JP5186884B2 - Lithium secondary battery electrode and lithium secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、リチウム2次電池用電極及びリチウム2次電池に関する。 The present invention relates to an electrode for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery.
従来、リチウム2次電池としては、負極活物質として炭素粒子とこの炭素粒子に埋め込まれたリチウムイオンの侵入離脱性を高めるシリコンやスズなどの金属粒子とを有し、高容量で且つ長いサイクル寿命を有するものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。また、負極の集電体の表面上にシリコンやスズなどリチウムイオンを吸蔵・脱離する金属の薄層を所定の面積率で設け、更にその上に炭素材料の層を設けた負極とすることにより、放電容量やサイクル特性を高めたものが提案されている(例えば、特許文献2参照)。また、リチウムイオンを吸蔵放出する負極において、炭素を主成分とする第1の層と炭素のリチウム吸蔵の理論容量より多くのリチウムを吸蔵可能な成分としてSiやSnなどの酸化物を主成分とする第2の層とを含む多層構造を設けることにより充放電効率を高め且つ良好なサイクル特性を維持するものが提案されている(例えば、特許文献3参照)。
しかしながら、この特許文献1〜3に記載されたリチウム2次電池では、シリコンや炭素粒子などを複合して用いることによって、高容量化や高いサイクル特性を図っているがまだ十分でなく、例えばシリコンでは、リチウムが吸蔵されたときの体積膨張が黒鉛の体積膨張に比べて大きく、負極活物質の割れや集電体からの剥離などの現象が促進されやすいことから、繰り返して充放電する場合に電極特性が低下してしまう問題があり、充放電のサイクルを繰り返した際の更なる電極特性の向上が望まれていた。 However, in the lithium secondary batteries described in Patent Documents 1 to 3, a high capacity and high cycle characteristics are achieved by using silicon or carbon particles in combination, but it is not sufficient. Therefore, the volume expansion when lithium is occluded is larger than the volume expansion of graphite, and the phenomenon such as cracking of the negative electrode active material and peeling from the current collector is likely to be promoted. There is a problem that the electrode characteristics are deteriorated, and further improvement of the electrode characteristics when the charge / discharge cycle is repeated has been desired.
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、充放電を繰り返した際に充放電容量の低下をより抑制することのできるリチウム2次電池用電極及びリチウム2次電池を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a subject, and provides the electrode for lithium secondary batteries and lithium secondary battery which can suppress the fall of charging / discharging capacity more when charging / discharging is repeated. With the goal.
上述した目的を達成するために、本発明者らは、リチウム2次電池用の電極について、炭素材料である黒鉛と非晶質シリコンとを活物質に用い、この黒鉛の充填密度や構造、非晶質シリコンの密度、集電体の表面粗度と非晶質シリコンの厚さの関係、黒鉛層及び非晶質シリコン層の配置の関係などの好適化を図ることにより、充放電を繰り返した際に充放電容量の低下をより抑制することができることを見いだし、本発明を完成するに至った。 In order to achieve the above-described object, the present inventors use graphite and amorphous silicon, which are carbon materials, as an active material for an electrode for a lithium secondary battery. Charge / discharge was repeated by optimizing the density of crystalline silicon, the relationship between the surface roughness of the current collector and the thickness of the amorphous silicon, and the relationship between the arrangement of the graphite layer and the amorphous silicon layer. At the same time, it was found that the decrease in charge / discharge capacity could be further suppressed, and the present invention was completed.
即ち、本発明のリチウム2次電池用電極は、
少なくとも最表面層に形成され活物質充填密度が1.2g/cm3以上1.7g/cm3以下であり電極のX線回折測定における(002)面と(110)面とのピーク面積強度比I110/I002が0.0010以上である黒鉛層と、最表面以外の層に形成され密度が2.0g/cm3以上の非晶質シリコン層と、を含む活物質と、
前記非晶質シリコン層と接して前記活物質が設けられその表面粗さRz(μm)、前記非晶質シリコン厚さt(μm)とするとt≦Rz/2を満たす集電体と、
を備えたものである。
That is, the electrode for the lithium secondary battery of the present invention is
The peak area intensity ratio between the (002) plane and the (110) plane in the X-ray diffraction measurement of the electrode formed at least on the outermost surface layer and having an active material packing density of 1.2 g / cm 3 or more and 1.7 g / cm 3 or less An active material including a graphite layer having an I110 / I002 of 0.0010 or more and an amorphous silicon layer formed in a layer other than the outermost surface and having a density of 2.0 g / cm 3 or more;
A current collector that is provided in contact with the amorphous silicon layer, has a surface roughness Rz (μm), and has an amorphous silicon thickness t (μm), and satisfies t ≦ Rz / 2;
It is equipped with.
また、本発明のリチウム2次電池は、リチウムを含有する正極活物質を含む正極と、上述したいずれか1つに記載のリチウム2次電池用電極を用いた負極と、前記正極と前記負極との間に介在しリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、を備えたものである。 The lithium secondary battery of the present invention includes a positive electrode including a positive electrode active material containing lithium, a negative electrode using the lithium secondary battery electrode according to any one of the above, the positive electrode, and the negative electrode. And an ion conducting medium that conducts lithium ions.
このリチウム2次電池用電極では、リチウム2次電池として用い充放電を繰り返した際に、充放電容量の低下をより抑制することができる。また、このリチウム2次電池用電極を備えたリチウム2次電池も同様の効果を奏する。このような効果が得られる理由としては、例えば、電極の活物質が、異なる複数の層から構成されることによりそれぞれの層が接触する面の形状や導電性が異なることがあり、集電体と活物質との密着性や導電性が向上することが考えられる。また、例えば、活物質の各々の層が異なる空隙率を有しており、この空隙率を適正なものとすることにより、リチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体の保持性を維持しやすいことが考えられる。 In this electrode for a lithium secondary battery, when it is used as a lithium secondary battery and charging and discharging are repeated, a decrease in charge / discharge capacity can be further suppressed. Moreover, the lithium secondary battery provided with this electrode for lithium secondary batteries also has the same effect. The reason why such an effect can be obtained is that, for example, the active material of the electrode is composed of a plurality of different layers, so that the shape and conductivity of the surface in contact with each layer may be different. It is considered that the adhesion and conductivity between the active material and the active material are improved. In addition, for example, each layer of the active material has a different porosity, and it is considered that the retention of an ion conductive medium that conducts lithium ions can be easily maintained by making this porosity appropriate. It is done.
本発明のリチウム2次電池用電極は、リチウムイオン2次電池やリチウム空気電池などのリチウム2次電池の電極として利用することができる。このうち、リチウムイオン2次電池の負極に利用可能とするのが好ましい。このリチウム2次電池用電極は、黒鉛層と非晶質シリコン層とを有する活物質と、集電体とを備えている。 The electrode for a lithium secondary battery of the present invention can be used as an electrode of a lithium secondary battery such as a lithium ion secondary battery or a lithium air battery. Among these, it is preferable to make it usable for the negative electrode of a lithium ion secondary battery. The electrode for a lithium secondary battery includes an active material having a graphite layer and an amorphous silicon layer, and a current collector.
