JP5832729B2 - Secondary battery electrode and non-aqueous electrolyte battery - Google Patents

Secondary battery electrode and non-aqueous electrolyte battery Download PDF

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Description

本発明は、二次電池用電極及び非水電解液電池に関する。   The present invention relates to an electrode for a secondary battery and a non-aqueous electrolyte battery.

二次電池の分野では、高エネルギー密度を有する電池の開発の要求が高まっている。この要求を満たす二次電池として、非水電解液電池、特にリチウム二次電池(リチウムイオン二次電池)が開発されている。リチウム二次電池は、ニッケルカドミウム電池、鉛畜電池、ニッケル水素電池に比べ、高電圧、高エネルギー密度を有し、しかも軽量であるという利点を有している。   In the field of secondary batteries, there is an increasing demand for the development of batteries having a high energy density. Non-aqueous electrolyte batteries, particularly lithium secondary batteries (lithium ion secondary batteries) have been developed as secondary batteries that satisfy this requirement. Lithium secondary batteries have the advantages of higher voltage, higher energy density and lighter weight than nickel cadmium batteries, lead livestock batteries, and nickel metal hydride batteries.

リチウム二次電池は、リチウムイオンを吸蔵・放出する活物質を正負両極に有する電池である。リチウム二次電池の負極活物質としては、金属リチウム、リチウム合金、炭素、黒鉛が広く知られている。   A lithium secondary battery is a battery having an active material that absorbs and releases lithium ions in both positive and negative electrodes. As a negative electrode active material of a lithium secondary battery, metallic lithium, lithium alloy, carbon, and graphite are widely known.

金属リチウムは、最も高いエネルギー密度を実現するが、負極表面にリチウムがデンドライト析出し、正極との内部短絡や電解液に対する高い反応活性のため、電池寿命や安全性の点で問題があった。Li−PbやLi−Al等のリチウム合金は、これらの問題が大幅に改善されるが、充放電サイクルに伴う粒子の崩壊・微粉化の問題があり、十分な電池寿命は得られていなかった。   Although metallic lithium achieves the highest energy density, there is a problem in terms of battery life and safety because lithium dendrites on the negative electrode surface, internal short circuit with the positive electrode, and high reaction activity to the electrolyte. Lithium alloys such as Li-Pb and Li-Al greatly improve these problems, but there is a problem of particle collapse and pulverization associated with charge / discharge cycles, and sufficient battery life has not been obtained. .

炭素又は黒鉛は、上記のリチウムのデンドライト析出が無いか、或いは少なく、また充放電サイクルに伴う粒子の崩壊が無いか、或いは少ないため、現在、リチウム二次電池負極材料として使用されている。しかしながら、これらの材料の放電容量は増加に関して多くの努力が払われてはいるものの、現状、金属材料と比較して著しく低いという問題を有していた。   Carbon or graphite is currently used as a negative electrode material for lithium secondary batteries because there is no or little lithium dendrite precipitation and there is no or little particle collapse associated with charge / discharge cycles. However, although many efforts have been made to increase the discharge capacity of these materials, there is a problem that the discharge capacity of these materials is significantly lower than that of metal materials at present.

このような問題に対して高エネルギー密度を実現できる二次電池が開発され、例えば、特許文献1〜6に開示されている。   Secondary batteries capable of realizing a high energy density for such problems have been developed and disclosed in, for example, Patent Documents 1 to 6.

特許文献1には、金属粒子が複数相の炭素中に埋設され、炭素は黒鉛及び非晶質炭素を含むものである金属炭素複合体粒子であって、金属粒子を埋設した黒鉛粒子及び金属粒子を含まない黒鉛粒子が非晶質炭素を介して一体化した構造の金属炭素複合体粒子が開示されている。   Patent Document 1 includes metal-carbon composite particles in which metal particles are embedded in a plurality of phases of carbon, and the carbon includes graphite and amorphous carbon, and includes graphite particles and metal particles in which the metal particles are embedded. Metal-carbon composite particles having a structure in which no graphite particles are integrated through amorphous carbon are disclosed.

引用文献2には、炭素材料を充填した多孔性金属基体と、ケイ素を充填した多孔性金属基体と、が重ね合わされ、金属基体同士が接合されてなる複合負極板を有する非水電解質二次電池が開示されている。   In the cited document 2, a non-aqueous electrolyte secondary battery having a composite negative electrode plate in which a porous metal substrate filled with a carbon material and a porous metal substrate filled with silicon are superposed and the metal substrates are joined together. Is disclosed.

引用文献3には、リチウムと合金化しない発泡金属の表面を、リチウムと合金を形成し、かつリチウムイオンを吸蔵・放出が可能な物質で被覆した負極を用いる非水電解質二次電池が開示されている。   Reference 3 discloses a non-aqueous electrolyte secondary battery using a negative electrode in which the surface of a foam metal that is not alloyed with lithium is coated with a material that forms an alloy with lithium and can absorb and release lithium ions. ing.

引用文献4には、リチウムと合金化する金属を有する多孔質金属が、負極活物質と負極集電体とを兼ねている電池が開示されている。   Cited Document 4 discloses a battery in which a porous metal having a metal alloying with lithium serves as a negative electrode active material and a negative electrode current collector.

引用文献5には、多孔質金属集電体上に電極活物質薄膜層が形成され、多孔質金属集電体と電極活物質薄膜層との間に炭素が配置されてなる二次電池用電極が開示されている。   In the cited document 5, an electrode active material thin film layer is formed on a porous metal current collector, and carbon is disposed between the porous metal current collector and the electrode active material thin film layer. Is disclosed.

引用文献6には、多孔質導電性基材の平均空孔径より径の小さい導電材と、リチウムを可逆的に吸蔵放出可能な金属元素及び半金属元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含有した単体、合金あるいは化合物とを活物質として含む非水電解質二次電池が開示されている。   Cited Document 6 discloses at least one element selected from the group consisting of a conductive material having a diameter smaller than the average pore size of the porous conductive substrate, and a metal element and a semimetal element capable of reversibly occluding and releasing lithium. A non-aqueous electrolyte secondary battery including a simple substance, an alloy, or a compound containing as an active material is disclosed.

しかしながら、引用文献1に記載の粒子のように、体積膨張の大きい合金粒子と体積膨張の小さい炭素を同一層内に存在させると、充放電による膨張収縮が繰り返されると、炭素と合金の間に隙間が生じ、導電ネットワークが断裂してしまうため容量が低下していく(もしくは大量の導電補助材が必要になり、十分な容量が得られない)という問題があった。   However, when the alloy particles having a large volume expansion and the carbon having a small volume expansion are present in the same layer as the particles described in the cited document 1, if the expansion and contraction due to charge and discharge is repeated, the carbon and the alloy are There is a problem in that a gap is generated and the conductive network is torn, so that the capacity is reduced (or a large amount of conductive auxiliary material is required and sufficient capacity cannot be obtained).

