table 2 and FIGS. 9 and 10, Examples 2-1 and 2 using a carbon material having a true specific gravity of 2.23 g / cm 3 or more and a tap density of 0.8 g / cm 3 or less. According to -2, higher values were obtained for the discharge capacity and capacity retention rate than Comparative Examples 2-1 to 2-6 using carbon materials outside these ranges.
すなわち、炭素材料の真比重を2.23g/cm3 以上とし、かつタップ密度を0.8g/cm3 以下とすれば、高容量で、優れたサイクル特性を得ることができることが分かった。 That is, it has been found that if the true specific gravity of the carbon material is 2.23 g / cm 3 or more and the tap density is 0.8 g / cm 3 or less, a high capacity and excellent cycle characteristics can be obtained.
(実施例3−1,4−1)
コバルト粉末とスズ粉末とグラファイト粉末との原料比を変えて負極活物質を合成したことを除き、他は実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。コバルト粉末とスズ粉末とグラファイト粉末との原料比(質料比)は、実施例3−1では、コバルト粉末:スズ粉末:グラファイト粉末=33.3:56.7:10とし、実施例4−1では、コバルト粉末:スズ粉末:グラファイト粉末=25.9:44.1:30とした。なお、Co/(Sn+Co) 比という)は37質量%とした。また、炭素材料の真比重は2.23g/cm3 、タップ密度は0.8g/cm3 とし、実施例2−2で用いたものと同一のものを用いた。
(Examples 3-1 and 4-1)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-1 except that the negative electrode active material was synthesized by changing the raw material ratio of cobalt powder, tin powder, and graphite powder. In Example 3-1, the raw material ratio (material ratio) of the cobalt powder, tin powder, and graphite powder was set to cobalt powder: tin powder: graphite powder = 33.3: 56.7: 10, and Example 4-1 Then, it was set as cobalt powder: tin powder: graphite powder = 25.9: 44.1: 30. The Co / (Sn + Co) ratio) was 37% by mass. The true specific gravity of the carbon material was 2.23 g / cm 3 , the tap density was 0.8 g / cm 3 , and the same one as used in Example 2-2 was used.
得られた実施例3−1,4−1の負極活物質について、実施例1−1と同様にして組成の分析を行った。その結果、実施例3−1では、コバルトの含有量は33.0質量%、スズの含有量は56.1質量%、炭素の含有量は9.9質量%であった。また、実施例4−1では、コバルトの含有量は25.6質量%、スズの含有量は43.7質量%、炭素の含有量は29.7質量%であった。更に、これらの負極活物質についてX線回折を行ったところ、2θ=20°〜50°の間に広い半値幅を有する回折ピークが観察された。これらの回折ピークの半値幅を測定したところ、いずれも1.0°以上であった。更にまた、XPSを行ったところ、実施例3−1,4−1では、図7に示したようにピークP1が得られた。ピークP1を解析したところ、実施例1−1と同様に表面汚染炭素のピークP2と、負極活物質中におけるC1sのピークP3とが得られ、ピークP3は、いずれについても284.5eVよりも低い領域に得られた。すなわち、負極活物質に含まれる炭素の少なくとも一部は、他の元素と結合していることが確認された。 About the obtained negative electrode active material of Examples 3-1 and 4-1, composition was analyzed like Example 1-1. As a result, in Example 3-1, the cobalt content was 33.0% by mass, the tin content was 56.1% by mass, and the carbon content was 9.9% by mass. In Example 4-1, the cobalt content was 25.6% by mass, the tin content was 43.7% by mass, and the carbon content was 29.7% by mass. Furthermore, when X-ray diffraction was performed on these negative electrode active materials, diffraction peaks having a wide half-value width between 2θ = 20 ° and 50 ° were observed. When the half-value widths of these diffraction peaks were measured, all were 1.0 ° or more. Furthermore, when XPS was performed, in Example 3-1, 4-1 peak P1 was obtained as shown in FIG. When the peak P1 was analyzed, the surface contamination carbon peak P2 and the C1s peak P3 in the negative electrode active material were obtained in the same manner as in Example 1-1, and the peak P3 was lower than 284.5 eV in both cases. Obtained in the area. That is, it was confirmed that at least a part of carbon contained in the negative electrode active material was bonded to other elements.