本発明の電極において、活物質に含まれる黒鉛層としては、リチウムを吸蔵・放出可能な材料であり、鱗片状黒鉛や塊状黒鉛、土状黒鉛のような天然黒鉛や人造黒鉛、膨張黒鉛などのグラファイト類としてもよく、このうち、外形がより球形状であるものの方が好ましい。また、この黒鉛は、活物質充填密度が1.2g/cm3以上1.7g/cm3以下の範囲にある。活物質充填密度が1.2g/cm3以上では、この黒鉛層と隣り合う他の層など活物質同士の密着性を向上することができ、活物質充填密度が1.7g/cm3以下では、電極に加える圧力を低減可能とし活物質の割れなどによる活物質の微粒子化などを抑制することができる。この活物質充填密度は、1.5g/cm3以下であることがより好ましい。また、活物質に含まれる黒鉛は、電極を測定試料として測定したX線回折測定における(002)面と(110)面とのピーク面積強度比I110/I002が0.0010以上を示すものを用いる。このピーク面積強度比I110/I002を0.0010以上とすれば、充放電時における体積変化の不均一性を最小限に抑制することができる。なお、ピーク面積強度比I110/I002が0.0010以上では、黒鉛粒子がより球形に近くなる傾向を示す。即ち黒鉛の原料をより球形とすればこのピーク面積強度比I110/I002を0.0010以上となるようコントロールできる。このピーク面積強度比は、活物質充填密度を変化させることにより、コントロールすることができる。この黒鉛は、少なくとも最表面層に形成されている。こうすれば、非晶質シリコン層が最表面層に存在しないことになり、非晶質シリコン層が最表面に存在するものに比して、2次電池としたときの電解液の保持性が高くなる。これは、詳しくは後述するが、集電体の表面粗さRzと、非晶質シリコン層の凹凸と、黒鉛粒子の大きさとの関係により生じる効果である。また、最表面層に形成されているから、黒鉛層でリチウムの吸蔵・放出がしやすい。この黒鉛の粒径dは、10μm以上40μm以下の範囲であることが好ましく、20μm以下であることがより好ましい。10μm以上では粒子同士を結合しやすく、40μm以下では粒子同士の密着性をより高めやすい。この黒鉛層は、結着剤を混合し、適当な溶媒を加えてペースト状にし、集電体の表面に形成された非晶質シリコン層の表面に塗布、乾燥し、その後、プレスを行うことによって形成することができる。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデンなどの含フッ素樹脂等を用いることができ、溶剤としてはNメチル2ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。 In the electrode of the present invention, the graphite layer contained in the active material is a material capable of occluding and releasing lithium, such as natural graphite such as flaky graphite, massive graphite, earthy graphite, artificial graphite, expanded graphite, etc. Graphite may be used, and among these, those having a more spherical outer shape are preferred. Further, this graphite has an active material packing density in the range of 1.2 g / cm 3 or more and 1.7 g / cm 3 or less. When the active material packing density is 1.2 g / cm 3 or more, the adhesion between the active materials such as other layers adjacent to the graphite layer can be improved, and when the active material packing density is 1.7 g / cm 3 or less. In addition, the pressure applied to the electrode can be reduced, and the active material can be prevented from becoming fine particles due to cracking of the active material. The active material packing density is more preferably 1.5 g / cm 3 or less. In addition, as the graphite contained in the active material, the one in which the peak area intensity ratio I110 / I002 between the (002) plane and the (110) plane in the X-ray diffraction measurement using the electrode as a measurement sample is 0.0010 or more is used. . If this peak area intensity ratio I110 / I002 is set to 0.0010 or more, non-uniformity in volume change during charge / discharge can be minimized. When the peak area intensity ratio I110 / I002 is 0.0010 or more, the graphite particles tend to be more spherical. That is, if the graphite raw material is made more spherical, the peak area intensity ratio I110 / I002 can be controlled to be 0.0010 or more. This peak area intensity ratio can be controlled by changing the active material packing density. This graphite is formed at least on the outermost surface layer. In this way, the amorphous silicon layer does not exist on the outermost surface layer, and the retention of the electrolytic solution when the secondary battery is made is higher than that in which the amorphous silicon layer exists on the outermost surface. Get higher. As will be described in detail later, this is an effect caused by the relationship between the surface roughness Rz of the current collector, the unevenness of the amorphous silicon layer, and the size of the graphite particles. Further, since it is formed on the outermost surface layer, it is easy to occlude / release lithium in the graphite layer. The particle diameter d of the graphite is preferably in the range of 10 μm or more and 40 μm or less, and more preferably 20 μm or less. When the particle size is 10 μm or more, the particles are easily bonded to each other, and when the particle size is 40 μm or less, the adhesion between the particles is easily improved. This graphite layer is mixed with a binder, added with a suitable solvent to form a paste, applied to the surface of the amorphous silicon layer formed on the surface of the current collector, dried, and then pressed. Can be formed. As the binder, a fluorine-containing resin such as polyvinylidene fluoride can be used, and as the solvent, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used.
本発明の電極において、活物質に含まれる非晶質シリコン層は、少なくとも集電体の表面に形成されており、その密度が2.0g/cm3以上である。密度が2.0g/cm3以上であると、非晶質シリコン層自体の強度をより高めることができる。ここで、シリコンの真密度は2.34g/cm3であり、密度が2.0g/cm3程度であると、15%程度の空隙が存在することになるから、リチウムの吸蔵・放出機能をより高めることができる。この密度は、2.1g/cm3以下であることが好ましい。こうすれば、非晶質シリコン層の空隙を確保して、リチウムの吸蔵・放出機能を十分に発揮させることができる。この非晶質シリコン層は、活物質の最表面層を形成しない。このため、非晶質シリコン層が最表面に存在するものに比して、2次電池としたときのリチウムイオンの吸蔵・放出量が高くなる。この非晶質シリコン層の厚さtは、0.5μm以上3.5μm以下が好ましく、1.0μm以上3.0μm以下がより好ましい。厚さtが0.5μm以上では、非晶質シリコン層自体のリチウムの吸蔵・放出機能がより顕著になるし、3.5μm以下では、集電体との剥離、もしくは、シリコン層内での剥離などを抑制することができる。この非晶質シリコン層は、黒鉛層と集電体との間に形成されるのが好ましい。こうすれば、この非晶質シリコン層よりも空隙率の高い黒鉛層がより表面側に構成されるから、非晶質シリコン単独で構成される電極に比して電極密着性、導電性且つ電解液保持性を維持することができ、大きい電流値における放電容量の向上に効果を示す。この非晶質シリコン層は、例えば、スパッタリングにより集電体の表面上に堆積させるのが好ましい。こうすれば、比較的容易に密度をコントロールすることができる。なお、非晶質シリコン層及び黒鉛層は、交互に複数層に亘って形成するものとしてもよいし、集電体上に1層ずつ形成する黒鉛−非晶質シリコン2層構造としてもよい。後者では、製造工程の簡略化を図ると共に、充放電を繰り返した際に充放電容量の低下をより抑制することができる。 In the electrode of the present invention, the amorphous silicon layer contained in the active material is formed at least on the surface of the current collector and has a density of 2.0 g / cm 3 or more. When the density is 2.0 g / cm 3 or more, the strength of the amorphous silicon layer itself can be further increased. Here, the true density of silicon is 2.34 g / cm 3 , and if the density is about 2.0 g / cm 3 , there will be about 15% voids. Can be increased. This density is preferably 2.1 g / cm 3 or less. By doing so, it is possible to secure the voids in the amorphous silicon layer and to fully exhibit the lithium occlusion / release function. This amorphous silicon layer does not form the outermost surface layer of the active material. For this reason, the amount of occlusion / release of lithium ions in the secondary battery is higher than that in which the amorphous silicon layer is present on the outermost surface. The thickness t of this amorphous silicon layer is preferably 0.5 μm or more and 3.5 μm or less, and more preferably 1.0 μm or more and 3.0 μm or less. When the thickness t is 0.5 μm or more, the lithium occlusion / release function of the amorphous silicon layer itself becomes more prominent. When the thickness t is 3.5 μm or less, separation from the current collector or in the silicon layer occurs. Peeling can be suppressed. This amorphous silicon layer is preferably formed between the graphite layer and the current collector. In this way, since the graphite layer having a higher porosity than the amorphous silicon layer is formed on the surface side, the electrode adhesion, conductivity, and electrolysis are higher than those of the electrode made of amorphous silicon alone. The liquid retention can be maintained, and the effect is shown in improving the discharge capacity at a large current value. This amorphous silicon layer is preferably deposited on the surface of the current collector, for example, by sputtering. In this way, the density can be controlled relatively easily. Note that the amorphous silicon layer and the graphite layer may be alternately formed over a plurality of layers, or a graphite-amorphous silicon two-layer structure in which one layer is formed on the current collector. In the latter, while simplifying a manufacturing process, when charging / discharging is repeated, the fall of charging / discharging capacity | capacitance can be suppressed more.
