JP5610034B2 - Secondary battery and negative electrode for secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、二次電池および二次電池用負極に関するものである。   The present invention relates to a secondary battery and a negative electrode for a secondary battery.

携帯電話やノートパソコン等のモバイル端末の普及により、その電力源となる電池の役割が重要視されている。これら電池には小型・軽量でかつ高容量であり、充放電を繰り返しても、劣化しにくい性能が求められる。   With the widespread use of mobile terminals such as mobile phones and laptop computers, the role of the battery serving as the power source has been regarded as important. These batteries are required to have a small size, light weight, high capacity, and performance that does not easily deteriorate even after repeated charge and discharge.

高エネルギー密度でかつ軽量という観点から負極に金属リチウムを用いられることもあるが、この場合充放電サイクルの進行にともない、リチウム表面に針状結晶(デンドライト)が析出したり、このデンドライトが集電体から剥がれる現象が起きる。この結果デンドライトがセパレータを貫通し、内部で短絡を起こし、電池の寿命を短くしたり、サイクル特性が劣化するという課題があった。   From the viewpoint of high energy density and light weight, metallic lithium may be used for the negative electrode. In this case, acicular crystals (dendrites) are deposited on the lithium surface as the charge / discharge cycle progresses, or the dendrites are collected by current. The phenomenon of peeling from the body occurs. As a result, the dendrite penetrates the separator and causes a short circuit inside, resulting in a problem that the battery life is shortened and cycle characteristics are deteriorated.

そこで実用電池には上記のような問題のない炭素材料が使用されている。このうちで代表的なものには、黒鉛系の炭素材料があるが、この材料が吸蔵可能なリチウムイオン量は黒鉛の層間に挿入可能な量によって制限されており、その比容量である372mAh/g以上とすることは困難である。そこで黒鉛よりもリチウムイオンを吸蔵でき比容量の大きい酸化物を用いる方法が開発されている。   Therefore, carbon materials that do not have the above problems are used in practical batteries. A typical one of these is a graphite-based carbon material, but the amount of lithium ions that can be occluded by this material is limited by the amount that can be inserted between graphite layers, and its specific capacity is 372 mAh / It is difficult to make it g or more. Therefore, a method has been developed that uses an oxide that can occlude lithium ions and has a larger specific capacity than graphite.

例えば特許文献1には溶融した酸化物粒子中に金属微粒子を添加・分散させることにより電子伝導性を上げ、リチウムイオン吸蔵サイトを有効に使用する方法が提案されている。   For example, Patent Document 1 proposes a method of effectively using lithium ion storage sites by adding and dispersing metal fine particles in molten oxide particles to increase electron conductivity.

また、特許文献2では、AgやSnのようなリチウムと合金を形成する金属と、Cuのようなリチウムと合金を形成しない金属とを含む2種以上の金属等を担持した炭素粒子を結着剤により上記粒子の集合体とし、この集合体を負極活物質として用いた負極が提案されている。   Patent Document 2 binds carbon particles carrying two or more kinds of metals including a metal that forms an alloy with lithium such as Ag and Sn and a metal that does not form an alloy with lithium such as Cu. There has been proposed a negative electrode in which an aggregate of the particles is formed by an agent and the aggregate is used as a negative electrode active material.

特開2000−12036号公報JP 2000-12036 A 特開平10−334889号公報JP-A-10-334889

しかしながら、上記従来技術では、充分な容量を得ることは困難である。   However, it is difficult to obtain a sufficient capacity with the above prior art.

たとえば特許文献2記載の技術のように複数種の金属を炭素粒子に担持した構成の負極では、その初回放電容量が、使用した材料から期待される容量よりも低くなる上、充放電サイクルを経ると容量が顕著に減少することがあった。以下、これらの点について説明する。   For example, in the negative electrode having a structure in which a plurality of kinds of metals are supported on carbon particles as in the technique described in Patent Document 2, the initial discharge capacity is lower than the capacity expected from the used material and undergoes a charge / discharge cycle. And there was a significant decrease in capacity. Hereinafter, these points will be described.

上記初回放電容量の低下は、初回の充放電過程において、粒子同士の結着部分が剥離し、電極活物質層が損傷することによるものと考えられる。Snのようなリチウム吸蔵量の多い材料は大きな充放電容量を有する反面、充放電に伴う体積変化が大きい。このため、このような材料を担持させた炭素粒子を結着させて負極を構成した場合、初回の充放電過程において、粒子間の結着部分の一部が破損し、内部抵抗の上昇および容量減少が発生するものと考えられる。   The decrease in the initial discharge capacity is considered to be due to the bonded portion of the particles being peeled and the electrode active material layer being damaged in the initial charge / discharge process. A material having a large amount of lithium occlusion such as Sn has a large charge / discharge capacity, but has a large volume change accompanying charge / discharge. Therefore, when a negative electrode is formed by binding carbon particles supporting such a material, a part of the binding portion between the particles is damaged in the first charge / discharge process, and the internal resistance is increased and the capacity is increased. A decrease is considered to occur.

一方、充放電サイクルを経たときの容量の減少は、上記体積変化にともなう粒子間結着部の破損のみならず、負極中に発生する微視的な電界不均一によっても引き起こされるものと推察される。炭素粒子中に金属粒子等を混合する場合、通常、その粉体特性の違い等により分布の不均一が生じる。炭素粒子と金属粒子は、それぞれ異なる抵抗率や比容量を有することから、充放電過程において、電界分布の微視的不均一性が発生する。したがって、充放電の際の体積変化が局在化するため、負極の構造が破壊されていき、容量減少が発生することになる。   On the other hand, it is surmised that the decrease in capacity during the charge / discharge cycle is caused not only by the breakage of the interparticle binding part due to the volume change but also by the microscopic electric field nonuniformity generated in the negative electrode. The When mixing metal particles or the like into carbon particles, the distribution is usually non-uniform due to differences in powder characteristics. Since carbon particles and metal particles have different resistivities and specific capacities, microscopic non-uniformity in the electric field distribution occurs in the charge / discharge process. Therefore, since the volume change at the time of charge / discharge is localized, the structure of the negative electrode is destroyed and the capacity is reduced.

そこで、上記従来技術の有する課題に鑑み、本発明では、高容量かつサイクルを経ても電池内部の抵抗上昇や容量減少が抑制された二次電池用負極およびそれを用いた二次電池を提供することを目的とする。   Therefore, in view of the above-described problems of the prior art, the present invention provides a negative electrode for a secondary battery that has a high capacity and that suppresses an increase in resistance and a decrease in capacity even after a cycle, and a secondary battery using the same. For the purpose.

上記課題を解決する本発明によれば、リチウムイオンを吸蔵および放出することのできる二次電池用負極であって、リチウムと合金を形成する金属またはリチウムと、リチウムと合金を形成しない金属とを含む、合金または複合酸化物からなる層を備え、前記合金または複合酸化物からなる層が、Li−Co−N系アモルファス化合物、またはLi−Ti−O系アモルファス化合物からなることを特徴とする二次電池用負極が提供される。
また本発明によれば、リチウムイオンを吸蔵および放出することのできる二次電池用負極であって、第一リチウム吸蔵層と、前記第一リチウム吸蔵層の充放電電位とは異なる第二リチウム吸蔵層とを備え、前記第一リチウム吸蔵層は、Sn−Co合金からなることを特徴とする二次電池用負極が提供される。
According to the present invention for solving the above problems, a negative electrode for a secondary battery capable of occluding and releasing lithium ions, comprising a metal that forms an alloy with lithium or a metal that does not form an alloy with lithium. Including a layer made of an alloy or a composite oxide, wherein the layer made of the alloy or the composite oxide is made of a Li—Co—N based amorphous compound or a Li—Ti—O based amorphous compound. A negative electrode for a secondary battery is provided.
According to the present invention, there is also provided a negative electrode for a secondary battery capable of occluding and releasing lithium ions , wherein the first lithium occluding layer is different from the charge / discharge potential of the first lithium occluding layer. There is provided a negative electrode for a secondary battery , wherein the first lithium storage layer is made of an Sn-Co alloy .

また本発明によれば、上記の二次電池用負極において、上記リチウムと合金を形成する金属が、Si、Ge、Sn、Al、Pb、Pd、Ag、InおよびCdからなる群から選択される少なくとも一種の金属を含むことを特徴とする二次電池用負極が提供される。   According to the invention, in the negative electrode for a secondary battery, the metal forming an alloy with lithium is selected from the group consisting of Si, Ge, Sn, Al, Pb, Pd, Ag, In, and Cd. There is provided a negative electrode for a secondary battery comprising at least one metal.

さらに本発明によれば、上記の二次電池用負極において、上記リチウムと合金を形成しない金属が、Cu、Fe、B、Ni、Ti、Ta、W、CrおよびCoからなる群から選択される少なくとも一種の金属を含むことを特徴とする二次電池用負極が提供される。   Furthermore, according to the present invention, in the negative electrode for a secondary battery, the metal that does not form an alloy with lithium is selected from the group consisting of Cu, Fe, B, Ni, Ti, Ta, W, Cr, and Co. There is provided a negative electrode for a secondary battery comprising at least one metal.

また本発明によれば、上記の二次電池用負極において、さらに、リチウム吸蔵材料からなる層を備えたことを特徴とする二次電池用負極が提供される。   According to the present invention, there is further provided a negative electrode for a secondary battery, wherein the negative electrode for a secondary battery includes a layer made of a lithium storage material.

また本発明によれば、上記の二次電池用負極において、上記リチウム吸蔵材料からなる層は、炭素を主成分とする層であることを特徴とする二次電池用負極が提供される。   In addition, according to the present invention, there is provided the negative electrode for a secondary battery, wherein in the negative electrode for a secondary battery, the layer made of the lithium storage material is a layer containing carbon as a main component.

また本発明によれば、上記の二次電池用負極において、上記合金または複合酸化物からなる層が、スパッタリング法、CVD法、蒸着法またはメッキ法によって形成された層であることを特徴とする二次電池用負極が提供される。   According to the invention, in the negative electrode for a secondary battery, the layer made of the alloy or the composite oxide is a layer formed by a sputtering method, a CVD method, a vapor deposition method, or a plating method. A negative electrode for a secondary battery is provided.

また本発明によれば、上記の二次電池用負極において、上記合金または複合酸化物からなる層がアモルファス構造を有することを特徴とする二次電池用負極が提供される。   In addition, according to the present invention, there is provided a negative electrode for a secondary battery, wherein the layer made of the alloy or the composite oxide has an amorphous structure in the negative electrode for a secondary battery.

