JP5994571B2 - Negative electrode material for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery - Google Patents

Negative electrode material for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery Download PDF

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Description

本発明は、非水電解液二次電池用の負極材及びそれを用いた非水電解液二次電池、特にリチウムイオン二次電池用の負極材及びそれを用いたリチウムイオン二次電池に関する。   The present invention relates to a negative electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery and a non-aqueous electrolyte secondary battery using the same, and more particularly to a negative electrode material for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery using the same.

非水電解液二次電池は、高いエネルギー密度を有する二次電池として開発が進められている。なかでも、リチウムイオン二次電池(以下、「リチウムイオン電池」とも記載する)は、特に高いエネルギー密度を有し、電気自動車用又は電力貯蔵用の二次電池として注目されている。電気自動車用途としては、例えば、エンジンを搭載しないゼロエミッション電気自動車、エンジン及び二次電池の両方を搭載したハイブリッド電気自動車、及び系統電源から充電させるプラグイン電気自動車等の用途を挙げることができる。また、電力貯蔵用途としては、例えば、電力を貯蔵し、電力系統が遮断された非常時に電力を供給する、定置式電力貯蔵システムとしての用途を挙げることができる。   Non-aqueous electrolyte secondary batteries are being developed as secondary batteries having a high energy density. Among these, lithium ion secondary batteries (hereinafter also referred to as “lithium ion batteries”) have a particularly high energy density, and are attracting attention as secondary batteries for electric vehicles or power storage. Examples of electric vehicle applications include zero emission electric vehicles not equipped with engines, hybrid electric vehicles equipped with both engines and secondary batteries, and plug-in electric vehicles charged from a system power source. Moreover, as an electric power storage use, the use as a stationary power storage system which stores electric power and supplies electric power at the time of the emergency which the electric power system was interrupted | blocked can be mentioned, for example.

上記のような用途では、充放電サイクルへの優れた耐久性が要求される。しかしながら、非水電解液二次電池で充放電サイクル数を増加させる場合、負極の容量が低下して電池特性が劣化するという問題点が存在した。   In the above applications, excellent durability to charge / discharge cycles is required. However, when the number of charge / discharge cycles is increased in a non-aqueous electrolyte secondary battery, there has been a problem that the capacity of the negative electrode is reduced and the battery characteristics are deteriorated.

充放電サイクル数の増加に伴う負極の容量低下を抑制するための技術として、例えば特許文献1は、リチウムを含有する正極活物質を含む正極合剤層を有する正極と、負極活物質を含有する負極合剤層を有する負極と、セパレータと、上記正極合剤層及び上記負極合剤層とセパレータとの間にゲル状電解質を含有するゲル電解質層とを備えた電池素子を積層ラミネート外装材に収納し、上記負極活物質は、低結晶化度の表面部分と高結晶化度の内部部分より構成された、平均粒径が異なる複数種のメソフェーズカーボンマイクロビーズの混合物からなり、上記混合物は、少なくとも、平均粒径が20μm以上、40μm以下の範囲となる大粒径のメソフェーズカーボンマイクロビーズと、平均粒径が5μm以上、16μm以下の範囲となる小粒径のメソフェーズカーボンマイクロビーズとを含み、上記小粒径のメソフェーズカーボンマイクロビーズの平均粒径は上記大粒径のメソフェーズカーボンマイクロビーズの平均粒径に対して0.55倍以下であり、上記複数種のメソフェーズカーボンマイクロビーズを粒径が小さい順に並べた際に、小粒径側から10%目の粒径をD10とし、小粒径側から50%目の粒径をD50とし、小粒径側から90%目の粒径をD90としたときに、特定の式で示す関係を満足する粒径分布を有している非水電解質電池を記載する。当該文献は、上記のように非水電解質電池における負極の負極活物質に、粒径分布域が制御された平均粒径の異なる複数種の炭素質材料を混合させたものを用いることで、電池特性を劣化させることなく、エネルギー密度を大きくさせることが可能であることを記載する。 For example, Patent Document 1 includes a positive electrode having a positive electrode mixture layer including a positive electrode active material containing lithium and a negative electrode active material as a technique for suppressing a decrease in capacity of the negative electrode accompanying an increase in the number of charge / discharge cycles. A battery element comprising a negative electrode having a negative electrode mixture layer, a separator, the positive electrode mixture layer, and a gel electrolyte layer containing a gel electrolyte between the negative electrode mixture layer and the separator is used as a laminate laminate outer material. The negative electrode active material contained is composed of a mixture of a plurality of types of mesophase carbon microbeads having different average particle diameters, which are composed of a surface portion having a low crystallinity and an internal portion having a high crystallinity. At least a large particle size mesophase carbon microbead with an average particle size of 20 μm or more and 40 μm or less and a small particle size mesophase with an average particle size of 5 μm or more and 16 μm or less The average particle size of the mesophase carbon microbeads with a small particle size is 0.55 times or less than the average particle size of the mesophase carbon microbeads with a large particle size. when arranged microbeads in particle size in ascending order, a particle size of 10% counted from smaller particle size side and D 10, a particle size of 50% counted from smaller particle size side and D 50, from the small diameter side the particle size of 90% th when the D 90, describes a non-aqueous electrolyte battery having a particle size distribution satisfying the relationship shown by the specific formula. This document uses a negative electrode active material for a negative electrode in a non-aqueous electrolyte battery as described above, which is a mixture of a plurality of types of carbonaceous materials having different average particle diameters with controlled particle size distribution regions. It is described that the energy density can be increased without deteriorating the characteristics.

特許文献2は、平均粒子径が10〜50μm、真密度が2200 kg/m3以上、黒鉛の002面の面間隔(d002)が0.337 nm未満、かさ密度が800〜1000 kg/m3、比表面積が3000〜5000 m2/kg、ラマンスペクトルの1580 cm-1付近のピーク面積(I1580)に対する1340 cm-1付近のピーク面積(I1340)の比(I1340/I1580)が0.1〜0.3、アスペクト比が5以下であり、複数の扁平状の黒鉛質粒子が互いに非平行に集合或いは結合した構造を有し、かつ粒子内に空隙を有するものである非水電解液二次電池負極用黒鉛質粒子を記載する。当該文献は、上記の黒鉛質粒子を非水電解液二次電池負極材料に用いると、電極塗工性、電極密着性、急速充放電特性、1回目の充放電特性が改善されて、高容量でかつ急速充放電特性に優れ、サイクル劣化が少なく、安全性に優れた非水電解液二次電池を提供することができると記載する。 According to Patent Document 2, the average particle size is 10 to 50 μm, the true density is 2200 kg / m 3 or more, the 002 plane spacing (d002) of graphite is less than 0.337 nm, the bulk density is 800 to 1000 kg / m 3 , the ratio The surface area is 3000 to 5000 m 2 / kg, and the ratio (I 1340 / I 1580 ) of the peak area (I 1340 ) near 1340 cm −1 to the peak area (I 1580 ) near 1580 cm −1 in the Raman spectrum is 0.1 to Non-aqueous electrolyte secondary battery negative electrode having a structure in which 0.3, an aspect ratio is 5 or less, a plurality of flat graphite particles are aggregated or bonded non-parallel to each other, and have voids in the particles The graphite particles for use are described. In this document, when the above graphite particles are used as a negative electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, electrode coating properties, electrode adhesion, rapid charge / discharge characteristics, first charge / discharge characteristics are improved, and high capacity In addition, it is described that a non-aqueous electrolyte secondary battery excellent in rapid charge / discharge characteristics, little cycle deterioration, and excellent in safety can be provided.