本発明の電極において、集電体は、アルミや銅などの金属で形成するのが好ましい。この集電体は、その表面上に上述した活物質が非晶質シリコン層を介して設けられている。この集電体は、活物質が設けられている表面の表面粗さRz(μm)と非晶質シリコン厚さt(μm)との関係がt≦Rz/2を満たすように形成されている。一般的に、非晶質シリコン層は、充放電に伴う体積変化が400%程度あるといわれており、平均的には、1辺あたり1.6倍程度変化すると考えられる。非晶質シリコン層の空隙率(密度)を勘案すると、t≦(Rz/1.85)を満たすことが必要であり、t≦Rz/2を満たすことがより望ましい。こうすれば、非晶質シリコン層での充放電の繰り返しにおいても、集電体の表面粗さRzの範囲内で体積変化を抑えることにより、集電体と非晶質シリコン層との剥離などを抑制することができる。また、この範囲を満たすことにより、より均一的な電極を作製することができる。ここで、表面粗さRzは、十点平均粗さともいい、JIS−B0601:2001附属書1(参考)に基づいて求めた表面粗さをいう。この集電体は、例えば電解法などにより集電体の金属を析出させ、その表面を粗化処理することにより、表面粗さRzをコントロールすることができる。この集電体は、黒鉛の粒子径d(μm)とすると表面粗さRz(μm)が、Rz≦d<4Rzを満たすことが好ましい。表面粗さRzが黒鉛の粒子径d以上であれば、黒鉛粒子が集電体の表面の窪みに嵌ってしまうのを抑制可能であるから、体積変化を吸収しやすく、いずれかの層で剥離などしてしまうのを抑制することができる。また、黒鉛の粒子径dが表面粗さRzの4倍よりも小さいから、集電体の表面に形成された厚さt≦Rz/2を満たすように堆積された非晶質シリコン層との接触を十分取ることができるため、黒鉛層と非晶質シリコン層との密着性なども高めることができる。また、集電体は、表面粗さRzが0.4μm<Rz≦7μmの範囲に形成されていることが好ましく、4.5μm以上であることがより好ましい。表面粗さRzが0.4μmより大きいと、非晶質シリコン層の厚さを確保することができる。また、集電体の表面に表面粗さRzの凹凸を形成するには、それに見合う集電体の厚さが必要となるが、表面粗さRzが7μm以下では、集電体の厚さを抑えることができるため、エネルギー密度の低下を抑制することができる。 In the electrode of the present invention, the current collector is preferably formed of a metal such as aluminum or copper. This current collector is provided with the above-described active material on its surface via an amorphous silicon layer. This current collector is formed so that the relationship between the surface roughness Rz (μm) of the surface provided with the active material and the amorphous silicon thickness t (μm) satisfies t ≦ Rz / 2. . In general, an amorphous silicon layer is said to have a volume change of about 400% due to charge / discharge, and on average, it is considered to change about 1.6 times per side. Considering the porosity (density) of the amorphous silicon layer, it is necessary to satisfy t ≦ (Rz / 1.85), and it is more desirable to satisfy t ≦ Rz / 2. In this way, even when charging / discharging is repeated in the amorphous silicon layer, the volume change is suppressed within the range of the surface roughness Rz of the current collector, thereby separating the current collector from the amorphous silicon layer. Can be suppressed. Moreover, a more uniform electrode can be produced by satisfying this range. Here, the surface roughness Rz is also referred to as a ten-point average roughness, and refers to the surface roughness determined based on JIS-B0601: 2001 Annex 1 (reference). For this current collector, the surface roughness Rz can be controlled by precipitating the metal of the current collector by, for example, an electrolytic method and roughening the surface. The current collector preferably has a surface roughness Rz (μm) satisfying Rz ≦ d <4Rz when the particle diameter of graphite is d (μm). If the surface roughness Rz is equal to or larger than the graphite particle diameter d, it is possible to suppress the graphite particles from fitting into the depressions on the surface of the current collector. Etc. can be suppressed. Moreover, since the particle diameter d of graphite is smaller than 4 times the surface roughness Rz, the amorphous silicon layer deposited so as to satisfy the thickness t ≦ Rz / 2 formed on the surface of the current collector Since sufficient contact can be obtained, adhesion between the graphite layer and the amorphous silicon layer can be improved. Further, the current collector is preferably formed with a surface roughness Rz in the range of 0.4 μm <Rz ≦ 7 μm, and more preferably 4.5 μm or more. When the surface roughness Rz is larger than 0.4 μm, the thickness of the amorphous silicon layer can be secured. In addition, in order to form irregularities with the surface roughness Rz on the surface of the current collector, a current collector thickness corresponding to the surface roughness Rz is required, but when the surface roughness Rz is 7 μm or less, the current collector thickness is reduced. Since it can suppress, the fall of an energy density can be suppressed.
本発明のリチウム2次電池は、リチウムを含有する正極活物質を含む正極と、上述したリチウム2次電池用電極を用いた負極と、正極と前記負極との間に介在しリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、を備えている。本発明のリチウム2次電池の負極は、上述したリチウム2次電池用電極を用いることができる。また、イオン伝導媒体としては、電解質を溶解した電解液とすることができる。 The lithium secondary battery of the present invention conducts lithium ions by interposing between a positive electrode including a positive electrode active material containing lithium, a negative electrode using the above-described lithium secondary battery electrode, and the positive electrode and the negative electrode. An ion conductive medium. The electrode for a lithium secondary battery described above can be used for the negative electrode of the lithium secondary battery of the present invention. Moreover, as an ion conduction medium, it can be set as the electrolyte solution which melt | dissolved electrolyte.