また本発明によれば、上記の二次電池用負極において、さらに、リチウム金属層を備えたことを特徴とする二次電池用負極が提供される。   According to the present invention, there is further provided a negative electrode for a secondary battery, wherein the negative electrode for a secondary battery further includes a lithium metal layer.

さらに本発明によれば、上記の二次電池用負極と、リチウムイオンを吸蔵および放出することのできる正極と、上記負極および上記正極との間に配置された電解質と、を具備することを特徴とする二次電池が提供される。   Furthermore, according to the present invention, it is provided with the above-described negative electrode for a secondary battery, a positive electrode capable of inserting and extracting lithium ions, and an electrolyte disposed between the negative electrode and the positive electrode. A secondary battery is provided.

本発明に係る負極は、リチウムと合金を形成する金属またはリチウムと、リチウムと合金を形成しない金属とを含む合金からなる合金または複合酸化物からなる層を備えている。この層は、前記従来技術のような結着剤により結着された粒子の集合体とは異なるものであり、リチウムと合金を形成する金属またはリチウムと、リチウムと合金を形成しない金属とを含む合金が膜状の形態で成膜されたものである。なお、本発明において、リチウムと合金を形成する金属とは、対リチウム電極において、リチウムを吸蔵・放出する際に対リチウム電極電位0〜2.5Vでプラトーを形成するものをいう。一方、リチウムと合金を形成しない金属とは、リチウムを吸蔵・放出する際に対リチウム電極電位0〜2.5Vでプラトーを形成しないものをいう。   The negative electrode according to the present invention includes a layer made of an alloy or a composite oxide made of an alloy containing a metal that forms an alloy with lithium or lithium and a metal that does not form an alloy with lithium. This layer is different from the aggregate of particles bound by the binder as in the prior art, and includes a metal that forms an alloy with lithium or a metal that does not form an alloy with lithium. An alloy is formed in a film form. In the present invention, the metal that forms an alloy with lithium refers to a metal that forms a plateau at a potential of 0 to 2.5 V with respect to the lithium electrode when lithium is occluded / released. On the other hand, a metal that does not form an alloy with lithium means a metal that does not form a plateau at a potential of 0 to 2.5 V with respect to the lithium electrode when lithium is occluded / released.

本発明は、合金または複合酸化物からなる層を膜状としているため、以下の作用効果を奏する。   In the present invention, since the layer made of the alloy or the complex oxide is formed into a film shape, the following effects are obtained.

第一に、合金または複合酸化物からなる層を構成する物質同士の結合を強固とすることができるので、充放電にともなう体積変化による層構造の破壊が生じにくい。その結果、初回充電時における内部抵抗の上昇が抑制され、初回放電容量の減少を抑制することができる。さらにサイクルを経た場合にも、上記合金層の破壊抑制作用は維持されるため、電池内部の抵抗上昇、容量減少の発生を抑制することができる。   First, since the bonding between the substances constituting the layer made of the alloy or the composite oxide can be strengthened, the layer structure is not easily broken due to the volume change caused by charging and discharging. As a result, an increase in internal resistance during the initial charge is suppressed, and a decrease in the initial discharge capacity can be suppressed. Further, even when a cycle is passed, since the action of suppressing the destruction of the alloy layer is maintained, it is possible to suppress an increase in resistance and a decrease in capacity inside the battery.

第二に、合金または複合酸化物からなる層において、リチウムと合金を形成する金属またはリチウムが比較的均一に分布するため、充放電にともなう体積変化による応力が局所的に生じることを抑制することができ、この結果、負極活物質層の構造の破壊を抑え、サイクルを経ても電池内部の抵抗上昇、容量減少の発生を抑制することができる。   Secondly, in the layer made of an alloy or composite oxide, the metal or lithium forming the alloy and lithium are distributed relatively uniformly, so that local stresses due to volume changes due to charge / discharge are suppressed. As a result, it is possible to suppress the breakdown of the structure of the negative electrode active material layer, and to suppress the increase in resistance and the decrease in capacity inside the battery even after a cycle.

また、リチウムと合金を形成する金属またはリチウムと、リチウムと合金を形成しない金属とを含む合金または複合酸化物からなる層を採用するため、以下の作用効果を奏する。   Moreover, since the layer which consists of an alloy or composite oxide containing the metal which forms an alloy with lithium or lithium, and the metal which does not form an alloy with lithium is employ | adopted, there exist the following effects.

第一に、リチウムと合金を形成しない金属は充放電の際に体積変化が生じないため、全体としての体積変化を抑えることができる。   First, since a metal that does not form an alloy with lithium does not change in volume during charge and discharge, the volume change as a whole can be suppressed.

第二に、放電の際にはリチウムと合金を形成しない金属が負極活物質層の構造を支える楔の役割を果たすため、体積収縮を起こしても構造の破壊が抑えられる。   Second, during discharge, the metal that does not form an alloy with lithium plays a role of a wedge that supports the structure of the negative electrode active material layer.

本発明においては、これらの相乗作用により、合金または複合酸化物からなる層の構造の破壊を効果的に防止することが可能となる。その結果、サイクルを経ても電池内部の抵抗上昇、容量減少の発生を抑制することができる。   In the present invention, these synergistic actions can effectively prevent the destruction of the structure of the layer made of an alloy or composite oxide. As a result, it is possible to suppress an increase in resistance and a decrease in capacity inside the battery even after a cycle.

さらに、リチウム吸蔵材料からなる層、たとえば炭素を主成分とする層を、さらに備えた構成とした場合、負極を構成するそれぞれの層の充電・放電電位が異なることから、充放電が段階的に行われ、負極活物質層の膨張収縮をより一層抑制することが可能となる。   Furthermore, when a layer made of a lithium storage material, for example, a layer containing carbon as a main component is further provided, the charge / discharge potential of each layer constituting the negative electrode is different, so that charging / discharging is performed stepwise. As a result, the expansion and contraction of the negative electrode active material layer can be further suppressed.

本発明によれば、リチウムと合金を形成する金属またはリチウムと、リチウムと合金を形成しない金属とを含む合金からなる合金層を負極に具備することにより、負極の構造の破壊を抑制することができる。その結果、高容量でかつサイクルを経ても電池内部の抵抗上昇や容量減少が抑制された二次電池の負極およびそれを用いた二次電池を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to suppress destruction of the structure of the negative electrode by providing the negative electrode with an alloy layer made of a metal that forms an alloy with lithium or an alloy that includes lithium and a metal that does not form an alloy with lithium. it can. As a result, it is possible to provide a negative electrode for a secondary battery that has a high capacity and suppresses an increase in resistance and a decrease in capacity inside the battery even after a cycle, and a secondary battery using the same.

第一の実施の形態を示す二次電池の負極断面図である。It is a negative electrode sectional view of a rechargeable battery which shows a first embodiment. 第一の実施の形態を示す二次電池の負極断面図である。It is a negative electrode sectional view of a rechargeable battery which shows a first embodiment. 第一の実施の形態を示す二次電池の負極を使った電池の模式図である。It is a schematic diagram of the battery using the negative electrode of the secondary battery which shows 1st embodiment. 比較例1に係る二次電池の負極断面図である。6 is a cross-sectional view of a negative electrode of a secondary battery according to Comparative Example 1. FIG. 第二の実施の形態を示す二次電池の負極断面図である。It is negative electrode sectional drawing of the secondary battery which shows 2nd embodiment. 第二の実施の形態を示す二次電池の負極を使った電池の模式図である。It is a schematic diagram of the battery using the negative electrode of the secondary battery which shows 2nd embodiment. 本発明の実施例5・6・7のサイクル特性と比較例1のサイクル特性を示したグラフである。It is the graph which showed the cycle characteristic of Example 5,6,7 of this invention, and the cycle characteristic of the comparative example 1. FIG. 第三の実施の形態を示す二次電池の負極断面図である。It is negative electrode sectional drawing of the secondary battery which shows 3rd embodiment. 第三の実施の形態を示す二次電池の負極を使った電池の模式図である。It is a schematic diagram of the battery using the negative electrode of the secondary battery which shows 3rd embodiment. 第四の実施の形態を示す二次電池の負極断面図である。It is negative electrode sectional drawing of the secondary battery which shows 4th Embodiment. 第四の実施の形態を示す二次電池の負極を使った電池の模式図である。It is a schematic diagram of the battery using the negative electrode of the secondary battery which shows 4th Embodiment.

以下、本発明の好ましい実施の形態について説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.

(第一の実施の形態)
本発明の第一の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は本発明の第一の実施の形態を示す二次電池の負極断面図である。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a negative electrode of a secondary battery showing a first embodiment of the present invention.

集電体1aは充放電の際に電流を電池の外部に取り出したり、外部から電池内に電流を取り込む電極である。この集電体1aは導電性の金属箔であれば種々のものが使用でき、アルミニウム、銅、ステンレス、金、タングステン、モリブデン、チタンが例示される。   The current collector 1a is an electrode that takes out current to the outside of the battery during charging and discharging, and takes in current into the battery from the outside. As the current collector 1a, various conductive metal foils can be used, and examples thereof include aluminum, copper, stainless steel, gold, tungsten, molybdenum, and titanium.

第一活物質層2aは充放電の際、Liを吸蔵・放出する負極部材である。この第一活物質層2aは、リチウム合金、リチウム吸蔵金属、リチウム吸蔵合金、金属酸化物、黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン、フラーレン、カーボンナノチューブ、あるいはこれら複数の混合物、またはこれら複数から構成されるものが例示される。第一活物質層2aの厚さは5〜200μm程度であることが望ましい。   The first active material layer 2a is a negative electrode member that occludes and releases Li during charge and discharge. The first active material layer 2a is composed of a lithium alloy, a lithium storage metal, a lithium storage alloy, a metal oxide, graphite, hard carbon, soft carbon, fullerene, carbon nanotube, or a mixture of these, or a plurality of these. Are illustrated. The thickness of the first active material layer 2a is preferably about 5 to 200 μm.