引用文献2に記載の二次電池では、負極において多孔性金属基体の占める体積が多く、活物質量の充填量を上げることができない(特に、炭素側は膨張を抑制する必要が無いのに、ケイ素側のために多孔金属を用いる必要がある)という問題があった。さらに、負極の製造には、それぞれの物質を金属基体に充填してから溶接する必要があり、工程が煩雑となるだけでなく、積層する負極枚数分の溶接作業が必要となり、多くのコストがかかるという問題があった。加えて、負極の炭素材料側とケイ素側のそれぞれに対する正極ごとに最適化される必要があり、多くのコストがかかるという問題があった(劣化の早い合金側と、劣化が少ない炭素側とで、それぞれに対向する正極の劣化が不均一に起こり、合金が劣化した後は炭素極に過充電が起こる可能性がある)。   In the secondary battery described in the cited document 2, the volume occupied by the porous metal substrate in the negative electrode is large, and the filling amount of the active material amount cannot be increased (particularly, the carbon side does not need to suppress expansion, It is necessary to use a porous metal for the silicon side). Furthermore, in manufacturing the negative electrode, it is necessary to fill the metal substrate with each material and then perform welding, which not only complicates the process, but also requires a welding operation for the number of negative electrodes to be stacked, resulting in a large cost. There was a problem that it took. In addition, it is necessary to optimize the positive electrode for each of the carbon material side and the silicon side of the negative electrode, and there is a problem that a lot of cost is required (on the alloy side where deterioration is fast and on the carbon side where deterioration is low) The cathodes facing each other are deteriorated unevenly, and the carbon electrode may be overcharged after the alloy is deteriorated).

引用文献3に記載の二次電池の負極では、発泡金属の細孔の空隙の部分が電池容量の増加に寄与しないため、体積エネルギー密度が低いという問題があった。さらに、細孔径が小さくなると、深さ方向で均一な被覆(めっき被覆)の形成が困難になるという問題もあった。加えて、体積膨張時に体積変化に伴う応力を緩和できない構造であり、長期的にはクラックや剥離が生じ、充放電に寄与しない活物質が発生するおそれがあった。   The negative electrode of the secondary battery described in the cited document 3 has a problem that the volume energy density is low because the voids in the pores of the foam metal do not contribute to the increase in battery capacity. Further, when the pore diameter is reduced, there is a problem that it is difficult to form a uniform coating (plating coating) in the depth direction. In addition, the structure cannot relax the stress accompanying the volume change at the time of volume expansion, and there is a possibility that an active material that does not contribute to charge / discharge may be generated in the long term because cracks and peeling occur.

引用文献4に記載の電池では、多孔質金属が負極を形成しており、この負極は多孔構造ではあるものの、骨格自体が活物質であるため大きく膨張収縮するため、サイクル特性に問題があった。また、引用文献4に記載の負極は、多孔質金属自身ではもともと機械強度がない上に、多孔化しており、電池組み立て時の搬送張力や倦回時に破断したり、多孔構造が崩れるという問題もあった。   In the battery described in Cited Document 4, the porous metal forms a negative electrode, and although this negative electrode has a porous structure, the skeleton itself is an active material, so that it expands and contracts greatly, thus causing a problem in cycle characteristics. . In addition, the negative electrode described in the cited document 4 has a problem that the porous metal itself does not have mechanical strength and is porous, and breaks when the battery is assembled, when it is wound, or when the porous structure is broken. there were.

引用文献5に記載の電極は、高速の入出力には適した構成であるが、電池容量やサイクル特性を大きく向上させることはできないという問題があった。   Although the electrode described in the cited document 5 has a configuration suitable for high-speed input / output, there is a problem that the battery capacity and cycle characteristics cannot be greatly improved.

引用文献6に記載の二次電池では、サイクル特性が向上したことが示されているが、この効果は、導電性の高い導電材を用いることで達成される。具体的には、導電性の高いカーボンナノチューブ(CNT),カーボンナノファイバ(CNF)を使用したときに、より高いサイクル特性を得られることを開示している。しかし、CNT,CNFは導電性が高いが、結着力はほとんど有しておらず、そもそもの容量低下の原因である「体積変化で合金粒子と炭素との間にクラックが生じる」については影響しないと考えられる(CNT自身には官能基がないため、合金粒子と自発的に接触しているとは考えにくく、合金粒子の体積変化に追随して捕捉しつづけることはさらに考えにくい)。したがって、引用文献6の実施例において報告されているように、合金90重量部(比重6〜8g/cm)に対して、CNT5重量部(比重1.4g/cm)を加える必要があり、導電材剤であるCNTの比率を高くする必要がある。また、CNTは高価であり、二次電池のコストが大きく上昇するという問題もあった。 In the secondary battery described in the cited document 6, it is shown that the cycle characteristics are improved, but this effect is achieved by using a conductive material having high conductivity. Specifically, it is disclosed that higher cycle characteristics can be obtained when carbon nanotubes (CNT) and carbon nanofibers (CNF) having high conductivity are used. However, although CNT and CNF have high conductivity, they have almost no binding force, and there is no effect on “a crack occurs between alloy particles and carbon due to volume change”, which is the cause of capacity reduction in the first place. (Because CNT itself has no functional group, it is unlikely that it is in spontaneous contact with the alloy particles, and it is even less likely to continue to follow the volume change of the alloy particles). Thus, as reported in the Examples of the cited document 6, the alloy 90 weight parts per (specific gravity 6-8 g / cm 3), it is necessary to add CNT5 parts by weight (specific gravity 1.4 g / cm 3) It is necessary to increase the ratio of CNT that is a conductive material agent. In addition, CNT is expensive, and there is a problem that the cost of the secondary battery is greatly increased.

特許第4281099号公報Japanese Patent No. 4281099 特許第4162510号公報Japanese Patent No. 4162510 特開2003−257420号公報JP 2003-257420 A 特開2005−294013号公報JP 2005-294013 A 特開2006−59641号公報JP 2006-59641 A 特開2007−335283号公報JP 2007-335283 A

本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、高い容量と優れたサイクル特性を備えた電池を得られる電極及び非水電解液電池を提供することを課題とする。   This invention is made | formed in view of the said actual condition, and makes it a subject to provide the electrode and nonaqueous electrolyte battery which can obtain the battery provided with the high capacity | capacitance and the outstanding cycling characteristics.

上記課題を解決するために本発明者らは、電極の構造に関して検討を重ねた結果、本発明をなすに至った。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have made studies on the structure of the electrode, and as a result, have reached the present invention.

すなわち、本発明の二次電池用電極は、導電性を有する材質により形成された多孔質集電体と、多孔質集電体の細孔内に配置された、リチウムを可逆的に吸蔵・放出可能な第一の活物質を有する第一の活物質層と、多孔質集電体の表面に配置された炭素材料よりなる第二の活物質を有する第二の活物質層と、を有し、第一の活物質層が多孔質集電体の細孔内に多孔質集電体の表面まで配置された状態であり、第一の活物質は、平均粒子径が0.5〜30nmの粒子から形成されることを特徴とする。 That is, the electrode for a secondary battery of the present invention includes a porous current collector formed of a conductive material, and reversibly occludes / releases lithium disposed in the pores of the porous current collector. A first active material layer having a possible first active material, and a second active material layer having a second active material made of a carbon material disposed on the surface of the porous current collector. The first active material layer is in a state of being disposed up to the surface of the porous current collector in the pores of the porous current collector, and the first active material has an average particle diameter of 0.5 to 30 nm. It is formed from particles.

また、本発明の非水電解液電池は、請求項1〜のいずれかに記載の二次電池用電極を用いてなることを特徴とする。
The nonaqueous electrolyte battery according to the present invention is characterized by using the secondary battery electrode according to any one of claims 1 to 8 .

本発明の二次電池用電極は、多孔質集電体の細孔内に第一の活物質層を、集電体の表面に第二の活物質層を、それぞれ配している。多孔質集電体の細孔内に第一の活物質層をもうけることで、第一の活物質層中の第一の活物質が体積膨張を生じることが抑えられ、第一の活物質層の導電ネットワークに隙間ができるのを抑制することができる。つまり、第一の活物質層の安定な導電ネットワークは充放電を繰り返しても阻害されず、容量が高い状態で安定して使用することができる。   In the secondary battery electrode of the present invention, the first active material layer is disposed in the pores of the porous current collector, and the second active material layer is disposed on the surface of the current collector. By providing the first active material layer in the pores of the porous current collector, the first active material layer in the first active material layer is suppressed from causing volume expansion, and the first active material layer It is possible to suppress the formation of a gap in the conductive network. That is, the stable conductive network of the first active material layer is not hindered by repeated charge and discharge, and can be used stably in a high capacity state.