本発明のリチウム2次電池の正極は、例えば正極活物質に導電材及び結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の正極合材としたものを、アルミニウムからなる集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成することができる。集電体としては、具体的にはアルミニウム箔や銅箔などを用いることができる。正極活物質としては、リチウムと遷移金属元素とを含む酸化物、又はポリアニオン系化合物を用いることができる。具体的には、例えばリチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物、リチウム鉄複合リン酸化物などが挙げられる。導電材は、正極の電気伝導性を確保するためのものであり、例えばカーボンブラック、アセチレンブラック、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス類等の炭素物質粉末状体の1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。結着剤は、活物質粒子及び導電材粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂等を用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴムの水分散体等を用いることもできる。正極活物質、導電材、結着剤を分散させる溶剤としては、例えばNメチル2ピロリドンなどの有機溶剤を用いることができる。 The positive electrode of the lithium secondary battery of the present invention is obtained by mixing a positive electrode active material with a conductive material and a binder and adding a suitable solvent to form a paste-like positive electrode mixture. It can be formed by applying and drying on the surface and compressing to increase the electrode density as necessary. Specifically, an aluminum foil, a copper foil, or the like can be used as the current collector. As the positive electrode active material, an oxide containing lithium and a transition metal element or a polyanionic compound can be used. Specifically, for example, lithium cobalt composite oxide, lithium nickel composite oxide, lithium manganese composite oxide, lithium iron composite phosphorus oxide, and the like can be given. The conductive material is for ensuring the electrical conductivity of the positive electrode. For example, one or more carbon material powders such as carbon black, acetylene black, natural graphite, artificial graphite, and coke are mixed. Things can be used. The binder plays a role of connecting the active material particles and the conductive material particles. For example, a fluorine-containing resin such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, and fluororubber, or a thermoplastic resin such as polypropylene and polyethylene. Can be used. In addition, an aqueous dispersion of a cellulose-based or styrene-butadiene rubber that is an aqueous binder can also be used. As a solvent for dispersing the positive electrode active material, the conductive material, and the binder, for example, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used.
本発明のリチウム2次電池において、電解質については、支持塩を含む非水系電解液などを用いることができる。支持塩としては、特に限定されるものではないが、例えば、LiPF6,LiClO4,LiAsF6,LiBF4,Li(CF3SO2)2N,Li(CF3SO3),LiN(C2F5SO2)などの公知の支持塩を用いることができる。これらの支持塩は、単独で用いてもよいし、複数を組み合わせて用いてもよい。支持塩の濃度としては、0.1〜2.0Mであることが好ましく、0.8〜1.2Mであることがより好ましい。電解液としては、非プロトン性の有機溶媒を用いることができる。このような有機溶媒としては、例えば環状カーボネート、鎖状カーボネート、環状エステル、環状エーテル、鎖状エーテル等が挙げられる。環状カーボネートとしては、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニルカーボネート等がある。鎖状カーボネートとしては、例えばジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート等がある。環状エステルカーボネートとしては、例えばガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトン等がある。環状エーテルとしては、例えばテトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等がある。鎖状エーテルとしては、例えばジメトキシエタン、エチレングリコールジメチルエーテル等がある。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。 In the lithium secondary battery of the present invention, as the electrolyte, a nonaqueous electrolytic solution containing a supporting salt can be used. The supporting salt is not particularly limited. For example, LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (CF 3 SO 3 ), LiN (C 2 ) Known supporting salts such as F 5 SO 2 ) can be used. These supporting salts may be used alone or in combination. The concentration of the supporting salt is preferably 0.1 to 2.0M, and more preferably 0.8 to 1.2M. As the electrolytic solution, an aprotic organic solvent can be used. Examples of such an organic solvent include cyclic carbonates, chain carbonates, cyclic esters, cyclic ethers, chain ethers, and the like. Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and vinyl carbonate. Examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate. Examples of the cyclic ester carbonate include gamma butyrolactone and gamma valerolactone. Examples of the cyclic ether include tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran. Examples of the chain ether include dimethoxyethane and ethylene glycol dimethyl ether. These may be used alone or in combination.
本発明のリチウム2次電池は、負極と正極との間にセパレータを備えていてもよい。セパレータとしては、2次電池の使用範囲に耐えうる組成であれば特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン製不織布やポリフェニレンスルフィド製不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の微多孔フィルムが挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複合して用いてもよい。 The lithium secondary battery of the present invention may include a separator between the negative electrode and the positive electrode. The separator is not particularly limited as long as it has a composition that can withstand the use range of the secondary battery. For example, a polymer nonwoven fabric such as a polypropylene nonwoven fabric or a polyphenylene sulfide nonwoven fabric, or a microporous film of an olefin resin such as polyethylene or polypropylene Is mentioned. These may be used alone or in combination.
本発明のリチウム2次電池の形状は、特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型などが挙げられる。また、電気自動車等に用いる大型のものなどに適用してもよい。図1は、本発明のリチウム2次電池10の一例を示す模式図である。このリチウム2次電池10は、集電体11に正極活物質12を形成した正極13と、集電体14の表面に負極活物質15を形成した負極16と、正極13と負極16との間に設けられたセパレータ17と、正極13と負極16の間を満たす電解液18と、を備えたものである。この負極16は、粗面化した集電体14の表面に非晶質シリコン層20が形成され、この非晶質シリコン層20の表面上に結着剤21によって固定された黒鉛粒子22の層が設けられている。この負極16は、黒鉛粒子22層がプレス成形されて作製されている。
The shape of the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a coin type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, and a square type. Moreover, you may apply to the large sized thing etc. which are used for an electric vehicle etc. FIG. 1 is a schematic view showing an example of a lithium
このように形成されたリチウム2次電池10は、少なくとも最表面層に形成され活物質充填密度が1.2g/cm3以上1.7g/cm3以下であり電極のX線回折測定における(002)面と(110)面とのピーク面積強度比I110/I002が0.0010以上である黒鉛粒子22の層と、最表面以外の層に形成され密度が2.0g/cm3以上の非晶質シリコン層20と、を含む負極活物質15と、非晶質シリコン層20が形成されることにより負極活物質15が設けられその表面粗さRz、非晶質シリコン厚さtとするとt≦Rz/2を満たす集電体14と、を備えたリチウム2次電池用電極を負極として備えてある。このため、充放電を繰り返した際に、充放電容量の低下をより抑制することができる。
The thus formed lithium
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes as long as it belongs to the technical scope of the present invention.
以下には、リチウムイオン2次電池を具体的に作製した例を、実験例として説明する。なお、実験例1〜4,6が実施例で、実験例7〜10が比較例で、実験例5,11が参考例である。
Below, the example which produced the lithium ion secondary battery concretely is demonstrated as an experiment example. Experimental Examples 1 to 4 and 6 are Examples, Experimental Examples 7 to 10 are Comparative Examples, and Experimental Examples 5 and 11 are Reference Examples.