実施例3−1,4−1に対する比較例3−1〜3−6,4−1〜4−6として、炭素材料の真比重およびタップ密度を表3,4に示したように変化させて負極10を作製したことを除き、他は実施例3−1,4−1と同様にして二次電池を作製した。
As Comparative Examples 3-1 to 3-6 and 4-1 to 4-6 with respect to Examples 3-1 and 4-1, the true specific gravity and tap density of the carbon material were changed as shown in Tables 3 and 4. A secondary battery was fabricated in the same manner as in Examples 3-1 and 4-1, except that the
得られた実施例3−1,4−1および比較例3−1〜3−6,4−1〜4−6の二次電池についても、実施例1−1と同様にして、放電容量および充放電サイクル特性を調べた。それらの結果を表3,4に示す。なお、放電容量は、実施例1−1の値を100とした場合の相対値で求めた。 For the obtained secondary batteries of Examples 3-1 and 4-1 and Comparative examples 3-1 to 3-6 and 4-1 to 4-6, in the same manner as in Example 1-1, the discharge capacity and The charge / discharge cycle characteristics were investigated. The results are shown in Tables 3 and 4. In addition, the discharge capacity was calculated | required by the relative value when the value of Example 1-1 is set to 100.
表3,4から分かるように、実施例1−1,2−1,2−2と同様の結果が得られた。すなわち、負極活物質における炭素の含有量を9.9質量%以上29.7質量%とすれば、容量および充放電サイクル特性を向上させることができ、この負極活物質と、真比重が2.23g/cm3 以上であり、かつタップ密度は0.8g/cm3 以下である炭素材料とを用いるようにすれば、高容量で、優れた充放電サイクル特性を得ることができることが分かった。 As can be seen from Tables 3 and 4, the same results as in Examples 1-1, 2-1, and 2-2 were obtained. That is, if the carbon content in the negative electrode active material is 9.9 mass% or more and 29.7 mass%, the capacity and charge / discharge cycle characteristics can be improved, and the true specific gravity is 2. It was found that if a carbon material having a tap density of 23 g / cm 3 or more and a tap density of 0.8 g / cm 3 or less is used, a high capacity and excellent charge / discharge cycle characteristics can be obtained.
(実施例5−1,6−1)
コバルト粉末とスズ粉末とグラファイト粉末との原料比を変えて負極活物質を合成したことを除き、他は実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。コバルト粉末とスズ粉末とグラファイト粉末との原料比(質料比)は、実施例5−1では、コバルト粉末:スズ粉末:グラファイト粉末=27.0:63.0:10とし、実施例4−1では、コバルト粉末:スズ粉末:グラファイト粉末=63.0:27.0:10とした。なお、Co/(Sn+Co) 比は、30質量%、または70質量%とした。また、炭素材料の真比重は2.23g/cm3 、タップ密度は0.8g/cm3 とし、実施例2−2で用いたものと同一のものを用いた。
(Examples 5-1 and 6-1)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-1 except that the negative electrode active material was synthesized by changing the raw material ratio of cobalt powder, tin powder, and graphite powder. In Example 5-1, the raw material ratio (material ratio) of the cobalt powder, tin powder, and graphite powder was cobalt powder: tin powder: graphite powder = 27.0: 63.0: 10, and Example 4-1 Then, it was set as cobalt powder: tin powder: graphite powder = 63.0: 27.0: 10. The Co / (Sn + Co) ratio was 30% by mass or 70% by mass. The true specific gravity of the carbon material was 2.23 g / cm 3 , the tap density was 0.8 g / cm 3 , and the same one as used in Example 2-2 was used.