そして、第二の活物質層が集電体の表面にもうけられている。第二の活物質層を集電体の表面にもうけることで、二次電池を形成したときに、対向する電極との対向面を第二の活物質層が形成することとなり、対向する電極と均一に反応する。すなわち、第二の活物質が電極反応を生じたときに、電極において反応量にムラが生じなくなり、高い電池容量が確保される。   A second active material layer is provided on the surface of the current collector. By providing the second active material layer on the surface of the current collector, when the secondary battery is formed, the second active material layer forms an opposing surface with the opposing electrode. Reacts uniformly. That is, when the second active material undergoes an electrode reaction, unevenness in the reaction amount does not occur in the electrode, and a high battery capacity is ensured.

本発明の非水電解液電池は、上記の効果を有する電極を用いたものであり、上記の効果を発揮する。   The non-aqueous electrolyte battery of the present invention uses the electrode having the above effects and exhibits the above effects.

(二次電池用電極)
本発明の二次電池用電極は、導電性を有する材質により形成された多孔質集電体と、多孔質集電体の細孔内に配置された、リチウムを可逆的に吸蔵・放出可能な第一の活物質を有する第一の活物質層と、多孔質集電体の表面に配置された炭素材料よりなる第二の活物質を有する第二の活物質層と、を有する。そして、第一の活物質層が多孔質集電体の細孔内に多孔質集電体の表面まで配置された状態で、第二の活物質層が、多孔質集電体の表面に、第二の活物質を有するスラリーを塗布して形成されている。
(Electrode for secondary battery)
The electrode for a secondary battery of the present invention is a porous current collector formed of a conductive material, and can reversibly occlude / release lithium disposed in the pores of the porous current collector. A first active material layer having a first active material; and a second active material layer having a second active material made of a carbon material disposed on the surface of the porous current collector. And in the state where the first active material layer is arranged up to the surface of the porous current collector in the pores of the porous current collector , the second active material layer is on the surface of the porous current collector, It is formed by applying a slurry having a second active material.

多孔質集電体は、導電性を有する材質により形成された集電体である。多孔質集電体は、多孔質状に形成された集電体をなすこと以外は限定されるものではない。   The porous current collector is a current collector formed of a conductive material. The porous current collector is not limited except that a porous current collector is formed.

多孔質集電体を形成する導電性を有する材質は、従来の二次電池において集電体として用いられている材質を用いることができる。このような材質としては、たとえば、ニッケル,銅,チタン,ステンレス,炭素などをあげることができる。すなわち、多孔質集電体は、ニッケル,銅,チタン,ステンレス,炭素からなる群より選ばれる少なくとも一種よりなることが好ましい。   As the conductive material for forming the porous current collector, a material used as a current collector in a conventional secondary battery can be used. Examples of such a material include nickel, copper, titanium, stainless steel, and carbon. That is, the porous current collector is preferably made of at least one selected from the group consisting of nickel, copper, titanium, stainless steel, and carbon.

多孔質集電体は、第一の活物質層が内部に配置される細孔を有する構造であれば、その構造が限定されるものではなく、従来の二次電池において多孔質の集電体を形成する構造とすることができる。すなわち、多孔質集電体は、発泡体,焼結体,パンチング板,不織布のいずれかよりなることが好ましい。   As long as the porous current collector has a structure in which the first active material layer has pores disposed therein, the structure is not limited, and the porous current collector in the conventional secondary battery is not limited. It can be set as the structure which forms. That is, the porous current collector is preferably made of any one of a foam, a sintered body, a punching plate, and a nonwoven fabric.

多孔質集電体の細孔は、第一の活物質層を内部に形成できる形態であれば特に限定されるものではない。   The pores of the porous current collector are not particularly limited as long as the first active material layer can be formed inside.

多孔質集電体は、30〜70%の気孔率を有することが好ましい。気孔率が30%未満では、細孔内に充填される第一の活物質の量が少なくなり、電池容量が十分に得られなくなる。気孔率が70%を超えると、集電体に占める導電性を有する材質の割合が少なくなりすぎて、集電体自身の形状を保つことが困難になる。   The porous current collector preferably has a porosity of 30 to 70%. When the porosity is less than 30%, the amount of the first active material filled in the pores decreases, and the battery capacity cannot be sufficiently obtained. When the porosity exceeds 70%, the ratio of the conductive material in the current collector becomes too small, and it becomes difficult to maintain the shape of the current collector itself.

多孔質集電体の細孔径(平均細孔径)は、第一の活物質層の粒子を細孔内に配することができる大きさであれば限定されるものではない。多孔質集電体の細孔径(平均細孔径)が大きくなりすぎると、細孔内に配された第一の活物質層の第一の活物質が、体積変化にともなって剥離(剥落)を生じやすくなる(二次電池のサイクル特性が低下しやすくなる)。細孔径が小さすぎると、細孔内に十分な量の第一の活物質を配することが難しくなる(電池容量の向上の効果が十分に得られなくなる)。多孔質集電体は、5μm〜25μmの平均細孔径を有することが好ましい。   The pore diameter (average pore diameter) of the porous current collector is not limited as long as the particles of the first active material layer can be arranged in the pores. If the pore size (average pore size) of the porous current collector becomes too large, the first active material of the first active material layer arranged in the pores will peel off (peel off) as the volume changes. This is likely to occur (the cycle characteristics of the secondary battery are likely to deteriorate). If the pore diameter is too small, it becomes difficult to arrange a sufficient amount of the first active material in the pores (the effect of improving battery capacity cannot be sufficiently obtained). The porous current collector preferably has an average pore diameter of 5 μm to 25 μm.

第一の活物質層は、多孔質集電体の細孔内に配置された、リチウムを可逆的に吸蔵・放出可能な第一の活物質を有する。   The first active material layer has a first active material disposed in the pores of the porous current collector and capable of reversibly inserting and extracting lithium.

第一の活物質層が、多孔質集電体の細孔内に配置されることで、第一の活物質層に含まれる第一の活物質において発生した電気を取り出すことができる。また、第一の活物質層が多孔質集電体の細孔内に配置されることで、細孔内の活物質層(粒子)が過剰に体積変化(膨張)することを抑えることができる。さらに、細孔内の活物質層(粒子)に割れや剥離が生じても、剥離した活物質層(粒子)との接触が保たれるようになり、電池容量の低下が抑えられる。   Since the first active material layer is disposed in the pores of the porous current collector, electricity generated in the first active material contained in the first active material layer can be taken out. In addition, by arranging the first active material layer in the pores of the porous current collector, it is possible to suppress an excessive volume change (expansion) of the active material layer (particles) in the pores. . Furthermore, even if cracking or peeling occurs in the active material layer (particles) in the pores, contact with the peeled active material layer (particles) can be maintained, and a reduction in battery capacity can be suppressed.