第二活物質層3aはLiを吸蔵・放出可能な膜であり、リチウムと合金を形成する金属またはリチウムと、リチウムと合金を形成しない金属とを含む合金材料あるいは複合酸化物で構成される。なお、第二活物質層3aは、酸素等を含む構造であってもよく、また、合金中にリチウムを含んでもよい。ここで、リチウムと合金を形成しない金属としてはCu、Fe、B、Ni、Ti、Ta、W、Cr、Co等が挙げられる。また、リチウムと合金を形成する金属としてはSi、Ge、Sn、Al、Pb、Pd、Ag、In、Cd等が挙げられる。また合金材料あるいは複合酸化物の例としてはSi−Cu合金、Si−Fe合金、Sn−Co合金、Li−Ti−O酸化物、Na−Si―B−O酸化物が挙げられる。ここで、リチウムと合金を形成する金属またはリチウムと、リチウムと合金を形成しない金属との割合は、例えば100:1〜1:10(原子数比)とすることができる。その理由はリチウムと合金を形成しない金属が少なすぎると、楔の効果が少なくなり充放電によって構造破壊が進むからである。またリチウムと合金を形成しない金属が多くなりすぎると負極中にリチウムが吸蔵できる割合が小さくなるため比容量的に優位性が保てなくなるからである。   The second active material layer 3a is a film capable of inserting and extracting Li, and is made of an alloy material or a composite oxide containing a metal that forms an alloy with lithium or lithium and a metal that does not form an alloy with lithium. The second active material layer 3a may have a structure containing oxygen or the like, and the alloy may contain lithium. Here, Cu, Fe, B, Ni, Ti, Ta, W, Cr, Co, etc. are mentioned as a metal which does not form an alloy with lithium. Examples of the metal that forms an alloy with lithium include Si, Ge, Sn, Al, Pb, Pd, Ag, In, and Cd. Examples of the alloy material or composite oxide include Si—Cu alloy, Si—Fe alloy, Sn—Co alloy, Li—Ti—O oxide, and Na—Si—B—O oxide. Here, the ratio of the metal that forms an alloy with lithium or the metal that does not form an alloy with lithium can be set to, for example, 100: 1 to 1:10 (atomic ratio). The reason is that if the amount of metal that does not form an alloy with lithium is too small, the effect of the wedge is reduced and structural destruction proceeds by charge / discharge. In addition, if the amount of metal that does not form an alloy with lithium becomes too large, the proportion of lithium that can be occluded in the negative electrode becomes small, so that the superiority in specific capacity cannot be maintained.

第二活物質層3aは、例えば次のような方法で作製することができる。リチウムと合金を形成する金属またはリチウムと、リチウムと合金を形成しない金属とを溶融して合成する方法、あるいは化学反応により作製する方法、あるいはメカニカルミリング等によって作製する方法、あるいは焼結したものをスパッタターゲットや蒸着材料として真空成膜することによって作製する方法によって得ることができる。また、リチウムと合金を形成する金属またはリチウムと、リチウムと合金を形成しない金属とを含むガスを使いCVD法により成膜する方法、あるいはリチウムと合金を形成する金属またはリチウムと、リチウムと合金を形成しない金属とを含む溶液からメッキ技術を用いて成膜する方法、あるいは蒸気化されて原子、分子状態にある、リチウムと合金を形成する金属またはリチウムと、リチウムと合金を形成しない金属とをイオン化し、負の高電位にある基板に加速して堆積するイオンプレーティング法によっても得ることができる。また、第二活物質層3aを上記方法により作製する際には、リチウムと合金を形成しない金属の仕込量を、例えば5〜35atom%とすることができる。   The second active material layer 3a can be produced, for example, by the following method. A method of melting and synthesizing a metal that forms an alloy with lithium or a metal that does not form an alloy with lithium, a method of producing by chemical reaction, a method of producing by mechanical milling, or a sintered product It can be obtained by a method of forming by vacuum film formation as a sputtering target or vapor deposition material. Further, a method of forming a film by a CVD method using a gas containing a metal that forms an alloy with lithium or lithium and a metal that does not form an alloy with lithium, or a metal or lithium that forms an alloy with lithium or an alloy with lithium A method of forming a film using a plating technique from a solution containing a metal that does not form, or a metal that forms an alloy with lithium or is vaporized into an atomic or molecular state, or a metal that does not form an alloy with lithium. It can also be obtained by an ion plating method that is ionized and accelerated and deposited on a substrate having a negative high potential. Further, when the second active material layer 3a is produced by the above method, the amount of metal that does not form an alloy with lithium can be set to, for example, 5 to 35 atom%.

また、第二活物質層3aは、アモルファス構造とすることが好ましい。これにより、サイクルを経ても電池内部の抵抗の上昇、容量減少をさらに抑制することが可能となるからである。ここで本発明におけるアモルファスとは、CuKα線を用いたX線回折法の2θ値で15〜40度に頂点を有するブロードな散乱帯を有するものをいう。第二活物質層3aは0.1μm〜30μmであることが望ましい。   The second active material layer 3a preferably has an amorphous structure. This is because it is possible to further suppress an increase in resistance and a decrease in capacity inside the battery even after a cycle. Here, the amorphous in the present invention means a material having a broad scattering band having an apex at 15 to 40 degrees in the 2θ value of the X-ray diffraction method using CuKα rays. The second active material layer 3a is desirably 0.1 μm to 30 μm.

図1に示す二次電池の負極は次のような手順で作製される。まず集電体1a上に第一活物質層2aを堆積させる。さらにこの第一活物質層2aの上に、リチウムと合金を形成する金属またはリチウムと、リチウムと合金を形成しない金属とからなる第二活物質層3aを上記方法により形成させ、所望の負極を得る。   The negative electrode of the secondary battery shown in FIG. 1 is produced by the following procedure. First, the first active material layer 2a is deposited on the current collector 1a. Further, a second active material layer 3a made of a metal that forms an alloy with lithium or lithium and a metal that does not form an alloy with lithium is formed on the first active material layer 2a by the above method, and a desired negative electrode is formed. obtain.

なお、図2に示すように集電体1aの両面に第一活物質層2aと第二活物質層3aを堆積するような構造を採用することもできる。   In addition, as shown in FIG. 2, the structure which deposits the 1st active material layer 2a and the 2nd active material layer 3a on both surfaces of the electrical power collector 1a is also employable.

本発明のリチウム二次電池において用いることができる正極としては、LixMO(ただしMは、少なくとも1つの遷移金属を表す。)である複合酸化物、例えば、LixCoO、LixNiO、LixMn、LixMnO、LixNiyC1−yなどを、カーボンブラック等の導電性物質、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等の結着剤をN−メチル−2−ピロリドン(NMP)等の溶剤と分散混練したものをアルミニウム箔等の基体上に塗布したものを用いることができる。 The positive electrode can be used in the lithium secondary battery of the present invention, LixMO 2 (where M represents. At least one transition metal) complex oxide is, for example, LixCoO 2, LixNiO 2, LixMn 2 O 4 , LixMnO 3 , LixNiyC 1-y O 2, etc. are dispersed and kneaded with a conductive material such as carbon black and a binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF) with a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). What apply | coated the thing on base | substrates, such as aluminum foil, can be used.

このような化合物を用いることにより、高い起電力を安定的に実現することができる。ここで、Mは少なくともNiを少なくとも含む構成とすれば、サイクル特性等がより向上する。xはMnの価数が+3.9価以上になるような範囲とすることが好ましい。また、上記化合物において、0<yとすれば、Mnがより軽量な元素に置換され、重量当たりの放電量が増大して高容量化が図られる。   By using such a compound, a high electromotive force can be stably realized. Here, if M includes at least Ni, cycle characteristics and the like are further improved. x is preferably in a range where the valence of Mn is +3.9 or more. Further, in the above compound, if 0 <y, Mn is replaced with a lighter element, the discharge amount per weight is increased, and the capacity is increased.

また、本発明のリチウム二次電池の負極は乾燥空気または不活性気体雰囲気において、前記正極とポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン、フッ素樹脂等の多孔性フィルムからなるセパレータを介して積層、あるいは積層したものを巻回した後に、電池缶に収容したり、合成樹脂と金属箔との積層体からなる可とう性フィルム等によって封口することによって電池を製造することができる。   Further, the negative electrode of the lithium secondary battery of the present invention is laminated or laminated in the dry air or inert gas atmosphere through the positive electrode and a separator made of a polyolefin such as polypropylene or polyethylene, or a porous film such as a fluororesin. After being wound, the battery can be produced by being housed in a battery can or sealed with a flexible film made of a laminate of a synthetic resin and a metal foil.

また、電解液としては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)等の環状カーボネート類、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジプロピルカーボネート(DPC)等の鎖状カーボネート類、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸エチル等の脂肪族カルボン酸エステル類、γ−ブチロラクトン等のγ−ラクトン類、1,2−エトキシエタン(DEE)、エトキシメトキシエタン(EME)等の鎖状エーテル類、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等の環状エーテル類、ジメチルスルホキシド、1,3−ジオキソラン、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、プロピルニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エチルエーテル、1,3−プロパンサルトン、アニソール、N−メチルピロリドン、などの非プロトン性有機溶媒を一種又は二種以上を混合して使用し、これらの有機溶媒に溶解するリチウム塩を溶解させる。リチウム塩としては、例えばLiPF6、LiAsF6、LiAlCl4、LiClO4、LiBF4、LiSbF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、Li(CF3SO2)2、LiN(CF3SO2)2、LiB10Cl10、低級脂肪族カルボン酸カルボン酸リチウム、クロロボランリチウム、四フェニルホウ酸リチウム、LiBr、LiI、LiSCN、LiCl、イミド類などがあげられる。また、電解液に代えてポリマー電解質を用いてもよい。   Moreover, as electrolyte solution, cyclic carbonates, such as propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), butylene carbonate (BC), and vinylene carbonate (VC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl Linear carbonates such as carbonate (EMC) and dipropyl carbonate (DPC), aliphatic carboxylic acid esters such as methyl formate, methyl acetate and ethyl propionate, γ-lactones such as γ-butyrolactone, 1,2- Chain ethers such as ethoxyethane (DEE) and ethoxymethoxyethane (EME), cyclic ethers such as tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, acetamide, dimethyl Formamide, dioxolane, acetonitrile, propylnitrile, nitromethane, ethyl monoglyme, phosphoric acid triester, trimethoxymethane, dioxolane derivative, sulfolane, methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, 3-methyl-2- An aprotic organic solvent such as oxazolidinone, propylene carbonate derivative, tetrahydrofuran derivative, ethyl ether, 1,3-propane sultone, anisole, N-methylpyrrolidone, etc. is used alone or in combination of two or more thereof. The lithium salt that dissolves in the solvent is dissolved. Examples of the lithium salt include LiPF6, LiAsF6, LiAlCl4, LiClO4, LiBF4, LiSbF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, Li (CF3SO2) 2, LiN (CF3SO2) 2, LiB10Cl10, lithium lower aliphatic carboxylate, lithium chloroborane, four Examples thereof include lithium phenylborate, LiBr, LiI, LiSCN, LiCl, and imides. Further, a polymer electrolyte may be used instead of the electrolytic solution.

