JP5187551B2 - Negative electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、負極活物質層が負極集電体に設けられてなるリチウムイオン二次電池用負極、およびそれを備えたリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention is a lithium-ion secondary battery negative electrode active material layer is provided on the anode current collector, and a lithium ion secondary battery having the same.
近年、カメラ一体型VTR(video tape recorder )、デジタルスチルカメラ、携帯電話、携帯情報端末あるいはノートパソコンなどのポータブル電子機器が広く普及しており、その小型化、軽量化および長寿命化が強く求められている。これに伴い、ポータブル電子機器の電源として、電池、特に軽量で高エネルギー密度を得ることが可能な二次電池の開発が進められている。 In recent years, portable electronic devices such as camera-integrated VTRs (video tape recorders), digital still cameras, mobile phones, personal digital assistants, and notebook computers have become widespread, and there is a strong demand for miniaturization, weight reduction, and long life. It has been. Accordingly, as a power source for portable electronic devices, development of a battery, in particular, a secondary battery that is lightweight and capable of obtaining a high energy density is underway.
中でも、充放電反応にリチウムの吸蔵および放出を利用する二次電池(いわゆるリチウムイオン二次電池)は、鉛電池やニッケルカドミウム電池と比較して大きなエネルギー密度が得られるため、大いに期待されている。このリチウムイオン二次電池としては、負極の活物質(負極活物質)として炭素材料が広く用いられている。 Among them, secondary batteries that use the insertion and extraction of lithium for charge / discharge reactions (so-called lithium ion secondary batteries) are highly expected because they provide a higher energy density than lead batteries and nickel cadmium batteries. . In this lithium ion secondary battery, a carbon material is widely used as an active material for the negative electrode (negative electrode active material).
最近では、ポータブル電子機器の高性能化に伴い、さらなる容量の向上が求められており、負極活物質として、炭素材料に代えてスズあるいはケイ素などを用いることが検討されている(例えば、特許文献1,2参照)。スズの理論容量(994mAh/g)およびケイ素の理論容量(4199mAh/g)は黒鉛の理論容量(372mAh/g)に比べて格段に大きいため、電池容量の大幅な向上を期待できるからである。
ところが、スズあるいはケイ素などを負極活物質として用いた場合にはリチウムイオンの吸蔵および放出に伴って大きな体積変化を生じる。このため、結着剤の結着性能が不十分である場合には、充放電を繰り返すことで活物質の利用率が低下し、結果としてサイクル特性が劣化することとなる。このような問題を解決するものとして、ポリアクリル酸やポリマレイン酸の塩(モノマー)を結着剤として使用した例が報告されている(例えば、特許文献3,4参照)。
しかしながら、最近のポータブル電子機器では高性能化および多機能化が益々進行し、それに伴って消費電力が増加していることから、二次電池の充放電がより頻繁に繰り返される傾向にある。このため、ポリアクリル酸やポリマレイン酸の塩(モノマー)を結着剤として使用した場合であっても、十分なサイクル特性が得られにくくなっている。よって、二次電池のサイクル特性に関し、より一層の向上が望まれている。 However, recent portable electronic devices are becoming more sophisticated and multifunctional, and power consumption is increasing accordingly. Therefore, charging and discharging of secondary batteries tend to be repeated more frequently. For this reason, even when polyacrylic acid or a salt (monomer) of polymaleic acid is used as a binder, it is difficult to obtain sufficient cycle characteristics. Therefore, further improvement is desired regarding the cycle characteristics of the secondary battery.
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、サイクル特性を向上させることが可能なリチウムイオン二次電池用負極、およびそれを備え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 the above problems, and its object is to provide a lithium ion secondary battery comprising a lithium-ion secondary battery negative electrode capable of improving the cycle characteristics, and it is there.
本発明のリチウムイオン二次電池用負極は、ケイ素の単体、合金および化合物、ならびにスズの単体、合金および化合物のうちの少なくとも1種を含有した負極活物質と、ポリ(スチレンスルホン酸リチウム−マレイン酸ジリチウム)共重合体またはポリ(スチレンスルホン酸ナトリウム−マレイン酸ジナトリウム)共重合体とを含む負極活物質層を負極集電体に設けるようにしたものである。また、本発明のリチウムイオン二次電池は、上記のリチウムイオン二次電池用負極と正極と共に電解液を備えるようにしたものである。 The negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention includes a negative electrode active material containing at least one of a simple substance, an alloy and a compound of silicon, and a simple substance, an alloy and a compound of tin, and poly (lithium styrenesulfonate-maleic). An anode active material layer containing a diacid lithium) copolymer or a poly (sodium styrenesulfonate-disodium maleate) copolymer is provided on the anode current collector. Moreover, the lithium ion secondary battery of this invention is equipped with electrolyte solution with said negative electrode for lithium ion secondary batteries, and a positive electrode.
本発明のリチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池では、ポリ(スチレンスルホン酸リチウム−マレイン酸ジリチウム)共重合体またはポリ(スチレンスルホン酸ナトリウム−マレイン酸ジナトリウム)共重合体によって負極活物質が十分に結着されるので、充放電時における負極活物質自体の粉砕や、負極集電体からの負極活物質の脱落が生じにくくなる。 In the negative electrode for lithium ion secondary batteries and the lithium ion secondary battery of the present invention, the negative electrode is made of a poly (lithium styrenesulfonate-dilithium maleate) copolymer or a poly (sodium styrenesulfonate-disodium maleate) copolymer. Since the active material is sufficiently bound, it is difficult for the negative electrode active material itself to be pulverized and the negative electrode active material to be removed from the negative electrode current collector during charge and discharge.
本発明のリチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池によれば、負極活物質層が、ケイ素の単体、合金および化合物、ならびにスズの単体、合金および化合物のうちの少なくとも1種を含有した負極活物質と共に、ポリ(スチレンスルホン酸リチウム−マレイン酸ジリチウム)共重合体またはポリ(スチレンスルホン酸ナトリウム−マレイン酸ジナトリウム)共重合体を含むようにしたので、充放電時における負極活物質自体の粉砕や、負極集電体からの負極活物質の脱落を抑制し、負極集電体と負極活物質との間における導電性を向上させることができる。その結果、サイクル特性を向上させることができる。
According to the negative electrode for lithium ion secondary batteries and the lithium ion secondary battery of the present invention, the negative electrode active material layer contains at least one of a simple substance of silicon, an alloy and a compound, and a simple substance of tin, an alloy and a compound of tin. Since the poly (lithium styrenesulfonate-dilithium maleate) copolymer or the poly (sodium styrenesulfonate-disodium maleate) copolymer is included together with the negative electrode active material, the negative electrode active material during charge / discharge It is possible to suppress pulverization of itself and dropping of the negative electrode active material from the negative electrode current collector, and to improve conductivity between the negative electrode current collector and the negative electrode active material. As a result, cycle characteristics can be improved.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施の形態に係る負極の断面構成を表している。この負極は、例えば電池などの電気化学デバイスに用いられるものであり、負極集電体1と、その負極集電体1に設けられた負極活物質層2とを有している。 FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of a negative electrode according to an embodiment of the present invention. The negative electrode is used for an electrochemical device such as a battery, and includes a negative electrode current collector 1 and a negative electrode active material layer 2 provided on the negative electrode current collector 1.
負極集電体1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材料により構成されているのが好ましい。この材料としては、例えば、銅(Cu)、ニッケル(Ni)あるいはステンレスなどの金属材料が挙げられる。中でも、銅が好ましい。高い電気伝導性が得られるからである。 The negative electrode current collector 1 is preferably made of a material having good electrochemical stability, electrical conductivity, and mechanical strength. Examples of this material include metal materials such as copper (Cu), nickel (Ni), and stainless steel. Among these, copper is preferable. This is because high electrical conductivity can be obtained.
負極活物質層2は、負極活物質として電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な負極材料と、結着剤とを含んでいる。さらに、必要に応じて導電剤を含んでいてもよい。この負極活物質層2は、負極集電体1の両面に設けられていてもよいし、片面に設けられていてもよい。 The negative electrode active material layer 2 includes a negative electrode material capable of occluding and releasing an electrode reactant as a negative electrode active material, and a binder. Furthermore, a conductive agent may be included as necessary. The negative electrode active material layer 2 may be provided on both sides of the negative electrode current collector 1 or may be provided on one side.
ここでいう電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な負極材料とは、ケイ素およびスズのうちの少なくとも1種を含むものである。すなわち、ケイ素の単体、合金あるいは化合物、スズの単体、合金あるいは化合物、またはそれらの1種あるいは2種以上の相を少なくとも一部に有する材料である。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。このような負極材料であれば、電極反応物質を吸蔵および放出する能力が大きいため、高いエネルギー密度が得られやすい。 The negative electrode material capable of occluding and releasing the electrode reactive substance here includes at least one of silicon and tin. That is, it is a material having at least a part of a simple substance, an alloy or a compound of silicon, a simple substance, an alloy or a compound of tin, or one or more phases thereof. These may be used alone or in combination of two or more. Such a negative electrode material has a high ability to occlude and release electrode reactants, so that a high energy density is easily obtained.
ケイ素の単体を含む負極材料としては、例えば、ケイ素の単体を主体として含む材料が挙げられる。この負極材料を含有する負極活物質層2は、例えば、ケイ素単体層の間に酸素(O)とケイ素以外の第2の構成元素とが存在する構造を有している。この負極活物質層2におけるケイ素および酸素の合計の含有量は、50質量%以上であるのが好ましく、特に、ケイ素単体の含有量が50質量%以上であるのが好ましい。ケイ素以外の第2の構成元素としては、例えば、チタン(Ti)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄、コバルト(Co)、ニッケル、銅、亜鉛、インジウム、銀、マグネシウム(Mg)、アルミニウム、ゲルマニウム、スズ、ビスマスあるいはアンチモン(Sb)などが挙げられる。ケイ素の単体を主体として含む材料を含有する負極活物質層2は、例えば、ケイ素と他の構成元素を共蒸着することにより形成可能である。 Examples of the negative electrode material containing a simple substance of silicon include a material mainly containing a simple substance of silicon. The negative electrode active material layer 2 containing this negative electrode material has, for example, a structure in which oxygen (O) and a second constituent element other than silicon exist between the silicon simple substance layers. The total content of silicon and oxygen in the negative electrode active material layer 2 is preferably 50% by mass or more, and in particular, the content of silicon alone is preferably 50% by mass or more. Examples of the second constituent element other than silicon include titanium (Ti), chromium (Cr), manganese (Mn), iron, cobalt (Co), nickel, copper, zinc, indium, silver, magnesium (Mg), Examples thereof include aluminum, germanium, tin, bismuth, and antimony (Sb). The negative electrode active material layer 2 containing a material mainly composed of a simple substance of silicon can be formed, for example, by co-evaporation of silicon and other constituent elements.
ケイ素の合金としては、例えば、ケイ素以外の第2の構成元素として、スズ、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモンおよびクロムからなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。ケイ素の化合物としては、例えば、酸素あるいは炭素(C)を含むものが挙げられ、ケイ素に加えて、上記した第2の構成元素を含んでいてもよい。ケイ素の合金または化合物の一例としては、SiB4 、SiB6 、Mg2 Si、Ni2 Si、TiSi2 、MoSi2 、CoSi2 、NiSi2 、CaSi2 、CrSi2 、Cu5 Si、FeSi2 、MnSi2 、NbSi2 、TaSi2 、VSi2 、WSi2 、ZnSi2 、SiC、Si3 N4 、Si2 N2 O、SiOv (0<v≦2)、SnOw (0<w≦2)あるいはLiSiOなどが挙げられる。 As an alloy of silicon, for example, as a second constituent element other than silicon, among the group consisting of tin, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, antimony and chromium The thing containing at least 1 sort (s) of these is mentioned. Examples of the silicon compound include those containing oxygen or carbon (C), and may contain the second constituent element described above in addition to silicon. Examples of silicon alloys or compounds include SiB 4 , SiB 6 , Mg 2 Si, Ni 2 Si, TiSi 2 , MoSi 2 , CoSi 2 , NiSi 2 , CaSi 2 , CrSi 2 , Cu 5 Si, FeSi 2 , MnSi. 2 , NbSi 2 , TaSi 2 , VSi 2 , WSi 2 , ZnSi 2 , SiC, Si 3 N 4 , Si 2 N 2 O, SiO v (0 <v ≦ 2), SnO w (0 <w ≦ 2) or LiSiO etc. are mentioned.