特許文献3は、正極と、負極活物質を含む負極と、非水電解質とを具備する非水電解質二次電池であって、前記負極は、細孔直径10μm以下の細孔直径が0.15 cc/g〜0.35 cc/gで、増加容積細孔分布において細孔直径0.4〜3.5μmにピークを有し、かつ細孔直径0.001μm〜10μmの範囲での累積細孔分布曲線の累積40%〜60%での傾きが1.5〜4.5の範囲であり、前記累積細孔分布曲線の累積80%、70%、60%、20%での細孔直径が特定の式を満足し、前記負極活物質は、黒鉛質材料粒子の表面の少なくとも一部に前記粒子よりも結晶性の低い炭素材料層を形成した複合黒鉛材料であり、特定の式を満たす粒度分布を有し、前記増加容積細孔分布曲線におけるピーク位置(P)と前記負極活物質の累積50%での負極活物質粒子径(D50)とが特定の式を満たすことを特徴とする非水電解質二次電池を記載する。当該文献は、上記の構成により、充放電サイクル寿命が向上された非水電解質二次電池を提供することができると記載する。   Patent Document 3 is a nonaqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode containing a negative electrode active material, and a nonaqueous electrolyte, wherein the negative electrode has a pore diameter of 0.15 cc / Cumulative pore distribution curve from 40% to 60% in the range of pore diameters from 0.001 μm to 10 μm at g˜0.35 cc / g with a peak in pore volume diameter of 0.4-3.5 μm in increased volume pore distribution %, The cumulative pore distribution curve has a cumulative diameter of 80%, 70%, 60%, and 20% satisfying a specific formula, and the negative electrode active material is A composite graphite material in which a carbon material layer having lower crystallinity than the particles is formed on at least a part of the surface of the graphite material particles, and has a particle size distribution satisfying a specific formula, and the increased volume pore distribution curve And the negative electrode active material particle diameter (D50) at a cumulative 50% of the negative electrode active material satisfies a specific formula A nonaqueous electrolyte secondary battery is described. This document describes that the above configuration can provide a non-aqueous electrolyte secondary battery with improved charge / discharge cycle life.

特許第4120262号公報Japanese Patent No. 4120262 特許第4635413号公報Japanese Patent No. 4635413 特許第4776190号公報Japanese Patent No. 4776190

上記のように、非水電解液二次電池における充放電サイクル寿命の向上を目的とする技術が開発されたが、充放電サイクル数の増加に伴う負極の容量低下の問題点は依然として存在した。   As described above, a technique for improving the charge / discharge cycle life in the non-aqueous electrolyte secondary battery has been developed, but there still remains a problem of a decrease in capacity of the negative electrode accompanying an increase in the number of charge / discharge cycles.

それ故、本発明は、充放電サイクル数の増加に伴う容量低下が実質的に抑制された、非水電解液二次電池用の負極材、及びそれを用いた長寿命の非水電解液二次電池を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention provides a negative electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery in which a capacity decrease accompanying an increase in the number of charge / discharge cycles is substantially suppressed, and a long-life non-aqueous electrolyte solution using the same. An object is to provide a secondary battery.

前記課題を解決するため、本発明の負極活物質は、黒鉛粒子を含む粉末からなり、該粉末の累積体積10%における粒径をD10、累積体積50%における粒径をD50としたときの粒径比D10/D50が0.1〜0.52の範囲であり、D10が1.2〜9.2μmの範囲であり、D50が10〜18.5μmの範囲であり、且つ該粉末の比表面積が3.0〜6.5 m2/g の範囲である。 In order to solve the above problems, the negative electrode active material of the present invention is made of a powder containing graphite particles, and when the particle diameter in the cumulative volume of 10% of the powder is D 10 and the particle diameter in the cumulative volume of 50% is D 50 The particle size ratio D 10 / D 50 is in the range of 0.1 to 0.52, D 10 is in the range of 1.2 to 9.2 μm, D 50 is in the range of 10 to 18.5 μm, and the specific surface area of the powder is 3.0. It is in the range of ~ 6.5 m 2 / g.

本発明により、充放電サイクル数の増加に伴う容量低下が実質的に抑制された、非水電解液二次電池用の負極材、及びそれを用いた長寿命の非水電解液二次電池を提供することが可能となる。   According to the present invention, there is provided a negative electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery in which a decrease in capacity accompanying an increase in the number of charge / discharge cycles is substantially suppressed, and a long-life non-aqueous electrolyte secondary battery using the same. It becomes possible to provide.

上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。   Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of embodiments.

本発明のリチウムイオン電池の一実施形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one Embodiment of the lithium ion battery of this invention. 本発明のリチウムイオン電池モジュールのシステムの一実施形態を示す模式図である。It is a mimetic diagram showing one embodiment of a system of a lithium ion battery module of the present invention.

以下、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
<1.負極活物質>
本発明の負極活物質は、非水電解液二次電池の負極材として好適に使用し得る。本明細書において、「非水電解液二次電池」(以下、「二次電池」とも記載する)は、非水系有機溶媒に電解質を溶解又は分散させた非水電解液を使用する二次電池であって、非水電解液中における電極への電解質の吸蔵又は放出に伴って、電気エネルギーを貯蔵(充電)又は利用(放電)する電気化学デバイスを意味する。前記非水電解液二次電池としては、例えば、リチウムイオン電池を挙げることができる。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
<1. Negative electrode active material>
The negative electrode active material of the present invention can be suitably used as a negative electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery. In this specification, “non-aqueous electrolyte secondary battery” (hereinafter also referred to as “secondary battery”) is a secondary battery using a non-aqueous electrolyte in which an electrolyte is dissolved or dispersed in a non-aqueous organic solvent. It means an electrochemical device that stores (charges) or uses (discharges) electrical energy as the electrolyte is occluded or released from the electrode in the non-aqueous electrolyte. Examples of the non-aqueous electrolyte secondary battery include a lithium ion battery.