得られた実施例5−1,6−1の負極活物質について、実施例1−1と同様にして組成の分析を行った。その結果、実施例5−1では、コバルトの含有量は26.7質量%、スズの含有量は62.4質量%、炭素の含有量は9.9質量%であった。また、実施例5−1では、コバルトの含有量は62.4質量%、スズの含有量は26.7質量%、炭素の含有量は9.9質量%であった。更に、これらの負極活物質についてX線回折を行ったところ、2θ=20°〜50°の間に広い半値幅を有する回折ピークが観察された。これらの回折ピークの半値幅を測定したところ、いずれも1.0°以上であった。更にまた、XPSを行ったところ、実施例5−1,6−1では、図7に示したようにピークP1が得られた。ピークP1を解析したところ、実施例1−1と同様に表面汚染炭素のピークP2と、負極活物質中におけるC1sのピークP3とが得られ、ピークP3は、いずれについても284.5eVよりも低い領域に得られた。すなわち、負極活物質に含まれる炭素の少なくとも一部は、他の元素と結合していることが確認された。 About the obtained negative electrode active material of Example 5-1, 6-1, the composition was analyzed like Example 1-1. As a result, in Example 5-1, the cobalt content was 26.7% by mass, the tin content was 62.4% by mass, and the carbon content was 9.9% by mass. In Example 5-1, the cobalt content was 62.4% by mass, the tin content was 26.7% by mass, and the carbon content was 9.9% by mass. Furthermore, when X-ray diffraction was performed on these negative electrode active materials, diffraction peaks having a wide half-value width between 2θ = 20 ° and 50 ° were observed. When the half-value widths of these diffraction peaks were measured, all were 1.0 ° or more. Furthermore, when XPS was performed, in Example 5-1, 6-1, peak P1 was obtained as shown in FIG. When the peak P1 was analyzed, the surface contamination carbon peak P2 and the C1s peak P3 in the negative electrode active material were obtained in the same manner as in Example 1-1, and the peak P3 was lower than 284.5 eV in both cases. Obtained in the area. That is, it was confirmed that at least a part of carbon contained in the negative electrode active material was bonded to other elements.
実施例5−1,6−1に対する比較例5−1〜5−6,6−1〜6−6として、炭素材料の真比重およびタップ密度を表5,6に示したように変化させて負極10を作製したことを除き、他は実施例5−1,6−1と同様にして二次電池を作製した。
As Comparative Examples 5-1 to 5-6 and 6-1 to 6-6 for Examples 5-1 and 6-1, the true specific gravity and tap density of the carbon material were changed as shown in Tables 5 and 6. A secondary battery was fabricated in the same manner as in Examples 5-1 and 6-1 except that the
得られた実施例5−1,6−1および比較例5−1〜5−6,6−1〜6−6の二次電池についても、実施例1−1と同様にして、放電容量および充放電サイクル特性を調べた。それらの結果を表5,6に示す。なお、放電容量は、実施例1−1の値を100とした場合の相対値で求めた。 For the obtained secondary batteries of Examples 5-1 and 6-1 and Comparative Examples 5-1 to 5-6 and 6-1 to 6-6, in the same manner as in Example 1-1, the discharge capacity and The charge / discharge cycle characteristics were investigated. The results are shown in Tables 5 and 6. In addition, the discharge capacity was calculated | required by the relative value when the value of Example 1-1 is set to 100.
表5,6から分かるように、実施例1−1,2−1,2−2と同様の結果が得られた。すなわち、負極活物質におけるCo/(Sn+Co) 比を30質量%以上70質量%以下とすれば、容量および充放電サイクル特性を向上させることができ、この負極活物質と、真比重が2.23g/cm3 以上であり、かつタップ密度は0.8g/cm3 以下である炭素材料とを用いるようにすれば、高容量で、優れた充放電サイクル特性を得ることができることが分かった。 As can be seen from Tables 5 and 6, the same results as in Examples 1-1, 2-1, and 2-2 were obtained. That is, when the Co / (Sn + Co) ratio in the negative electrode active material is 30% by mass or more and 70% by mass or less, the capacity and charge / discharge cycle characteristics can be improved. .23g / cm 3 or more, and a tap density of the joint use of such a carbon material is 0.8 g / cm 3 or less, a high capacity, it was found that it is possible to obtain an excellent charge-discharge cycle characteristics .