スズの合金としては、例えば、スズ以外の第2の構成元素として、ケイ素、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモンおよびクロムからなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。スズの化合物としては、例えば、酸素あるいは炭素を含むものが挙げられ、スズに加えて、上記した第2の構成元素を含んでいてもよい。スズの合金または化合物の一例としては、SnSiO3 、LiSnO、Mg2 Snなどが挙げられる。 As an alloy of tin, for example, as a second constituent element other than tin, among the group consisting of silicon, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, antimony and chromium The thing containing at least 1 sort (s) of these is mentioned. Examples of the tin compound include those containing oxygen or carbon, and may contain the second constituent element described above in addition to tin. Examples of tin alloys or compounds include SnSiO 3 , LiSnO, Mg 2 Sn, and the like.
特に、ケイ素およびスズのうちの少なくとも1種を含む負極材料としては、例えば、スズを第1の構成元素とし、そのスズに加えて第2の構成元素と第3の構成元素とを含むものが好ましい。第2の元素および第3の元素を含むことにより、サイクル特性が向上するからである。第2の構成元素は、コバルト、鉄、マグネシウム、チタン、バナジウム(V)、クロム、マンガン、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ジルコニウム、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、銀、インジウム、セリウム(Ce)、ハフニウム、タンタル(Ta)、タングステン(W)、ビスマスおよびケイ素からなる群のうちの少なくとも1種である。第3の構成元素は、ホウ素、炭素、アルミニウムおよびリン(P)からなる群のうちの少なくとも1種である。 In particular, as a negative electrode material containing at least one of silicon and tin, for example, a material containing tin as a first constituent element and a second constituent element and a third constituent element in addition to the tin is used. preferable. This is because the cycle characteristics are improved by including the second element and the third element. The second constituent element is cobalt, iron, magnesium, titanium, vanadium (V), chromium, manganese, nickel, copper, zinc, gallium, zirconium, niobium (Nb), molybdenum (Mo), silver, indium, cerium ( Ce), hafnium, tantalum (Ta), tungsten (W), bismuth and silicon. The third constituent element is at least one selected from the group consisting of boron, carbon, aluminum, and phosphorus (P).
中でも、スズ、コバルトおよび炭素を構成元素として含み、炭素の含有量が9.9質量%以上29.7質量%以下、スズおよびコバルトの合計に対するコバルトの割合(Co/(Sn+Co))が30質量%以上70質量%以下であるSnCoC含有材料が好ましい。このような組成範囲において、高いエネルギー密度が得られるからである。 Among them, tin, cobalt and carbon are included as constituent elements, the carbon content is 9.9 mass% or more and 29.7 mass% or less, and the ratio of cobalt to the total of tin and cobalt (Co / (Sn + Co)) is 30 mass. An SnCoC-containing material that is not less than 70% and not more than 70% by mass is preferable. This is because a high energy density can be obtained in such a composition range.
このSnCoC含有材料は、必要に応じて、さらに他の構成元素を含んでいてもよい。他の構成元素としては、例えば、ケイ素、鉄、ニッケル、クロム、インジウム、ニオブ、ゲルマニウム、チタン、モリブデン、アルミニウム、リン、ガリウムあるいはビスマスなどが好ましく、それらの2種以上を含んでいてもよい。より高い効果が得られるからである。 This SnCoC-containing material may further contain other constituent elements as necessary. As other constituent elements, for example, silicon, iron, nickel, chromium, indium, niobium, germanium, titanium, molybdenum, aluminum, phosphorus, gallium, or bismuth are preferable, and two or more of them may be included. This is because a higher effect can be obtained.
なお、SnCoC含有材料は、スズ、コバルトおよび炭素を含む相を有しており、その相は、結晶性の低いまたは非晶質な構造を有しているのが好ましい。また、SnCoC含有材料では、構成元素である炭素の少なくとも一部が、他の構成元素である金属元素あるいは半金属元素と結合しているのが好ましい。スズなどの凝集または結晶化が抑制されるからである。 The SnCoC-containing material has a phase containing tin, cobalt and carbon, and the phase preferably has a low crystallinity or an amorphous structure. In the SnCoC-containing 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. This is because aggregation or crystallization of tin or the like is suppressed.
SnCoC含有材料は、例えば、各構成元素の原料を混合させた混合物を電気炉、高周波誘導炉あるいはアーク溶解炉などで溶解したのち、凝固することにより形成可能である。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や、各種ロール法や、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などでも形成可能である。中でも、メカノケミカル反応を利用した方法が好ましい。負極活物質が低結晶化あるいは非晶質な構造になるからである。メカノケミカル反応を利用した方法では、例えば、遊星ボールミル装置やアトライターなどの製造装置を用いることができる。 The SnCoC-containing material can be formed by, for example, melting a mixture obtained by mixing raw materials of each constituent element in an electric furnace, a high-frequency induction furnace, an arc melting furnace, or the like and then solidifying the mixture. It can also be formed by various atomization methods such as gas atomization or water atomization, various roll methods, methods utilizing mechanochemical reactions such as mechanical alloying methods and mechanical milling methods. Among these, a method using a mechanochemical reaction is preferable. This is because the negative electrode active material has a low crystallinity or an amorphous structure. In the method using the mechanochemical reaction, for example, a production apparatus such as a planetary ball mill apparatus or an attritor can be used.
また、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では、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、グラファイトであれば、炭素の1s軌道(C1s)のピークは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、炭素が金属元素あるいは半金属元素と結合している場合には、C1sのピークは284.5eVよりも低い領域に現れる。すなわち、SnCoC含有材料について得られるC1sの合成波のピークが284.5eVよりも低い領域に現れる場合には、SnCoC含有材料に含まれる炭素の少なくとも一部が他の構成元素である金属元素あるいは半金属元素と結合している。 Moreover, as a measuring method for examining the bonding state of elements, for example, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) can be cited. In this XPS, in the apparatus calibrated so that the 4f orbit (Au4f) peak of gold atom is obtained at 84.0 eV, the peak of 1s orbit (C1s) of carbon appears at 284.5 eV in the case of 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 is high, for example, when carbon is bonded to a metal element or a metalloid element, the peak of C1s appears in a region lower than 284.5 eV. That is, when the peak of the synthetic wave of C1s obtained for the SnCoC-containing material appears in a region lower than 284.5 eV, at least a part of the carbon contained in the SnCoC-containing material is a metal element or a half of other constituent elements. Combined with metal elements.
なお、XPSでは、例えば、スペクトルのエネルギー軸の補正に、C1sのピークを用いる。通常、表面には表面汚染炭素が存在しているので、表面汚染炭素のC1sのピークを284.8eVとし、これをエネルギー基準とする。XPSにおいて、C1sのピークの波形は、表面汚染炭素のピークとSnCoC含有材料中の炭素のピークとを含んだ形として得られるので、例えば、市販のソフトウエアを用いて解析することにより、表面汚染炭素のピークと、SnCoC含有材料中の炭素のピークとを分離する。波形の解析では、最低束縛エネルギー側に存在する主ピークの位置をエネルギー基準(284.8eV)とする。 In XPS, 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, the C1s peak of the surface-contaminated carbon is set to 284.8 eV, which is used as an energy standard. In XPS, the waveform of the peak of C1s is obtained as a form including the peak of surface contamination carbon and the peak of carbon in the SnCoC-containing material. For example, by analyzing using commercially available software, the surface contamination The carbon peak and the carbon peak in the SnCoC-containing material are separated. In the waveform analysis, the position of the main peak existing on the lowest bound energy side is used as the energy reference (284.8 eV).
負極材料としてケイ素の単体、合金あるいは化合物、スズの単体、合金あるいは化合物、またはそれらの1種あるいは2種以上の相を少なくとも一部に有する材料を用いた負極活物質層2は、例えば、焼成法を用いて形成され、負極活物質層2と負極集電体1とが界面の少なくとも一部において合金化しているのが好ましい。具体的には、界面において負極集電体1の構成元素が負極活物質層2に拡散し、あるいは負極活物質層2の構成元素が負極集電体1に拡散し、またはそれらの構成元素が互いに拡散し合っているのが好ましい。充放電に伴う負極活物質層2の膨張および収縮による破壊が抑制されると共に、負極活物質層2と負極集電体1との間の電子伝導性が向上するからである。 The negative electrode active material layer 2 using, as a negative electrode material, a simple substance of silicon, an alloy or compound, a simple substance of tin, an alloy or compound, or a material having one or more phases thereof at least in part, for example, is fired The negative electrode active material layer 2 and the negative electrode current collector 1 are preferably alloyed at least at a part of the interface. Specifically, the constituent elements of the negative electrode current collector 1 diffuse into the negative electrode active material layer 2 at the interface, the constituent elements of the negative electrode active material layer 2 diffuse into the negative electrode current collector 1, or those constituent elements It is preferred that they diffuse together. This is because breakage due to expansion and contraction of the negative electrode active material layer 2 due to charge / discharge is suppressed, and electronic conductivity between the negative electrode active material layer 2 and the negative electrode current collector 1 is improved.
導電剤としては、例えば、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラックあるいはケチェンブラックなどの炭素材料が挙げられる。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。なお、導電剤は、導電性を有する材料であれば、金属材料あるいは導電性高分子などであってもよい。 Examples of the conductive agent include carbon materials such as graphite, carbon black, acetylene black, and ketjen black. These may be used alone or in combination of two or more. Note that the conductive agent may be a metal material or a conductive polymer as long as it is a conductive material.
結着剤としては、スルホン酸イオン基を有する重合体を少なくとも用いる。このスルホン酸イオン基を有する重合体は、例えばアルカリ金属塩であり、より具体的には、化1の(1)に示した構造を有するポリビニルスルホン酸リチウムや化1の(2)に示した構造を有するポリスチレンスルホン酸リチウムなどのリチウム金属塩、あるいはポリビニルスルホン酸ナトリウムやポリスチレンスルホン酸ナトリウムなどのナトリウム金属塩である。スルホン酸イオン基を有する重合体は、さらにカルボン酸イオン基をも有するものであってもよい。すなわち、スルホン酸イオン基を有するモノマーと、カルボン酸イオン基を有するモノマーとの共重合体であってもよい。具体的には、化1の(3)に示した構造を有するポリ(スチレンスルホン酸リチウム−マレイン酸ジリチウム)共重合体などのリチウム金属塩やポリ(スチレンスルホン酸ナトリウム−マレイン酸ジナトリウム)共重合体などのナトリウム金属塩が挙げられる。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。また、結着剤として、ポリビニルスルホン酸リチウムなどのスルホン酸イオン基を有する重合体と、マレイン酸ジリチウムなどのカルボン酸イオン基を有する重合体とが混在したものを用いるようにしてもよい。なお、負極活物質層2には、上記のようなスルホン酸イオン基を有する重合体と共にその分解物が含まれていてもよい。 As the binder, at least a polymer having a sulfonate ion group is used. The polymer having a sulfonic acid ion group is, for example, an alkali metal salt, and more specifically, lithium polyvinyl sulfonate having the structure shown in Chemical Formula 1 (1) and Chemical Polymer 1 (2). A lithium metal salt such as lithium polystyrene sulfonate having a structure, or a sodium metal salt such as sodium polyvinyl sulfonate or sodium polystyrene sulfonate. The polymer having a sulfonate ion group may further have a carboxylate ion group. That is, it may be a copolymer of a monomer having a sulfonate ion group and a monomer having a carboxylate ion group. Specifically, lithium metal salts such as poly (lithium styrenesulfonate-dilithium maleate) copolymer having the structure shown in (3) of Chemical Formula 1 and poly (sodium styrenesulfonate-disodium maleate) copolymer are used. Examples include sodium metal salts such as polymers. These may be used alone or in combination of two or more. Further, as the binder, a mixture of a polymer having a sulfonate ion group such as lithium polyvinyl sulfonate and a polymer having a carboxylic acid ion group such as dilithium maleate may be used. The negative electrode active material layer 2 may contain a decomposition product thereof together with the polymer having a sulfonate ion group as described above.
このような結着剤は、負極活物質の結着性を向上させる機能を有している。このため、この負極が電解液と共に電池などの電気化学デバイスに用いられた場合に、電極反応物質の吸蔵および放出に伴う負極活物質の粉砕や、負極集電体からの負極活物質の脱落が抑制される。このような効果を十分に発揮しつつ、容量の低下や抵抗の上昇を最小限に抑えるため、負極活物質層2における結着剤の含有率は、1質量%以上20質量%以下であることが望ましい。 Such a binder has a function of improving the binding property of the negative electrode active material. For this reason, when this negative electrode is used in an electrochemical device such as a battery together with an electrolytic solution, the negative electrode active material may be pulverized or the negative electrode active material may fall off from the negative electrode current collector due to insertion and extraction of the electrode reactant. It is suppressed. The content of the binder in the negative electrode active material layer 2 is 1% by mass or more and 20% by mass or less in order to minimize the decrease in capacity and the increase in resistance while sufficiently exhibiting such effects. Is desirable.