次に、図1あるいは図2に示す二次電池の負極を電池に組み込んだ際の動作について、図3を用いて詳細に説明する。図3は、本発明の第一の実施の形態の負極を使った電池の模式図である。この実施の形態において、第二活物質層3aは「リチウムと合金を形成する金属またはリチウムと、リチウムと合金を形成しない金属とを含む、合金または複合酸化物からなる層」に相当し、第一活物質層2aは「リチウム吸蔵材料からなる層」に相当する。充電の際、負極は、負極と正極を分離するセパレータ4aを挟んで対向した正極活物質層5aから、電解液を介してリチウムイオン6aを受け取る。例えば第一活物質層2aに炭素系材料を用いた場合、第二活物質層3aは第一活物質層2aよりも放電電位が高いため、リチウムイオン6aはまず第二活物質層3aに吸蔵される。第二活物質層3aへのリチウム吸蔵が終了すると、次にリチウムイオン6aは第二活物質層3aを通過し、第一活物質層2aに吸蔵される。第一活物質層2aにリチウムが充填されると充電完了となる。また、放電の際は、放電電位の低い第一活物質層2aに吸蔵されたリチウムイオン6aから先に放出される。次に第二活物質層3aに吸蔵されたリチウムイオン6aが放出される。放出されたリチウムイオン6aは電解液を介して正極活物質層5aへ移動する。   Next, the operation when the negative electrode of the secondary battery shown in FIG. 1 or FIG. 2 is incorporated in the battery will be described in detail with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic view of a battery using the negative electrode according to the first embodiment of the present invention. In this embodiment, the second active material layer 3a corresponds to “a layer made of an alloy or composite oxide containing a metal that forms an alloy with lithium or lithium and a metal that does not form an alloy with lithium”, and The one active material layer 2a corresponds to “a layer made of a lithium storage material”. During charging, the negative electrode receives lithium ions 6a from the positive electrode active material layer 5a facing each other with the separator 4a separating the negative electrode and the positive electrode interposed therebetween. For example, when a carbon-based material is used for the first active material layer 2a, since the second active material layer 3a has a higher discharge potential than the first active material layer 2a, the lithium ions 6a are first occluded in the second active material layer 3a. Is done. When lithium occlusion in the second active material layer 3a is completed, the lithium ions 6a then pass through the second active material layer 3a and are occluded in the first active material layer 2a. When the first active material layer 2a is filled with lithium, charging is completed. Further, at the time of discharge, lithium ions 6a stored in the first active material layer 2a having a low discharge potential are first released. Next, lithium ions 6a occluded in the second active material layer 3a are released. The released lithium ions 6a move to the positive electrode active material layer 5a through the electrolytic solution.

この際、第二活物質層3aは膜状であるため、その構成金属同士の結合は強固であり、その構成金属の分布は均一である。したがって、充放電の際に生じる体積変化に伴う第二活物質層3aの構造破壊が抑制される。さらに、第二活物質層3aはリチウムと合金を形成しない金属を含むため、充放電に伴う体積変化を抑制することが出来る。また、リチウムと合金を形成しない金属が第二活物質層3aの構造を保持する楔としての役割を果たす。上記の作用の相乗効果により、充放電を経ても微粉化等の構造破壊を効果的に防止することが可能となる。その結果、初回充電時における内部抵抗の上昇が抑制され、良好な初回放電容量が得られる。さらにサイクルを経た場合にも、上記合金層の破壊抑制作用は維持されるため、電池内部の抵抗上昇、容量減少の発生を抑制することができる。   At this time, since the second active material layer 3a is in the form of a film, the bonding between the constituent metals is strong, and the distribution of the constituent metals is uniform. Therefore, the structural destruction of the second active material layer 3a due to the volume change that occurs during charging and discharging is suppressed. Furthermore, since the second active material layer 3a contains a metal that does not form an alloy with lithium, volume change associated with charge / discharge can be suppressed. Further, a metal that does not form an alloy with lithium serves as a wedge that maintains the structure of the second active material layer 3a. The synergistic effect of the above action makes it possible to effectively prevent structural destruction such as pulverization even after charging and discharging. As a result, an increase in internal resistance during the initial charge is suppressed, and a good initial discharge capacity is obtained. Further, even when a cycle is passed, since the action of suppressing the destruction of the alloy layer is maintained, it is possible to suppress an increase in resistance and a decrease in capacity inside the battery.

さらに、第二活物質層3aと充電・放電電位が異なる第一活物質層2aと、第二活物質層3aとからなる多層構造を採用することにより、充放電が段階的に行われ、充放電による負極活物質層の膨張収縮を緩和できる。また、この作用と、上記した第二活物質層3aの構成を採ることによる作用との相乗効果により、負極活物質層全体の膨張収縮をより一層抑制することが可能となる。   Furthermore, by adopting a multilayer structure composed of the first active material layer 2a and the second active material layer 3a having different charging / discharging potentials from the second active material layer 3a, charging / discharging is performed in stages. Expansion and contraction of the negative electrode active material layer due to discharge can be reduced. Moreover, it becomes possible to further suppress the expansion and contraction of the entire negative electrode active material layer by a synergistic effect of this action and the action by adopting the configuration of the second active material layer 3a.

(実施例1)
以下に、本発明の第一の実施の形態の実施例1について説明する。
図1に示す二次電池の負極は次のような手順で作製した。まず集電体1aには10μm厚の銅箔を用い、この集電体1a上に第一活物質層2aとして100μm厚の人造黒鉛を堆積させた。その後、第二活物質層3aとしてSi−Cu合金を2μmスパッタリング法で形成して負極を得た。正極活物質にはコバルト酸リチウム合剤を、集電体にはアルミニウム箔を用いた。電解液は1モル/Lの濃度になるようにLiPFを溶解させたエチレンカーボネイト(EC)とジエチルカーボネイト(DEC)の混合溶媒(混合容積比:EC/DEC=30/70)を用いた。上記負極、上記正極、上記電解液を用いて角形二次電池を組み立てた。充放電試験機にて上記角形二次電池の電気特性評価を行った。充放電の電流密度は10mA/cmとした。また、サイクル特性評価については、500サイクル後に維持している容量を初回放電容量で除したものを百分率で示した数値で評価を行った。
Example 1
Example 1 of the first embodiment of the present invention will be described below.
The negative electrode of the secondary battery shown in FIG. 1 was produced by the following procedure. First, a copper foil having a thickness of 10 μm was used as the current collector 1a, and artificial graphite having a thickness of 100 μm was deposited on the current collector 1a as the first active material layer 2a. Thereafter, a Si—Cu alloy was formed as the second active material layer 3a by a 2 μm sputtering method to obtain a negative electrode. A lithium cobaltate mixture was used for the positive electrode active material, and an aluminum foil was used for the current collector. As the electrolytic solution, a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) in which LiPF 6 was dissolved so as to have a concentration of 1 mol / L (mixing volume ratio: EC / DEC = 30/70) was used. A square secondary battery was assembled using the negative electrode, the positive electrode, and the electrolytic solution. The electrical characteristics of the prismatic secondary battery were evaluated with a charge / discharge tester. The current density of charge / discharge was 10 mA / cm 2 . Regarding the cycle characteristic evaluation, the capacity maintained after 500 cycles was divided by the initial discharge capacity, and the evaluation was performed using a numerical value expressed as a percentage.

(実施例2)
実施例2においては、実施例1と同様に負極を作製したが、第一活物質層2aには70μm厚の天然黒鉛を用い、第二活物質層3aはSi−Feアモルファス合金を1μm蒸着法で形成した。その他の正極、セパレータ、電解液、評価法、測定条件等は、実施例1と同様である。
(Example 2)
In Example 2, a negative electrode was produced in the same manner as in Example 1, but natural graphite having a thickness of 70 μm was used for the first active material layer 2a, and a Si—Fe amorphous alloy was deposited by 1 μm for the second active material layer 3a. Formed with. Other positive electrodes, separators, electrolytic solutions, evaluation methods, measurement conditions, and the like are the same as in Example 1.

(実施例3)
実施例3においては、実施例1と同様に負極を作製したが、第一活物質層2aには90μm厚のハードカーボンを用い、第二活物質層3aはアモルファスWSiを1μmCVDで形成した。その他の正極、セパレータ、電解液、評価法、測定条件等は、実施例1と同様である。
(Example 3)
In Example 3, a negative electrode was produced in the same manner as in Example 1. However, hard carbon having a thickness of 90 μm was used for the first active material layer 2a, and amorphous WSi 2 was formed by 1 μm CVD for the second active material layer 3a. Other positive electrodes, separators, electrolytic solutions, evaluation methods, measurement conditions, and the like are the same as in Example 1.

(実施例4)
実施例4においては、実施例1と同様に負極を作製したが、第一活物質層2aには5μm厚のSnを用い、第二活物質層3aはSi−Cu合金を2μmCVD法で形成した。その他の正極、セパレータ、電解液、評価法、測定条件等は、実施例1と同様である。
Example 4
In Example 4, a negative electrode was produced in the same manner as in Example 1. However, Sn having a thickness of 5 μm was used for the first active material layer 2a, and a Si—Cu alloy was formed by a 2 μm CVD method for the second active material layer 3a. . Other positive electrodes, separators, electrolytic solutions, evaluation methods, measurement conditions, and the like are the same as in Example 1.

(比較例1)
比較例1の負極は次の手順で作製した。図4に示すような10μm銅箔の集電体1a上に、リチウムと合金を形成する金属としてのSiとリチウムと合金を形成しない金属としてのCuとを担持した炭素粒子を結着させることにより活物質層7aを形成し、負極を得た。その他の正極、セパレータ、電解液、評価法、測定条件等は、実施例1と同様である。
(Comparative Example 1)
The negative electrode of Comparative Example 1 was produced by the following procedure. By binding carbon particles carrying Si as a metal that forms an alloy with lithium and Cu as a metal that does not form an alloy with lithium onto a current collector 1a of a 10 μm copper foil as shown in FIG. An active material layer 7a was formed to obtain a negative electrode. Other positive electrodes, separators, electrolytic solutions, evaluation methods, measurement conditions, and the like are the same as in Example 1.