第一の活物質がリチウムを可逆的に吸蔵・放出可能な活物質よりなることで、リチウムを吸蔵・放出することで電気を発生することができる。第一の活物質は、リチウムを可逆的に吸蔵・放出可能な活物質であれば、その種類が限定されるものではない。すなわち、従来のリチウム電池,リチウムイオン電池等のリチウム(リチウムイオン)を電解質として用いる電池で活物質として利用されている材質を用いることができる。   Since the first active material is made of an active material capable of reversibly occluding and releasing lithium, electricity can be generated by occluding and releasing lithium. The type of the first active material is not limited as long as it is an active material capable of reversibly occluding and releasing lithium. That is, a material that is used as an active material in a battery that uses lithium (lithium ion) as an electrolyte, such as a conventional lithium battery or lithium ion battery, can be used.

本発明の二次電池用電極が、第一の活物質層が集電体の細孔内に配されることで体積変化(膨張)を抑えることができることから、第一の活物質は、体積変化の大きい材質を用いることが好ましい。すなわち、第一の活物質は、Mg,Al,Si,Zn,Ge,Bi,Snからなる群より選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましい。これらの元素においてより大きな電池容量を得られることから、第一の活物質は、Siを含むことがより好ましい。   Since the secondary battery electrode of the present invention can suppress volume change (expansion) by arranging the first active material layer in the pores of the current collector, the first active material has a volume It is preferable to use a material having a large change. That is, the first active material preferably contains at least one selected from the group consisting of Mg, Al, Si, Zn, Ge, Bi, and Sn. Since a larger battery capacity can be obtained with these elements, it is more preferable that the first active material contains Si.

第一の活物質層は、第一の活物質以外に、従来の二次電池において電極に用いられる添加剤等を用いることができる。この添加剤としては、たとえば、導電助材,バインダをあげることができる。導電助材は、第一の活物質において発生した電気を活物質層内で導電する。この導電助材としては、たとえば、グラファイト,カーボンブラック,アセチレンブラック,サーマルブラック,チャンネルブラック,気相成長炭素繊維(VGCF)等の炭素質材料、金属粉末等をあげることができる。   In addition to the first active material, the first active material layer can use additives and the like used for electrodes in conventional secondary batteries. Examples of the additive include a conductive additive and a binder. The conductive additive conducts electricity generated in the first active material in the active material layer. Examples of the conductive aid include carbonaceous materials such as graphite, carbon black, acetylene black, thermal black, channel black, vapor grown carbon fiber (VGCF), metal powder, and the like.

第一の活物質層にしめる第一の活物質及び導電助材の割合は、製造される電池の種類や、集電体の特性(材質,気孔率,孔径等)により異なるため、一概に決定されるものではない。たとえば、第一の活物質層全体の質量を100としたときに、第一の活物質の質量が85〜95質量部、導電助材の割合は5〜15質量部、であることが好ましい。   The ratio of the first active material and the conductive additive to be included in the first active material layer is generally determined because it varies depending on the type of battery manufactured and the characteristics of the current collector (material, porosity, pore diameter, etc.). It is not something. For example, when the mass of the entire first active material layer is 100, the mass of the first active material is preferably 85 to 95 parts by mass, and the ratio of the conductive additive is preferably 5 to 15 parts by mass.

第一の活物質は、たとえば、平均粒子径が0.5〜30nmの粒子から形成されることが好ましい。平均粒子径が0.5nm未満では粒子が小さすぎて、細孔内に配するためのバインダの使用量が多くなり、第一の活物質層における第一の活物質の占める割合が減少して、電池容量が十分に得られなくなる。また、平均粒子径が0.5nm未満では粒子が小さすぎて、活物質の体積変化による剥離が生じやすくなる。平均粒子径が30nmを超えると、活物質の膨張量が大きくなりすぎる。さらに、粒子径が大きくなりすぎると、細孔内に配することが難しくなる。   The first active material is preferably formed from particles having an average particle size of 0.5 to 30 nm, for example. If the average particle diameter is less than 0.5 nm, the particles are too small, and the amount of binder used for arranging in the pores increases, and the proportion of the first active material in the first active material layer decreases. Battery capacity cannot be obtained sufficiently. Moreover, when the average particle diameter is less than 0.5 nm, the particles are too small, and peeling due to a volume change of the active material is likely to occur. When the average particle diameter exceeds 30 nm, the amount of expansion of the active material becomes too large. Furthermore, when the particle diameter becomes too large, it becomes difficult to arrange in the pores.

第一の活物質層が導電助材等の添加剤を含有するときに、これらの粒子径についても特に限定されるものではなく、第一の活物質と同様な大きさとすることが好ましい。   When the first active material layer contains an additive such as a conductive additive, these particle sizes are not particularly limited, and are preferably the same size as the first active material.

第二の活物質層は、多孔質集電体の表面に配置された炭素材料よりなる第二の活物質を有する。第二の活物質層が多孔質集電体の表面に配置されることで、第一の活物質層が集電体の細孔内から脱離することが抑えられる。また、本発明の二次電池用電極の表層を第二の活物質層が構成することとなり、相手側の電極(本発明の電極と対向する電極、本発明の電極が負極の時の正極)と均一に反応することができる。さらに、本発明の二次電池用電極の表層を第二の活物質層が構成することで、多孔金属内部の第一の活物質層に含まれる導電助剤を少なくしても脱落を防ぐことができる。   The second active material layer has a second active material made of a carbon material disposed on the surface of the porous current collector. By disposing the second active material layer on the surface of the porous current collector, the first active material layer can be prevented from being detached from the pores of the current collector. Further, the surface layer of the secondary battery electrode of the present invention is constituted by the second active material layer, and the opposite electrode (electrode facing the electrode of the present invention, positive electrode when the electrode of the present invention is a negative electrode) Can react uniformly. Furthermore, the second active material layer constitutes the surface layer of the secondary battery electrode according to the present invention, so that even if the conductive auxiliary agent contained in the first active material layer inside the porous metal is reduced, it is prevented from falling off. Can do.

第二の活物質層は、集電体の表面に配されるものであり、集電体の両面に配されることがより好ましい。第二の活物質層が集電体の両面に配されると、特に、相手側の電極(本発明の電極と対向する電極、本発明の電極が負極の時の正極)と、集電体の両面で均一に反応することができる。   The second active material layer is disposed on the surface of the current collector, and is more preferably disposed on both surfaces of the current collector. When the second active material layer is disposed on both sides of the current collector, in particular, the opposite electrode (the electrode facing the electrode of the present invention, the positive electrode when the electrode of the present invention is a negative electrode), and the current collector Can react uniformly on both sides.

第二の活物質は、炭素材料よりなる。第二の活物質層を構成する炭素材料は、リチウムを可逆的に吸蔵・放出することができる。また、集電体に充填された第一の活物質が電気反応を生じるための導電材としても機能する。このように機能する炭素材料であれば、具体的な材質については限定されるものではない。すなわち、炭素材料は、黒鉛,グラファイト,カーボンブラック,コークス,ガラス状炭素,炭素繊維,これらの焼成体からなる群より選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましい。   The second active material is made of a carbon material. The carbon material constituting the second active material layer can reversibly store and release lithium. The first active material filled in the current collector also functions as a conductive material for causing an electrical reaction. As long as the carbon material functions in this way, the specific material is not limited. That is, the carbon material preferably contains at least one selected from the group consisting of graphite, graphite, carbon black, coke, glassy carbon, carbon fiber, and a fired body thereof.

なお、第二の活物質層は、第二の活物質以外に、炭素材料を活物質とする従来の二次電池の電極に用いられる添加剤等を用いることができる。この添加剤としては、たとえば、導電助材,バインダをあげることができる。   In addition to the second active material, the second active material layer can use an additive used for an electrode of a conventional secondary battery using a carbon material as an active material. Examples of the additive include a conductive additive and a binder.