この負極は、例えば、負極集電体1を用意したのち、その負極集電体1の両面に負極活物質層2を形成することにより製造される。 The negative electrode is manufactured, for example, by preparing the negative electrode current collector 1 and then forming the negative electrode active material layers 2 on both surfaces of the negative electrode current collector 1.
負極活物質層2を形成する際には、例えば、負極活物質の粉末と、導電剤と、結着剤としてのスルホン酸イオン基を有する重合体とを混合した負極合剤を溶剤に分散させることによりペースト状の負極合剤スラリーとし、それを負極集電体1に塗布して乾燥させ(または焼成し)たのち、圧縮成型する。 When forming the negative electrode active material layer 2, for example, a negative electrode mixture in which a powder of a negative electrode active material, a conductive agent, and a polymer having a sulfonate ion group as a binder is mixed is dispersed in a solvent. Thus, a paste-like negative electrode mixture slurry is applied to the negative electrode current collector 1, dried (or baked), and then compression molded.
この負極およびその製造方法によれば、負極活物質層2が、ケイ素の単体、合金および化合物、ならびにスズの単体、合金および化合物のうちの少なくとも1種を含有した負極活物質と共に、スルホン酸イオン基を有する重合体を結着剤として含むようにしたので、ポリアクリル酸やポリマレイン酸の塩(モノマー)を結着剤として使用した場合と比べて負極活物質の結着性が高まり、負極集電体と負極活物質との間における導電性が向上する。その結果、この負極を電解液と共に電池などの電気化学デバイスに用いた場合に、サイクル特性を向上させることができる。 According to the negative electrode and the method for producing the same, the negative electrode active material layer 2 includes a sulfonic acid ion together with a negative electrode active material containing at least one of a simple substance, an alloy and a compound of silicon, and a simple substance, an alloy and a compound of tin. Since a polymer having a group is included as a binder, the binding property of the negative electrode active material is increased as compared with the case where a salt (monomer) of polyacrylic acid or polymaleic acid is used as the binder. The conductivity between the electric body and the negative electrode active material is improved. As a result, when this negative electrode is used together with an electrolytic solution in an electrochemical device such as a battery, cycle characteristics can be improved.
次に、上記した負極の使用例について説明する。ここで、電気化学デバイスの一例として、電池を例に挙げると、負極は以下のようにして電池に用いられる。 Next, usage examples of the above-described negative electrode will be described. Here, taking a battery as an example of an electrochemical device, the negative electrode is used in the battery as follows.
(第1の電池)
図2は、第1の電池の断面構成を表している。この電池は、例えば、負極の容量が電極反応物質であるリチウムの吸蔵および放出に基づく容量成分により表されるものであり、いわゆるリチウムイオン二次電池である。
(First battery)
FIG. 2 shows a cross-sectional configuration of the first battery. This battery is, for example, a so-called lithium ion secondary battery in which the capacity of the negative electrode is represented by a capacity component based on insertion and extraction of lithium as an electrode reactant.
この第1の電池は、ほぼ中空円柱状の電池缶11の内部に、正極21および負極22がセパレータ23を介して巻回された巻回電極体20と、一対の絶縁板12,13とが収納されている。電池缶11は、例えば、ニッケルめっきが施された鉄により構成されており、その一端部および他端部はそれぞれ閉鎖および開放されている。一対の絶縁板12,13は、巻回電極体20を挟み、その巻回周面に対して垂直に延在するように配置されている。この電池缶11を用いた電池構造は、いわゆる円筒型と呼ばれている。
The first battery includes a wound electrode body 20 in which a
電池缶11の開放端部には、電池蓋14と、その内側に設けられた安全弁機構15および熱感抵抗素子(Positive Temperature Coefficient;PTC素子)16とが、ガスケット17を介してかしめられることにより取り付けられており、電池缶11の内部は密閉されている。電池蓋14は、例えば、電池缶11と同様の材料により構成されている。安全弁機構15は、熱感抵抗素子16を介して電池蓋14と電気的に接続されている。この安全弁機構15では、内部短絡あるいは外部からの加熱などに起因して内圧が一定以上となった場合に、ディスク板15Aが反転することにより電池蓋14と巻回電極体20との間の電気的接続が切断されるようになっている。熱感抵抗素子16は、温度の上昇に応じて抵抗が増大することにより、電流を制限して大電流に起因する異常な発熱を防止するものである。ガスケット17は、例えば、絶縁材料により構成されており、その表面にはアスファルトが塗布されている。
A
巻回電極体20の中心には、例えば、センターピン24が挿入されている。この巻回電極体20では、アルミニウムなどにより構成された正極リード25が正極21に接続されており、ニッケルなどにより構成された負極リード26が負極22に接続されている。正極リード25は、安全弁機構15に溶接されることにより電池蓋14と電気的に接続されており、負極リード26は、電池缶11に溶接されることにより電気的に接続されている。
For example, a center pin 24 is inserted in the center of the wound electrode body 20. In this wound electrode body 20, a
図3は、図2に示した巻回電極体20の一部を拡大して表している。正極21は、例えば、正極集電体21Aの両面に正極活物質層21Bが設けられたものである。正極集電体21Aは、例えば、アルミニウム、ニッケルあるいはステンレススチールなどの金属材料により構成されている。正極活物質層21Bは、例えば、正極活物質として、電極反応物質である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、必要に応じて導電剤や結着剤などを含んでいてもよい。ただし、結着剤を含むと共に、図3に示したように正極21および負極22が巻回されている場合には、その結着剤として、柔軟性に富むスチレンブタジエン系ゴムあるいはフッ素系ゴムなどを用いるのが好ましい。
FIG. 3 shows an enlarged part of the spirally wound electrode body 20 shown in FIG. The
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、例えば、リチウム含有化合物が好ましい。高いエネルギー密度が得られるからである。このリチウム含有化合物としては、例えば、リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物、あるいはリチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物が挙げられ、特に、遷移金属元素としてコバルト、ニッケル、マンガンおよび鉄のうちの少なくとも1種を含むものが好ましい。より高い電圧が得られるからである。その化学式は、例えば、Lix M1O2 あるいはLiyM2PO4 で表される。式中、M1およびM2は、1種類以上の遷移金属元素を表す。xおよびyの値は電池の充放電状態によって異なり、通常、0.05≦x≦1.10、0.05≦y≦1.10である。 As a positive electrode material capable of inserting and extracting lithium, for example, a lithium-containing compound is preferable. This is because a high energy density can be obtained. Examples of the lithium-containing compound include a composite oxide containing lithium and a transition metal element, or a phosphate compound containing lithium and a transition metal element. In particular, cobalt, nickel, manganese, and iron are used as the transition metal element. Those containing at least one of them are preferred. This is because a higher voltage can be obtained. The chemical formula is represented by, for example, Li x M1O 2 or Li y M2PO 4 . In the formula, M1 and M2 represent one or more transition metal elements. The values of x and y vary depending on the charge / discharge state of the battery, and are generally 0.05 ≦ x ≦ 1.10 and 0.05 ≦ y ≦ 1.10.
リチウムと遷移金属元素とを含むリチウム複合酸化物としては、例えば、リチウムコバルト複合酸化物(Lix CoO2 )、リチウムニッケル複合酸化物(Lix NiO2 )、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(Lix(1-z)Coz O2 (z<1))、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(Lix Ni(1-v-w) Coy Mnw O2 (v+w<1))、あるいはスピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物(LiMn2 O4 )などが挙げられる。中でも、ニッケルを含む複合酸化物が好ましい。高い容量が得られると共に優れたサイクル特性も得られるからである。また、リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物としては、例えば、リチウム鉄リン酸化合物(LiFePO4)あるいはリチウム鉄マンガンリン酸化合物(LiFe(1-u)MnuPO4(u<1))などが挙げられる。 Examples of the lithium composite oxide containing lithium and a transition metal element include lithium cobalt composite oxide (Li x CoO 2 ), lithium nickel composite oxide (Li x NiO 2 ), and lithium nickel cobalt composite oxide (Li x (1-z) Co z O 2 (z <1)), lithium nickel cobalt manganese composite oxide (Li x Ni (1-vw) Co y Mn w O 2 (v + w <1)), or spinel type structure And a lithium manganese composite oxide (LiMn 2 O 4 ). Among these, a composite oxide containing nickel is preferable. This is because high capacity can be obtained and excellent cycle characteristics can be obtained. Examples of the phosphate compound containing lithium and a transition metal element include a lithium iron phosphate compound (LiFePO 4 ) or a lithium iron manganese phosphate compound (LiFe (1-u) Mn u PO 4 (u <1). ) And the like.
また、上記した他、例えば、酸化チタン、酸化バナジウムあるいは二酸化マンガンなどの酸化物や、二硫化鉄、二硫化チタンあるいは硫化モリブデンなどの二硫化物や、セレン化ニオブなどのカルコゲン化物や、硫黄、ポリアニリンあるいはポリチオフェンなどの導電性高分子も挙げられる。 In addition to the above, for example, oxides such as titanium oxide, vanadium oxide or manganese dioxide, disulfides such as iron disulfide, titanium disulfide or molybdenum sulfide, chalcogenides such as niobium selenide, sulfur, Examples thereof include conductive polymers such as polyaniline and polythiophene.
負極22は、例えば、図1に示した負極と同様の構成を有しており、帯状の負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bが設けられたものである。負極集電体22Aおよび負極活物質層22Bの構成は、それぞれ上記した負極集電体1および負極活物質層2の構成と同様である。なお、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極活物質と正極活物質との間で量を調整することにより、正極活物質による充電容量よりも上記した負極活物質の充電容量の方が大きくなるように構成されている。
The
セパレータ23は、正極21と負極22とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。このセパレータ23は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどよりなる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、これらの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。中でも、ポリオレフィン製の多孔質膜は、ショート防止効果に優れ、かつシャットダウン効果による電池の安全性向上を図ることができるので好ましい。特に、ポリエチレンは、100℃以上160℃以下の範囲内でシャットダウン効果を得ることができると共に、電気化学的安定性にも優れているので好ましい。また、ポリプロピレンも好ましく、他にも化学的安定性を備えた樹脂であれば、ポリエチレンあるいはポリプロピレンと共重合させたものであったり、ブレンド化したものであったりしてもよい。
The
このセパレータ23には、液状の電解質として電解液が含浸されている。この電解液は、溶媒と、それに溶解された電解質塩とを含んでいる。
The
溶媒は、例えば、有機溶剤などの非水溶媒を含有している。この非水溶媒としては、例えば、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、炭酸メチルプロピル、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチル、トリメチル酢酸メチル、トリメチル酢酸エチル、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、3−メトキシプロピオニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリジノン、N−メチルオキサゾリジノン、N,N’−ジメチルイミダゾリジノン、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホラン、燐酸トリメチル、ジメチルスルホキシドあるいはジメチルスルホキシド燐酸などが挙げられる。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、溶媒は、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチルおよび炭酸エチルメチルからなる群のうちの少なくとも1種を含有しているのが好ましい。十分なサイクル特性が得られるからである。この場合には、特に、炭酸エチレンあるいは炭酸プロピレンなどの高粘度(高誘電率)溶媒(例えば、比誘電率ε≧30)と、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチルあるいは炭酸ジエチルなどの低粘度溶媒(例えば、粘度≦1mPa・s)とを混合して含有しているのが好ましい。電解質塩の解離性およびイオンの移動度が向上するため、より高い効果が得られるからである。 The solvent contains, for example, a nonaqueous solvent such as an organic solvent. Examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, methyl propyl carbonate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydropyran, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, 1,3-dioxane, 1,4-dioxane, methyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, Methyl butyrate, methyl isobutyrate, methyl trimethylacetate, ethyl trimethylacetate, acetonitrile, glutaronitrile, adiponitrile, methoxyacetonitrile, 3-methoxypropionitrile, N, N-dimethylformamide, N-methylpyrrolidinone, N -Methyloxazolidinone, N, N'-dimethylimidazolidinone, nitromethane, nitroethane, sulfolane, trimethyl phosphate, dimethyl sulfoxide or dimethyl sulfoxide phosphoric acid. These may be used alone or in combination of two or more. Especially, it is preferable that the solvent contains at least one selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate. This is because sufficient cycle characteristics can be obtained. In this case, in particular, a high viscosity (high dielectric constant) solvent such as ethylene carbonate or propylene carbonate (for example, a relative dielectric constant ε ≧ 30) and a low viscosity solvent such as dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate or diethyl carbonate (for example, , Viscosity ≦ 1 mPa · s). This is because the dissociation property of the electrolyte salt and the ion mobility are improved, so that a higher effect can be obtained.