実施例1〜4および比較例1の電池についての初回放電容量、初回充放電効率、サイクル特性評価の結果を表1に示す。この結果から、比較例1と比較して、実施例1〜4においては初回放電容量が1.2倍以上になることが判明した。この理由は以下のように考えられる。すなわち、比較例1の場合、充放電により膨張収縮が発生することにより、負極集電体上の粒子間の結着性が弱まる。これにより内部抵抗が上昇し、十分な容量の充電が妨げられ、さらに完全な放電も行われなくなる。一方、実施例1〜4の場合は、結着剤を使用しない均一な膜構造を有しているため、内部抵抗の上昇は発生しにくく、比較例1の場合のような不都合が生じないため、比較例1よりも高い初回放電容量が得られるものと考えられる。   Table 1 shows the results of initial discharge capacity, initial charge / discharge efficiency, and cycle characteristic evaluation for the batteries of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1. From these results, it was found that the initial discharge capacity was 1.2 times or more in Examples 1 to 4 as compared with Comparative Example 1. The reason is considered as follows. That is, in the case of the comparative example 1, the binding between particles on the negative electrode current collector is weakened due to expansion and contraction caused by charging and discharging. As a result, the internal resistance increases, charging of a sufficient capacity is hindered, and further complete discharge is not performed. On the other hand, in the case of Examples 1 to 4, since it has a uniform film structure that does not use a binder, an increase in internal resistance is unlikely to occur, and there is no inconvenience as in Comparative Example 1. It is considered that a higher initial discharge capacity than Comparative Example 1 can be obtained.

また、表1に示すとおり、比較例1では150サイクル後にラピッドフェードし容量劣化しているのに対し、実施例1〜4では500サイクル後でも初回放電容量の85%以上を維持していることが判明した。   Further, as shown in Table 1, in Comparative Example 1, the capacity faded after 150 cycles, whereas in Examples 1 to 4, 85% or more of the initial discharge capacity was maintained even after 500 cycles. There was found.

比較例1における容量劣化の原因は、充放電に伴う金属の体積変化によって負極集電体上の粒子間の結着剤による結合が弱まり、さらには切断されることにより、負極活物質層の構造破壊が生じていると考えられる。さらに、金属粒子の分布が不均一であることから、充放電の際に生じる金属の体積変化による応力が局所的に生じることも負極活物質層の構造破壊の一因と考えられる。   The cause of capacity deterioration in Comparative Example 1 is that the structure of the negative electrode active material layer is caused by the bond between the particles on the negative electrode current collector being weakened by the volume change of the metal accompanying charging and discharging, and further by being broken. It is thought that destruction has occurred. Furthermore, since the distribution of the metal particles is non-uniform, it is considered that a local stress caused by a change in the volume of the metal generated during charge / discharge is also a cause of the structural destruction of the negative electrode active material layer.

一方、実施例1〜4においてサイクル特性が良好である要因は、第二活物質層3aを膜状の合金層としているため、第二活物質層3aを構成する金属同士の結合は強固であり、当該金属の分布は均一であることから比較例1における容量劣化の原因が排除されていることと考えられる。加えて、第二活物質層3aを構成する金属として、リチウムと合金を形成する金属またはリチウムと、リチウムと合金を形成しない金属とを採用していること、および第一活物質層2aと第二活物質層3aを積層して多層構造としていることにより、負極活物質層の体積変化を効果的に抑制していることも良好なサイクル特性に寄与している。   On the other hand, the reason why the cycle characteristics are good in Examples 1 to 4 is that the second active material layer 3a is a film-like alloy layer, and therefore the bonds between the metals constituting the second active material layer 3a are strong. Since the metal distribution is uniform, it is considered that the cause of capacity deterioration in Comparative Example 1 is eliminated. In addition, as the metal constituting the second active material layer 3a, a metal that forms an alloy with lithium or lithium, and a metal that does not form an alloy with lithium, and the first active material layer 2a and the second Since the two active material layers 3a are laminated to form a multilayer structure, the volume change of the negative electrode active material layer is effectively suppressed, which contributes to good cycle characteristics.

(第二の実施の形態)
次に、本発明の第二の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図5は本発明の第二の実施の形態を示す二次電池の負極断面図である。
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a negative electrode of a secondary battery showing a second embodiment of the present invention.

集電体1bは充放電の際に電流を電池の外部に取り出したり、外部から電池内に電流を取り込む電極である。この集電体1bは導電性の金属箔であれば種々のものが使用でき、アルミニウム、銅、ステンレス、金、タングステン、モリブデン、チタンが例示される。   The current collector 1b is an electrode that takes out a current from the outside of the battery during charging / discharging or takes in a current from the outside into the battery. As the current collector 1b, various conductive metal foils can be used, and examples thereof include aluminum, copper, stainless steel, gold, tungsten, molybdenum, and titanium.

この実施の形態において、負極活物質層8bは「リチウムと合金を形成する金属またはリチウムと、リチウムと合金を形成しない金属とを含む、合金または複合酸化物からなる層」に相当し、第一の実施の形態における第二活物質層3aと同様の構成をとり、同様の方法により作製することができる。ただし、負極活物質層8bは0.5μm〜30μmであることが望ましい。   In this embodiment, the negative electrode active material layer 8b corresponds to “a layer made of an alloy or composite oxide containing a metal that forms an alloy with lithium or lithium and a metal that does not form an alloy with lithium”. The same configuration as that of the second active material layer 3a in this embodiment can be adopted, and it can be manufactured by the same method. However, the negative electrode active material layer 8b is desirably 0.5 μm to 30 μm.

また、第一の実施の形態と同様の正極、セパレータ、電解液を用い、電池を製造することができる。   In addition, a battery can be manufactured using the same positive electrode, separator, and electrolytic solution as in the first embodiment.

次に、図5に示す二次電池の負極を電池に組み込んだ際の動作について、図6を用いて詳細に説明する。図6は、本発明の第二の実施の形態の負極を用いて作製した電池の模式図である。充電の際、負極は、負極と正極を分離するセパレータ4bを挟んで対向した正極活物質層5bから、電解液を介してリチウムイオン6bを受け取る。リチウムイオン6bは、負極活物質層8bに吸蔵される。負極活物質層8bにリチウムが充填されると充電完了となる。また、放電の際は、負極活物質層8bから充電時に吸蔵されたリチウムイオン6bが放出される。放出されたリチウムイオン6bは、電解液を介して正極活物質層5bへ移動する。   Next, the operation when the negative electrode of the secondary battery shown in FIG. 5 is incorporated in the battery will be described in detail with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic view of a battery produced using the negative electrode of the second embodiment of the present invention. During charging, the negative electrode receives lithium ions 6b from the positive electrode active material layer 5b facing each other with the separator 4b separating the negative electrode and the positive electrode interposed therebetween. The lithium ions 6b are occluded in the negative electrode active material layer 8b. When the negative electrode active material layer 8b is filled with lithium, charging is completed. In discharging, lithium ions 6b occluded during charging are released from the negative electrode active material layer 8b. The released lithium ions 6b move to the positive electrode active material layer 5b through the electrolytic solution.

この際、負極活物質層8bは膜状の層であるため、その構成金属同士の結合は強固であり、その構成金属の分布は均一である。したがって、充放電の際に生じる体積変化に伴う負極活物質層8bの構造破壊が抑制される。さらに、負極活物質層8bはリチウムと合金を形成しない金属を含むため、充放電に伴う体積変化を抑制することが出来る。また、リチウムと合金を形成しない金属が負極活物質層8bの構造を保持する楔としての役割を果たす。上記の作用の相乗効果により、充放電を経ても微粉化等の構造破壊を効果的に防止することが可能となる。その結果、初回充電時における内部抵抗の上昇が抑制され、良好な初回放電容量が得られる。さらにサイクルを経た場合にも、上記合金層の破壊抑制作用は維持されるため、電池内部の抵抗上昇、容量減少の発生を抑制することができる。   At this time, since the anode active material layer 8b is a film-like layer, the bonding between the constituent metals is strong, and the distribution of the constituent metals is uniform. Therefore, structural destruction of the negative electrode active material layer 8b due to the volume change that occurs during charge and discharge is suppressed. Furthermore, since the negative electrode active material layer 8b contains a metal that does not form an alloy with lithium, volume change associated with charge / discharge can be suppressed. In addition, a metal that does not form an alloy with lithium serves as a wedge that maintains the structure of the negative electrode active material layer 8b. The synergistic effect of the above action makes it possible to effectively prevent structural destruction such as pulverization even after charging and discharging. As a result, an increase in internal resistance during the initial charge is suppressed, and a good initial discharge capacity is obtained. Further, even when a cycle is passed, since the action of suppressing the destruction of the alloy layer is maintained, it is possible to suppress an increase in resistance and a decrease in capacity inside the battery.

(実施例5)
以下に、本発明の第二の実施の形態の実施例5について説明する。
図5に示す二次電池の負極は次のような手順で作製した。まず集電体1bには10μm厚の銅箔を用い、この集電体1b上に、負極活物質層8bとしてSn−Cu合金を10μm蒸着法で形成し、負極を得た。その他の正極、セパレータ、電解液、評価法、測定条件等は、実施例1と同様である。
(Example 5)
Example 5 of the second embodiment of the present invention will be described below.
The negative electrode of the secondary battery shown in FIG. 5 was produced by the following procedure. First, a copper foil having a thickness of 10 μm was used as the current collector 1b, and an Sn—Cu alloy was formed as a negative electrode active material layer 8b on the current collector 1b by a 10 μm vapor deposition method to obtain a negative electrode. Other positive electrodes, separators, electrolytic solutions, evaluation methods, measurement conditions, and the like are the same as in Example 1.

(実施例6)
実施例6においては、実施例5と同様に負極を作製したが、負極活物質層8bはLi−Co−N系アモルファス化合物を10μmスパッタリング法で形成した。その他の正極、セパレータ、電解液、評価法、測定条件等は、実施例1と同様である。
(Example 6)
In Example 6, a negative electrode was produced in the same manner as in Example 5. However, the negative electrode active material layer 8b was formed of a Li—Co—N amorphous compound by a 10 μm sputtering method. Other positive electrodes, separators, electrolytic solutions, evaluation methods, measurement conditions, and the like are the same as in Example 1.