本発明者らは、累積体積10%又は50%における粒径(以下それぞれD10又はD50とも記載する。)で特定された粒度分布を有する黒鉛粒子を負極に用いることによって、黒鉛粒子の体積変化による負極内部の応力を緩和し、非水電解液二次電池の充放電サイクル寿命が向上することを見出した。それ故、本発明の負極活物質は、D10とD50とを特定した黒鉛粒子を含む粉末からなる。 The present inventors have found that by using a graphite particles having a particle size distribution specified in the particle size (hereinafter respectively also described as D 10 or D 50.) At 10% or 50% cumulative volume in the negative electrode, the volume of graphite particles It has been found that the stress inside the negative electrode due to the change is relaxed and the charge / discharge cycle life of the non-aqueous electrolyte secondary battery is improved. Therefore, the negative electrode active material of the present invention is made of a powder containing graphite particles in which D 10 and D 50 are specified.

また、不可逆容量の増加及び/又は保存特性の悪化を生じることなく、負極の充放電サイクル寿命を延ばすためには、炭素質材料で表面が被覆された黒鉛粒子を含む粉末を負極活物質として用いることが、より望ましい。   Further, in order to extend the charge / discharge cycle life of the negative electrode without increasing the irreversible capacity and / or deteriorating the storage characteristics, a powder containing graphite particles whose surface is coated with a carbonaceous material is used as the negative electrode active material. It is more desirable.

前記黒鉛粒子としては、限定するものではないが、例えば、グラファイト構造を有する人造又は天然の黒鉛を主成分として含有する粒子を挙げることができる。コークス粉末又はピッチ等の熱処理により製造した黒鉛粒子からなることが好ましい。黒鉛粒子に黒鉛化可能なバインダ(例えば、石炭系、石油系若しくは人造等の各種ピッチ、タール、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂等の有機系材料)を配合し、焼成し黒鉛化してもよい。黒鉛粒子は、前記バインダにより造粒させることを考慮し、最終的に得られる黒鉛粒子の1/2以下の平均粒径を有することが好ましい。例えば、平均粒径5μmのコークス粉末をそのまま、或いは粉砕した後に、ピッチ系バインダを添加して焼成することにより、10μm以上の平均粒径を有する黒鉛粒子を得ることができる。或いは、所望により上記の黒鉛粒子の一部を非黒鉛粒子に置換することもできる。この場合、非黒鉛粒子としては、カーボンブラック、及び5員環若しくは6員環の環式炭化水素化合物又は含酸素環式有機化合物を熱分解することによって合成した非晶質炭素材料を挙げることができる。前記非黒鉛粒子を用いる場合、黒鉛粒子と非黒鉛粒子との配合比は、以下で説明する負極充填性及び負極活物質の粒度分布条件を満足する範囲内で適宜設定すればよい。例えば、黒鉛粒子と非黒鉛粒子との配合比は、黒鉛粒子及び非黒鉛粒子の総重量に対して、黒鉛粒子を10〜50重量%の範囲とすれば、充電特性及びサイクル寿命の点で優れた負極が得られ、黒鉛粒子を50〜100重量%の範囲とすれば、高い容量で且つサイクル寿命の優れた負極を得ることができる。   Examples of the graphite particles include, but are not limited to, particles containing, as a main component, artificial or natural graphite having a graphite structure. It is preferably made of graphite particles produced by heat treatment such as coke powder or pitch. A graphitizable binder (for example, various pitches such as coal-based, petroleum-based or artificial, organic materials such as tar, thermosetting resin, or thermoplastic resin) may be blended into graphite particles, followed by firing and graphitization. . Considering that the graphite particles are granulated by the binder, it is preferable that the graphite particles have an average particle size of 1/2 or less of the finally obtained graphite particles. For example, graphite particles having an average particle size of 10 μm or more can be obtained by adding a pitch-based binder and baking the coke powder having an average particle size of 5 μm as it is or after pulverization. Alternatively, if desired, a part of the above graphite particles can be replaced with non-graphite particles. In this case, examples of the non-graphite particles include carbon black and an amorphous carbon material synthesized by pyrolyzing a 5-membered or 6-membered cyclic hydrocarbon compound or an oxygen-containing cyclic organic compound. it can. When the non-graphite particles are used, the blending ratio of the graphite particles to the non-graphite particles may be appropriately set within the range satisfying the negative electrode filling property and the particle size distribution condition of the negative electrode active material described below. For example, the blending ratio of graphite particles to non-graphite particles is excellent in terms of charging characteristics and cycle life if the graphite particles are in the range of 10 to 50% by weight with respect to the total weight of the graphite particles and non-graphite particles. A negative electrode having a high capacity and an excellent cycle life can be obtained by setting the graphite particles in the range of 50 to 100% by weight.

上記の黒鉛粒子及び所望により非黒鉛粒子を含有する黒鉛粒子を負極活物質の材料として用いることにより、充放電サイクル寿命特性に優れた長寿命の非水電解液二次電池を製造することが可能となる。   By using the above graphite particles and, if desired, graphite particles containing non-graphite particles as the material of the negative electrode active material, it is possible to produce a long-life non-aqueous electrolyte secondary battery with excellent charge / discharge cycle life characteristics It becomes.

黒鉛粒子の形状は、球状、塊状又は扁平球状であることが好ましい。この場合、黒鉛粒子の平均粒径は、1〜数十μmの範囲であることが好ましく、10〜18.5μmの範囲であることがより好ましい。平均粒径が上記の範囲を超える場合、負極活物質の粒度分布を以下で説明する範囲に制御することが困難となるため、好ましくない。或いは、黒鉛粒子の形状は、例えば燐片状又は繊維状のように、アスペクト比の大きな形状であっても良い。但し、核材全体のアスペクト比は、1〜5の範囲であることが好ましく、1〜3の範囲であることがより好ましい。この場合、核材結晶のc軸長さ(以下、「Lc」とも記載する)は、上記のアスペクト比を満足する範囲内であれば、特に限定されない。アスペクト比が上記の範囲を超える場合、大きい無定形の粒子の比率が多くなり、負極活物質の粒度分布を以下で説明する範囲に制御しても、無定形粒子が負極の充填性を低下させるため、好ましくない。   The shape of the graphite particles is preferably spherical, massive or flat spherical. In this case, the average particle size of the graphite particles is preferably in the range of 1 to several tens of μm, and more preferably in the range of 10 to 18.5 μm. When the average particle size exceeds the above range, it is difficult to control the particle size distribution of the negative electrode active material to the range described below, which is not preferable. Alternatively, the shape of the graphite particles may be a shape having a large aspect ratio such as a flake shape or a fiber shape. However, the aspect ratio of the entire core material is preferably in the range of 1 to 5, and more preferably in the range of 1 to 3. In this case, the c-axis length of the core material crystal (hereinafter also referred to as “Lc”) is not particularly limited as long as it satisfies the above aspect ratio. When the aspect ratio exceeds the above range, the ratio of large amorphous particles increases, and even if the particle size distribution of the negative electrode active material is controlled to the range described below, the amorphous particles lower the negative electrode fillability. Therefore, it is not preferable.