この溶媒は、不飽和結合を有する環状炭酸エステルを含有しているのが好ましい。サイクル特性が向上するからである。溶媒中における不飽和結合を有する環状炭酸エステルの含有量は、0.01質量%以上10.0質量%以下の範囲内が好ましい。十分な効果が得られるからである。この不飽和結合を有する環状炭酸エステルとしては、例えば、炭酸ビニレンあるいは炭酸ビニルエチレンなどが挙げられる。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。 This solvent preferably contains a cyclic carbonate having an unsaturated bond. This is because the cycle characteristics are improved. The content of the cyclic carbonate having an unsaturated bond in the solvent is preferably in the range of 0.01% by mass to 10.0% by mass. This is because a sufficient effect can be obtained. Examples of the cyclic carbonate having an unsaturated bond include vinylene carbonate and vinyl ethylene carbonate. These may be used alone or in combination of two or more.
また、溶媒は、化2で表されるハロゲンを構成元素として有する鎖状炭酸エステルおよび化3で表されるハロゲンを構成元素として有する環状炭酸エステルからなる群のうちの少なくとも1種を含有しているのが好ましい。サイクル特性がより向上するからである。 The solvent contains at least one member selected from the group consisting of a chain carbonate having a halogen represented by Chemical Formula 2 as a constituent element and a cyclic carbonate having a halogen represented by Chemical Formula 3 as a constituent element. It is preferable. This is because the cycle characteristics are further improved.
化2に示したハロゲンを有する鎖状炭酸エステルとしては、例えば、炭酸フルオロメチルメチル、炭酸ビス(フルオロメチル)あるいは炭酸ジフルオロメチルメチルなどが挙げられる。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、炭酸ビス(フルオロメチル)が好ましい。十分な効果が得られるからである。特に、化3に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルと一緒に用いることにより、より高い効果が得られる。 Examples of the chain carbonate having a halogen shown in Chemical Formula 2 include fluoromethyl methyl carbonate, bis (fluoromethyl) carbonate, and difluoromethyl methyl carbonate. These may be used alone or in combination of two or more. Of these, bis (fluoromethyl) carbonate is preferred. This is because a sufficient effect can be obtained. In particular, a higher effect can be obtained by using together with the cyclic carbonate having halogen shown in Chemical formula 3.
化3に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルとしては、例えば、化4および化5で表される一連の化合物が挙げられる。すなわち、化4に示した(1)の4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(2)の4−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(3)の4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(4)のテトラフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(5)の4−フルオロ−5−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(6)の4,5−ジクロロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(7)のテトラクロロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(8)の4,5−ビストリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(9)の4−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(10)の4,5−ジフルオロ−4,5−ジメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(11)の4−メチル−5,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(12)の4−エチル−5,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンなどである。また、化5に示した(1)の4−トリフルオロメチル−5−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(2)の4−トリフルオロメチル−5−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(3)の4−フルオロ−4,5−ジメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(4)の4,4−ジフルオロ−5−(1,1−ジフルオロエチル)−1,3−ジオキソラン−2−オン、(5)の4,5−ジクロロ−4,5−ジメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(6)の4−エチル−5−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(7)の4−エチル−4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(8)の4−エチル−4,5,5−トリフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(9)の4−フルオロ−4−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オンなどである。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンおよび4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンのうちの少なくとも1種が好ましく、4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンがより好ましい。容易に入手可能であると共に、より高い効果が得られるからである。特に、4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンとしては、より高い効果を得るために、シス異性体よりもトランス異性体が好ましい。 Examples of the cyclic ester carbonate having a halogen shown in Chemical formula 3 include a series of compounds represented by Chemical formula 4 and Chemical formula 5. That is, 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one of (1) shown in Chemical formula 4, 4-chloro-1,3-dioxolan-2-one of (2), 4,5 of (3) -Difluoro-1,3-dioxolan-2-one, (4) tetrafluoro-1,3-dioxolan-2-one, (5) 4-fluoro-5-chloro-1,3-dioxolane-2-one ON, (6) 4,5-dichloro-1,3-dioxolan-2-one, (7) tetrachloro-1,3-dioxolan-2-one, (8) 4,5-bistrifluoromethyl 1,3-dioxolan-2-one, 4-trifluoromethyl-1,3-dioxolan-2-one of (9), 4,5-difluoro-4,5-dimethyl-1,3 of (10) -Dioxolan-2-one, 4-methyl-5,5 of (11) Difluoro-1,3-dioxolan-2-one, and the like 5,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one (12). In addition, 4-trifluoromethyl-5-fluoro-1,3-dioxolan-2-one of (1) shown in Chemical Formula 5, 4-trifluoromethyl-5-methyl-1,3-dioxolane of (2) 2-one, 4-fluoro-4,5-dimethyl-1,3-dioxolan-2-one of (3), 4,4-difluoro-5- (1,1-difluoroethyl)-of (4) 1,3-dioxolan-2-one, 4,5-dichloro-4,5-dimethyl-1,3-dioxolan-2-one in (5), 4-ethyl-5-fluoro-1, in (6) 3-dioxolan-2-one, 4-ethyl-4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one of (7), 4-ethyl-4,5,5-trifluoro-1 of (8) , 3-Dioxolan-2-one, 4-Fluoro-4-trifluoro of (9) Methyl-1,3-dioxolane-2-one. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, at least one of 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and 4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one is preferable, and 4,5-difluoro-1,3- Dioxolan-2-one is more preferred. This is because they are easily available and higher effects can be obtained. In particular, as 4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one, a trans isomer is preferable to a cis isomer in order to obtain a higher effect.
また、溶媒は、スルトン(環状スルホン酸エステル)や、酸無水物を含有しているのが好ましい。サイクル特性がより向上するからである。スルトンとしては、例えば、プロパンスルトンあるいはプロペンスルトンなどが挙げられる。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、プロペンスルトンが好ましい。十分な効果が得られるからである。一方、酸無水物としては、例えば、無水コハク酸などのカルボン酸無水物や、無水エタンジスルホン酸などのジスルホン酸無水物や、無水スルホ安息香酸などのカルボン酸とスルホン酸との無水物などが挙げられる。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、無水コハク酸あるいは無水スルホ安息香酸が好ましい。十分な効果が得られるからである。 Moreover, it is preferable that the solvent contains sultone (cyclic sulfonic acid ester) or an acid anhydride. This is because the cycle characteristics are further improved. Examples of sultone include propane sultone and propene sultone. These may be used alone or in combination of two or more. Of these, propene sultone is preferable. This is because a sufficient effect can be obtained. On the other hand, examples of the acid anhydride include carboxylic acid anhydrides such as succinic anhydride, disulfonic acid anhydrides such as ethanedisulfonic anhydride, and anhydrides of carboxylic acid and sulfonic acid such as anhydrous sulfobenzoic acid. Can be mentioned. These may be used alone or in combination of two or more. Of these, succinic anhydride or sulfobenzoic anhydride is preferable. This is because a sufficient effect can be obtained.
電解質塩は、例えば、リチウム塩などの軽金属塩の1種あるいは2種以上を含有している。このリチウム塩としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウムおよび六フッ化ヒ酸リチウムからなる群のうちの少なくとも1種などが挙げられる。十分なサイクル特性が得られるからである。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、六フッ化リン酸リチウムが好ましい。内部抵抗が低下するため、より高い効果が得られるからである。 The electrolyte salt contains, for example, one or more light metal salts such as a lithium salt. Examples of the lithium salt include at least one selected from the group consisting of lithium hexafluorophosphate, lithium tetrafluoroborate, lithium perchlorate, and lithium hexafluoroarsenate. This is because sufficient cycle characteristics can be obtained. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, lithium hexafluorophosphate is preferable. This is because a higher effect can be obtained because the internal resistance is lowered.
また、電解質塩は、化6、化7および化8で表される化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含有しているのが好ましい。サイクル特性がより向上するからである。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。特に、電解質塩が上記した六フッ化リン酸リチウム等と化5〜化7に示した化合物からなる群のうちの少なくとも1種とを含有していれば、より高い効果が得られる。 Moreover, it is preferable that electrolyte salt contains at least 1 sort (s) of the group which consists of a compound represented by Chemical formula 6, Chemical formula 7 and Chemical formula 8. This is because the cycle characteristics are further improved. These may be used alone or in combination of two or more. In particular, when the electrolyte salt contains the above-described lithium hexafluorophosphate and at least one selected from the group consisting of the compounds shown in Chemical Formulas 5 to 7, higher effects can be obtained.
化6に示した化合物としては、例えば、化9の(1)〜(6)で表される化合物などが挙げられる。化7に示した化合物としては、例えば、化10の(1)〜(8)に示した化合物などが挙げられる。化8に示した化合物としては、例えば、化10の(9)に示した化合物などが挙げられる。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、化6〜化8に示した化合物としては、化9の(6)あるいは化10の(2)に示した化合物が好ましい。十分な効果が得られるからである。なお、化6〜化8に示した構造を有する化合物であれば、化9あるいは化10に示した化合物に限定されないことは、言うまでもない。 Examples of the compound shown in Chemical formula 6 include compounds represented by chemical formulas (1) to (6). Examples of the compound shown in Chemical formula 7 include the compounds shown in Chemical formulas (1) to (8). Examples of the compound shown in Chemical Formula 8 include the compound shown in Chemical Formula 10 (9). These may be used alone or in combination of two or more. Among these, as the compounds shown in Chemical formula 6 to Chemical formula 8, the compound shown in Chemical formula 9 (6) or Chemical formula 10 (2) is preferable. This is because a sufficient effect can be obtained. Needless to say, the compound having the structure shown in Chemical Formula 6 to Chemical Formula 8 is not limited to the compound shown in Chemical Formula 9 or Chemical Formula 10.
また、電解質塩は、化11、化12および化13で表される化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含有しているのが好ましい。サイクル特性がより向上するからである。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。特に、電解質塩が上記した六フッ化リン酸リチウム等と化11〜化13に示した化合物からなる群のうちの少なくとも1種とを含有していれば、より高い効果が得られる。 Moreover, it is preferable that electrolyte salt contains at least 1 sort (s) of the group which consists of a compound represented by Chemical formula 11, Chemical formula 12, and Chemical formula 13. This is because the cycle characteristics are further improved. These may be used alone or in combination of two or more. In particular, when the electrolyte salt contains the above-described lithium hexafluorophosphate and at least one selected from the group consisting of the compounds shown in Chemical Formulas 11 to 13, higher effects can be obtained.
化11に示した鎖状の化合物としては、例えば、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )2 )、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(C2 F5 SO2 )2 )、(トリフルオロメタンスルホニル)(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )(C2 F5 SO2 ))、(トリフルオロメタンスルホニル)(ヘプタフルオロプロパンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )(C3 F7 SO2 ))あるいは(トリフルオロメタンスルホニル)(ノナフルオロブタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )(C4 F9 SO2 ))などが挙げられる。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。 Examples of the chain compound shown in Chemical formula 11 include bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium (LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ), bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide lithium (LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 ), (trifluoromethanesulfonyl) (pentafluoroethanesulfonyl) imide lithium (LiN (CF 3 SO 2 ) (C 2 F 5 SO 2 )), (trifluoromethanesulfonyl) (heptafluoropropanesulfonyl) imide lithium ( LiN (CF 3 SO 2 ) (C 3 F 7 SO 2 )) or (trifluoromethanesulfonyl) (nonafluorobutanesulfonyl) imidolithium (LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 )) It is done. These may be used alone or in combination of two or more.
化12に示した環状の化合物としては、例えば、化14で表される一連の化合物などが挙げられる。すなわち、化14に示した(1)の1,2−パーフルオロエタンジスルホニルイミドリチウム、(2)の1,3−パーフルオロプロパンジスルホニルイミドリチウム、(3)の1,3−パーフルオロブタンジスルホニルイミドリチウム、(4)の1,4−パーフルオロブタンジスルホニルイミドリチウムなどである。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、1,3−パーフルオロプロパンジスルホニルイミドリチウムが好ましい。十分な効果が得られるからである。
Examples of the cyclic compound represented by Chemical Formula 12 include a series of compounds represented by
化13に示した鎖状の化合物としては、例えば、リチウムトリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチド(LiC(CF3 SO2 )3 )などが挙げられる。 Examples of the chain compound shown in Chemical formula 13 include lithium tris (trifluoromethanesulfonyl) methide (LiC (CF 3 SO 2 ) 3 ).
電解質塩の含有量は、溶媒に対して0.3mol/kg以上3.0mol/kg以下の範囲内であるのが好ましい。この範囲外ではイオン伝導性が極端に低下するため、容量特性などが十分に得られないおそれがあるからである。 The content of the electrolyte salt is preferably in the range of 0.3 mol / kg or more and 3.0 mol / kg or less with respect to the solvent. Outside this range, the ionic conductivity is extremely lowered, so that there is a possibility that sufficient capacity characteristics and the like may not be obtained.