(実施例7)
実施例7においては、実施例5と同様に負極を作製したが、負極活物質層8bはLi−Ti−O系アモルファス化合物を10μmスパッタリング法で形成した。その他の正極、セパレータ、電解液、評価法、測定条件等は、実施例1と同様である。
(Example 7)
In Example 7, a negative electrode was produced in the same manner as in Example 5. However, the negative electrode active material layer 8b was formed of a Li—Ti—O based amorphous compound by a 10 μm sputtering method. Other positive electrodes, separators, electrolytic solutions, evaluation methods, measurement conditions, and the like are the same as in Example 1.

実施例5〜7および比較例1の電池についてのサイクル特性評価を行った結果を図7に示す。この結果から比較例1では150サイクル後にラピッドフェードし、容量劣化をしているが、実施例5〜7の実施例では300サイクル後でも初回放電容量の85%以上を維持していることが判明した。本実施形態においても、結着剤を使用しない均一な膜構造を採用することにより、内部抵抗の上昇が抑えられ、負極活物質層の構造の破壊が抑制されていることが示唆された。   FIG. 7 shows the results of the cycle characteristics evaluation for the batteries of Examples 5 to 7 and Comparative Example 1. From this result, it was found that in Comparative Example 1, rapid fading occurred after 150 cycles and the capacity deteriorated, but in Examples 5-7, 85% or more of the initial discharge capacity was maintained even after 300 cycles. did. Also in the present embodiment, it was suggested that by adopting a uniform film structure that does not use a binder, an increase in internal resistance is suppressed, and destruction of the structure of the negative electrode active material layer is suppressed.

また、実施例5〜7および比較例1の電池についての初回放電容量を表2に示す。この結果より、比較例1と比較して、実施例5〜7においては初回放電容量が1.5倍以上になることが判明した。放電容量の観点からは、比容量の小さい炭素系の負極活物質層を設けず、比容量の大きい金属負極活物質層のみを採用したことにより初回放電容量の大きい電池が得られるという利点を有する。   Table 2 shows the initial discharge capacities of the batteries of Examples 5 to 7 and Comparative Example 1. From this result, it was found that the initial discharge capacity was 1.5 times or more in Examples 5 to 7 as compared with Comparative Example 1. From the viewpoint of discharge capacity, there is an advantage that a battery having a large initial discharge capacity can be obtained by adopting only a metal negative electrode active material layer having a large specific capacity without providing a carbon-based negative electrode active material layer having a small specific capacity. .

(第三の実施の形態)
次に、本発明の第三の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図8は本発明の第三の実施の形態を示す二次電池の負極の断面図である。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 8 is a cross-sectional view of the negative electrode of the secondary battery showing the third embodiment of the present invention.

集電体1cは充放電の際に電流を電池の外部に取り出したり、外部から電池内に電流を取り込む電極である。この集電体1cは導電性の金属箔であれば種々のものが使用でき、アルミニウム、銅、ステンレス、金、タングステン、モリブデン、チタンが例示される。   The current collector 1c is an electrode that takes out a current to the outside of the battery during charging / discharging or takes a current into the battery from the outside. As the current collector 1c, various conductive metal foils can be used, and examples thereof include aluminum, copper, stainless steel, gold, tungsten, molybdenum, and titanium.

この実施の形態において、第一リチウム吸蔵層9cは「リチウムと合金を形成する金属またはリチウムと、リチウムと合金を形成しない金属とを含む、合金または複合酸化物からなる層」に相当し、第一の実施の形態における第二活物質層3aと同様の構成をとり、同様の方法により作製することができる。ただし、第一リチウム吸蔵層9cは0.1μm〜10μmであることが望ましい。また、第二リチウム吸蔵層10cは「リチウム吸蔵材料からなる層」に相当し、第一の実施の形態における第一活物質層2aと同様の構成をとる。   In this embodiment, the first lithium storage layer 9c corresponds to “a layer made of an alloy or composite oxide containing a metal that forms an alloy with lithium or lithium and a metal that does not form an alloy with lithium,” and The structure is the same as that of the second active material layer 3a in the one embodiment, and it can be manufactured by the same method. However, the first lithium occlusion layer 9c is desirably 0.1 μm to 10 μm. The second lithium occlusion layer 10c corresponds to a “layer made of a lithium occlusion material” and has the same configuration as the first active material layer 2a in the first embodiment.

図8に示す二次電池の負極は次のような手順で作製される。まず集電体1c上にリチウムと合金を形成する金属またはリチウムと、リチウムと合金を形成しない金属とからなる第一リチウム吸蔵層9cをスパッタリング法、CVD法、あるいは蒸着法等により堆積させる。さらにこの第一リチウム吸蔵層9cの上に、第二リチウム吸蔵層10cを堆積させることにより、所望の負極を得る。   The negative electrode of the secondary battery shown in FIG. 8 is produced by the following procedure. First, a first lithium occlusion layer 9c made of a metal that forms an alloy with lithium or lithium and a metal that does not form an alloy with lithium is deposited on the current collector 1c by a sputtering method, a CVD method, an evaporation method, or the like. Further, a desired negative electrode is obtained by depositing the second lithium storage layer 10c on the first lithium storage layer 9c.

なお、本実施形態においても、第一の実施の形態と同様の正極、セパレータ、電解液を用い、電池を製造することができる。   In this embodiment also, a battery can be manufactured using the same positive electrode, separator, and electrolytic solution as in the first embodiment.

次に、図8に示す二次電池の負極を電池に組み込んだ際の動作について、図9を用いて詳細に説明する。図9は本発明の第三の実施の形態の負極を用いて作製した電池の模式図である。充電の際、負極は、負極と正極を分離するセパレータ4cを挟んで対向した正極活物質5cから、電解液を介してリチウムイオン6cを受け取る。例えば第二リチウム吸蔵層10cに炭素系材料を用いた場合、第一リチウム吸蔵層9cは第二リチウム吸蔵層10cよりも放電電位が高いため、リチウムイオン6cは第二リチウム吸蔵層10cを通過し、まず第一リチウム吸蔵層9cに吸蔵される。第一リチウム吸蔵層9cへのリチウム吸蔵が終了すると、次に第二リチウム吸蔵層10cにリチウムイオン6cが吸蔵され、それが終了すると充電完了となる。また、放電の際は、放電電位の低い第二リチウム吸蔵層10cに吸蔵されたリチウムイオン6cから先に放出される。次に第一リチウム吸蔵層9cに吸蔵されたリチウムイオン6cが放出される。第一リチウム吸蔵層9cから放出されたリチウムイオン6cは、第二リチウム吸蔵層10cを通過し、電解液を介してセパレータ4cを通って正極活物質層5cへ移動する。   Next, the operation when the negative electrode of the secondary battery shown in FIG. 8 is incorporated in the battery will be described in detail with reference to FIG. FIG. 9 is a schematic view of a battery produced using the negative electrode of the third embodiment of the present invention. During charging, the negative electrode receives lithium ions 6c from the positive electrode active material 5c facing each other with the separator 4c separating the negative electrode and the positive electrode through the electrolytic solution. For example, when a carbon-based material is used for the second lithium storage layer 10c, the first lithium storage layer 9c has a discharge potential higher than that of the second lithium storage layer 10c, so that the lithium ions 6c pass through the second lithium storage layer 10c. First, it is occluded in the first lithium occlusion layer 9c. When the lithium occlusion in the first lithium occlusion layer 9c is completed, the lithium ion 6c is occluded in the second lithium occlusion layer 10c, and when it is completed, the charging is completed. Further, during discharge, the lithium ions 6c stored in the second lithium storage layer 10c having a low discharge potential are first released. Next, lithium ions 6c occluded in the first lithium occlusion layer 9c are released. The lithium ions 6c released from the first lithium storage layer 9c pass through the second lithium storage layer 10c, and move to the positive electrode active material layer 5c through the separator 4c via the electrolytic solution.

この第一リチウム吸蔵層9cは膜状の層であるため、その構成金属同士の結合は強固であり、その構成金属の分布は均一である。したがって、充放電の際に生じる体積変化に伴う第一リチウム吸蔵層9cの構造破壊が抑制される。さらに、第一リチウム吸蔵層9cはリチウムと合金を形成しない金属を含むため、充放電に伴う体積変化を抑制することが出来る。また、リチウムと合金を形成しない金属が第一リチウム吸蔵層9cの構造を保持する楔としての役割を果たす。上記の作用の相乗効果により、充放電を経ても微粉化等の構造破壊を効果的に防止することが可能となる。   Since this first lithium occlusion layer 9c is a film-like layer, the bonding between the constituent metals is strong, and the distribution of the constituent metals is uniform. Therefore, the structural destruction of the first lithium storage layer 9c due to the volume change that occurs during charging and discharging is suppressed. Furthermore, since the 1st lithium occlusion layer 9c contains the metal which does not form an alloy with lithium, the volume change accompanying charging / discharging can be suppressed. In addition, a metal that does not form an alloy with lithium serves as a wedge that maintains the structure of the first lithium storage layer 9c. The synergistic effect of the above action makes it possible to effectively prevent structural destruction such as pulverization even after charging and discharging.

さらに、第一リチウム吸蔵層9cと充電・放電電位が異なる第二リチウム吸蔵層10cと、第一リチウム吸蔵層9cとからなる多層構造を採用することにより、充放電が段階的に行われ、充放電による負極活物質層の膨張収縮を緩和できる。また、この作用と、上記した第一リチウム吸蔵層9cの構成を採ることによる作用との相乗効果により、負極活物質層全体の膨張収縮をより一層抑制することが可能となる。その結果、初回充電時における内部抵抗の上昇が抑制され、良好な初回放電容量が得られる。さらにサイクルを経た場合にも、上記合金層の破壊抑制作用は維持されるため、電池内部の抵抗上昇、容量減少の発生を抑制することができる。   Furthermore, by adopting a multilayer structure composed of the second lithium occlusion layer 10c and the first lithium occlusion layer 9c having different charge / discharge potentials from the first lithium occlusion layer 9c, charging and discharging are performed in stages. Expansion and contraction of the negative electrode active material layer due to discharge can be reduced. Moreover, it becomes possible to further suppress the expansion and contraction of the entire negative electrode active material layer by a synergistic effect of this action and the action by adopting the configuration of the first lithium storage layer 9c. As a result, an increase in internal resistance during the initial charge is suppressed, and a good initial discharge capacity is obtained. Further, even when a cycle is passed, since the action of suppressing the destruction of the alloy layer is maintained, it is possible to suppress an increase in resistance and a decrease in capacity inside the battery.