なお、黒鉛粒子の平均粒径は、限定するものではないが、例えば、レーザー散乱を利用した粒度分布測定装置(例えばマイクロトラック)を用いて、決定することができる。また、核材結晶のc軸長さ(Lc)は、限定するものではないが、例えば、X線源としてCuKα線を用いるX線回折法により、決定することができる。   In addition, although the average particle diameter of graphite particle | grains is not limited, For example, it can be determined using the particle size distribution measuring apparatus (for example, microtrack) using laser scattering. Further, the c-axis length (Lc) of the core material crystal is not limited, but can be determined by, for example, an X-ray diffraction method using CuKα rays as an X-ray source.

前記黒鉛粒子の結晶性は、黒鉛面指数(002)の距離(以下、「d002」とも記載する)が0.3345〜0.3370 nmの範囲であることが好ましい。d002が上記の範囲である場合、低い負極電位での電解質(例えばリチウムイオン)の吸蔵量が大きくなり、結果として得られる非水電解液二次電池のエネルギー(Wh)が増大するため、好ましい。 Regarding the crystallinity of the graphite particles, the distance of the graphite plane index (002) (hereinafter also referred to as “d 002 ”) is preferably in the range of 0.3345 to 0.3370 nm. When d002 is in the above range, the occlusion amount of the electrolyte (for example, lithium ion) at a low negative electrode potential increases, and the energy (Wh) of the resulting nonaqueous electrolyte secondary battery increases, which is preferable. .

なお、黒鉛結晶の黒鉛面指数(002)の距離(d002)は、限定するものではないが、例えば、X線源としてCuKα線を用いるX線広角回折法により、決定することができる。 The distance (d 002 ) of the graphite plane index (002) of the graphite crystal is not limited, but can be determined by, for example, an X-ray wide angle diffraction method using CuKα rays as an X-ray source.

前記黒鉛粒子は、当該技術分野で公知の方法によって調製すればよい。例えば、上記で説明した材料を所定の配合比で混合及び粉砕し、加圧成形した後で不活性気体雰囲気中で焼成する。その後、得られた焼成物を粉砕して、黒鉛を含有する微細な核材粉末を得ることができる。上記の方法において、粉砕手段としては、例えば、ハンマーミルを挙げることができる。また、不活性気体としては、窒素又はアルゴンを挙げることができる。焼成温度は、400〜3000℃の範囲であることが好ましい。焼成時間は、1〜50時間の範囲であることが好ましい。温度を高くするほど、黒鉛化に必要な焼成時間を短くすることが可能である。   The graphite particles may be prepared by a method known in the technical field. For example, the materials described above are mixed and pulverized at a predetermined blending ratio, pressure-molded, and then fired in an inert gas atmosphere. Thereafter, the fired product obtained can be pulverized to obtain fine core material powder containing graphite. In the above method, examples of the pulverizing means include a hammer mill. Moreover, nitrogen or argon can be mentioned as an inert gas. The firing temperature is preferably in the range of 400 to 3000 ° C. The firing time is preferably in the range of 1 to 50 hours. The higher the temperature, the shorter the firing time required for graphitization.

前記黒鉛粒子は、黒鉛を含有する核材の表面に被覆層が配置されている形態であってもよい。例えば、黒鉛からなる核材の表面に被覆層が形成された、いわゆるコア・シェル構造の形態であることが好ましい。前記被覆層の厚さは、5〜200 nmの範囲であることが好ましい。被覆層の厚さが5 nmを超える範囲である場合、電解液中の有機溶媒が被覆層を浸透して核材表面に到達し難くなり、結果として該表面において有機溶媒の還元分解反応が生じる可能性が低くなるため、好ましい。また、被覆層の厚さが200 nm未満の範囲である場合、リチウムイオンのような電解質の拡散が阻害されず、結果として大電流における容量が低下する可能性が低くなるため、好ましい。なお、被覆層の厚さは、以下において説明する被覆層の調製において、被覆層を形成する炭素質材料と核材との配合比及び/又は加熱処理若しくは熱分解処理の条件を適宜設定することにより、調整することができる。   The graphite particles may have a form in which a coating layer is disposed on the surface of a core material containing graphite. For example, a so-called core / shell structure in which a coating layer is formed on the surface of a core material made of graphite is preferable. The coating layer preferably has a thickness in the range of 5 to 200 nm. When the thickness of the coating layer exceeds 5 nm, the organic solvent in the electrolytic solution penetrates the coating layer and hardly reaches the core material surface, resulting in a reductive decomposition reaction of the organic solvent on the surface. This is preferable because the possibility is reduced. Moreover, it is preferable that the thickness of the coating layer is less than 200 nm because diffusion of an electrolyte such as lithium ion is not inhibited, and as a result, the capacity at a large current decreases. In addition, the thickness of the coating layer is appropriately set in the preparation of the coating layer described below, with respect to the mixing ratio of the carbonaceous material and the core material forming the coating layer and / or the conditions of the heat treatment or pyrolysis treatment. Can be adjusted.

前記被覆層は、多孔質であるよりも、緻密な構造であることが好ましい。緻密な構造である場合、電解液中の有機溶媒が被覆層を浸透して核材表面に到達することが抑制され、結果として該表面において有機溶媒の還元分解反応が生じる可能性が低くなるため、好ましい。   The coating layer preferably has a dense structure rather than a porous structure. In the case of a dense structure, the organic solvent in the electrolytic solution is prevented from penetrating the coating layer and reaching the core material surface, and as a result, the possibility of reductive decomposition reaction of the organic solvent on the surface is reduced. ,preferable.

なお、被覆層の厚さ及び構造は、限定するものではないが、例えば、集束イオンビーム(FIB:Focused Ion Beam)加工装置を用いて、被覆層が形成された核材粒子の断面を切り出し、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)を用いて被覆層の厚さ及び構造を測定することにより、決定することができる。   Although the thickness and structure of the coating layer are not limited, for example, using a focused ion beam (FIB) processing apparatus, a cross-section of the core material particle on which the coating layer is formed, It can be determined by measuring the thickness and structure of the coating layer using a transmission electron microscope (TEM).