この第1の電池は、例えば、以下のようにして製造することができる。 This first battery can be manufactured, for example, as follows.
まず、正極集電体21Aの両面に正極活物質層21Bを形成して正極21を作製する。この場合には、正極活物質の粉末と、導電剤と、結着剤とを混合した正極合剤を溶剤に分散させることによりペースト状の正極合剤スラリーとし、その正極合剤スラリーを正極集電体21Aに塗布して乾燥させたのちに圧縮成型する。また、例えば、上記した負極の製造方法と同様の手順によって、負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bを形成したのち、その負極活物質層22Bに被膜22Cを形成することにより、負極22を作製する。
First, the
続いて、正極集電体21Aに正極リード25を溶接して取り付けると共に、負極集電体22Aに負極リード26を溶接して取り付ける。続いて、正極21および負極22をセパレータ23を介して巻回させることにより巻回電極体20を形成し、正極リード25の先端部を安全弁機構15に溶接すると共に負極リード26の先端部を電池缶11に溶接したのち、巻回電極体20を一対の絶縁板12,13で挟みながら電池缶11の内部に収納する。続いて、電池缶11の内部に電解液を注入してセパレータ23に含浸させる。最後に、電池缶11の開口端部に電池蓋14、安全弁機構15および熱感抵抗素子16をガスケット17を介してかしめることにより固定する。これにより、図2および図3に示した二次電池が完成する。
Subsequently, the
この第1の電池では、充電を行うと、例えば、正極21からリチウムイオンが電解液に放出される。この際、被膜22Cが電解液の分解を抑制しつつ、放出されたリチウムイオンが効率よく被膜22Cを透過して負極活物質層22Bに吸蔵される。一方、放電を行うと、例えば、負極活物質層22Bからリチウムイオンが放出され、そのリチウムイオンが電解液を介して正極21に吸蔵される。
In the first battery, when charged, for example, lithium ions are released from the
この第1の電池およびその製造方法によれば、負極22が上記した図1に示した負極と同様の構成を有していると共に、それが上記した負極の製造方法と同様の方法により作製されているので、サイクル特性を向上させることができる。
According to the first battery and the manufacturing method thereof, the
特に、溶媒が、不飽和結合を有する環状炭酸エステルや、化1に示したハロゲンを有する鎖状炭酸エステルおよび化2に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルからなる群のうちの少なくとも1種や、スルトンや、酸無水物を含有していれば、より高い効果を得ることができる。 In particular, the solvent is at least one selected from the group consisting of a cyclic carbonate having an unsaturated bond, a chain carbonate having a halogen shown in Chemical Formula 1 and a cyclic carbonate having a halogen shown in Chemical Formula 2, If sultone or acid anhydride is contained, higher effects can be obtained.
また、電解質塩が、化5〜化7に示した化合物からなる群のうちの少なくとも1種や、化10〜化12に示した化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含有していれば、より高い効果を得ることができる。 Further, if the electrolyte salt contains at least one of the group consisting of the compounds shown in Chemical Formula 5 to Chemical Formula 7 or at least one of the group consisting of the compounds shown in Chemical Formula 10 to Chemical Formula 12 Higher effects can be obtained.
(第2の電池)
図4は、第2の電池の分解斜視構成を表している。この第2の電池は、正極リード31および負極リード32が取り付けられた巻回電極体30をフィルム状の外装部材40の内部に収容したものである。このフィルム状の外装部材40を用いた電池構造は、いわゆるラミネートフィルム型と呼ばれている。
(Second battery)
FIG. 4 illustrates an exploded perspective configuration of the second battery. In the second battery, a
正極リード31および負極リード32は、例えば、それぞれ外装部材40の内部から外部に向かって同一方向に導出されている。正極リード31は、例えば、アルミニウムなどの金属材料により構成されている。また、負極リード32は、例えば、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。正極リード31および負極リード32を構成するそれぞれの金属材料は、薄板状または網目状とされている。
For example, the
外装部材40は、例えば、ナイロンフィルム、アルミニウム箔およびポリエチレンフィルムがこの順に貼り合わされ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。この外装部材40では、例えば、ポリエチレンフィルムが巻回電極体30と対向していると共に、各外縁部が融着あるいは接着剤により互いに密着されている。外装部材40と正極リード31および負極リード32との間には、外気の侵入を防止するための密着フィルム41が挿入されている。この密着フィルム41は、正極リード31および負極リード32に対して密着性を有する材料、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレンあるいは変性ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂により構成されている。
The
なお、外装部材40は、上記した3層構造の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により構成されていてもよいし、または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されていてもよい。
The
図5は、図4に示した巻回電極体30のV−V線に沿った断面構成を表している。この電極巻回体30は、正極33および負極34がセパレータ35および電解質36を介して積層されたのちに巻回されたものであり、その最外周部は保護テープ37により保護されている。
FIG. 5 illustrates a cross-sectional configuration along line VV of the spirally
図6は、図5に示した巻回電極体30の一部を拡大して表している。正極33は、正極集電体33Aの両面に正極活物質層33Bが設けられたものである。負極34は、例えば、図1に示した負極と同様の構成を有しており、負極集電体34Aの両面に負極活物質層34Bが設けられたものである。正極集電体33A、正極活物質層33B、負極集電体34A、負極活物質層34Bおよびセパレータ35の構成は、それぞれ上記した第1の電池における正極集電体21A、正極活物質層21B、負極集電体22A、負極活物質層22Bおよびセパレータ23の構成と同様である。
FIG. 6 shows an enlarged part of the spirally
電解質36は、電解液と、それを保持する高分子化合物とを含んでおり、いわゆるゲル状になっている。ゲル状の電解質は、高いイオン伝導率(例えば、室温で1mS/cm以上)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。
The
高分子化合物としては、例えば、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や、ポリメタクリレートなどのエステル系高分子化合物あるいはアクリレート系高分子化合物や、ポリフッ化ビニリデンあるいはフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体などのフッ化ビニリデンの重合体などが挙げられる。これらは、単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。特に、酸化還元安定性の点から、フッ化ビニリデンの重合体などのフッ素系高分子化合物などを用いるのが好ましい。電解液中における高分子化合物の添加量は、両者の相溶性によっても異なるが、一例としては5質量%以上50質量%以下の範囲であるのが好ましい。 Examples of the polymer compound include, for example, an ether polymer compound such as polyethylene oxide or a crosslinked product containing polyethylene oxide, an ester polymer compound such as polymethacrylate or an acrylate polymer compound, polyvinylidene fluoride, or fluorine. And a vinylidene fluoride polymer such as a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene. These may be used alone, or a plurality of types may be mixed and used. In particular, from the viewpoint of redox stability, it is preferable to use a fluorine-based polymer compound such as a vinylidene fluoride polymer. The amount of the polymer compound added in the electrolytic solution varies depending on the compatibility between the two, but as an example, it is preferably in the range of 5% by mass to 50% by mass.
電解液の構成は、上記した第1の電池における電解液の構成と同様である。ただし、この場合の溶媒とは、液状の溶媒だけでなく、電解質塩を解離させることが可能なイオン伝導性を有するものまで含む広い概念である。したがって、イオン伝導性を有する高分子化合物を用いる場合には、その高分子化合物も溶媒に含まれる。 The configuration of the electrolytic solution is the same as the configuration of the electrolytic solution in the first battery described above. However, the solvent in this case is not only a liquid solvent but also a broad concept including those having ion conductivity capable of dissociating the electrolyte salt. Accordingly, when a polymer compound having ion conductivity is used, the polymer compound is also included in the solvent.
なお、電解液を高分子化合物に保持させた電解質36に代えて、電解液をそのまま用いてもよい。この場合には、電解液がセパレータ35に含浸される。
Instead of the
この第2の電池は、例えば、以下の3種類の製造方法によって製造することができる。 This second battery can be manufactured, for example, by the following three types of manufacturing methods.
第1の製造方法では、まず、第1の電池の製造方法と同様の手順によって正極集電体33Aの両面に正極活物質層33Bを形成することにより、正極33を作製する。また、例えば、上記した負極の製造方法と同様の手順によって負極集電体34Aの両面に負極活物質層34Bを形成することにより、負極34を作製する。
In the first manufacturing method, first, the
続いて、電解液と、高分子化合物と、溶剤とを含む前駆溶液を調製し、正極33および負極34に塗布したのちに溶剤を揮発させることにより、ゲル状の電解質36を形成する。続いて、正極集電体33Aおよび負極集電体34Aにそれぞれ正極リード31および負極リード32を取り付ける。続いて、電解質36が設けられた正極33および負極34をセパレータ35を介して積層させたのちに長手方向に巻回し、その最外周部に保護テープ37を接着させることにより、巻回電極体30を形成する。続いて、例えば、2枚のフィルム状の外装部材40の間に巻回電極体30を挟み込んだのち、その外装部材40の外縁部同士を熱融着などで接着させることにより巻回電極体30を封入する。その際、正極リード31および負極リード32と外装部材40との間に、密着フィルム41を挿入する。これにより、図4〜図6に示した二次電池が完成する。
Subsequently, a
第2の製造方法では、まず、正極33および負極34にそれぞれ正極リード31および負極リード32を取り付けたのち、正極33および負極34をセパレータ35を介して積層して巻回させると共に最外周部に保護テープ37を接着させることにより、巻回電極体30の前駆体である巻回体を形成する。続いて、2枚のフィルム状の外装部材40の間に巻回体を挟み込んだのち、一辺の外周縁部を除いた残りの外周縁部を熱融着などで接着させることにより袋状の外装部材40の内部に収納する。続いて、電解液と、高分子化合物の原料であるモノマーと、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を調製し、袋状の外装部材40の内部に注入したのち、外装部材40の開口部を熱融着などで密封する。最後に、モノマーを熱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36を形成する。これにより、二次電池が完成する。
In the second manufacturing method, first, the
第3の製造方法では、高分子化合物が両面に塗布されたセパレータ35を用いることを除き、上記した第1の製造方法と同様に、巻回体を形成して袋状の外装部材40の内部に収納する。このセパレータ35に塗布する高分子化合物としては、例えば、フッ化ビニリデンを成分とする重合体、すなわち単独重合体、共重合体あるいは多元共重合体などが挙げられる。具体的には、ポリフッ化ビニリデンや、フッ化ビニリデンおよびヘキサフルオロプロピレンを成分とする二元系共重合体や、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレンおよびクロロトリフルオロエチレンを成分とする三元系共重合体などである。なお、高分子化合物は、上記したフッ化ビニリデンを成分とする重合体と共に、他の1種あるいは2種以上の高分子化合物を含んでいてもよい。続いて、電解液を調製して外装部材40の内部に注入したのち、その外装部材40の開口部を熱融着などで密封する。最後に、外装部材40に加重をかけながら加熱し、高分子化合物を介してセパレータ35を正極33および負極34に密着させる。これにより、電解液が高分子化合物に含浸し、その高分子化合物がゲル化して電解質36が形成されるため、二次電池が完成する。この第3の製造方法では、第1の製造方法と比較して、膨れ特性が改善される。また、第3の製造方法では、第2の製造方法と比較して、高分子化合物の原料であるモノマーや溶媒などが電解質36中にほとんど残らず、しかも高分子化合物の形成工程が良好に制御されるため、正極33、負極34およびセパレータ35と電解質36との間において十分な密着性が得られる。
In the third manufacturing method, the wound body is formed to form the inside of the bag-shaped
この第2の電池では、上記した第1の電池の同様に、正極33と負極34との間でリチウムイオンが吸蔵および放出される。すなわち、充電を行うと、例えば、正極33からリチウムイオンが放出され、電解質36を介して負極34に吸蔵される。一方、放電を行うと、負極34からリチウムイオンが放出され、電解質36を介して正極33に吸蔵される。
In this second battery, lithium ions are occluded and released between the
この第2の電池およびその製造方法による作用および効果は、上記した第1の電池と同様である。 The operation and effect of the second battery and its manufacturing method are the same as those of the first battery described above.
(第3の電池)
図7は、第3の電池の分解斜視構成を表している。この第3の電池は、正極51を外装缶54に貼り付けると共に負極52を外装カップ55に収容し、それらを電解液が含浸されたセパレータ53を介して積層したのちにガスケット56を介してかしめたものである。この外装缶54および外装カップ55を用いた電池構造は、いわゆるコイン型と呼ばれている。
(Third battery)
FIG. 7 illustrates an exploded perspective configuration of the third battery. In this third battery, the
正極51は、正極集電体51Aの一面に正極活物質層51Bが設けられたものである。負極52は、正極集電体52Aの一面に負極活物質層52Bおよび被膜52Cが設けられたものである。正極集電体51A、正極活物質層51B、負極集電体52A、負極活物質層52Bおよびセパレータ53の構成は、それぞれ上記した第1の電池における正極集電体21A、正極活物質層21B、負極集電体22A、負極活物質層22Bおよびセパレータ23の構成と同様である。
The
この第3の電池では、上記した第1の電池の同様に、正極51と負極52との間でリチウムイオンが吸蔵および放出される。すなわち、充電を行うと、例えば、正極51からリチウムイオンが放出され、電解液を介して負極52に吸蔵される。一方、放電を行うと、負極52からリチウムイオンが放出され、電解液を介して正極51に吸蔵される。
In this third battery, lithium ions are occluded and released between the
この第3の電池およびその製造方法による作用および効果は、上記した第1の電池と同様である。 The operations and effects of the third battery and the manufacturing method thereof are the same as those of the first battery described above.