第二の活物質層にしめる第二の活物質及び導電助材の割合は、製造される電池の種類や、第一の活物質層の特性により異なるため、一概に決定されるものではない。たとえば、第二の活物質層全体の質量を100としたときに、第二の活物質の質量が80〜95質量部、導電助材の割合は5〜20質量部、であることが好ましい。   The ratios of the second active material and the conductive additive to be included in the second active material layer are not generally determined because they vary depending on the type of battery to be manufactured and the characteristics of the first active material layer. For example, when the mass of the entire second active material layer is 100, the mass of the second active material is preferably 80 to 95 parts by mass, and the proportion of the conductive additive is preferably 5 to 20 parts by mass.

第二の活物質は、平均粒子径が1〜30nmであることが好ましい。すなわち、第二の活物質層は、平均粒径が1〜30nmの炭素材料粒子から形成されることが好ましい。平均粒子径が1nm未満では粒子が小さすぎて、第二の活物質粒子を結着するバインダの使用量が多くなり、第二の活物質層における第二の活物質の占める割合が減少して、電池容量が十分に得られなくなる。平均粒子径が30nmを超えると、活物質の膨張量が大きくなりすぎる。   The second active material preferably has an average particle size of 1 to 30 nm. That is, the second active material layer is preferably formed from carbon material particles having an average particle diameter of 1 to 30 nm. If the average particle size is less than 1 nm, the particles are too small, the amount of binder used to bind the second active material particles increases, and the proportion of the second active material in the second active material layer decreases. Battery capacity cannot be obtained sufficiently. When the average particle diameter exceeds 30 nm, the amount of expansion of the active material becomes too large.

第二の活物質層が導電助材等の添加剤を含有するときに、これらの粒子径についても特に限定されるものではなく、第二の活物質と同様な大きさとすることが好ましい。   When the second active material layer contains an additive such as a conductive additive, these particle sizes are not particularly limited, and are preferably the same size as the second active material.

第二の活物質層の集電体表面における厚さは、5μm〜300μmであることが好ましい。第二の活物質層の厚さが5μm未満では第二の活物質層の形成の効果が得られない。第二の活物質層の厚さが300μmを超えると、第二の活物質層の厚さが厚くなりすぎて、第一の活物質層での電極反応の反応量が十分に得られなくなる。   The thickness of the second active material layer on the current collector surface is preferably 5 μm to 300 μm. If the thickness of the second active material layer is less than 5 μm, the effect of forming the second active material layer cannot be obtained. When the thickness of the second active material layer exceeds 300 μm, the thickness of the second active material layer becomes too thick, and the reaction amount of the electrode reaction in the first active material layer cannot be sufficiently obtained.

本発明の二次電池用電極は、非水電解液二次電池用の負極であることが好ましい。本発明の二次電池用電極は、サイクル特性に優れかつ長寿命な二次電池を得られる電極である。このような二次電池のうち、非水電解液二次電池であることがより好ましい。   The secondary battery electrode of the present invention is preferably a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery. The electrode for a secondary battery of the present invention is an electrode capable of obtaining a secondary battery having excellent cycle characteristics and a long life. Among such secondary batteries, a non-aqueous electrolyte secondary battery is more preferable.

(非水電解液電池)
本発明の非水電解液電池は、請求項1〜9のいずれかに記載の二次電池用電極を用いてなるものである。上記したように、請求項1〜9のいずれかに記載の二次電池用電極は、高い電池容量と優れたサイクル特性を得られる電極となっている。本発明の非水電解液電池は、この二次電池用電極を用いていることから、高い電池容量と優れたサイクル特性を得られる。本発明の非水電解液電池は、リチウムイオン二次電池であることがより好ましい。
(Nonaqueous electrolyte battery)
The non-aqueous electrolyte battery of the present invention uses the secondary battery electrode according to any one of claims 1 to 9. As described above, the secondary battery electrode according to any one of claims 1 to 9 is an electrode capable of obtaining a high battery capacity and excellent cycle characteristics. Since the nonaqueous electrolyte battery of the present invention uses this secondary battery electrode, a high battery capacity and excellent cycle characteristics can be obtained. The nonaqueous electrolyte battery of the present invention is more preferably a lithium ion secondary battery.

本発明の非水電解液電池は、上記の二次電池用電極を用いること以外は、従来公知の非水電解液電池(二次電池)と同様の構成とすることができる。   The non-aqueous electrolyte battery of the present invention can have the same configuration as a conventionally known non-aqueous electrolyte battery (secondary battery) except that the secondary battery electrode is used.

本発明の非水電解液電池は、正極及び負極と、電解液と、を有する非水電解液電池であることが好ましく、上記の二次電池用電極を負極として用いたがリチウムイオン二次電池であることがより好ましい。   The non-aqueous electrolyte battery of the present invention is preferably a non-aqueous electrolyte battery having a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, and the above-described secondary battery electrode is used as a negative electrode, but a lithium ion secondary battery It is more preferable that

本発明の非水電解液電池において、正極は、活物質、結着材、導電材その他の材料から必要に応じて選択される添加材を混合した電極合材層を、集電体の表面に形成してなることが好ましい。   In the non-aqueous electrolyte battery of the present invention, the positive electrode has an electrode mixture layer in which an additive selected from active materials, binders, conductive materials and other materials as necessary is mixed on the surface of the current collector. It is preferable to form it.

このような化合物としては、たとえば、リチウムイオン二次電池の正極活物質であるリチウム含有遷移金属酸化物をあげることができる。リチウム含有遷移金属酸化物は、Liイオン(Li)を脱挿入できる材料であり、層状構造またはスピネル構造のリチウム−金属複合酸化物をあげることができる。具体的には、Li1−ZNiO、Li1−ZMnO、Li1−ZMn、Li1−ZCoOなどの金属酸化物系材料をあげることができる。さらに、Li1−ZβPOとしては、LiFePOをあげることができ、それらを1種以上含む化合物をあげることができる。なお、Zは0〜1の数を示す。また、各々の金属酸化物系材料は、Li、Mg、Al、又はCo、Ti、Nb、Cr等の遷移金属を添加または置換した材料等であってもよい。さらに、これらのリチウム−金属複合酸化物を単独で用いるばかりでなくこれらを複数種類混合して用いてもよい。 An example of such a compound is a lithium-containing transition metal oxide that is a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery. The lithium-containing transition metal oxide is a material capable of removing and inserting Li ions (Li + ), and can include a lithium-metal composite oxide having a layered structure or a spinel structure. Specific examples include metal oxide materials such as Li 1-Z NiO 2 , Li 1-Z MnO 2 , Li 1-Z Mn 2 O 4 , and Li 1-Z CoO 2 . Furthermore, examples of Li 1-Z βPO 4 include LiFePO 4, and examples thereof include compounds containing one or more of them. Z represents a number from 0 to 1. In addition, each metal oxide-based material may be Li, Mg, Al, or a material in which a transition metal such as Co, Ti, Nb, or Cr is added or substituted. Furthermore, these lithium-metal composite oxides may be used alone or in combination.

結着材は、高分子材料から形成されることが望ましく、二次電池内の雰囲気において化学的・物理的に安定な材料であることが望ましい。この結着材としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、カルボキシルメチルセルロース(CMC)をあげることができる。   The binder is desirably formed of a polymer material, and is desirably a material that is chemically and physically stable in the atmosphere in the secondary battery. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene (PTFE), and carboxymethyl cellulose (CMC).

導電材としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、カーボンナノチューブ、非晶質炭素等などが例示できる。また、導電性高分子ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアセンなどをあげることができる。   Examples of the conductive material include ketjen black, acetylene black, carbon black, graphite, carbon nanotube, and amorphous carbon. Further, conductive polymer polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, polyacene and the like can be mentioned.