前記被覆層は、炭素を主成分として含有する。被覆層の材料としては、限定するものではないが、例えば、フェノール樹脂(例えばノボラック型フェノール樹脂)、並びにナフタレン、アントラセン及びクレオソート油等の多環芳香族炭化水素である炭素質材料を挙げることができる。この場合、例えば、前記炭素質材料を有機溶媒中に含有する溶液中に、上記で説明した核材を浸漬・分散させた後、該核材を濾取し、乾燥及び加熱処理することにより、表面に被覆層が形成された核材を調製することができる。前記加熱処理の温度は、200〜1000℃の範囲であることが好ましく、500〜800℃の範囲であることがより好ましい。また、前記加熱処理の時間は、1〜50時間の範囲であることが好ましい。加熱処理の温度が500〜800℃の範囲である場合、被覆層の体積弾性率が核材の体積弾性率よりも小さくなるため、より好ましい。   The coating layer contains carbon as a main component. Examples of the material for the covering layer include, but are not limited to, a phenolic resin (for example, novolac-type phenolic resin) and a carbonaceous material that is a polycyclic aromatic hydrocarbon such as naphthalene, anthracene, and creosote oil. Can do. In this case, for example, after immersing and dispersing the core material described above in a solution containing the carbonaceous material in an organic solvent, the core material is filtered, dried and heat-treated, A core material having a coating layer formed on the surface can be prepared. The temperature of the heat treatment is preferably in the range of 200 to 1000 ° C, and more preferably in the range of 500 to 800 ° C. The heat treatment time is preferably in the range of 1 to 50 hours. When the temperature of the heat treatment is in the range of 500 to 800 ° C., the bulk modulus of the coating layer is smaller than the bulk modulus of the core material, which is more preferable.

或いは、前記被覆層の材料として、ポリビニルアルコール、又はポリ塩化ビニル若しくはポリビニルピロリドン等のような含酸素有機化合物を用いてもよい。この場合、例えば、上記の化合物と上記で説明した核材とを混合した後、該混合物を加熱して前記化合物を熱分解させることにより、表面に被覆層が形成された核材を調製することができる。前記熱分解の温度は、200〜400℃の範囲であることが好ましく、300〜400℃の範囲であることがより好ましい。また、前記熱分解の時間は、1〜50時間の範囲であることが好ましい。熱分解の温度が300〜400℃の範囲である場合、熱分解された化合物によって形成される被覆層が核材に強固に結合されるため、より好ましい。   Alternatively, as the material for the coating layer, polyvinyl alcohol, or an oxygen-containing organic compound such as polyvinyl chloride or polyvinyl pyrrolidone may be used. In this case, for example, after mixing the above-described compound and the core material described above, the core material having a coating layer formed on the surface thereof is prepared by heating the mixture to thermally decompose the compound. Can do. The pyrolysis temperature is preferably in the range of 200 to 400 ° C, more preferably in the range of 300 to 400 ° C. The thermal decomposition time is preferably in the range of 1 to 50 hours. When the temperature of thermal decomposition is in the range of 300 to 400 ° C., the coating layer formed by the thermally decomposed compound is firmly bonded to the core material, and thus is more preferable.

また、前記被覆層は、上記の炭素質材料に由来する炭素に加えて、少量の窒素、リン、酸素、アルカリ金属、アルカリ土類金属又は遷移金属を含有していてもよい。例えば、前記元素の表面濃度をX線光電子分光装置にて決定した場合、その原子濃度が炭素に対して0.01〜10原子%の範囲で含まれていてもよい。炭素以外の元素が添加されることにより、被覆層の強度が増大したり、且つ/又は電解液の分解反応を抑制する効果が得られる。なお、炭素濃度は、90原子%以上とするのが好適である。   The coating layer may contain a small amount of nitrogen, phosphorus, oxygen, alkali metal, alkaline earth metal, or transition metal in addition to the carbon derived from the carbonaceous material. For example, when the surface concentration of the element is determined by an X-ray photoelectron spectrometer, the atomic concentration may be included in the range of 0.01 to 10 atomic% with respect to carbon. By adding an element other than carbon, an effect of increasing the strength of the coating layer and / or suppressing the decomposition reaction of the electrolytic solution can be obtained. The carbon concentration is preferably 90 atomic% or more.

なお、被覆層に含有される炭素の含有量の計測方法は、限定するものではないが、被覆層の形成前後の重量測定から被覆層の重量を求め、前記原子濃度から炭素の含有量を計算することができる。   The method for measuring the carbon content contained in the coating layer is not limited, but the weight of the coating layer is obtained from the weight measurement before and after the formation of the coating layer, and the carbon content is calculated from the atomic concentration. can do.

上記の炭素質材料及び他の材料を含有する被覆層を核材の表面に配置することにより、電解液中の有機溶媒が被覆層を浸透して核材に到達することを防止しつつ、リチウムイオンのような電解質が被覆層を通過して核材に接触することが可能となる。   By disposing a coating layer containing the above carbonaceous material and other materials on the surface of the core material, the organic solvent in the electrolytic solution prevents the penetration of the coating layer and reaches the core material, while lithium. An electrolyte such as ions can pass through the coating layer and contact the core material.

ただし、本発明の第一の目的は、負極内部の応力の低減による負極のサイクル寿命を向上させることにある。それ故、黒鉛粒子表面の被覆は必須ではない。充放電サイクルに伴う黒鉛粒子の体積変化は、黒鉛粒子表面の被覆の有無によってほとんど影響を受けないからである。   However, the first object of the present invention is to improve the cycle life of the negative electrode by reducing the stress inside the negative electrode. Therefore, the coating of the graphite particle surface is not essential. This is because the volume change of the graphite particles accompanying the charge / discharge cycle is hardly affected by the presence or absence of coating on the surface of the graphite particles.