本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。 Specific examples of the present invention will be described in detail.
(実施例1−1)
負極活物質としてケイ素を用いて、図7に示したコイン型の二次電池を作製した。
(Example 1-1)
The coin-type secondary battery shown in FIG. 7 was fabricated using silicon as the negative electrode active material.
まず、正極51を作製した。ここでは、炭酸リチウム(Li2 CO3 )と炭酸コバルト(CoCO3 )とを0.5:1のモル比で混合したのち、空気中において900℃で5時間焼成することにより、リチウム・コバルト複合酸化物(LiCoO2 )を得た。次に、正極活物質としてリチウム・コバルト複合酸化物94質量部と、導電剤としてグラファイト3質量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン3質量部とを混合して正極合剤としたのち、N−メチル−2−ピロリドンに分散させることにより、ペースト状の正極合剤スラリーとした。続いて、アルミニウム箔(20μm厚)からなる正極集電体51Aに正極合剤スラリーを塗布して乾燥させたのち、ロールプレス機で圧縮成型することにより、正極活物質層51Bを形成した。最後に、正極活物質層51Bが形成された正極集電体51Aを直径15mmの円形のペレットとなるように打ち抜いた。
First, the
続いて、負極52を作製した。ここでは、まず、負極活物質として平均粒径1μmのケイ素粉末90質量部と、結着剤としてポリビニルスルホン酸リチウム10質量部とを混合して負極合剤としたのち、溶媒としての水に分散させることにより、ペースト状の負極合剤スラリーとした。こののち、銅箔(18μm厚)からなる負極集電体52Aに負極合剤スラリーを均一に塗布して乾燥させてから加圧し、真空雰囲気下において120℃で12時間加熱することにより負極活物質層52Bを形成した。そののち、直径16mmの円形のペレットとなるように打ち抜いた。ここで、負極活物質層52BをToF−SIMSによって解析すると、ポリビニルスルホン酸リチウムを構成する繰り返しユニットであるビニルスルホン酸リチウムに由来する正2次イオンピークC2 H3 SO3 Li2 が検出された。この結果、負極活物質層52Bがポリビニルスルホン酸リチウムを含んで構成されていることが確認された。なお、上記のような質量分析法のほか、負極活物質層52BからのIRスペクトルの検出により、あるいは、負極活物質層52Bから溶媒で抽出した結着剤をNMRで分析することにより、ポリビニルスルホン酸リチウムの存在を確認することも可能である。
Subsequently, the
続いて、正極51と、微多孔性ポリプロピレンフィルム(25μm厚)からなるセパレータ53と、負極52とを、正極活物質層51Bと負極活物質層52Bとがセパレータ53を介して対向するように積層したのち、外装缶54に収容した。こののち、電解液を注入し、ガスケット56を介して外装カップ55を被せてかしめることにより、コイン型の二次電池を完成させた。
Subsequently, the
電解液としては、溶媒として炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)とを混合した混合溶媒を用い、電解質塩として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )を用いた。この際、混合溶媒と組成を質量比でEC:DEC=30:70とし、電解液中における六フッ化リン酸リチウムの濃度を1mol/kgとした。 As an electrolytic solution, a mixed solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) were mixed as a solvent was used, and lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was used as an electrolyte salt. At this time, the mixed solvent and the composition were EC: DEC = 30: 70 by mass ratio, and the concentration of lithium hexafluorophosphate in the electrolytic solution was 1 mol / kg.
(実施例1−2)
溶媒としてECに代えて4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(FEC)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。この際、混合溶媒の組成を質量比でFEC:DEC=30:70とした。
(Example 1-2)
A secondary battery was made in the same manner as Example 1-1 except that 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one (FEC) was used instead of EC as the solvent. At this time, the composition of the mixed solvent was FEC: DEC = 30: 70 by mass ratio.
(実施例1−3)
溶媒として4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(DFEC)を加え、混合溶媒の組成を変更したことを除き、他は実施例1−1と同様して二次電池を作製した。この際、混合溶媒の組成を質量比でEC:DFEC:DEC=20:10:70とした。
(Example 1-3)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-1 except that 4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one (DFEC) was added as a solvent and the composition of the mixed solvent was changed. did. At this time, the composition of the mixed solvent was EC: DFEC: DEC = 20: 10: 70 by mass ratio.
(実施例1−4)
溶媒として炭酸ビニレン(VC)を加え、混合溶媒の組成を変更したことを除き、他は実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。この際、混合溶媒の組成を質量比でEC:DEC:VC=29:70:1とした。
(Example 1-4)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-1 except that vinylene carbonate (VC) was added as a solvent and the composition of the mixed solvent was changed. At this time, the composition of the mixed solvent was EC: DEC: VC = 29: 70: 1 by mass ratio.
(実施例1−5)
溶媒として炭酸ビス(フルオロメチル)(DFDMC)を加え、混合溶媒の組成を変更したことを除き、実施例2−2と同様の手順を経た。この際、混合溶媒の組成を質量比でFEC:DEC:DFDMC=30:70:5とした。
(Example 1-5)
The same procedure as in Example 2-2 was performed except that bis (fluoromethyl) carbonate (DFDMC) was added as a solvent and the composition of the mixed solvent was changed. At this time, the composition of the mixed solvent was FEC: DEC: DFDMC = 30: 70: 5 by mass ratio.
(実施例1−6)
結着剤としてポリビニルスルホン酸リチウムに代えてポリスチレンスルホン酸リチウムを用いて負極活物質層52Bを形成したことを除き、実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。
(Example 1-6)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-1, except that the negative electrode
(実施例1−7)
結着剤としてポリビニルスルホン酸リチウムに代えてポリスチレンスルホン酸リチウムを用いて負極活物質層52Bを形成したことを除き、実施例1−2と同様にして二次電池を作製した。
(Example 1-7)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-2 except that the negative electrode
(実施例1−8)
結着剤としてポリビニルスルホン酸リチウムに代えてポリスチレンスルホン酸リチウムを用いて負極活物質層52Bを形成したことを除き、実施例1−3と同様にして二次電池を作製した。
(Example 1-8)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-3 except that the negative electrode
(実施例1−9)
結着剤としてポリビニルスルホン酸リチウムに代えてポリスチレンスルホン酸リチウムを用いて負極活物質層52Bを形成したことを除き、実施例1−4と同様にして二次電池を作製した。
(Example 1-9)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-4, except that the negative electrode
(実施例1−10)
結着剤としてポリビニルスルホン酸リチウムに代えてポリ(スチレンスルホン酸リチウム−マレイン酸ジリチウム)共重合体を用いて負極活物質層52Bを形成したことを除き、実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。
(Example 1-10)
The same procedure as in Example 1-1 was performed except that the negative electrode
(実施例1−11)
結着剤としてポリビニルスルホン酸リチウムに代えてポリ(スチレンスルホン酸リチウム−マレイン酸ジリチウム)共重合体を用いて負極活物質層52Bを形成したことを除き、実施例1−2と同様にして二次電池を作製した。
(Example 1-11)
The same procedure as in Example 1-2 was performed except that the negative electrode
(実施例1−12)
結着剤としてポリビニルスルホン酸リチウムに代えてポリ(スチレンスルホン酸リチウム−マレイン酸ジリチウム)共重合体を用いて負極活物質層52Bを形成したことを除き、実施例1−3と同様にして二次電池を作製した。
(Example 1-12)
The same procedure as in Example 1-3 was performed except that the negative electrode
(実施例1−13)
結着剤としてポリビニルスルホン酸リチウムに代えてポリ(スチレンスルホン酸リチウム−マレイン酸ジリチウム)共重合体を用いて負極活物質層52Bを形成したことを除き、実施例1−4と同様にして二次電池を作製した。
(Example 1-13)
The same procedure as in Example 1-4 was performed except that the negative electrode
(比較例1−1)
結着剤としてポリビニルスルホン酸リチウムに代えてポリフッ化ビニリデンを用いて負極活物質層52Bを形成したことを除き、実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。
(Comparative Example 1-1)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-1 except that the negative electrode
(比較例1−2)
結着剤としてポリビニルスルホン酸リチウムに代えてポリアクリル酸リチウムを用いて負極活物質層52Bを形成したことを除き、実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。
(Comparative Example 1-2)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-1, except that the negative electrode
(比較例1−3)
結着剤としてポリビニルスルホン酸リチウムに代えてポリマレイン酸ジリチウムを用いて負極活物質層52Bを形成したことを除き、実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。
(Comparative Example 1-3)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-1 except that the negative electrode
(比較例1−4)
結着剤としてポリビニルスルホン酸リチウムに代えてポリスルホンを用いて負極活物質層52Bを形成したことを除き、実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。
(Comparative Example 1-4)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-1, except that the negative electrode
これらの実施例1−1〜1−13および比較例1−1〜1−4の二次電池についてサイクル試験を行い、放電容量維持率を調べたところ、表1に示した結果が得られた。 When the cycle test was performed on the secondary batteries of Examples 1-1 to 1-13 and Comparative Examples 1-1 to 1-4 and the discharge capacity retention ratio was examined, the results shown in Table 1 were obtained. .
サイクル試験では以下の手順よって各二次電池を繰り返し充放電させることにより、放電容量維持率を求めた。まず、23℃の雰囲気中において2サイクル充放電させることにより、2サイクル目の放電容量を測定した。続いて、同雰囲気中においてサイクル数の合計が100サイクルとなるまで充放電させることにより、100サイクル目の放電容量を測定した。最後に、放電容量維持率(%)=(100サイクル目の放電容量/2サイクル目の放電容量)×100を算出した。1サイクルの充放電条件としては、0.2Cの定電流で電池電圧が4.2Vに達するまで充電し、さらに4.2Vの定電圧で電流密度が0.02mA/cm2 に達するまで充電したのち、0.2Cの定電流で電池電圧が2.5Vに達するまで放電した。なお、0.2Cとは、理論容量を5時間で放電(または充電)しきる電流値である。 In the cycle test, each secondary battery was repeatedly charged and discharged according to the following procedure to obtain the discharge capacity maintenance rate. First, the discharge capacity at the second cycle was measured by charging and discharging two cycles in an atmosphere at 23 ° C. Subsequently, the discharge capacity at the 100th cycle was measured by charging and discharging in the same atmosphere until the total number of cycles reached 100 cycles. Finally, discharge capacity retention ratio (%) = (discharge capacity at the 100th cycle / discharge capacity at the second cycle) × 100 was calculated. As a charge / discharge condition for one cycle, the battery was charged at a constant current of 0.2 C until the battery voltage reached 4.2 V, and further charged at a constant voltage of 4.2 V until the current density reached 0.02 mA / cm 2 . After that, the battery was discharged at a constant current of 0.2 C until the battery voltage reached 2.5V. Note that 0.2 C is a current value at which the theoretical capacity can be discharged (or charged) in 5 hours.
なお、上記したサイクル試験の手順および条件は、以降の一連の実施例および比較例についても同様である。 The cycle test procedure and conditions described above are the same for the series of examples and comparative examples described below.