(実施例7−1〜7−6)
負極活物質に対する炭素材料の混合量を、表7に示したように10質量%以上60質量%以下の範囲内で変化させたことを除き、他は実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。その際、炭素材料は、実施例1−1と同様に、真比重が2.24g/cm3 であり、タップ密度が0.6g/cm3 であるものとした。
(Examples 7-1 to 7-6)
Except that the mixing amount of the carbon material with respect to the negative electrode active material was changed within the range of 10% by mass or more and 60% by mass or less as shown in Table 7, the same as in Example 1-1. A battery was produced. At that time, the carbon material, in the same manner as in Example 1-1, the true specific gravity of 2.24 g / cm 3, a tap density was assumed to be 0.6 g / cm 3.
得られた実施例7−1〜7−6の二次電池についても、実施例1−1と同様にして、放電容量および充放電サイクル特性を調べた。それらの結果を表7に示す。なお、放電容量は、実施例1−1の値を100とした場合の相対値で求めた。 For the obtained secondary batteries of Examples 7-1 to 7-6, the discharge capacity and the charge / discharge cycle characteristics were examined in the same manner as in Example 1-1. The results are shown in Table 7. In addition, the discharge capacity was calculated | required by the relative value when the value of Example 1-1 is set to 100.
表7から分かるように、放電容量は、負極活物質に対する炭素材料の混合量が増大するに伴い大きくなり、極大値を示したのち低下した。また、容量維持率は、炭素材料の添加量が増大するに伴い大きくなり、ほぼ一定の値を示すようになった。 As can be seen from Table 7, the discharge capacity increased as the mixing amount of the carbon material with respect to the negative electrode active material increased, and decreased after showing the maximum value. In addition, the capacity retention rate increased as the amount of carbon material added increased, and showed a substantially constant value.
すなわち、負極10における炭素材料の含有量は、負極活物質に対して15質量%以上50質量%以下の範囲内、特に20質量%以上40質量%以下の範囲内が好ましいことが分かった。
That is, it was found that the content of the carbon material in the
(実施例8−1〜8−6)
負極活物質に対する炭素材料の添加量を、表8に示したように10質量%以上60質量%以下の範囲内で変化させたことを除き、他は実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。その際、炭素材料は、実施例2−1と同様に、真比重が2.26g/cm3 であり、タップ密度が0.5g/cm3 であるものとした。
(Examples 8-1 to 8-6)
Except that the amount of the carbon material added to the negative electrode active material was changed within the range of 10% by mass or more and 60% by mass or less as shown in Table 8, the other secondary conditions were performed in the same manner as in Example 1-1. A battery was produced. At that time, the carbon material, in the same manner as in Example 2-1, the true specific gravity of 2.26 g / cm 3, a tap density was assumed to be 0.5 g / cm 3.
得られた実施例8−1〜8−6の二次電池についても、実施例1−1と同様にして、放電容量および充放電サイクル特性を調べた。それらの結果を表8に示す。なお、放電容量は、実施例1−1の値を100とした場合の相対値で求めた。 For the obtained secondary batteries of Examples 8-1 to 8-6, the discharge capacity and the charge / discharge cycle characteristics were examined in the same manner as in Example 1-1. The results are shown in Table 8. In addition, the discharge capacity was calculated | required by the relative value when the value of Example 1-1 is set to 100.
表8から分かるように、実施例7−1〜7−6と同様の結果が得られた。すなわち、真比重が2.23g/cm3 以上であり、かつタップ密度が0.8g/cm3 以下である要件を満たす他の炭素材料を用いた場合にも、炭素材料の含有量は、負極活物質に対して15質量%以上50質量%以下の範囲内、特に20質量%以上40質量%以下の範囲内が好ましいことが分かった。 As can be seen from Table 8, the same results as in Examples 7-1 to 7-6 were obtained. That is, even when another carbon material satisfying the requirement that the true specific gravity is 2.23 g / cm 3 or more and the tap density is 0.8 g / cm 3 or less is used, the content of the carbon material is It was found that the range of 15% by mass or more and 50% by mass or less, particularly 20% by mass or more and 40% by mass or less of the active material is preferable.