本発明の負極活物質を構成する粉末は、前記黒鉛粒子に加えて、場合により、例えばリチウムイオンのような電解質を電気化学的に吸蔵及び/又は放出可能な他の材料の粒子をさらに含むこともできる。前記他の材料としては、黒鉛面指数(002)の距離(d002)が0.3370 nmよりも大きな炭素材料、例えば、膨張黒鉛、ピッチ系非晶質炭素質材料、炭化ケイ素、及びニードルコークス又は石油コークス等から製造された非晶質炭素材料を挙げることができる。タールピッチ若しくはコールタールのようなピッチ系非晶質炭素質材料又は非晶質の炭化ケイ素等の、非晶質炭素材料の粒子が好ましい。前記他の材料の粒子は非晶質であるため、その表面に被覆層を配置することなく本発明の負極活物質に使用することができる。また、前記他の材料の粒子は、黒鉛粒子よりも充放電レート特性に優れている。本発明の負極活物質が黒鉛粒子及び他の材料の粒子を含む粉末からなる場合、黒鉛粒子に対する他の材料の粒子の配合比は、以下で説明する負極充填性及び負極活物質の粒度分布条件を満足する範囲内で適宜設定すればよい。例えば、黒鉛粒子と他の材料の粒子との配合比は、黒鉛粒子及び他の材料の粒子の総体積に対して、黒鉛粒子が50体積%以上、好ましくは50〜90体積%の範囲の場合、黒鉛のサイクル寿命を向上させることができる。本発明の負極活物質が前記他の材料の粒子を含むことにより、負極活物質のサイクル寿命の向上に加え、充放電レート特性を改善させることが可能となる。特に、黒鉛粒子と比較して充放電サイクル時における体積変化の小さな低結晶炭素(前記非晶質炭素材料が例示される。)を10%以上添加すれば、その低結晶炭素粒子周りの空隙が充電時の黒鉛の体積増加分(約10%)を吸収し得る。そのため、黒鉛粒子の配合比を90体積%未満にすることにより、サイクル寿命を向上させることができる。また、黒鉛粒子の配合比を50体積%以上とすることにより、黒鉛粒子に対する他の材料の粒子の配合比が過剰となって生じる、負極の容量密度の低下を回避することができる。 In addition to the graphite particles, the powder constituting the negative electrode active material of the present invention may further include particles of other materials that can electrochemically occlude and / or release electrolytes such as lithium ions. You can also. Examples of the other materials include carbon materials having a graphite surface index (002) distance (d 002 ) larger than 0.3370 nm, such as expanded graphite, pitch-based amorphous carbonaceous material, silicon carbide, and needle coke or petroleum. An amorphous carbon material produced from coke or the like can be mentioned. Particles of an amorphous carbon material such as a pitch-based amorphous carbonaceous material such as tar pitch or coal tar or amorphous silicon carbide are preferred. Since the particle | grains of said other material are amorphous, it can be used for the negative electrode active material of this invention, without arrange | positioning a coating layer on the surface. In addition, the particles of the other materials are more excellent in charge / discharge rate characteristics than the graphite particles. When the negative electrode active material of the present invention is composed of a powder containing graphite particles and particles of other materials, the mixing ratio of the particles of other materials to the graphite particles is the negative electrode filling property and the particle size distribution condition of the negative electrode active material described below. May be set as appropriate within a range satisfying the above. For example, the blending ratio of graphite particles to other material particles is 50% by volume or more, preferably 50 to 90% by volume of graphite particles with respect to the total volume of the graphite particles and other material particles. The cycle life of graphite can be improved. When the negative electrode active material of the present invention contains particles of the other material, it is possible to improve the charge / discharge rate characteristics in addition to the improvement of the cycle life of the negative electrode active material. In particular, if 10% or more of low crystalline carbon (which is exemplified by the amorphous carbon material) having a small volume change during charge / discharge cycles compared to graphite particles is added, voids around the low crystalline carbon particles are reduced. It can absorb the volume increase of graphite (about 10%) during charging. Therefore, cycle life can be improved by making the compounding ratio of the graphite particles less than 90% by volume. Moreover, by setting the blending ratio of the graphite particles to 50% by volume or more, it is possible to avoid a decrease in the capacity density of the negative electrode, which is caused by an excessive blending ratio of the particles of the other materials with respect to the graphite particles.

本発明者らは、本発明の粒度分布を有する黒鉛粒子を含む粉末からなる負極活物質において、以下で説明する4種類の物性を好適な範囲に調整することにより、該負極活物質を使用した二次電池は、不可逆容量の増加及び/又は保存特性の悪化を生じることなく、充放電サイクル数の増加に伴う容量低下が実質的に抑制された長寿命の二次電池となることを見出した。   The present inventors used the negative electrode active material by adjusting the four types of physical properties described below to a suitable range in the negative electrode active material comprising a powder containing graphite particles having a particle size distribution of the present invention. The secondary battery was found to be a long-life secondary battery in which the capacity reduction accompanying an increase in the number of charge / discharge cycles was substantially suppressed without causing an increase in irreversible capacity and / or deterioration in storage characteristics. .

第一に、本発明の負極活物質は、面指数(002)の距離(d002)が0.3345〜0.3370 nmの範囲であることが好ましい。d002が上記の範囲内である負極活物質の粉末は、黒鉛結晶を含有する。それ故、上記の範囲のd002を有する負極活物質を用いることにより、高容量の負極を得ることが可能となる。 First, the negative electrode active material of the present invention preferably has a plane index (002) distance (d 002 ) in the range of 0.3345 to 0.3370 nm. The powder of the negative electrode active material in which d002 is in the above range contains graphite crystals. Therefore, by using a negative electrode active material having d 002 in the above range, a high capacity negative electrode can be obtained.

なお、負極活物質の面指数(002)の距離(d002)は、限定するものではないが、例えば、X線源としてCuKα線を用いるX線広角回折法によって決定することができる。 The distance (d 002 ) of the surface index (002) of the negative electrode active material is not limited, but can be determined by, for example, an X-ray wide angle diffraction method using CuKα rays as an X-ray source.

第二に、本発明の負極活物質は、比表面積が3.0〜6.5 m2/gの範囲であることが好ましい。比表面積が上記の範囲を超える場合、負極活物質の粒子表面における電解質(例えばリチウムイオン)の吸蔵放出速度が速くなるものの、電解液の分解反応のサイトが増加するため、好ましくない。それ故、上記の範囲の比表面積を有する負極活物質を用いることにより、負極性能の向上及び劣化抑止を両立して、高容量且つ長寿命の負極を得ることが可能となる。また、比表面積を4.0〜5.5 m2/gの範囲にすれば、さらに高容量で長寿命な負極を提供することができる。 Second, the negative electrode active material of the present invention preferably has a specific surface area of 3.0 to 6.5 m 2 / g. When the specific surface area exceeds the above range, although the occlusion / release rate of the electrolyte (for example, lithium ion) on the particle surface of the negative electrode active material is increased, the site of the decomposition reaction of the electrolytic solution is increased, which is not preferable. Therefore, by using a negative electrode active material having a specific surface area in the above range, it is possible to obtain a negative electrode having a high capacity and a long life while improving both negative electrode performance and suppressing deterioration. Moreover, if the specific surface area is in the range of 4.0 to 5.5 m 2 / g, a negative electrode having a higher capacity and a longer life can be provided.

なお、負極活物質の比表面積は、限定するものではないが、例えば、公知のガス吸着を利用したBET比表面積測定装置を用いて決定することができる。前記比表面積は、粒度分布又は表面被覆の程度により調整することが可能である。   The specific surface area of the negative electrode active material is not limited, but can be determined using, for example, a known BET specific surface area measurement apparatus utilizing gas adsorption. The specific surface area can be adjusted by the particle size distribution or the degree of surface coating.