表1に示したように、結着剤としてポリビニルスルホン酸リチウムなどのスルホン酸イオン基を有する重合体を用いた実施例1−1〜1−13では、それを用いなかった比較例1−1〜1−4よりも高い放電容量維持率が得られた。また、実施例1−1〜1−4と実施例1−6〜1−8との比較により、結着剤としてポリスチレンスルホン酸リチウムを用いた場合よりもポリビニルスルホン酸リチウムを用いた場合により高い放電容量維持率が得られることがわかった。さらに、実施例1−1〜1−4と実施例1−10〜1−13との比較により、結着剤としてスルホン酸塩の重合体(すなわちポリビニルスルホン酸リチウム)を用いた場合よりもカルボン酸塩とスルホン酸塩との共重合体(すなわち、ポリ(スチレンスルホン酸リチウム−マレイン酸ジリチウム)共重合体)を用いた場合により高い放電容量維持率が得られることがわかった。また、結着剤としてポリビニルスルホン酸リチウムを用いた場合、FEC,DFEC、VCあるいはDFDMCを加えた実施例1−2〜1−5では、それらを加えなかった実施例1−1よりも放電容量維持率が高くなる傾向を示した。ポリスチレンスルホン酸リチウムを用いた場合(実施例1−6〜1−9)、およびポリ(スチレンすルホン酸リチウム−マレイン酸ジリチウム)共重合体を用いた場合(実施例1−10〜1−13)についても同様の傾向を示した。これにより、電解液が溶媒としてハロゲンを有する環状炭酸エステルやハロゲンを有する鎖状炭酸エステルを含有することが、サイクル特性の向上に特に有利であることが確認された。なお、電解質塩としてナトリウム塩を用いたことを除いて本実施例(実施例1−1〜1−11)と同様の構成を有する二次電池について放電容量維持率を調査したところ、電解質塩としてリチウム塩(LiPF6 )を用いた本実施例のほうが高い放電容量維持率を示した。このことから、電極反応物質がリチウムイオンの場合に、より高いサイクル特性が得られることが裏付けられた。 As shown in Table 1, in Examples 1-1 to 1-13 using a polymer having a sulfonate ion group such as lithium polyvinyl sulfonate as a binder, Comparative Example 1-1 in which it was not used A discharge capacity retention rate higher than ˜1-4 was obtained. Moreover, by comparison with Examples 1-1 to 1-4 and Examples 1-6 to 1-8, it is higher when lithium polyvinyl sulfonate is used than when lithium polystyrene sulfonate is used as the binder. It was found that a discharge capacity retention rate was obtained. Further, by comparing Examples 1-1 to 1-4 with Examples 1-10 to 1-13, the carboxylic acid was more carboxylic than when a sulfonate polymer (that is, lithium polyvinyl sulfonate) was used as the binder. It has been found that a higher discharge capacity retention ratio can be obtained when using a copolymer of an acid salt and a sulfonate (that is, a poly (lithium styrenesulfonate-dilithium maleate) copolymer). In addition, when lithium polyvinyl sulfonate is used as the binder, the discharge capacity in Examples 1-2 to 1-5 to which FEC, DFEC, VC, or DFDMC was added was higher than that in Example 1-1 to which they were not added. The maintenance rate showed a tendency to increase. When using polystyrene sulfonate lithium (Examples 1-6 to 1-9) and using a poly (lithium styrenesulfonate-dilithium maleate) copolymer (Examples 1-10 to 1-13) ) Showed the same tendency. Thus, it was confirmed that it is particularly advantageous for improving the cycle characteristics that the electrolytic solution contains a cyclic carbonate having halogen or a chain carbonate having halogen as a solvent. In addition, when the discharge capacity maintenance rate was investigated about the secondary battery which has the structure similar to a present Example (Examples 1-1 to 1-11) except having used sodium salt as electrolyte salt, as electrolyte salt, more of this embodiment using a lithium salt (LiPF 6) showed a high discharge capacity retention ratio. This confirms that higher cycle characteristics can be obtained when the electrode reactant is lithium ion.
(実施例2−1)
結着剤としてポリビニルスルホン酸リチウムに代えてポリビニルスルホン酸ナトリウムを用いて負極活物質層52Bを形成したことを除き、実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。
(Example 2-1)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-1, except that the negative electrode
(実施例2−2)
結着剤としてポリスチレンスルホン酸リチウムに代えてポリスチレンスルホン酸ナトリウムを用いて負極活物質層52Bを形成したことを除き、実施例1−6と同様にして二次電池を作製した。
(Example 2-2)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-6, except that the negative electrode
(実施例2−3)
結着剤としてポリ(スチレンスルホン酸リチウム−マレイン酸ジリチウム)共重合体に代えてポリ(スチレンスルホン酸ナトリウム−マレイン酸ジナトリウム)共重合体を用いて負極活物質層52Bを形成したことを除き、実施例1−10と同様にして二次電池を作製した。
(Example 2-3)
Except that the negative electrode
これらの実施例2−1〜2−3の二次電池についてサイクル試験を行い、放電容量維持率を調べたところ、表2に示した結果が得られた。なお、表2には、実施例1−1,1−6,1−10および比較例1−1〜1−4に関するデータも併せて示した。 When the cycle test was done about the secondary battery of these Examples 2-1 to 2-3 and the discharge capacity maintenance factor was investigated, the result shown in Table 2 was obtained. Table 2 also shows data relating to Examples 1-1, 1-6, 1-10 and Comparative Examples 1-1 to 1-4.
表2に示したように、スルホン酸イオン基を有する重合体としてリチウム塩の代わりにナトリウム塩を用いた場合にも、比較例1−1〜1−4よりも高い放電容量維持率が得られた。 As shown in Table 2, when a sodium salt is used instead of a lithium salt as a polymer having a sulfonic acid ion group, a higher discharge capacity retention rate than Comparative Examples 1-1 to 1-4 is obtained. It was.
(実施例3−1〜3−3)
溶媒として、スルトンであるプロペンスルトン(PRS:実施例3−1)、酸無水物である無水コハク酸(SCAH:実施例3−2)、あるいは酸無水物である無水スルホ安息香酸(SBAH:実施例3−3)を加えたことを除き、実施例1−2と同様にして二次電池を作製した。この際、添加量は、いずれも電解液の溶媒100質量%に対して1質量%とした。
(Examples 3-1 to 3-3)
As a solvent, propene sultone (PRS: Example 3-1) as a sultone, succinic anhydride (SCAH: Example 3-2) as an acid anhydride, or anhydrous sulfobenzoic acid (SBAH: as an acid anhydride) A secondary battery was made in the same manner as Example 1-2 except that Example 3-3) was added. At this time, the amount added was 1% by mass with respect to 100% by mass of the solvent of the electrolytic solution.
これらの実施例3−1〜3−3の二次電池についてサイクル試験を行い、放電容量維持率を調べたところ、表3に示した結果が得られた。なお、表3には、実施例1−2に関するデータも併せて示した。 When the cycle test was done about the secondary battery of these Examples 3-1 to 3-3 and the discharge capacity maintenance factor was investigated, the result shown in Table 3 was obtained. Table 3 also shows data related to Example 1-2.
表3に示したように、溶媒としてPRS、SCAHあるいはSBAHを加えた実施例3−1〜3−3では、それらを加えなかった実施例1−2と同等以上の放電容量維持率が得られた。 As shown in Table 3, in Examples 3-1 to 3-3 to which PRS, SCAH, or SBAH was added as a solvent, a discharge capacity maintenance rate equal to or higher than that of Example 1-2 in which they were not added was obtained. It was.
(実施例4−1〜4−4)
電解質塩として四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 :実施例4−1)、化8(6)に示した化合物(実施例4−2)、化9(2)に示した化合物(実施例4−3)、あるいは化14(2)に示した化合物(実施例4−4)を加えたことを除き、他は実施例2−2と同様にして二次電池を作製した。この際、全て、電解液中における六フッ化リン酸リチウムの濃度を0.9mol/kgとし、加えた化合物の濃度を0.1mol/kgとした。
(Examples 4-1 to 4-4)
As an electrolyte salt, lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 : Example 4-1), a compound shown in Chemical Formula 8 (6) (Example 4-2), a compound shown in Chemical Formula 9 (2) (Example 4) -3) or a secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 2-2 except that the compound shown in Chemical formula 14 (2) (Example 4-4) was added. At this time, the concentration of lithium hexafluorophosphate in the electrolyte was 0.9 mol / kg, and the concentration of the added compound was 0.1 mol / kg.
これらの実施例4−1〜4−4の二次電池についてサイクル試験を行い、放電容量維持率を調べたところ、表4に示した結果が得られた。なお、表4には、実施例1−2に関するデータも併せて示した。 When the cycle test was done about the secondary battery of these Examples 4-1 to 4-4 and the discharge capacity maintenance factor was investigated, the result shown in Table 4 was obtained. Table 4 also shows data related to Example 1-2.
表4に示したように、電解質塩として六フッ化リン酸リチウムと共に所定の化合物等を加えた実施例4−1〜4−4では、実施例1−2と比べて同等以上の放電容量維持率が得られた。このことから、電解液が電解質塩として四フッ化ホウ酸リチウム、化6に示した化合物、化7に示した化合物、あるいは化12に示した化合物を含有した場合にも良好なサイクル特性が得られることが確認された。 As shown in Table 4, in Examples 4-1 to 4-4 in which a predetermined compound or the like was added as an electrolyte salt together with lithium hexafluorophosphate, the discharge capacity was maintained equal to or higher than that of Example 1-2. The rate was obtained. Thus, even when the electrolytic solution contains lithium tetrafluoroborate, a compound shown in Chemical formula 6, a compound shown in Chemical formula 7 or a compound shown in Chemical formula 12 as an electrolyte salt, good cycle characteristics are obtained. It was confirmed that
なお、ここでは電解液が電解質塩として過塩素酸リチウム、六フッ化ヒ酸リチウム、化8に示した化合物、化11に示した化合物あるいは化13に示した化合物を含有する場合について放電容量維持率を示していないが、その場合についても放電容量維持率を調べたところ、やはりサイクル特性が向上する傾向が確認された。 Here, in the case where the electrolytic solution contains lithium perchlorate, lithium hexafluoroarsenate, the compound shown in Chemical formula 8, the compound shown in Chemical formula 11 or the compound shown in Chemical formula 13 as the electrolyte salt, the discharge capacity is maintained. Although the rate is not shown, when the discharge capacity retention rate was examined in that case as well, a tendency to improve the cycle characteristics was confirmed.
(実施例5−1)
負極活物質としてスズコバルト合金(SnCo)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。ここでは以下のようにして負極52を作製した。まず、スズ・コバルト・インジウム・チタン合金粉末を用意し、これと炭素粉末とを乾式混合したのち、メカノケミカル反応を利用してCoSnC含有材料を作製した。このCoSnC含有材料の組成を分析したところ、質量比でSn:Co:C=48:23:20であり、スズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合(Co/(Sn+Co)比)が32質量%であった。続いて、上記のCoSnC含有材料80質量%と、導電剤として黒鉛10質量%と、結着剤としてポリビニルスルホン酸リチウム10質量%とを混合して負極合剤としたのち、溶媒としての水に分散させることにより、ペースト状の負極合剤スラリーとした。こののち、銅箔(18μm厚)からなる負極集電体52Aに負極合剤スラリーを均一に塗布して乾燥させてから加圧することにより負極活物質層52Bを形成した。そののち、直径16mmの円形のペレットとなるように打ち抜いた。
(Example 5-1)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-1 except that tin-cobalt alloy (SnCo) was used as the negative electrode active material. Here, the
(実施例5−2)
結着剤としてポリビニルスルホン酸リチウムに代えてポリスチレンスルホン酸リチウムを用いて負極活物質層52Bを形成したことを除き、実施例5−1と同様にして二次電池を作製した。
(Example 5-2)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 5-1, except that the negative electrode
(実施例5−3)
結着剤としてポリビニルスルホン酸リチウムに代えてポリ(スチレンスルホン酸リチウム−マレイン酸ジリチウム)共重合体を用いて負極活物質層52Bを形成したことを除き、実施例5−1と同様にして二次電池を作製した。
(Example 5-3)
The same procedure as in Example 5-1 was conducted except that the negative electrode
(実施例5−4)
結着剤としてポリビニルスルホン酸リチウムに代えてポリビニルスルホン酸ナトリウムを用いて負極活物質層52Bを形成したことを除き、実施例5−1と同様にして二次電池を作製した。
(Example 5-4)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 5-1, except that the negative electrode
(実施例5−5)
結着剤としてポリスチレンスルホン酸リチウムに代えてポリスチレンスルホン酸ナトリウムを用いて負極活物質層52Bを形成したことを除き、実施例5−2と同様にして二次電池を作製した。
(Example 5-5)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 5-2, except that the negative electrode
(実施例5−6)
結着剤としてポリ(スチレンスルホン酸リチウム−マレイン酸ジリチウム)共重合体に代えてポリ(スチレンスルホン酸ナトリウム−マレイン酸ジナトリウム)共重合体を用いて負極活物質層52Bを形成したことを除き、実施例5−3と同様にして二次電池を作製した。
(Example 5-6)
Except that the negative electrode
(比較例5−1)
負極活物質層52Bにおける結着剤としてスルホン酸イオン基を有する重合体を用いずに負極52を作製したことを除き、他は実施例5−1と同様にして二次電池を作製した。ここでは以下のようにして負極52を作製した。まず、スズ・コバルト・インジウム・チタン合金粉末を用意し、これと炭素粉末とを乾式混合したのち、メカノケミカル反応を利用してCoSnC含有材料を作製した。続いて、上記のCoSnC含有材料80質量%と、導電剤として黒鉛10質量%と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(融点170℃)8質量%と、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースのナトリウム塩2質量%を混合して負極合剤としたのち、溶媒としての水に分散させることにより、ペースト状の負極合剤スラリーとした。こののち、銅箔(18μm厚)からなる負極集電体52Aに負極合剤スラリーを均一に塗布して乾燥させてから加圧することにより負極活物質層52Bを形成した。そののち、直径16mmの円形のペレットとなるように打ち抜いた。
(Comparative Example 5-1)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 5-1, except that the
(比較例5−2)
結着剤としてポリフッ化ビニリデンに代えてポリアクリル酸リチウムを用いて負極活物質層52Bを形成したことを除き、比較例5−1と同様にして二次電池を作製した。
(Comparative Example 5-2)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Comparative Example 5-1, except that the negative electrode
(比較例5−3)
結着剤としてポリフッ化ビニリデンに代えてポリマレイン酸ジリチウムを用いて負極活物質層52Bを形成したことを除き、比較例5−1と同様にして二次電池を作製した。
(Comparative Example 5-3)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Comparative Example 5-1, except that the negative electrode
(比較例5−4)
結着剤としてポリフッ化ビニリデンに代えてポリスルホンを用いて負極活物質層52Bを形成したことを除き、比較例5−1と同様にして二次電池を作製した。
(Comparative Example 5-4)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Comparative Example 5-1, except that the negative electrode
これらの実施例5−1〜5−6および比較例5−1〜5−4の二次電池についてサイクル試験を行い、放電容量維持率を調べたところ、表5に示した結果が得られた。 When the cycle tests were conducted on the secondary batteries of Examples 5-1 to 5-6 and Comparative Examples 5-1 to 5-4 and the discharge capacity retention ratio was examined, the results shown in Table 5 were obtained. .