(実施例9−1〜9−3)
結着剤としてフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、またはフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体を用いたことを除き、他は実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。
(Examples 9-1 to 9-3)
Other than using vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, or vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer as the binder, A secondary battery was fabricated in the same manner as Example 1-1.
得られた実施例9−1〜9−3の二次電池についても、実施例1−1と同様にして、放電容量および充放電サイクル特性を調べた。それらの結果を表9に示す。なお、放電容量は、実施例1−1の値を100とした場合の相対値で求めた。 For the obtained secondary batteries of Examples 9-1 to 9-3, the discharge capacity and the charge / discharge cycle characteristics were examined in the same manner as in Example 1-1. The results are shown in Table 9. In addition, the discharge capacity was calculated | required by the relative value when the value of Example 1-1 is set to 100.
表9から分かるように、実施例1−1と同様の結果が得られた。すなわち、結着剤にポリフッ化ビニリデンあるいはフッ化ビニリデンを成分として含む共重合体を用いるようにすれば、好ましいことが分かった。 As can be seen from Table 9, the same results as in Example 1-1 were obtained. That is, it has been found preferable to use polyvinylidene fluoride or a copolymer containing vinylidene fluoride as a component for the binder.
(実施例10−1〜10−7)
負極合剤における結着剤の混合量を、表10に示したように0.5質量%以上12.0質量%以下の範囲内で変化させたことを除き、他は実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。
(Examples 10-1 to 10-7)
Except that the mixing amount of the binder in the negative electrode mixture was changed within the range of 0.5% by mass or more and 12.0% by mass or less as shown in Table 10, the others were the same as Example 1-1. Similarly, a secondary battery was produced.
得られた実施例10−1〜10−7の二次電池についても、実施例1−1と同様にして、放電容量および充放電サイクル特性を調べた。それらの結果を表10に示す。なお、放電容量は、実施例1−1の値を100とした場合の相対値で求めた。 For the obtained secondary batteries of Examples 10-1 to 10-7, the discharge capacity and the charge / discharge cycle characteristics were examined in the same manner as in Example 1-1. The results are shown in Table 10. In addition, the discharge capacity was calculated | required by the relative value when the value of Example 1-1 is set to 100.
表10から分かるように、放電容量は、負極合剤における結着剤の混合量が増大するに伴い大きくなり、極大値を示したのち低下した。また、容量維持率は、結着剤の混合量が増大するに伴い大きくなり、ほぼ一定の値を示すようになった。 As can be seen from Table 10, the discharge capacity increased as the mixing amount of the binder in the negative electrode mixture increased, and decreased after showing the maximum value. Further, the capacity retention rate increased as the amount of the binder mixed increased, and showed a substantially constant value.
すなわち、結着剤の含有量は、1質量%以上10質量%以下の範囲内、特に2質量%以上5質量%以下の範囲内が好ましいことが分かった。 That is, it was found that the content of the binder is preferably in the range of 1% by mass to 10% by mass, particularly in the range of 2% by mass to 5% by mass.
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、シート型,および巻回構造を有する二次電池を具体的に挙げて説明したが、本発明は、コイン型,ボタン型あるいは角型などの外装部材を用いた他の形状を有する二次電池、または正極および負極を複数積層した積層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。 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 secondary battery having a sheet type and a winding structure has been specifically described. However, the present invention provides an exterior member such as a coin type, a button type, or a square type. The present invention can be similarly applied to a secondary battery having another shape used or a secondary battery having a stacked structure in which a plurality of positive and negative electrodes are stacked.