第三に、本発明の負極活物質は、ラマンスペクトルにおいて、1580 cm-1(Gバンド)領域のピーク強度に対する1360 cm-1(Dバンド)領域のピーク強度の比(I1360/I1580)が0.1〜0.6の範囲であることが好ましく、0.1〜0.3の範囲であることがより好ましい。黒鉛のラマンスペクトルにおいて、Dバンド領域の吸収は乱層構造を、Gバンド領域の吸収は黒鉛結晶構造を示す。黒鉛からなる核材の表面に低結晶の炭素質被覆層を有する黒鉛粒子を用いれば、電解液の分解を抑制しやすくなるので、さらに望ましい。本発明の負極活物質のラマンスペクトルの場合、Gバンド領域の吸収は、被覆層の結晶性が高いほど(黒鉛の結晶に近くなるほど)強くなり、Dバンド領域の吸収は、非晶質になるほど強くなる。すなわち、前記ピーク強度の比は、黒鉛粒子表面の非晶質の程度を表す指標となる。前記ピーク強度の比が0.1〜0.3の範囲である場合、被覆層が核材に近い結晶性を有する。このような負極活物質は、高密度の加圧成形時に被覆層が破壊されにくくなるだけでなく、充放電サイクル時に被覆層が核材表面から剥離しにくくなるため、より好ましい。それ故、上記の範囲のピーク強度の比(I1360/I1580)を有する負極活物質を用いることにより、高容量且つ長寿命の負極を得ることが可能となる。 Third, in the Raman spectrum, the ratio of the peak intensity in the 1360 cm −1 (D band) region to the peak intensity in the 1580 cm −1 (G band) region in the Raman spectrum (I 1360 / I 1580 ) Is preferably in the range of 0.1 to 0.6, more preferably in the range of 0.1 to 0.3. In the Raman spectrum of graphite, the absorption in the D band region shows a turbulent structure, and the absorption in the G band region shows a graphite crystal structure. The use of graphite particles having a low crystalline carbonaceous coating layer on the surface of a graphite core material is more desirable because it facilitates suppressing decomposition of the electrolyte. In the case of the Raman spectrum of the negative electrode active material of the present invention, the absorption in the G band region becomes stronger as the crystallinity of the coating layer becomes higher (closer to the crystal of graphite), and the absorption in the D band region becomes more amorphous. Become stronger. That is, the peak intensity ratio is an index representing the degree of amorphousness of the graphite particle surface. When the peak intensity ratio is in the range of 0.1 to 0.3, the coating layer has crystallinity close to that of the core material. Such a negative electrode active material is more preferable because not only the coating layer is not easily destroyed during high-density pressure molding, but also the coating layer is difficult to peel off from the surface of the core material during a charge / discharge cycle. Therefore, by using a negative electrode active material having a peak intensity ratio (I 1360 / I 1580 ) in the above range, a negative electrode having a high capacity and a long life can be obtained.

また、前記ピーク強度の比が上記の範囲であり、且つ被覆層の厚さが上記の範囲である負極活物質を用いることにより、さらに高容量且つ長寿命の負極を得ることが可能となる。   Further, by using a negative electrode active material in which the ratio of the peak intensities is in the above range and the thickness of the coating layer is in the above range, it is possible to obtain a negative electrode having a higher capacity and a longer life.

なお、負極活物質のI1360/I1580のピーク強度の比は、限定するものではないが、例えば、アルゴンレーザーを用いる公知のレーザーラマン分光装置を用いてラマンスペクトルを測定し、1360 cm-1(Dバンド)及び1580 cm-1(Gバンド)の波数領域のピークを検出し、1580 cm-1(Gバンド)領域のピーク強度に対する1360 cm-1(Dバンド)領域のピーク強度の比(I1360/I1580)を算出することにより、決定することができる。 Note that the ratio of the peak intensity of I 1360 / I 1580 of the negative electrode active material is not limited, but, for example, a Raman spectrum is measured using a known laser Raman spectrometer using an argon laser, and 1360 cm −1. (D band) and 1580 cm -1 (G band) peak in the wave number region are detected, and the ratio of peak intensity in the 1360 cm -1 (D band) region to the peak intensity in the 1580 cm -1 (G band) region ( It can be determined by calculating I 1360 / I 1580 ).

第四に、本発明の負極活物質は、該負極活物質の粉末の累積体積10%における粒径をD10、累積体積50%における粒径をD50としたとき、D10は1.2〜9.2μmの範囲であることが好ましい。また、D50は、10〜18.5μmの範囲であることが好ましい。ここで、本発明の負極活物質が黒鉛粒子の粉末のみからなる場合、前記D10及びD50は、黒鉛粒子の粉末の粒径分布に基づき決定される。また、本発明の該負極活物質が黒鉛粒子及び他の材料の粒子を含む粉末からなる場合、前記D10及びD50は、黒鉛粒子及び他の材料の粒子を含む粉末全体の粒径分布に基づき決定される。D50が上記の範囲である場合、該負極活物質を用いた二次電池は、負極内部の応力が低減され、サイクル寿命が向上する。さらに、不可逆容量が低く、且つ高容量となるため好ましい。特に、D50が18.5μmを超える範囲である場合、比表面積が小さくなって充放電に係る反応面積が低下する。このような負極活物質を用いた二次電池は、高レート放電特性が低くなるため、好ましくない。また、粒径比D10/D50は、0.1〜0.52の範囲であることが好ましく、0.29〜0.47の範囲であることがより好ましい。粒径比D10/D50が0.1〜0.52の範囲である場合、該負極活物質の粉末のタップ密度が高くなり、該粒子間の接触確保が容易となる。このような負極活物質を用いた二次電池は、容量維持率が高く、長寿命となるため好ましい。また、粒径比D10/D50が0.29〜0.47の範囲である場合、該負極活物質の粉末の比表面積が減少する。このような負極活物質を用いた二次電池は、負極の不可逆容量が低下するため好ましい。 Fourth, the negative electrode active material of the present invention, D 10 particle size of 10% cumulative volume of the powder of the negative electrode active material, when the particle diameter at a cumulative volume of 50% was D 50, D 10 is 1.2 to 9.2 A range of μm is preferred. Further, D 50 is preferably in the range of 10 to 18.5 μm. Here, when the negative electrode active material of the present invention is composed only of graphite particle powder, the D 10 and D 50 are determined based on the particle size distribution of the graphite particle powder. Further, when the negative electrode active material of the present invention is composed of a powder containing graphite particles and particles of other materials, the D 10 and D 50 have a particle size distribution of the entire powder containing graphite particles and particles of other materials. To be determined. When D 50 is in the above range, in the secondary battery using the negative electrode active material, the stress inside the negative electrode is reduced and the cycle life is improved. Furthermore, it is preferable because the irreversible capacity is low and the capacity is high. In particular, when D 50 is in a range exceeding 18.5 μm, the specific surface area becomes small and the reaction area related to charge / discharge decreases. A secondary battery using such a negative electrode active material is not preferable because high-rate discharge characteristics are lowered. The particle size ratio D 10 / D 50 is preferably in the range of 0.1 to 0.52, and more preferably in the range of 0.29 to 0.47. When the particle size ratio D 10 / D 50 is in the range of 0.1 to 0.52, the tap density of the powder of the negative electrode active material is increased, and it is easy to ensure contact between the particles. A secondary battery using such a negative electrode active material is preferable because it has a high capacity retention rate and a long life. Further, when the particle size ratio D 10 / D 50 is in the range of 0.29 to 0.47, the specific surface area of the negative electrode active material powder decreases. A secondary battery using such a negative electrode active material is preferable because the irreversible capacity of the negative electrode is reduced.