表5に示したように、負極活物質としてSnCo合金を用いた場合においても、負極活物質としてケイ素を用いた場合と同様の傾向が確認できた。具体的には、結着剤としてスルホン酸イオン基を有する重合体を用いた実施例5−1〜5−6では、それを用いなかった比較例5−1〜5−4よりも高い放電容量維持率が得られた。また、結着剤としてポリスチレンスルホン酸リチウムを用いた場合よりもポリビニルスルホン酸リチウムを用いた場合のほうが、より高い放電容量維持率が得られた。さらに、結着剤としてスルホン酸塩の重合体を用いた場合よりもカルボン酸塩とスルホン酸塩との共重合体を用いた場合により高い放電容量維持率が得られることがわかった。なお、ここには示さないが、負極活物質としてSnCo合金を用いた場合においても、電解液がハロゲンを有する環状炭酸エステルやハロゲンを有する鎖状炭酸エステルを溶媒として含有することが、サイクル特性の向上に特に有利であることが確認された。 As shown in Table 5, when SnCo alloy was used as the negative electrode active material, the same tendency as when silicon was used as the negative electrode active material was confirmed. Specifically, in Examples 5-1 to 5-6 using a polymer having a sulfonate ion group as a binder, the discharge capacity was higher than those of Comparative Examples 5-1 to 5-4 without using the polymer. A retention rate was obtained. In addition, a higher discharge capacity retention rate was obtained when lithium polyvinyl sulfonate was used than when lithium polystyrene sulfonate was used as the binder. Furthermore, it was found that a higher discharge capacity retention rate was obtained when a copolymer of carboxylate and sulfonate was used than when a sulfonate polymer was used as the binder. Although not shown here, even when an SnCo alloy is used as the negative electrode active material, the electrolytic solution contains a cyclic carbonate having halogen or a chain carbonate having halogen as a solvent. It was confirmed to be particularly advantageous for improvement.
上記の各実施例では、コイン型の二次電池について説明したが、円筒型およびラミネートフィルム型の二次電池についてもコイン型の二次電池と同様の傾向が確認された。すなわち、負極活物質層の形成方法、負極活物質の種類および電池構造などに依存せず、負極活物質層が結着剤としてスルホン酸イオン基を有する重合体を含むことにより、サイクル特性を向上させることができることが確認された。 In each of the above examples, the coin-type secondary battery has been described. However, the same tendency as the coin-type secondary battery was confirmed for the cylindrical and laminated film-type secondary batteries. In other words, cycle characteristics are improved by including a polymer having a sulfonic acid ion group as a binder, regardless of the method for forming the negative electrode active material layer, the type of negative electrode active material, the battery structure, and the like. It was confirmed that it can be made.
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、本発明は上記した実施の形態および実施例において説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、本発明の負極の使用用途は、必ずしも電池に限らず、電池以外の他の電気化学デバイスであっても良い。他の用途としては、例えば、キャパシタなどが挙げられる。 The present invention has been described with reference to the embodiments and examples. However, the present invention is not limited to the embodiments described in the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, the use application of the negative electrode of the present invention is not necessarily limited to a battery, but may be an electrochemical device other than a battery. Other applications include, for example, capacitors.
また、上記した実施の形態および実施例では、スルホン酸イオン基を有する重合体を、負極活物質層における結着剤として用いるようにしたが、正極活物質層における結着剤としてそれを用いるようにしてもよい。 In the above-described embodiments and examples, the polymer having a sulfonate ion group is used as a binder in the negative electrode active material layer, but it is used as a binder in the positive electrode active material layer. It may be.
また、上記した実施の形態および実施例では、本発明の電池の電解質として、電解液、あるいは電解液を高分子化合物に保持させたゲル状電解質を用いる場合について説明したが、他の種類の電解質を用いるようにしてもよい。他の電解質としては、例えば、イオン伝導性セラミックス、イオン伝導性ガラスあるいはイオン性結晶などのイオン伝導性無機化合物と電解液とを混合したものや、他の無機化合物と電解液とを混合したものや、これらの無機化合物とゲル状電解質とを混合したものなどが挙げられる。 In the above-described embodiments and examples, the case where the electrolyte solution or the gel electrolyte in which the electrolyte solution is held in a polymer compound is used as the electrolyte of the battery of the present invention has been described. May be used. Other electrolytes include, for example, a mixture of an ion conductive inorganic compound such as ion conductive ceramics, ion conductive glass or ionic crystal and an electrolyte, or a mixture of another inorganic compound and an electrolyte. Or a mixture of these inorganic compounds and a gel electrolyte.
また、上記した実施の形態および実施例では、本発明の電池として、負極の容量がリチウムの吸蔵および放出に基づいて表されるリチウムイオン二次電池を用い、負極の容量がリチウムの析出および溶解に基づく容量により表されるリチウム金属二次電池について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。本発明の電池は、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の充電容量を正極の充電容量よりも小さくすることにより、負極の容量がリチウムの吸蔵および放出に基づく容量とリチウムの析出および溶解に基づく容量とを含み、かつそれらの容量の和により表される二次電池についても同様に適用可能である。 In the above-described embodiments and examples, as the battery of the present invention, a lithium ion secondary battery in which the capacity of the negative electrode is expressed based on insertion and extraction of lithium is used, and the capacity of the negative electrode is precipitation and dissolution of lithium. Although the lithium metal secondary battery represented by the capacity based on the above has been described, the present invention is not necessarily limited thereto. In the battery of the present invention, the negative electrode material capable of occluding and releasing lithium has a smaller charge capacity than that of the positive electrode, so that the negative electrode capacity is based on the storage and release of lithium and the deposition of lithium and The present invention can be similarly applied to a secondary battery including a capacity based on melting and represented by the sum of the capacities.
また、上記し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主に説明したが、ナトリウム(Na)あるいはカリウム(K)などの他の短周期型周期表における1A族元素や、マグネシウムあるいはカルシウム(Ca)などの2A族元素や、アルミニウムなどの他の軽金属を用いてもよい。この場合においても、負極活物質として、上記実施の形態で説明した負極材料を用いることが可能である。 In the above-described embodiments and examples, the case where lithium is used as the electrode reactant is mainly described. However, the group 1A elements in other short-period periodic tables such as sodium (Na) or potassium (K) , 2A group elements such as magnesium or calcium (Ca), and other light metals such as aluminum may be used. Also in this case, the negative electrode material described in the above embodiment can be used as the negative electrode active material.
また、上記した実施の形態または実施例では、本発明の電池について、電池構造が円筒型、ラミネートフィルム型およびコイン型である場合、ならびに電池素子が巻回構造を有する場合を例に挙げて説明したが、本発明の電池は、角型などの他の電池構造を有する場合や、電池素子が積層構造などの他の構造を有する場合についても同様に適用可能である。 Further, in the above-described embodiments or examples, the battery of the present invention is described by taking the case where the battery structure is a cylindrical type, the laminate film type and the coin type, and the case where the battery element has a winding structure as an example. However, the battery of the present invention can be similarly applied to the case where the battery element has another battery structure such as a square shape or the case where the battery element has another structure such as a laminated structure.
1,22A,34A,52A…負極集電体、2,22B,34B,52B…負極活物質層、2A…負極活物質粒子、11…電池缶、12,13…絶縁板、14…電池蓋、15…安全弁機構、15A…ディスク板、16…熱感抵抗素子、17,56…ガスケット、20,30…巻回電極体、21,33,51…正極、21A,33A,51A…正極集電体、21B,33B,51B…正極活物質層、22,34,52…負極、23,35,53…セパレータ、24…センターピン、25,31…正極リード、26,32…負極リード、36…電解質、37…保護テープ、40…外装部材、41…密着フィルム、54…外装缶、55…外装カップ。
1, 22A, 34A, 52A ... negative electrode current collector, 2, 22B, 34B, 52B ... negative electrode active material layer, 2A ... negative electrode active material particles, 11 ... battery can, 12, 13 ... insulating plate, 14 ... battery lid, DESCRIPTION OF
Claims (12)
リチウムイオン二次電池用負極。 Negative electrode active material containing at least one of a simple substance, an alloy and a compound of silicon, and a simple substance, an alloy and a compound of tin, and a poly (lithium styrenesulfonate-dilithium maleate) copolymer or poly (styrenesulfonate) And a negative electrode active material layer including a sodium-disodium maleate copolymer).
Negative electrode for lithium ion secondary battery .
前記負極活物質層における前記結着剤の含有率は、1質量%以上20質量%以下であるThe content of the binder in the negative electrode active material layer is 1% by mass or more and 20% by mass or less.
請求項1記載のリチウムイオン二次電池用負極。The negative electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 1.
前記負極は、
ケイ素の単体、合金および化合物、ならびにスズの単体、合金および化合物のうちの少なくとも1種を含有した負極活物質と、ポリ(スチレンスルホン酸リチウム−マレイン酸ジリチウム)共重合体またはポリ(スチレンスルホン酸ナトリウム−マレイン酸ジナトリウム)共重合体とを含む負極活物質層が負極集電体に設けられてなる
リチウムイオン二次電池。 A lithium ion secondary battery including an electrolyte solution together with a positive electrode and a negative electrode,
The negative electrode is
Negative electrode active material containing at least one of a simple substance, an alloy and a compound of silicon, and a simple substance, an alloy and a compound of tin, and a poly (lithium styrenesulfonate-dilithium maleate) copolymer or poly (styrenesulfonate) And a negative electrode active material layer including a sodium-disodium maleate copolymer).
Lithium ion secondary battery.
前記負極活物質層における前記結着剤の含有率は、1質量%以上20質量%以下であるThe content of the binder in the negative electrode active material layer is 1% by mass or more and 20% by mass or less.
請求項3記載のリチウムイオン二次電池。The lithium ion secondary battery according to claim 3.
請求項3記載のリチウムイオン二次電池。 The electrolytic solution includes a solvent containing a cyclic carbonate having an unsaturated bond.
The lithium ion secondary battery according to claim 3 .
請求項3記載のリチウムイオン二次電池。
The lithium ion secondary battery according to claim 3 .
前記ハロゲンを有する環状炭酸エステルは、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンおよび4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンのうちの少なくとも1種である
請求項6記載のリチウムイオン二次電池。 The chain ester carbonate having halogen is at least one selected from the group consisting of fluoromethyl methyl carbonate, bis (fluoromethyl) carbonate and difluoromethyl methyl carbonate,
The cyclic ester carbonate having a halogen is at least one of 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and 4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one.
The lithium ion secondary battery according to claim 6 .
請求項3記載のリチウムイオン二次電池。 The electrolytic solution includes a solvent containing sultone.
The lithium ion secondary battery according to claim 3 .
請求項3記載のリチウムイオン二次電池。 The electrolytic solution includes a solvent containing an acid anhydride.
The lithium ion secondary battery according to claim 3 .
請求項3記載のリチウムイオン二次電池。
The lithium ion secondary battery according to claim 3 .
請求項10記載のリチウムイオン二次電池。
The lithium ion secondary battery according to claim 10 .
請求項3記載のリチウムイオン二次電池。
The lithium ion secondary battery according to claim 3 .
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