[実験例1]
負極集電体として、電解法により表面の銅を析出することにより表面粗さRzが7μmに凹凸状に形成した粗面化銅からなる18μmの電解箔を用意した。この表面粗さRzは、十点平均粗さともいい、JIS−B0601:2001附属書1(参考)に基づいて求めた表面粗さをいう。この電解箔からなる負極集電体上に、スパッタリング装置(トッキ社製ロードロック式スパッタ成膜装置)を用いて、厚さ1μmのシリコンからなる第1負極活物質層を堆積させた(t≦Rz/2)。この堆積条件は、高周波周波数13.56MHz,高周波電力600W,アルゴン流量40sccm(1atm,25℃でのcc/min),ガス圧力1Pa,スパッタ時間2時間43分,堆積層厚さ1μmで行った。具体的には、スパッタリング装置のチャンバ内を5×10-5Paまで真空排気したあと、チャンバ内にアルゴンを導入し、チャンバ内のガス圧が1Paになるようにガス圧を安定させた。チャンバ内のガス圧が安定した状態で高周波電源によりシリコンのスパッタ源に高周波電圧を所定時間印加し、シリコンを負極集電体上に堆積させた。このときのシリコンの密度は2.0g/cm3であった。このシリコン密度の測定は、ガラス小片上(20mm×20mm)に上記条件でスパッタリング処理を行い、シリコンの厚さtを測定し、これとは別に、大きなアルミ箔上(100mmφ)に同様の条件でスパッタリング処理を行い、堆積したシリコンの重量を測定し、この厚さと面積、重量を用いて算出した。
[Experimental Example 1]
As the negative electrode current collector, an electrolytic foil of 18 μm made of roughened copper was prepared by forming copper on the surface by an electrolytic method to form a surface roughness Rz of 7 μm in an uneven shape. This surface roughness Rz is also referred to as ten-point average roughness, and refers to the surface roughness determined based on JIS-B0601: 2001 Annex 1 (reference). On the negative electrode current collector made of this electrolytic foil, a first negative electrode active material layer made of silicon having a thickness of 1 μm was deposited using a sputtering apparatus (load lock type sputtering film forming apparatus manufactured by Tokki Corporation) (t ≦ Rz / 2). The deposition conditions were a high frequency of 13.56 MHz, a high frequency power of 600 W, an argon flow rate of 40 sccm (1 atm, cc / min at 25 ° C.), a gas pressure of 1 Pa, a sputtering time of 2 hours 43 minutes, and a deposited layer thickness of 1 μm. Specifically, after the inside of the chamber of the sputtering apparatus was evacuated to 5 × 10 −5 Pa, argon was introduced into the chamber, and the gas pressure was stabilized so that the gas pressure in the chamber became 1 Pa. A high frequency voltage was applied to a silicon sputtering source by a high frequency power source for a predetermined time while the gas pressure in the chamber was stable, and silicon was deposited on the negative electrode current collector. At this time, the density of silicon was 2.0 g / cm 3 . The silicon density is measured on a small piece of glass (20 mm × 20 mm) under the above-mentioned conditions, and the silicon thickness t is measured. Separately, on a large aluminum foil (100 mmφ) under the same conditions. Sputtering treatment was performed, the weight of the deposited silicon was measured, and the thickness, area and weight were calculated.
次に、粒子径が20μmの黒鉛粒子(大阪ガスケミカル製)と結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)との重量比が90/10になるように混合し、PVdFが一定量(12%)溶解したNメチル2ピロリドン(NMP)溶液を加えて負極スラリーを作製した。この負極スラリーをドクターブレード法により、スパッタにより堆積させたシリコン上に塗布し第2負極活物質層を形成した。120℃で3時間以上乾燥したのち、ロールプレス機を用いてこの電極をプレスし、黒鉛層の活物質充填密度を1.2g/cm3に調整し、2.05cm2に打ち抜き、これを実験例1の負極とした。なお、黒鉛の粒子径は、レーザー回折式粒度分布測定装置(島津社製SALD−2200)を用い、溶媒としてエタノールを用いて測定し、メディアン径として算出した。 Next, graphite particles having a particle diameter of 20 μm (manufactured by Osaka Gas Chemical Co., Ltd.) and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder are mixed so that the weight ratio is 90/10. ) A dissolved N-methyl 2-pyrrolidone (NMP) solution was added to prepare a negative electrode slurry. This negative electrode slurry was applied onto silicon deposited by sputtering using a doctor blade method to form a second negative electrode active material layer. After drying at 120 ° C. for 3 hours or more, this electrode was pressed using a roll press, the active material packing density of the graphite layer was adjusted to 1.2 g / cm 3 , and punched out to 2.05 cm 2. The negative electrode of Example 1 was obtained. In addition, the particle diameter of graphite measured using ethanol as a solvent using the laser diffraction type particle size distribution measuring device (SALD-2200 by Shimadzu Corporation), and computed it as a median diameter.
[X線回折測定]
作製した打ち抜き前の実験例1の負極を用いてX線回折測定を行い、負極の(002)面と(110)面とのピーク面積強度比I110/I002を求めた。X線回折測定は、X線回折装置(リガク社製RINT−2200)を用いてCu−Kα線により40kV−30mAで20°〜70°までスキャンし、(002)面と(110)面に相当するピーク面積を求め、このピーク面積値を用いてピーク面積強度比I110/I002を算出した。その結果、実験例1では、I110/I002=0.00116であった。なお、このX線回折測定は、後述する実験例3,9も行った。
[X-ray diffraction measurement]
X-ray diffraction measurement was performed using the produced negative electrode of Experimental Example 1 before punching, and the peak area intensity ratio I110 / I002 between the (002) plane and the (110) plane of the negative electrode was determined. X-ray diffraction measurement is performed by scanning from 20 ° to 70 ° at 40 kV-30 mA with Cu-Kα ray using an X-ray diffractometer (RINT-2200 manufactured by Rigaku Corporation), and corresponds to the (002) plane and the (110) plane. The peak area was calculated, and the peak area intensity ratio I110 / I002 was calculated using this peak area value. As a result, in Experimental Example 1, I110 / I002 = 0.00116. In addition, this X-ray-diffraction measurement also performed Experimental example 3 and 9 mentioned later.
次に、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比で30:70の割合で混合した非水溶液に6フッ化リン酸リチウムを1mol/Lになるように添加して非水電解液を作製した。上記の負極を作用極とし、Li箔(厚さ300μm)を対極とし、この作用極と対極との間にセパレータ(東燃タピルス)を介し、上記非水電解液を満たして2極セルを作製しこれを実験例1とした。 Next, non-aqueous electrolyte was prepared by adding lithium hexafluorophosphate to a non-aqueous solution in which ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 30:70 so as to be 1 mol / L. Using the above negative electrode as a working electrode, a Li foil (thickness 300 μm) as a counter electrode, a separator (Tonen Tapils) is interposed between this working electrode and the counter electrode, and the above non-aqueous electrolyte is filled to produce a two-electrode cell. This was designated as Experimental Example 1.