(実施例8)
以下に、本発明の第三の実施の形態の実施例8について説明する。
図8に示す二次電池の負極は次のような手順で作製した。まず集電体1cには8μm厚の銅箔を用い、この集電体1c上に、第一リチウム吸蔵層9cとしてSn−Ni合金を30μmメッキ法で形成した。その後、第二リチウム吸蔵層10cとして天然黒鉛を50μm堆積させ、負極を得た。その他の正極、セパレータ、電解液、評価法、測定条件等は、実施例1と同様である。
(Example 8)
Example 8 of the third embodiment of the present invention will be described below.
The negative electrode of the secondary battery shown in FIG. 8 was produced by the following procedure. First, a copper foil having a thickness of 8 μm was used as the current collector 1c, and an Sn—Ni alloy was formed as a first lithium storage layer 9c on the current collector 1c by a 30 μm plating method. Thereafter, 50 μm of natural graphite was deposited as the second lithium storage layer 10c to obtain a negative electrode. Other positive electrodes, separators, electrolytic solutions, evaluation methods, measurement conditions, and the like are the same as in Example 1.

(実施例9)
実施例9においては、集電体1cとして18μm厚の銅箔を用い、第一リチウム吸蔵層9cとしてSn−Co合金を15μm蒸着法で形成した。その後、この上に第二リチウム吸蔵層10cとしてソフトカーボンを50μm堆積させ、負極を得た。その他の正極、セパレータ、電解液、評価法、測定条件等は、実施例1と同様である。
Example 9
In Example 9, a 18 μm thick copper foil was used as the current collector 1c, and a Sn—Co alloy was formed as the first lithium storage layer 9c by a 15 μm vapor deposition method. Thereafter, 50 μm of soft carbon was deposited thereon as the second lithium storage layer 10c to obtain a negative electrode. Other positive electrodes, separators, electrolytic solutions, evaluation methods, measurement conditions, and the like are the same as in Example 1.

(実施例10)
実施例10においては、集電体1cとして15μm厚の銅箔を用い、第一リチウム吸蔵層9cとしてSn−Niアモルファス合金を30μm蒸着法で形成した。その後、この上に第二リチウム吸蔵層10cとして天然黒鉛を50μm堆積させ、負極を得た。その他の正極、セパレータ、電解液、評価法、測定条件等は、実施例1と同様である。
(Example 10)
In Example 10, a 15 μm thick copper foil was used as the current collector 1c, and an Sn—Ni amorphous alloy was formed as the first lithium storage layer 9c by a 30 μm vapor deposition method. Thereafter, 50 μm of natural graphite was deposited thereon as the second lithium storage layer 10c to obtain a negative electrode. Other positive electrodes, separators, electrolytic solutions, evaluation methods, measurement conditions, and the like are the same as in Example 1.

実施例8〜10の電池についての初回放電容量、サイクル特性評価の結果を表3に示す。この結果から比較例1では150サイクル後にラピッドフェードし容量劣化をしているのに対し、実施例8〜10の実施例では500サイクル後でも初回放電容量の82%以上を維持していることが判明した。本実施形態は、リチウムと合金を形成する金属またはリチウムと、リチウムと合金を形成しない金属とからなる層が、直接集電体に接している点において、第一の実施の形態と異なる。しかし、表1と表3の比較から分かるように、本実施形態においても第一の実施の形態を採用したときと同様に、内部抵抗上昇を抑制し、充放電による負極活物質層の膨張収縮を効果的に緩和できる効果が現れていると考えられる。   Table 3 shows the results of initial discharge capacity and cycle characteristics evaluation for the batteries of Examples 8 to 10. From this result, in Comparative Example 1, the capacity faded after rapid fading after 150 cycles, whereas in Examples 8-10, 82% or more of the initial discharge capacity was maintained even after 500 cycles. found. The present embodiment is different from the first embodiment in that a layer formed of a metal that forms an alloy with lithium or a metal that does not form an alloy with lithium is in direct contact with the current collector. However, as can be seen from the comparison between Table 1 and Table 3, in this embodiment as well, when the first embodiment is adopted, the increase in internal resistance is suppressed, and the expansion and contraction of the negative electrode active material layer due to charge and discharge is suppressed. It is thought that the effect which can effectively relieve is appearing.

(第四の実施の形態)
次に、本発明の第四の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図10は本発明の第四の実施の形態を示す二次電池の負極の断面図である。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 10 is a cross-sectional view of the negative electrode of the secondary battery showing the fourth embodiment of the present invention.

集電体1dは充放電の際に電流を電池の外部に取り出したり、外部から電池内に電流を取り込む電極である。この集電体1dは導電性の金属箔であれば種々のものを使用でき、アルミニウム、銅、ステンレス、金、タングステン、モリブデン、チタンが例示される。   The current collector 1d is an electrode that takes out current to the outside of the battery during charging and discharging, and takes in current into the battery from the outside. As the current collector 1d, various conductive foils can be used, and examples thereof include aluminum, copper, stainless steel, gold, tungsten, molybdenum, and titanium.

この実施の形態において、第二活物質層3dは「リチウムと合金を形成する金属またはリチウムと、リチウムと合金を形成しない金属とを含む、合金または複合酸化物からなる層」に相当し、第一の実施の形態における第二活物質層3aと同様の構成をとり、同様の方法により作製することができる。また、第一活物質層2dは「リチウム吸蔵材料からなる層」に相当し、第一の実施の形態における第一活物質層2aと同様の構成をとり、同様の方法により作製することができる。   In this embodiment, the second active material layer 3d corresponds to “a layer made of an alloy or composite oxide containing a metal that forms an alloy with lithium or lithium and a metal that does not form an alloy with lithium”, The structure is the same as that of the second active material layer 3a in the one embodiment, and it can be manufactured by the same method. The first active material layer 2d corresponds to a “layer made of a lithium storage material”, has the same configuration as the first active material layer 2a in the first embodiment, and can be manufactured by the same method. .

Li層11dはLi金属からなる層で、電池内で発生する不可逆容量を補填するものである。この補填量は、電池の不可逆容量に対して80〜120%であることが望ましい。これは少なすぎると不可逆容量の補填の意味を成さず、多すぎると負極表面にLi金属が析出する可能性があるからである。   The Li layer 11d is a layer made of Li metal and compensates for the irreversible capacity generated in the battery. The amount of compensation is preferably 80 to 120% with respect to the irreversible capacity of the battery. This is because if the amount is too small, it does not mean that the irreversible capacity is compensated, and if it is too large, Li metal may be deposited on the negative electrode surface.

図10に示す二次電池の負極は次のような手順で作製される。まず集電体1d上に第一活物質層2dを堆積させる。さらにこの第一活物質層2dの上に、リチウムと合金を形成する金属またはリチウムと、リチウムと合金を形成しない金属とからなる第二活物質層3dをスパッタリング法、CVD法、あるいは蒸着法等により形成させる。さらに第二活物質層3dの上にLi層11dを蒸着によって形成させ、所望の負極を得る。   The negative electrode of the secondary battery shown in FIG. 10 is produced by the following procedure. First, the first active material layer 2d is deposited on the current collector 1d. Further, on the first active material layer 2d, a second active material layer 3d made of a metal that forms an alloy with lithium or lithium and a metal that does not form an alloy with lithium is formed by sputtering, CVD, vapor deposition, or the like. To form. Further, a Li layer 11d is formed on the second active material layer 3d by vapor deposition to obtain a desired negative electrode.

なお、本実施形態においても、第一の実施の形態と同様の正極、セパレータ、電解液を用い、電池を製造することができる。   In this embodiment also, a battery can be manufactured using the same positive electrode, separator, and electrolytic solution as in the first embodiment.

次に、図10に示す二次電池の負極を電池に組み込んだ際の動作について、図11を用いて詳細に説明する。図11は、本発明の第四の実施の形態の負極を用いて作製した電池の模式図である。充電の際、負極は、負極と正極を分離するセパレータ4dを挟んで対向した正極活物質層5dから、電解液を介してリチウムイオン6dを受け取る。例えば第一活物質層2dに炭素系材料を用いた場合、第二活物質層3dは第一活物質層2dよりも放電電位が高いため、リチウムイオン6dはまず第二活物質層3dに吸蔵される。第二活物質層3dへのリチウム吸蔵が終了すると、次にリチウムイオン6dは第二活物質層3dを通過し、第一活物質層2dに吸蔵される。第一活物質層2dにリチウムが充填されると充電完了となる。Li層11dは充電の際、負極内部に拡散し、第一活物質層2dあるいは第二活物質層3dに吸蔵される。また、放電の際は、放電電位の低い第一活物質層2dに吸蔵されたリチウムイオン6dから先に放出される。次に第二活物質層3dに吸蔵されたリチウムイオン6dが放出される。放出されたリチウムイオン6dは電解液を介して正極活物質5dへ移動する。Li層11dに相当する量のLiは電池内の不可逆容量サイト(正負極表面、第一活物質層2d、第二活物質層3d、層界面、電池壁面等)に残るため第二活物質層3d上から消滅あるいは一部が残っている形態をとる。   Next, the operation when the negative electrode of the secondary battery shown in FIG. 10 is incorporated in the battery will be described in detail with reference to FIG. FIG. 11 is a schematic view of a battery manufactured using the negative electrode according to the fourth embodiment of the present invention. During charging, the negative electrode receives lithium ions 6d from the positive electrode active material layer 5d facing each other with the separator 4d separating the negative electrode and the positive electrode through the electrolytic solution. For example, when a carbon-based material is used for the first active material layer 2d, since the second active material layer 3d has a higher discharge potential than the first active material layer 2d, the lithium ions 6d are first occluded in the second active material layer 3d. Is done. When the lithium occlusion in the second active material layer 3d is completed, the lithium ions 6d then pass through the second active material layer 3d and are occluded in the first active material layer 2d. When the first active material layer 2d is filled with lithium, charging is completed. During charging, the Li layer 11d diffuses into the negative electrode and is occluded in the first active material layer 2d or the second active material layer 3d. Further, at the time of discharge, lithium ions 6d stored in the first active material layer 2d having a low discharge potential are first released. Next, lithium ions 6d occluded in the second active material layer 3d are released. The released lithium ions 6d move to the positive electrode active material 5d through the electrolytic solution. Since the amount of Li corresponding to the Li layer 11d remains at the irreversible capacity site (positive and negative electrode surface, first active material layer 2d, second active material layer 3d, layer interface, battery wall surface, etc.) in the battery, the second active material layer It takes the form of disappearance from 3d or part of it remaining.