集電体の表面に電極合材層を形成する方法としては、活物質、結着材、導電材を有する電極合材を適当な分散媒中に分散または溶解させた後、集電体の表面に塗布・乾燥する方法をあげることができる。   As a method of forming an electrode mixture layer on the surface of the current collector, an electrode mixture having an active material, a binder, and a conductive material is dispersed or dissolved in an appropriate dispersion medium, and then the surface of the current collector The method of applying and drying can be mentioned.

電解液は、特に限定されるものではなく、有機溶媒などの溶媒に支持塩を溶解させたもの、自身が液体状であるイオン液体、そのイオン液体に対して更に支持塩を溶解させたものをあげることができる。   The electrolytic solution is not particularly limited, and an electrolytic solution in which a supporting salt is dissolved in a solvent such as an organic solvent, an ionic liquid that is liquid itself, or a supporting salt that is further dissolved in the ionic liquid. I can give you.

有機溶媒としては、通常のリチウムイオン二次電池の電解液に用いられる有機溶媒をあげることができる。例えば、カーボネート類、ハロゲン化炭化水素、エーテル類、ケトン類、ニトリル類、ラクトン類、オキソラン化合物等をあげることができる。特に、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等及びそれらの混合溶媒を用いることが好ましい。これらの有機溶媒のうち、特に、カーボネート類、エーテル類からなる群より選ばれた一種以上の非水溶媒が、支持塩の溶解性、誘電率及び粘度において優れ、かつ電池の充放電効率も高いため、好ましい。   As an organic solvent, the organic solvent used for the electrolyte solution of a normal lithium ion secondary battery can be mention | raise | lifted. Examples thereof include carbonates, halogenated hydrocarbons, ethers, ketones, nitriles, lactones, oxolane compounds and the like. In particular, it is preferable to use propylene carbonate, ethylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, or a mixed solvent thereof. Among these organic solvents, in particular, one or more non-aqueous solvents selected from the group consisting of carbonates and ethers are excellent in the solubility, dielectric constant and viscosity of the supporting salt, and the charge / discharge efficiency of the battery is also high. Therefore, it is preferable.

イオン液体は、通常リチウム二次電池の電解液に用いられるイオン液体であれば特に限定されるものではない。例えば、イオン液体のカチオン成分としては、N−メチル−N−プロピルピペリジニウムや、ジメチルエチルメトキシアンモニウムカチオン等をあげることができ、アニオン成分としは、BF−、N(SOCF−等をあげることができる。 An ionic liquid will not be specifically limited if it is an ionic liquid normally used for the electrolyte solution of a lithium secondary battery. For example, as the cation component of the ionic liquid, or N- methyl -N- propyl piperidinium, and dimethyl ethyl methoxy ammonium cations like, and an anionic component, BF 4 -, N (SO 2 CF 3) 2 etc. can be mentioned.

リチウムイオン二次電池において、電解液に用いられる支持塩としては、特に限定されるものではなく、例えば、LiPF、LiBF、LiAsF、LiCFSO、LiN(CFSO、LiC(CFSO、LiSbF、LiSCN、LiClO、LiAlCl、NaClO、NaBF、NaI、これらの誘導体等の塩化合物をあげることができる。これらの中でも、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiCFSO、LiN(CFSO、LiC(CFSO、LiN(FSO、LiN(CFSO)(CSO)、LiCFSOの誘導体、LiN(CFSOの誘導体及びLiC(CFSOの誘導体からなる群から選ばれる1種以上の塩を用いることが、電気特性の観点から、好ましい。 In the lithium ion secondary battery, the supporting salt used in the electrolytic solution is not particularly limited. For example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , Examples of the salt compound include LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiSbF 6 , LiSCN, LiClO 4 , LiAlCl 4 , NaClO 4 , NaBF 4 , NaI, and derivatives thereof. Among these, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiN (FSO 2 ) 2 , LiN (CF 3 One or more selected from the group consisting of a derivative of SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ), a derivative of LiCF 3 SO 3, a derivative of LiN (CF 3 SO 2 ) 2 and a derivative of LiC (CF 3 SO 2 ) 3 It is preferable to use a salt from the viewpoint of electrical characteristics.

リチウムイオン二次電池においては、正極と負極との間には電気的な絶縁作用とイオン伝導作用とを両立する部材であるセパレータを介装することが好ましい。支持電解質が液状である場合にはセパレータは、液状の支持電解質を保持する役割をも果たす。セパレータとしては、多孔質合成樹脂膜、特にポリオレフィン系高分子(ポリエチレン、ポリプロピレン)の多孔質膜をあげることができる。更に、セパレータは、正極及び負極の間の絶縁を担保する目的で、正極及び負極よりも更に大きい形態を採用することが好ましい。   In a lithium ion secondary battery, it is preferable to interpose a separator, which is a member that achieves both electrical insulation and ion conduction, between the positive electrode and the negative electrode. When the supporting electrolyte is liquid, the separator also serves to hold the liquid supporting electrolyte. Examples of the separator include a porous synthetic resin film, particularly a porous film of polyolefin polymer (polyethylene, polypropylene). Furthermore, it is preferable that the separator has a larger size than the positive electrode and the negative electrode for the purpose of ensuring the insulation between the positive electrode and the negative electrode.

本発明の非水電解液電池は、上記の要素以外に、その他必要に応じた要素とからなることが好ましい。   The non-aqueous electrolyte battery of the present invention preferably comprises other elements as needed in addition to the above elements.

以下、実施例を用いて本発明の二次電池用電極及び非水電解液電池を説明する。なお、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the secondary battery electrode and the nonaqueous electrolyte battery of the present invention will be described with reference to examples. In addition, this invention is not limited to the following Example.

本発明の実施例として、リチウムイオン二次電池用負極及びリチウムイオン二次電池(評価用セル)を製造した。   As an example of the present invention, a negative electrode for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery (evaluation cell) were manufactured.

(実施例)
(負極の製造)
平均粒径が7nmのケイ素(負極活物質,第一の活物質)90質量部、ケッチェンブラック(導電助材)5質量部、SBR(バインダ)5質量部、を準備し、NMPに分散させて第一の負極合剤スラリーを調製した。
(Example)
(Manufacture of negative electrode)
Prepare 90 parts by mass of silicon (negative electrode active material, first active material) having an average particle diameter of 7 nm , 5 parts by mass of ketjen black (conductive aid), and 5 parts by mass of SBR (binder), and disperse them in NMP. A first negative electrode mixture slurry was prepared.

調製された第一の負極合剤スラリーを、平均細孔径が20μmのニッケル多孔質体(多孔質集電体,気孔率;50%)に充填し、タック感が無くなるまで60℃で乾燥した。乾燥後、多孔質集電体の表面(両面)に付着した合剤層を、フッ素樹脂加工の施された棒状部材(φ10mm)で掻き取った。以上により、負極前駆体が製造された。   The prepared first negative electrode mixture slurry was filled in a nickel porous body (porous current collector, porosity: 50%) having an average pore diameter of 20 μm, and dried at 60 ° C. until the tackiness disappeared. After drying, the mixture layer adhering to the surface (both sides) of the porous current collector was scraped with a rod-shaped member (φ10 mm) subjected to fluororesin processing. The negative electrode precursor was manufactured by the above.