[充放電試験]
作製した実験例1の2極セルを用い、0.4mAで0.01Vまで還元(充電)したのち、0.4mAで1.5Vまで酸化(放電)させて初期充電容量、初期放電容量及び初期充放電効率を求めた。続いて、0.2Cで5サイクル充放電を行ったのちに、0.05C(0.225mA)、0.2C(0.9mA)、0.5C(2.25mA)の負荷特性を測定した。ここでは、0.05Cの測定値を100%とし、0.2Cでの0.05Cに対する割合、0.5Cでの0.05Cに対する割合を算出した。その結果、初期充電容量は4.96mAh、初期放電容量は4.51mAh、初期充電効率は91%であった。この実験例1の負極について、初期放電容量Qgsi=4.51mAh、塗布した黒鉛の質量Cg=0.01g、堆積したシリコン重量Csi=0.00042g、黒鉛負極の放電容量Qg=350mAh/gを用いて、非晶質シリコンの放電容量Qsiを次式(1)を用いて算出した。その結果、Qsi=2404.8mAh/gであった。このため、初期放電容量4.51mAhのうち黒鉛が3.5mAh,非晶質シリコンが1.01mAhとなり、非晶質シリコン層が充放電に関与していることが確かめられた。なお、この実験例1の測定結果を表1に示す。表1には、非晶質シリコン層の厚さt(μm)、非晶質シリコンの密度(g/cm3)、黒鉛粒径(μm)、負極活物質充填密度(g/cm3)、表面粗さRz(μm)、X線回折のピーク面積強度比I110/I002、初期充電容量(mAh)、初期放電容量(mAh)、初期充放電効率(%)、放電容量(mAh)、0.05Cに対する容量(%)を示し、後述する実験例2〜12のデータについても示した。
Qsi=(Qgsi−Qg×Cg)/Csi…式(1)
[Charge / discharge test]
Using the produced bipolar cell of Experimental Example 1, after reducing (charging) to 0.01 V at 0.4 mA, it was oxidized (discharged) to 1.5 V at 0.4 mA to obtain the initial charge capacity, initial discharge capacity, and initial The charge / discharge efficiency was determined. Subsequently, after charging and discharging for 5 cycles at 0.2 C, load characteristics of 0.05 C (0.225 mA), 0.2 C (0.9 mA), and 0.5 C (2.25 mA) were measured. Here, the measured value of 0.05C was taken as 100%, and the ratio with respect to 0.05C at 0.2C and the ratio with respect to 0.05C at 0.5C were calculated. As a result, the initial charge capacity was 4.96 mAh, the initial discharge capacity was 4.51 mAh, and the initial charge efficiency was 91%. For the negative electrode of Experimental Example 1, the initial discharge capacity Qgsi = 4.51 mAh, the mass of coated graphite Cg = 0.01 g, the deposited silicon weight Csi = 0.00042 g, and the discharge capacity Qg = 350 mAh / g of the graphite negative electrode were used. Then, the discharge capacity Qsi of amorphous silicon was calculated using the following equation (1). As a result, it was Qsi = 22404.8 mAh / g. For this reason, the initial discharge capacity was 4.51 mAh, graphite was 3.5 mAh, and amorphous silicon was 1.01 mAh, confirming that the amorphous silicon layer was involved in charge / discharge. The measurement results of Experimental Example 1 are shown in Table 1. Table 1 shows the amorphous silicon layer thickness t (μm), amorphous silicon density (g / cm 3 ), graphite particle size (μm), negative electrode active material packing density (g / cm 3 ), Surface roughness Rz (μm), X-ray diffraction peak area intensity ratio I110 / I002, initial charge capacity (mAh), initial discharge capacity (mAh), initial charge / discharge efficiency (%), discharge capacity (mAh), The capacity (%) with respect to 05C is shown, and the data of Experimental Examples 2 to 12 described later are also shown.
Qsi = (Qgsi−Qg × Cg) / Csi (1)
[実験例2]
スパッタ時のガス圧を0.5Paに調整し、密度2.1g/cm3の非晶質シリコン層を1μmとした以外は実験例1と同様にして実験例2の負極及び実験例2の2極セルを作製した。この実験例2では、充放電試験の結果について、初期充電容量は5.00mAh、初期放電容量は4.64mAh、初期充電効率は93%であった。また、初期放電容量Qgsi=4.64mAh、塗布した黒鉛の質量Cg=0.01g、堆積したシリコン重量Csi=0.00042g、黒鉛負極の放電容量Qg=350mAh/gを用い、式(1)により非晶質シリコンの放電容量Qsiを求めたところ、Qsi=2714mAh/gであった。
[Experiment 2]
The negative electrode of Experimental Example 2 and 2 of Experimental Example 2 were the same as Experimental Example 1 except that the gas pressure during sputtering was adjusted to 0.5 Pa and the amorphous silicon layer having a density of 2.1 g / cm 3 was changed to 1 μm. A polar cell was prepared. In Experimental Example 2, as a result of the charge / discharge test, the initial charge capacity was 5.00 mAh, the initial discharge capacity was 4.64 mAh, and the initial charge efficiency was 93%. Further, using initial discharge capacity Qgsi = 4.64 mAh, applied graphite mass Cg = 0.01 g, deposited silicon weight Csi = 0.00042 g, and graphite negative electrode discharge capacity Qg = 350 mAh / g, and When the discharge capacity Qsi of amorphous silicon was determined, it was Qsi = 2714 mAh / g.
[実験例3]
黒鉛を塗布した電極のロールプレス圧を調整し、黒鉛層の活物質充填密度を1.5g/cm3に調整した以外は実験例1と同様にして実験例3の負極及び実験例3の2極セルを作製した。この実験例3では、充放電試験の結果について、初期充電容量は4.70mAh、初期放電容量は4.28mAh、初期充電効率は91%であった。また、初期放電容量Qgsi=4.28mAh、塗布した黒鉛の質量Cg=0.01g、堆積したシリコン重量Csi=0.00042g、黒鉛負極の放電容量Qg=350mAh/gを用い、式(1)により非晶質シリコンの放電容量Qsiを求めたところ、Qsi=1857mAh/gであった。
[Experiment 3]
The negative electrode of Experimental Example 3 and 2 of Experimental Example 3 were the same as Experimental Example 1 except that the roll press pressure of the electrode coated with graphite was adjusted and the active material packing density of the graphite layer was adjusted to 1.5 g / cm 3. A polar cell was prepared. In Experimental Example 3, as a result of the charge / discharge test, the initial charge capacity was 4.70 mAh, the initial discharge capacity was 4.28 mAh, and the initial charge efficiency was 91%. Further, using the initial discharge capacity Qgsi = 4.28 mAh, the mass of coated graphite Cg = 0.01 g, the deposited silicon weight Csi = 0.00042 g, and the discharge capacity Qg = 350 mAh / g of the graphite negative electrode, When the discharge capacity Qsi of amorphous silicon was determined, it was Qsi = 1857 mAh / g.
[実験例4]
スパッタ時間の調整により非晶質シリコン層の厚さtを3μmに調整した以外は実験例1と同様にして実験例4の負極及び実験例4の2極セルを作製した。この実験例4では、充放電試験の結果について、初期充電容量は5.00mAh、初期放電容量は4.64mAh、初期充電効率は93%であった。また、初期放電容量Qgsi=4.64mAh、塗布した黒鉛の質量Cg=0.01g、堆積したシリコン重量Csi=0.00125g、黒鉛負極の放電容量Qg=350mAh/gを用い、式(1)により非晶質シリコンの放電容量Qsiを求めたところ、Qsi=912mAh/gであった。
[Experimental Example 4]
The negative electrode of Experimental Example 4 and the bipolar cell of Experimental Example 4 were fabricated in the same manner as in Experimental Example 1 except that the thickness t of the amorphous silicon layer was adjusted to 3 μm by adjusting the sputtering time. In Experimental Example 4, as a result of the charge / discharge test, the initial charge capacity was 5.00 mAh, the initial discharge capacity was 4.64 mAh, and the initial charge efficiency was 93%. Further, using initial discharge capacity Qgsi = 4.64 mAh, applied graphite mass Cg = 0.01 g, deposited silicon weight Csi = 0.00125 g, and graphite negative electrode discharge capacity Qg = 350 mAh / g, using equation (1) When the discharge capacity Qsi of amorphous silicon was determined, it was Qsi = 912 mAh / g.