この際、第二活物質層3dは膜状の層であるため、その構成金属同士の結合は強固であり、その構成金属の分布は均一である。したがって、充放電の際に生じる体積変化に伴う第二活物質層3dの構造破壊が抑制される。さらに、第二活物質層3dはリチウムと合金を形成しない金属を含むため、充放電に伴う体積変化を抑制することが出来る。また、リチウムと合金を形成しない金属が第二活物質層3dの構造を保持する楔としての役割を果たす。上記の作用の相乗効果により、充放電を経ても微粉化等の構造破壊を効果的に防止することが可能となる。その結果、初回充電時における内部抵抗の上昇が抑制され、良好な初回放電容量が得られる。さらにサイクルを経た場合にも、上記合金層の破壊抑制作用は維持されるため、電池内部の抵抗上昇、容量減少の発生を抑制することができる。   At this time, since the second active material layer 3d is a film-like layer, the bonding between the constituent metals is strong, and the distribution of the constituent metals is uniform. Therefore, structural destruction of the second active material layer 3d due to the volume change that occurs during charging and discharging is suppressed. Furthermore, since the 2nd active material layer 3d contains the metal which does not form an alloy with lithium, the volume change accompanying charging / discharging can be suppressed. In addition, a metal that does not form an alloy with lithium serves as a wedge that maintains the structure of the second active material layer 3d. The synergistic effect of the above action makes it possible to effectively prevent structural destruction such as pulverization even after charging and discharging. As a result, an increase in internal resistance during the initial charge is suppressed, and a good initial discharge capacity is obtained. Further, even when a cycle is passed, since the action of suppressing the destruction of the alloy layer is maintained, it is possible to suppress an increase in resistance and a decrease in capacity inside the battery.

さらに、第二活物質層3dと充電・放電電位が異なる第一活物質層2dと、第二活物質層3dとからなる多層構造を採用することにより、充放電が段階的に行われ、充放電による負極活物質層の膨張収縮を緩和できる。また、この作用と、上記した第二活物質層3dの構成を採ることによる作用との相乗効果により、負極活物質層全体の膨張収縮をより一層抑制することが可能となる。   Furthermore, by adopting a multilayer structure composed of the first active material layer 2d and the second active material layer 3d having different charge / discharge potentials from the second active material layer 3d, charging / discharging is performed in stages. Expansion and contraction of the negative electrode active material layer due to discharge can be reduced. Further, the synergistic effect of this action and the action by adopting the configuration of the second active material layer 3d described above can further suppress the expansion and contraction of the entire negative electrode active material layer.

(実施例11)
次に、本発明の第四の実施の形態の実施例11について説明する。
図10に示す二次電池の負極は次のような手順で作製した。まず集電体1dには10μm厚の銅箔を用い、この集電体1d上に、第一活物質層2dとして人造黒鉛を100μm堆積させた。その後、第二活物質層3dとしてSi−Cu合金を2μmスパッタリング法で形成した。さらにLi層11dとして蒸着法にてLiを1μm(不可逆容量補填量80%に相当)成膜し、負極を得た。その他の正極、セパレータ、電解液、評価法、測定条件等は、実施例1と同様である。
(Example 11)
Next, Example 11 of the fourth embodiment of the present invention will be described.
The negative electrode of the secondary battery shown in FIG. 10 was produced by the following procedure. First, a copper foil having a thickness of 10 μm was used for the current collector 1d, and 100 μm of artificial graphite was deposited on the current collector 1d as the first active material layer 2d. Thereafter, a Si—Cu alloy was formed as the second active material layer 3d by a 2 μm sputtering method. Furthermore, 1 μm of Li film (corresponding to an irreversible capacity compensation amount of 80%) was formed as a Li layer 11d by a vapor deposition method to obtain a negative electrode. Other positive electrodes, separators, electrolytic solutions, evaluation methods, measurement conditions, and the like are the same as in Example 1.

(実施例12)
実施例12においても、実施例11と同様に負極を作製したが、第一活物質層2dとしては70μm厚の天然黒鉛を堆積させ、第二活物質層3dとしてはSi−Fe合金を1μm蒸着法で形成した。また、Li層11dとしては蒸着法にて1.5μm(不可逆容量補填量100%に相当)成膜した。その他の正極、セパレータ、電解液、評価法、測定条件等は、実施例1と同様である。
(Example 12)
In Example 12, a negative electrode was produced in the same manner as in Example 11. However, as the first active material layer 2d, natural graphite having a thickness of 70 μm was deposited, and as the second active material layer 3d, a Si—Fe alloy was deposited by 1 μm. Formed by the law. Further, as the Li layer 11d, a film of 1.5 μm (corresponding to an irreversible capacity filling amount of 100%) was formed by a vapor deposition method. Other positive electrodes, separators, electrolytic solutions, evaluation methods, measurement conditions, and the like are the same as in Example 1.

(実施例13)
実施例13においても、実施例11と同様に負極を作製したが、第一活物質層2dとしては90μm厚のハードカーボンを堆積させ、第二活物質層3dとしてはアモルファスWSiを1μmCVD法で形成した。また、Li層11dとしては蒸着法にて2μm(不可逆容量補填量100%に相当)成膜した。その他の正極、セパレータ、電解液、評価法、測定条件等は、実施例1と同様である。
(Example 13)
In Example 13, a negative electrode was produced in the same manner as in Example 11. However, as the first active material layer 2d, 90 μm thick hard carbon was deposited, and as the second active material layer 3d, amorphous WSi 2 was deposited by a 1 μm CVD method. Formed. Further, as the Li layer 11d, a film of 2 μm (corresponding to an irreversible capacity filling amount of 100%) was formed by a vapor deposition method. Other positive electrodes, separators, electrolytic solutions, evaluation methods, measurement conditions, and the like are the same as in Example 1.

(実施例14)
実施例14においても、実施例11と同様に負極を作製したが、第一活物質層2dとしては5μm厚のSnを堆積させ、第二活物質層3dとしてはSi−Cu合金を2μmCVD法で形成した。また、Li層11dとしては蒸着法にて2μm(不可逆容量補填量120%に相当)成膜した。その他の正極、セパレータ、電解液、評価法、測定条件等は、実施例1と同様である。
(Example 14)
In Example 14, a negative electrode was produced in the same manner as in Example 11. However, Sn having a thickness of 5 μm was deposited as the first active material layer 2d, and a Si—Cu alloy was used as the second active material layer 3d by a 2 μm CVD method. Formed. Further, as the Li layer 11d, a film of 2 μm (corresponding to an irreversible capacity filling amount of 120%) was formed by a vapor deposition method. Other positive electrodes, separators, electrolytic solutions, evaluation methods, measurement conditions, and the like are the same as in Example 1.

実施例11〜14および比較例1の電池についての初回放電容量、初回充放電効率、サイクル特性評価の結果を表4に示す。この結果から、実施例11〜14はLi層11dから不可逆容量を補填することにより、使用可能となる容量が増加し、その結果高い充放電効率が得られることが判明した。   Table 4 shows the results of initial discharge capacity, initial charge / discharge efficiency, and cycle characteristics evaluation for the batteries of Examples 11 to 14 and Comparative Example 1. From these results, it was found that in Examples 11 to 14, the usable capacity increased by supplementing the irreversible capacity from the Li layer 11d, and as a result, high charge / discharge efficiency was obtained.

また、比較例1では150サイクル後にラピッドフェードし容量劣化をしているのに対し、実施例11〜14では500サイクル後でも初回放電容量の85%以上を維持していることが判明した。実施例11〜14においても、第一および第三の実施形態と同様に、内部抵抗上昇を抑制し、充放電による充放電による負極活物質層の膨張収縮が効果的に緩和されていると考えられる。   In Comparative Example 1, it was found that capacity faded by rapid fading after 150 cycles, whereas Examples 11-14 maintained 85% or more of the initial discharge capacity even after 500 cycles. In Examples 11 to 14, as in the first and third embodiments, the increase in internal resistance is suppressed, and the expansion / contraction of the negative electrode active material layer due to charge / discharge due to charge / discharge is effectively mitigated. It is done.

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1a,1b,1c,1d 集電体
2a,2d 第一活物質層
3a,3d 第二活物質層
4a,4b,4c,4d セパレータ
5a,5b,5c,5d 正極活物質層
6a,6b,6c,6d リチウムイオン
7a 活物質層
8b 負極活物質層
9c 第一リチウム吸蔵層
10c 第二リチウム吸蔵層
11d Li層
1a, 1b, 1c, 1d Current collector 2a, 2d First active material layer 3a, 3d Second active material layer 4a, 4b, 4c, 4d Separator 5a, 5b, 5c, 5d Positive electrode active material layer 6a, 6b, 6c , 6d Lithium ion 7a Active material layer 8b Negative electrode active material layer 9c First lithium storage layer 10c Second lithium storage layer 11d Li layer

Claims (3)

リチウムイオンを吸蔵および放出することのできる二次電池用負極であって、
リチウムと合金を形成する金属またはリチウムと、リチウムと合金を形成しない金属とを含む、合金または複合酸化物からなる層を備え、
前記合金または複合酸化物からなる層が、Li−Ti−O系アモルファス化合物からなることを特徴とする二次電池用負極。
A secondary battery negative electrode capable of inserting and extracting lithium ions,
A layer made of an alloy or a composite oxide containing a metal that forms an alloy with lithium or lithium and a metal that does not form an alloy with lithium,
The negative electrode for a secondary battery, wherein the layer made of the alloy or the composite oxide is made of a Li—Ti—O based amorphous compound.
請求項1に記載の二次電池用負極において、前記合金または複合酸化物からなる層が、スパッタリング法によって形成された層であることを特徴とする二次電池用負極。 In the negative electrode for secondary battery of claim 1, wherein the alloy or layer of a composite oxide, a negative electrode for a secondary battery, characterized in that a layer thus formed sputtering. 請求項1または2に記載の二次電池用負極と、リチウムイオンを吸蔵および放出することのできる正極と、前記負極および前記正極との間に配置された電解質と、を具備することを特徴とする二次電池。   A negative electrode for a secondary battery according to claim 1, a positive electrode capable of inserting and extracting lithium ions, and an electrolyte disposed between the negative electrode and the positive electrode. Secondary battery.
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