次に、平均粒径が15nmのグラファイト(負極活物質,第二の活物質)90質量部、ケッチェンブラック(導電剤)5質量部、PVDF(バインダ)5質量部、を準備し、NMPに分散させて第二の負極合剤スラリーを調製した。   Next, 90 parts by mass of graphite (negative electrode active material, second active material) having an average particle diameter of 15 nm, 5 parts by mass of ketjen black (conductive agent), and 5 parts by mass of PVDF (binder) are prepared. A second negative electrode mixture slurry was prepared by dispersing.

調製された第二の負極合剤スラリーを、負極前駆体の両面に塗布した後に、プレス乾燥してφ14mmの円形ポンチで抜き取り、120℃の真空乾燥を行ない、本実施例の負極が製造された。   After the prepared second negative electrode mixture slurry was applied to both sides of the negative electrode precursor, it was press-dried and extracted with a φ14 mm circular punch and vacuum-dried at 120 ° C. to produce the negative electrode of this example. .

(正極の製造)
LiFePO(正極活物質)80質量部、アセチレンブラック(導電助材)10質量部、PVDF(バインダ)10質量部、を準備し、N−メチルピロリドンに分散させて正極合剤スラリーを調製した。
(Manufacture of positive electrode)
80 parts by mass of LiFePO 4 (positive electrode active material), 10 parts by mass of acetylene black (conductive aid), and 10 parts by mass of PVDF (binder) were prepared and dispersed in N-methylpyrrolidone to prepare a positive electrode mixture slurry.

調製された正極合剤スラリーを、厚さ15μmのアルミニウム箔(集電体)の両面に5.0mg/φ14mmになるように塗布した後に、プレス乾燥してφ14mmの円形ポンチで抜き取り、120℃の真空乾燥を行ない、本実施例の正極が製造された。   The prepared positive electrode mixture slurry was applied to both sides of a 15 μm-thick aluminum foil (current collector) so as to be 5.0 mg / φ14 mm, then press-dried and extracted with a φ14 mm circular punch. Vacuum drying was performed to manufacture the positive electrode of this example.

(非水電解液の製造)
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比1:1で混合した混合溶媒に、LiPFを、1モル/リットルとなるように溶解させて、本実施例の非水電解液が製造された。
(Manufacture of non-aqueous electrolyte)
LiPF 6 was dissolved in a mixed solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 1: 1 so as to be 1 mol / liter, thereby producing a nonaqueous electrolytic solution of this example.

(電池の製造)
上記した正極と負極との間に、微孔を有するポリエチレンフィルムからなるセパレータを介在させて、積層させて、積層型の電極体を形成した。
(Manufacture of batteries)
A separator made of a polyethylene film having micropores was interposed between the positive electrode and the negative electrode described above to form a laminated electrode body.

製造された積層型の電極体を、電池ケースに収納した後、上記の非水電解液を注入し、蓋をして密閉し、コイン型の非水電解質電池が作成された。   After the manufactured laminated electrode body was housed in a battery case, the above-described non-aqueous electrolyte was injected, covered and sealed, and a coin-type non-aqueous electrolyte battery was produced.

(比較例1)
実施例において調製した第一の負極合剤スラリーと第二の負極合剤スラリーを、体積比1:1で混合して第三の負極合剤スラリーを調製した。
(Comparative Example 1)
The first negative electrode mixture slurry and the second negative electrode mixture slurry prepared in the examples were mixed at a volume ratio of 1: 1 to prepare a third negative electrode mixture slurry.

調製された第三の負極合剤スラリーを、厚さ20μmのニッケル箔(集電体,孔のない箔状)の両面に塗布し、プレス乾燥して本比較例の負極とした。   The prepared third negative electrode mixture slurry was applied to both surfaces of a 20 μm thick nickel foil (current collector, foil shape without holes) and press-dried to obtain a negative electrode of this comparative example.

本比較例の電池は、上記の負極を用いたこと以外は、実施例1と同様に構成された。   The battery of this comparative example was configured in the same manner as in Example 1 except that the above negative electrode was used.

(比較例2)
実施例において調製した第一の負極合剤スラリーを厚さ20μmのニッケル箔(集電体,孔のない箔状)の一方の表面に、第二の負極合剤スラリーを集電体の他方の表面に塗布し、プレス乾燥して本比較例の負極とした。本比較例の負極は、集電体の両面に、異なる材質よりなる活物質層が形成されている。
(Comparative Example 2)
The first negative electrode mixture slurry prepared in the example was placed on one surface of a 20 μm thick nickel foil (current collector, foil shape without holes), and the second negative electrode mixture slurry was placed on the other surface of the current collector. It apply | coated to the surface and press-dried to make the negative electrode of this comparative example. In the negative electrode of this comparative example, active material layers made of different materials are formed on both surfaces of the current collector.

本比較例の電池は、上記の負極を用いたこと以外は、実施例1と同様に構成された。   The battery of this comparative example was configured in the same manner as in Example 1 except that the above negative electrode was used.

(比較例3)
比較例1において調製した第三の負極合剤スラリーを、実施例で用いたニッケル箔よりなる集電体の細孔に充填し、タック感が無くなるまで60℃で乾燥した。乾燥後、多孔質集電体の表面(両面)に付着した合剤層を、フッ素樹脂加工の施された棒状部材(φ10mm)で掻き取った。以上により、本比較例の負極が製造された。
(Comparative Example 3)
The third negative electrode mixture slurry prepared in Comparative Example 1 was filled in the pores of the current collector made of the nickel foil used in the Examples, and dried at 60 ° C. until the tackiness disappeared. After drying, the mixture layer adhering to the surface (both sides) of the porous current collector was scraped with a rod-shaped member (φ10 mm) subjected to fluororesin processing. Thus, the negative electrode of this comparative example was manufactured.

本比較例の電池は、上記の負極を用いたこと以外は、実施例1と同様に構成された。   The battery of this comparative example was configured in the same manner as in Example 1 except that the above negative electrode was used.

(評価)
上記の実施例及び各比較例の電池の評価として、初回放電容量及びサイクル特性(容量維持率)を測定した。
(Evaluation)
As the evaluation of the batteries of the above Examples and Comparative Examples, initial discharge capacity and cycle characteristics (capacity maintenance ratio) were measured.

初回放電容量は、まず、充電電流0.10mA/cmで0.01Vまで定電流充電し、放電電流0.10mA/cmで1.0Vまで定電流放電を行った。この時の放電容量を初回放電容量とした。 Initial discharge capacity, first, a constant current charging at a charging current 0.10mA / cm 2 to 0.01 V, was constant current discharging at a discharging current 0.10mA / cm 2 to 1.0 V. The discharge capacity at this time was defined as the initial discharge capacity.

容量維持率は、まず、初回放電容量の測定時に施した充放電を30サイクル繰り返したときの放電容量を測定する。そして、[(30サイクル目の放電容量)/(1サイクル目の放電容量)]×100=容量維持率(%)とした。   The capacity maintenance rate is measured by first measuring the discharge capacity when 30 cycles of charge / discharge performed at the time of measuring the initial discharge capacity are repeated. Then, [(discharge capacity at 30th cycle) / (discharge capacity at 1st cycle)] × 100 = capacity maintenance ratio (%).

初回放電容量及び容量維持率の測定結果を表1に示した。   Table 1 shows the measurement results of the initial discharge capacity and the capacity retention rate.

Figure 0005832729
Figure 0005832729

表1に示したように、実施例の電池は、初回放電容量及びサイクル特性(容量維持率)のいずれもが優れたものとなっていた。   As shown in Table 1, the batteries of the examples had excellent initial discharge capacity and cycle characteristics (capacity maintenance ratio).