[実験例5]
粒径10μmの黒鉛粒子を用いた以外は実験例1と同様にして実験例5の負極及び実験例5の2極セルを作製した。この実験例5では、充放電試験の結果について、初期充電容量は4.95mAh、初期放電容量は4.52mAh、初期充電効率は91%であった。また、初期放電容量Qgsi=4.52mAh、塗布した黒鉛の質量Cg=0.01g、堆積したシリコン重量Csi=0.00042g、黒鉛負極の放電容量Qg=350mAh/gを用い、式(1)により非晶質シリコンの放電容量Qsiを求めたところ、Qsi=2429mAh/gであった。
[Experimental Example 5]
A negative electrode of Experimental Example 5 and a bipolar cell of Experimental Example 5 were produced in the same manner as in Experimental Example 1 except that graphite particles having a particle diameter of 10 μm were used. In Experimental Example 5, as a result of the charge / discharge test, the initial charge capacity was 4.95 mAh, the initial discharge capacity was 4.52 mAh, and the initial charge efficiency was 91%. Further, using initial discharge capacity Qgsi = 4.52 mAh, applied graphite mass Cg = 0.01 g, deposited silicon weight Csi = 0.00042 g, and graphite negative electrode discharge capacity Qg = 350 mAh / g, using equation (1) When the discharge capacity Qsi of amorphous silicon was determined, it was Qsi = 2429 mAh / g.
[実験例6]
表面粗さRzが4.5μmの銅箔を集電体として用いた以外は実験例1と同様にして実験例6の負極及び実験例6の2極セルを作製した。この実験例6では、充放電試験の結果について、初期充電容量は4.90mAh、初期放電容量は4.48mAh、初期充電効率は91%であった。また、初期放電容量Qgsi=4.48mAh、塗布した黒鉛の質量Cg=0.01g、堆積したシリコン重量Csi=0.00042g、黒鉛負極の放電容量Qg=350mAh/gを用い、式(1)により非晶質シリコンの放電容量Qsiを求めたところ、Qsi=2333mAh/gであった。
[Experimental Example 6]
A negative electrode of Experimental Example 6 and a bipolar cell of Experimental Example 6 were fabricated in the same manner as in Experimental Example 1 except that a copper foil having a surface roughness Rz of 4.5 μm was used as a current collector. In Experimental Example 6, as a result of the charge / discharge test, the initial charge capacity was 4.90 mAh, the initial discharge capacity was 4.48 mAh, and the initial charge efficiency was 91%. Further, using initial discharge capacity Qgsi = 4.48 mAh, mass of coated graphite Cg = 0.01 g, deposited silicon weight Csi = 0.00042 g, and discharge capacity Qg = 350 mAh / g of graphite negative electrode, When the discharge capacity Qsi of amorphous silicon was determined, it was Qsi = 2333 mAh / g.
[実験例7]
粒径20μmの黒鉛粒子を集電体に塗布して乾燥したのちにこの黒鉛粒子上に実験例1と同様の条件でスパッタリングを行い、この黒鉛粒子上に非晶質シリコン層を堆積させた以外は実験例1と同様にして実験例7の負極及び実験例7の2極セルを作製した。この実験例7では、充放電試験の結果について、0.5mAで0.01Vまで還元(充電)したのち、0.5mAで1.5Vまで酸化(放電)させて充放電試験を行ったところ、初期充電容量は6.12mAh、初期放電容量は5.63mAh、初期充電効率は92%であった。また、初期放電容量Qgsi=5.63mAh、塗布した黒鉛の質量Cg=0.012g、堆積したシリコン重量Csi=0.00042g、黒鉛負極の放電容量Qg=350mAh/gを用い、式(1)により非晶質シリコンの放電容量Qsiを求めたところ、Qsi=3410mAh/gであった。
[Experimental Example 7]
Except that a graphite particle having a particle size of 20 μm was applied to a current collector and dried, then sputtering was performed on the graphite particle under the same conditions as in Experimental Example 1, and an amorphous silicon layer was deposited on the graphite particle. Produced the negative electrode of Experimental Example 7 and the bipolar cell of Experimental Example 7 in the same manner as Experimental Example 1. In Experimental Example 7, about the result of the charge / discharge test, after reducing (charging) to 0.5V at 0.01mA, the charge / discharge test was conducted by oxidizing (discharging) to 0.5V at 0.5mA. The initial charge capacity was 6.12 mAh, the initial discharge capacity was 5.63 mAh, and the initial charge efficiency was 92%. Further, using initial discharge capacity Qgsi = 5.63 mAh, applied graphite mass Cg = 0.012 g, deposited silicon weight Csi = 0.00042 g, and graphite negative electrode discharge capacity Qg = 350 mAh / g, according to formula (1) When the discharge capacity Qsi of amorphous silicon was determined, it was Qsi = 3410 mAh / g.
[実験例8]
スパッタ時のガス圧を10Paに調整し、密度1.95g/cm3の非晶質シリコン層を1μm堆積した以外は実験例1と同様にして実験例8の負極及び実験例8の2極セルを作製した。この実験例8では、充放電試験の結果について、初期充電容量は4.90mAh、初期放電容量は4.50mAh、初期充電効率は92%であった。また、初期放電容量Qgsi=4.50mAh、塗布した黒鉛の質量Cg=0.01g、堆積したシリコン重量Csi=0.00041g、黒鉛負極の放電容量Qg=350mAh/gを用い、式(1)により非晶質シリコンの放電容量Qsiを求めたところ、Qsi=2439mAh/gであった。
[Experimental Example 8]
The negative electrode of Experimental Example 8 and the bipolar cell of Experimental Example 8 were the same as Experimental Example 1 except that the gas pressure during sputtering was adjusted to 10 Pa and an amorphous silicon layer having a density of 1.95 g / cm 3 was deposited to 1 μm. Was made. In Experimental Example 8, as a result of the charge / discharge test, the initial charge capacity was 4.90 mAh, the initial discharge capacity was 4.50 mAh, and the initial charge efficiency was 92%. Further, using initial discharge capacity Qgsi = 4.50 mAh, applied graphite mass Cg = 0.01 g, deposited silicon weight Csi = 0.00041 g, and negative electrode discharge capacity Qg = 350 mAh / g, according to formula (1) When the discharge capacity Qsi of amorphous silicon was determined, it was Qsi = 2439 mAh / g.
[実験例9]
黒鉛粒子を塗布した電極のロールプレス圧を調整して黒鉛層の活物質充填密度を1.8g/cm3に調整した以外は実験例1と同様にして実験例9の負極及び実験例9の2極セルを作製した。この実験例9では、充放電試験の結果について、初期充電容量は4.00mAh、初期放電容量は3.53mAh、初期充電効率は88%であった。また、初期放電容量Qgsi=3.53mAh、塗布した黒鉛の質量Cg=0.01g、堆積したシリコン重量Csi=0.00042g、黒鉛負極の放電容量Qg=350mAh/gを用い、式(1)により非晶質シリコンの放電容量Qsiを求めたところ、Qsi=71mAh/gであった。
[Experimental Example 9]
The negative electrode of Experimental Example 9 and Experimental Example 9 were the same as Experimental Example 1 except that the roll press pressure of the electrode coated with graphite particles was adjusted to adjust the active material packing density of the graphite layer to 1.8 g / cm 3 . A bipolar cell was produced. In Experimental Example 9, as a result of the charge / discharge test, the initial charge capacity was 4.00 mAh, the initial discharge capacity was 3.53 mAh, and the initial charge efficiency was 88%. Further, using initial discharge capacity Qgsi = 3.53 mAh, mass of coated graphite Cg = 0.01 g, deposited silicon weight Csi = 0.00042 g, and discharge capacity Qg = 350 mAh / g of graphite negative electrode, When the discharge capacity Qsi of amorphous silicon was determined, it was Qsi = 71 mAh / g.