また、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場合について説明したが、負極活物質と反応可能であればナトリウム(Na)あるいはカリウム(K)などの長周期型周期表における他の1族の元素、またはマグネシウムあるいはカルシウム(Ca)などの長周期型周期表における2族の元素、またはアルミニウムなどの他の軽金属、またはリチウムあるいはこれらの合金を用いる場合についても、本発明を適用することができ、同様の効果を得ることができる。その際、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な正極活物質あるいは非水溶媒などは、その電極反応物質に応じて選択される。
In the embodiment and the example, the case where lithium is used as the electrode reactant has been described. However, if it is possible to react with the negative electrode active material, the other in the long-period periodic table such as sodium (Na) or potassium (K) The present invention is also applied to the case of using an element of
10…負極、11…負極集電体、12…負極活物質層、21…電池缶、22,23…絶縁板、24…電池蓋、25…安全弁機構、25A…ディスク板、26…熱感抵抗素子、27…ガスケット、30,40…巻回電極体、31,43,62…正極、31A,43A,62A…正極集電体、31B,43B,62B…正極活物質層、32,44…セパレータ、33…センターピン、34,41,61…正極リード、35,42,63…負極リード45,64…電解質層、46…保護テープ、50,65…外装部材、51…密着フィルム、60…電極体。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
真比重が2.23g/cm3 以上であり、かつタップ密度が0.8g/cm3 以下である炭素材料とを含有し、
前記負極活物質のX線回折により得られる回折ピークの半値幅は、回折角2θ=20°以上50°以下の範囲において1.0°以上である、
リチウムイオン二次電池用負極。 Constituent elements include at least tin (Sn), cobalt (Co), and carbon (C), the carbon content is 9.9 mass% to 29.7 mass%, and tin and cobalt A negative electrode active material in which a ratio of cobalt to the total of 30% by mass to 70% by mass;
A carbon material having a true specific gravity of 2.23 g / cm 3 or more and a tap density of 0.8 g / cm 3 or less ,
The half width of the diffraction peak obtained by X-ray diffraction of the negative electrode active material is 1.0 ° or more in the range of diffraction angle 2θ = 20 ° to 50 °,
Negative electrode for lithium ion secondary battery .
前記結着剤は、ポリフッ化ビニリデンおよびフッ化ビニリデンを成分として含む共重合体のうちの少なくとも1種を含有し、
前記負極活物質層における前記結着剤の含有量は、1質量%以上10質量%以下である、請求項1記載のリチウムイオン二次電池用負極。 A negative electrode active material layer including the negative electrode active material, the carbon material, and a binder; and a negative electrode current collector provided with the negative electrode active material layer,
The binder contains at least one of polyvinylidene fluoride and a copolymer containing vinylidene fluoride as a component,
The content of the binder in the negative electrode active material layer is not more than 10 mass% to 1 mass%, claim 1 for a lithium ion secondary battery negative electrode according.
前記負極は、構成元素として、スズ(Sn)と、コバルト(Co)と、炭素(C)とを少なくとも含み、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が30質量%以上70質量%以下である負極活物質と、真比重が2.23g/cm3 以上であり、かつタップ密度が0.8g/cm3 以下である炭素材料とを含有し、
前記負極活物質のX線回折により得られる回折ピークの半値幅は、回折角2θ=20°以上50°以下の範囲において1.0°以上である、
リチウムイオン二次電池。 An electrolyte is provided with a positive electrode and a negative electrode ,
The negative electrode includes at least tin (Sn), cobalt (Co), and carbon (C) as constituent elements, the carbon content is 9.9 mass% or more and 29.7 mass% or less, and The negative electrode active material in which the ratio of cobalt to the total of tin and cobalt is 30% by mass or more and 70% by mass or less, the true specific gravity is 2.23 g / cm 3 or more, and the tap density is 0.8 g / cm 3 or less. It contains a carbon material is,
The half width of the diffraction peak obtained by X-ray diffraction of the negative electrode active material is 1.0 ° or more in the range of diffraction angle 2θ = 20 ° to 50 °,
Lithium ion secondary battery.
前記結着剤は、ポリフッ化ビニリデンおよびフッ化ビニリデンを成分として含む共重合体のうちの少なくとも1種を含有し、
前記負極活物質層における前記結着剤の含有量は、1質量%以上10質量%以下である、請求項5記載のリチウムイオン二次電池。 The negative electrode includes a negative electrode active material layer including the negative electrode active material, the carbon material, and a binder , and a negative electrode current collector provided with the negative electrode active material layer,
The binder contains at least one of polyvinylidene fluoride and a copolymer containing vinylidene fluoride as a component,
The lithium ion secondary battery according to claim 5 , wherein the content of the binder in the negative electrode active material layer is 1% by mass or more and 10% by mass or less.
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