これに対し、比較例1〜2の電池は、初期容量は実施例の電池と同等程度であったが、容量維持率は、大きく低下していた。また、比較例3の電池は、容量維持率は実施例の電池と同等であったが、初期容量が大きく低下していた。   On the other hand, the batteries of Comparative Examples 1 and 2 had the same initial capacity as that of the battery of the example, but the capacity retention rate was greatly reduced. Further, the battery of Comparative Example 3 had a capacity retention rate equivalent to that of the battery of the example, but the initial capacity was greatly reduced.

具体的には、表1の比較例1〜3から分かるように、細孔のない箔状の集電体の表面に負極活物質を形成した比較例1〜2は大きな初期容量が得られ、多孔質集電体の細孔内に負極活物質を充填した比較例3は高い容量維持率が得られている。しかし、比較例1〜2は容量維持率が大きく低下している。このことは、箔状の集電体の表面に負極活物質層を形成して充放電を繰り返すと、負極活物質が体積変化による活物質の剥離・脱落を生じ、集電体で電気を取り出せなくなることによる。また、多孔質集電体の細孔内に負極活物質層が形成された比較例3では、比較例1〜2において生じる負極活物質の体積変化が抑えられることで高い容量維持率は得られるが、負極活物質が多孔質集電体の細孔内に充填されることで負極活物質の電極反応の反応量が抑制される。この結果、比較例3では初期容量が不十分になっている。   Specifically, as can be seen from Comparative Examples 1 to 3 in Table 1, Comparative Examples 1 and 2 in which a negative electrode active material was formed on the surface of a foil-like current collector without pores provided a large initial capacity, In Comparative Example 3 in which the negative electrode active material is filled in the pores of the porous current collector, a high capacity retention rate is obtained. However, the capacity retention rates of Comparative Examples 1 and 2 are greatly reduced. This means that when a negative electrode active material layer is formed on the surface of a foil-like current collector and charging and discharging are repeated, the negative electrode active material peels off and falls off due to volume change, and electricity can be taken out by the current collector. By disappearing. In Comparative Example 3 in which the negative electrode active material layer is formed in the pores of the porous current collector, a high capacity retention ratio can be obtained by suppressing the volume change of the negative electrode active material that occurs in Comparative Examples 1 and 2. However, since the negative electrode active material is filled in the pores of the porous current collector, the reaction amount of the electrode reaction of the negative electrode active material is suppressed. As a result, in Comparative Example 3, the initial capacity is insufficient.

これに対して、実施例の電池は、大きな電池容量を得られるSi(第一の活物質)を多孔質集電体の細孔内に充填し、多孔質集電体の表面にグラファイト(第二の活物質)を配した構造の負極を用いている。   On the other hand, in the battery of the example, Si (first active material) capable of obtaining a large battery capacity is filled in the pores of the porous current collector, and graphite (first material) is formed on the surface of the porous current collector. A negative electrode having a structure in which a second active material is arranged is used.

本実施例の電池は、大きな電池容量を得られるSi(第一の活物質)を用いることで、大きな電池容量を得ている。そして、第一の活物質を多孔質集電体の細孔内に充填することで、体積変化を抑えている。そして、多孔質集電体の表面にグラファイト(第二の活物質)を配することで、負極の表面が第二の活物質により形成される。そして、この多孔質集電体の表面に配置された第二の活物質は、第一の活物質層が集電体の細孔内から脱離することが抑える。また、第二の活物質が正極と均一に反応することで、容量維持率を高くする。   The battery of the present embodiment obtains a large battery capacity by using Si (first active material) that can obtain a large battery capacity. And the volume change is suppressed by filling the 1st active material in the pore of a porous electrical power collector. And the surface of a negative electrode is formed with a 2nd active material by arranging graphite (2nd active material) on the surface of a porous electrical power collector. Then, the second active material disposed on the surface of the porous current collector suppresses the first active material layer from being detached from the pores of the current collector. In addition, the capacity retention rate is increased by the second active material uniformly reacting with the positive electrode.

このように、実施例の電池は、多孔質集電体の細孔内に充填した第一の活物質と、多孔質集電体の表面に配された第二の活物質とを有する負極により、初回放電容量及びサイクル特性(容量維持率)のいずれもが優れたものとなっていた。   As described above, the battery of the example is composed of the negative electrode having the first active material filled in the pores of the porous current collector and the second active material arranged on the surface of the porous current collector. Both the initial discharge capacity and the cycle characteristics (capacity maintenance ratio) were excellent.

Claims (9)

導電性を有する材質により形成された多孔質集電体と、
前記多孔質集電体の細孔内に配置された、リチウムを可逆的に吸蔵・放出可能な第一の活物質を有する第一の活物質層と、
前記多孔質集電体の表面に配置された炭素材料よりなる第二の活物質を有する第二の活物質層と、を有し、
前記第一の活物質層が前記多孔質集電体の細孔内に前記多孔質集電体の表面まで配置された状態であり、
前記第一の活物質は、平均粒子径が0.5〜30nmの粒子から形成されることを特徴とする二次電池用電極。
A porous current collector formed of a conductive material;
A first active material layer having a first active material disposed in the pores of the porous current collector and capable of reversibly occluding and releasing lithium;
A second active material layer having a second active material made of a carbon material disposed on the surface of the porous current collector,
The first active material layer is disposed in the pores of the porous current collector up to the surface of the porous current collector;
The electrode for a secondary battery, wherein the first active material is formed of particles having an average particle diameter of 0.5 to 30 nm.
前記第一の活物質は、Mg,Al,Si,Zn,Ge,Bi,Snからなる群より選ばれる少なくとも一種を含む請求項1に記載の二次電池用電極。   2. The secondary battery electrode according to claim 1, wherein the first active material includes at least one selected from the group consisting of Mg, Al, Si, Zn, Ge, Bi, and Sn. 前記炭素材料は、黒鉛,グラファイト,カーボンブラック,コークス,ガラス状炭素,炭素繊維,これらの焼成体からなる群より選ばれる少なくとも一種を含む請求項1〜2のいずれかに記載の二次電池用電極。   3. The secondary battery according to claim 1, wherein the carbon material includes at least one selected from the group consisting of graphite, graphite, carbon black, coke, glassy carbon, carbon fiber, and a fired body thereof. electrode. 前記第二の活物質は、平均粒子径が1〜30nmである請求項1〜3のいずれかに記載の二次電池用電極。   The secondary battery electrode according to claim 1, wherein the second active material has an average particle diameter of 1 to 30 nm. 前記多孔質集電体は、ニッケル,銅,チタン,ステンレス,炭素からなる群より選ばれる少なくとも一種よりなる請求項1〜4のいずれかに記載の二次電池用電極。   5. The electrode for a secondary battery according to claim 1, wherein the porous current collector is made of at least one selected from the group consisting of nickel, copper, titanium, stainless steel, and carbon. 前記多孔質集電体は、発泡体,焼結体,パンチング板,不織布のいずれかよりなる請求項1〜5のいずれかに記載の二次電池用電極。   The secondary battery electrode according to claim 1, wherein the porous current collector is formed of any one of a foam, a sintered body, a punching plate, and a nonwoven fabric. 前記多孔質集電体は、30〜70%の気孔率を有する請求項1〜6のいずれかに記載の二次電池用電極。   The electrode for a secondary battery according to any one of claims 1 to 6, wherein the porous current collector has a porosity of 30 to 70%. 非水電解液二次電池用の負極である請求項1〜7のいずれかに記載の二次電池用電極。   It is a negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries, The electrode for secondary batteries in any one of Claims 1-7. 請求項1〜8のいずれかに記載の二次電池用電極を用いてなることを特徴とする非水電解液電池。
A non-aqueous electrolyte battery comprising the secondary battery electrode according to claim 1.
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