[実験例10]
スパッタ時間の調整により非晶質シリコン層の厚さtを4μmに調整した以外は実験例1と同様にして実験例10の負極及び実験例10の2極セルを作製した。この実験例10では、充放電試験の結果について、初期充電容量は4.92mAh、初期放電容量は4.03mAh、初期充電効率は82%であった。また、初期放電容量Qgsi=4.03mAh、塗布した黒鉛の質量Cg=0.01g、堆積したシリコン重量Csi=0.0017g、黒鉛負極の放電容量Qg=350mAh/gを用い、式(1)により非晶質シリコンの放電容量Qsiを求めたところ、Qsi=311mAh/gであった。
[Experimental Example 10]
The negative electrode of Experimental Example 10 and the bipolar cell of Experimental Example 10 were fabricated in the same manner as in Experimental Example 1 except that the thickness t of the amorphous silicon layer was adjusted to 4 μm by adjusting the sputtering time. In Experimental Example 10, as a result of the charge / discharge test, the initial charge capacity was 4.92 mAh, the initial discharge capacity was 4.03 mAh, and the initial charge efficiency was 82%. Further, using initial discharge capacity Qgsi = 4.03 mAh, applied graphite mass Cg = 0.01 g, deposited silicon weight Csi = 0.007 g, and graphite negative electrode discharge capacity Qg = 350 mAh / g, using equation (1) When the discharge capacity Qsi of amorphous silicon was determined, it was Qsi = 311 mAh / g.
[実験例11]
粒径40μmの黒鉛粒子を用いた以外は実験例1と同様にして実験例11の負極及び実験例11の2極セルを作製した。この実験例11では、充放電試験の結果について、初期充電容量は4.96mAh、初期放電容量は4.48mAh、初期充電効率は90%であった。また、初期放電容量Qgsi=4.48mAh、塗布した黒鉛の質量Cg=0.01g、堆積したシリコン重量Csi=0.00042g、黒鉛負極の放電容量Qg=350mAh/gを用い、式(1)により非晶質シリコンの放電容量Qsiを求めたところ、Qsi=2333mAh/gであった。
[Experimental Example 11]
A negative electrode of Experimental Example 11 and a bipolar cell of Experimental Example 11 were produced in the same manner as in Experimental Example 1 except that graphite particles having a particle size of 40 μm were used. In Experimental Example 11, as a result of the charge / discharge test, the initial charge capacity was 4.96 mAh, the initial discharge capacity was 4.48 mAh, and the initial charge efficiency was 90%. Further, using initial discharge capacity Qgsi = 4.48 mAh, mass of coated graphite Cg = 0.01 g, deposited silicon weight Csi = 0.00042 g, and discharge capacity Qg = 350 mAh / g of graphite negative electrode, When the discharge capacity Qsi of amorphous silicon was determined, it was Qsi = 2333 mAh / g.
[実験例12]
表面粗さRzが0.25μmの銅箔を集電体として用いた以外は実験例1と同様にして実験例12の負極及び実験例12の2極セルを作製した。この実験例12では、充放電試験の結果について、初期充電容量は4.85mAh、初期放電容量は4.33mAh、初期充電効率は89%であった。また、初期放電容量Qgsi=4.33mAh、塗布した黒鉛の質量Cg=0.01g、堆積したシリコン重量Csi=0.00042g、黒鉛負極の放電容量Qg=350mAh/gを用い、式(1)により非晶質シリコンの放電容量Qsiを求めたところ、Qsi=1976mAh/gであった。
[Experimental example 12]
A negative electrode of Experimental Example 12 and a bipolar cell of Experimental Example 12 were fabricated in the same manner as in Experimental Example 1 except that a copper foil having a surface roughness Rz of 0.25 μm was used as the current collector. In Experimental Example 12, as a result of the charge / discharge test, the initial charge capacity was 4.85 mAh, the initial discharge capacity was 4.33 mAh, and the initial charge efficiency was 89%. Further, using initial discharge capacity Qgsi = 4.33 mAh, applied graphite mass Cg = 0.01 g, deposited silicon weight Csi = 0.00042 g, and graphite negative electrode discharge capacity Qg = 350 mAh / g, using equation (1) When the discharge capacity Qsi of amorphous silicon was determined, it was Qsi = 1976 mAh / g.
[実験結果]
実験例1〜12の結果によると、最表面層に黒鉛層が形成され、この黒鉛層の活物質充填密度が1.2g/cm3以上1.7g/cm3以下であり電極のX線回折測定における(002)面と(110)面とのピーク面積強度比I110/I002が0.0010以上であり、最表面以外の層に非晶質シリコン層が形成され、この非晶質シリコン層の密度が2.0g/cm3以上であり、負極集電体の表面粗さRz、非晶質シリコンの厚さtとすると、t≦Rz/2を満たす負極を備えた実験例1〜6では、充放電を繰り返したときの充放電容量の低下をより抑制することがわかった。
[Experimental result]
According to the results of Experimental Examples 1 to 12, a graphite layer is formed on the outermost surface layer, and the active material filling density of the graphite layer is 1.2 g / cm 3 or more and 1.7 g / cm 3 or less, and the X-ray diffraction of the electrode The peak area intensity ratio I110 / I002 between the (002) plane and the (110) plane in the measurement is 0.0010 or more, and an amorphous silicon layer is formed in a layer other than the outermost surface. In Experimental Examples 1 to 6 having a negative electrode satisfying t ≦ Rz / 2, where the density is 2.0 g / cm 3 or more, the surface roughness Rz of the negative electrode current collector, and the thickness t of the amorphous silicon, It was found that the reduction in charge / discharge capacity when charging / discharging was repeated was further suppressed.
10 リチウム2次電池、11 集電体、12 正極活物質、13 正極、14 集電体、15 負極活物質、16 負極、17 セパレータ、18 電解液、20 非晶質シリコン層、21 結着剤、22 黒鉛粒子。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記非晶質シリコン層と接して前記活物質が設けられその表面粗さRz(μm)、前記非晶質シリコン厚さt(μm)とするとt≦Rz/2(但し4.5≦Rz≦7.0、1.0≦t≦3.0)を満たす集電体と、
を備えたリチウム2次電池用電極。 The peak area intensity ratio between the (002) plane and the (110) plane in the X-ray diffraction measurement of the electrode formed at least on the outermost surface layer and having an active material packing density of 1.2 g / cm 3 or more and 1.7 g / cm 3 or less An active material including a graphite layer having an I110 / I002 of 0.0010 or more and an amorphous silicon layer formed in a layer other than the outermost surface and having a density of 2.0 g / cm 3 or more;
When the active material is provided in contact with the amorphous silicon layer and the surface roughness is Rz (μm) and the amorphous silicon thickness is t (μm), t ≦ Rz / 2 (where 4.5 ≦ Rz ≦ 7.0, 1.0 ≦ t ≦ 3.0) ,
An electrode for a rechargeable lithium battery.
請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウム2次電池用電極を用いた負極と、
前記正極と前記負極との間に介在しリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、
を備えたリチウム2次電池。 A positive electrode including a positive electrode active material containing lithium;
A negative electrode using the electrode for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 4 ,
An ion conductive medium that is interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducts lithium ions;
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