なお、D10/D50、D10及びD50は、限定するものではないが、例えば、レーザー散乱を利用した粒度分布測定装置を用いて、水に懸濁させた負極活物質の粉末の粒度分布を測定することによって決定することができる。 D 10 / D 50 , D 10 and D 50 are not limited, but, for example, the particle size of the powder of the negative electrode active material suspended in water using a particle size distribution measuring device utilizing laser scattering It can be determined by measuring the distribution.

本発明の負極活物質の4種類の物性を上記の範囲に調整する手段としては、当該技術分野で公知の分級処理を挙げることができる。例えば、上記で説明した方法により、黒鉛粒子及び所望により他の材料の粒子を含む粉末を調製し、風流分級装置又はふるい分級を用いて該粉末を数段階の粒径を有する粒子群に分級する。その後、各粒子群の混合比を適宜調整して混合することにより、好適な範囲の物性を有する負極活物質の粉末を得ることができる。   Examples of means for adjusting the four physical properties of the negative electrode active material of the present invention to the above ranges include classification treatments known in the art. For example, a powder containing graphite particles and optionally particles of other materials is prepared by the method described above, and the powder is classified into particles having a particle size of several stages using an airflow classifier or sieve classification. . Then, the powder of the negative electrode active material which has a suitable physical property can be obtained by adjusting the mixing ratio of each particle group suitably, and mixing.

上記の特徴を有する負極活物質を用いることにより、不可逆容量の増加及び/又は保存特性の悪化を生じることなく、充放電サイクル数の増加に伴う容量低下が実質的に抑制された、長寿命の二次電池を得ることが可能となる。   By using the negative electrode active material having the above-mentioned characteristics, the long-life is substantially suppressed from being reduced in capacity with an increase in the number of charge / discharge cycles without causing an increase in irreversible capacity and / or deterioration in storage characteristics. A secondary battery can be obtained.

<2. 負極>
本発明の負極活物質は、非水電解液二次電池(例えばリチウムイオン電池)の負極材として好適に使用し得る。それ故、本発明はまた、集電体と、本発明の負極活物質を含む負極合剤層とを有する負極に関する。なお、本明細書の実施例では、黒鉛からなる核材表面を低結晶炭素で被覆した黒鉛粒子を用いて負極を作製しているが、被覆のない黒鉛粒子を用いて作製した負極であっても充放電に伴う体積変化に対する寄与は同じである。それ故、本発明の負極において、表面を被覆していない黒鉛粒子を混合して用いてもよい。
<2. Negative electrode>
The negative electrode active material of the present invention can be suitably used as a negative electrode material for non-aqueous electrolyte secondary batteries (for example, lithium ion batteries). Therefore, the present invention also relates to a negative electrode having a current collector and a negative electrode mixture layer containing the negative electrode active material of the present invention. In the examples of the present specification, the negative electrode was prepared using graphite particles in which the surface of the core material made of graphite was coated with low crystalline carbon. However, the negative electrode was prepared using uncoated graphite particles. The contribution to the volume change accompanying charging / discharging is the same. Therefore, in the negative electrode of the present invention, graphite particles not coated on the surface may be mixed and used.

本発明の負極に使用される集電体は、当該技術分野で慣用される任意の集電体であればよい。前記集電体の材質としては、例えば、銅、ステンレス鋼、チタン及びニッケル等を挙げることができる。例えば、厚さが10〜100μmの銅箔、厚さが10〜100μmで且つ孔径0.1〜10mmの銅製穿孔箔、エキスパンドメタル又は発泡金属板等であることが好ましい。   The current collector used in the negative electrode of the present invention may be any current collector commonly used in the technical field. Examples of the material for the current collector include copper, stainless steel, titanium, and nickel. For example, a copper foil having a thickness of 10 to 100 μm, a copper perforated foil having a thickness of 10 to 100 μm and a hole diameter of 0.1 to 10 mm, an expanded metal or a foamed metal plate is preferable.

本発明の負極に含まれる負極合剤層は、通常、本発明の負極活物質に加えて、バインダを含む。前記バインダは、当該技術分野で慣用される任意のバインダであればよい。例えば、スチレン-ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース及びポリフッ化ビニリデン(PVDF)、並びにこれらの混合物を挙げることができる。スチレン-ブタジエンゴム及びカルボキシメチルセルロースの混合物であることが好ましい。   The negative electrode mixture layer contained in the negative electrode of the present invention usually contains a binder in addition to the negative electrode active material of the present invention. The binder may be any binder commonly used in the technical field. For example, mention may be made of styrene-butadiene rubber, carboxymethylcellulose and polyvinylidene fluoride (PVDF), and mixtures thereof. A mixture of styrene-butadiene rubber and carboxymethylcellulose is preferred.

本発明の負極において、前記負極合剤層は、前記集電体の表面に配置される。例えば、前記負極合剤層が、前記集電体の表面に接着されていることが好ましい。この場合、前記負極合剤層の厚さは、特に限定されないが、1〜100μmの範囲であることが好ましい。特に1〜50μmの範囲にすれば、負極に流れる電流密度が大きくなっても、負極の抵抗に起因する電圧損失を小さくすることが可能となる。   In the negative electrode of the present invention, the negative electrode mixture layer is disposed on the surface of the current collector. For example, the negative electrode mixture layer is preferably adhered to the surface of the current collector. In this case, the thickness of the negative electrode mixture layer is not particularly limited, but is preferably in the range of 1 to 100 μm. In particular, when the thickness is in the range of 1 to 50 μm, it is possible to reduce the voltage loss due to the resistance of the negative electrode even if the current density flowing through the negative electrode increases.

本発明の負極は、当該技術分野で公知の方法によって作製することができる。本発明の負極活物質は、通常、粒子状又は塊状である。このため、上記で説明した負極活物質とバインダとを混合して負極合剤を調製し、負極合剤中で負極活物質及びバインダの粉末同士を結合させる。次いで、前記負極合剤を集電体へ付着させて、集電体の表面に負極合剤層を接着させればよい。例えば、前記負極活物質とバインダとを溶媒中で混合して、負極合剤の分散液又はスラリを調製する。負極合剤に使用される負極活物質の粉末中に、上記の負極合剤層の好適な厚さを超える粒子が存在する場合、予め風流分級又はふるい分級のような分級処理によって粗大な粒子を除去することが好ましい。前記混合及び分散処理は、当該技術分野で公知の混練機又は分散機を用いて実施することができる。負極合剤の分散液又はスラリを調製するための溶媒は、使用されるバインダに基づき適宜選択すればよい。例えば、バインダがスチレン-ブタジエンゴムの場合、水を用いることが好ましく、バインダがPVDFの場合、1-メチル-2-ピロリドンを用いることが好ましい。前記負極合剤の分散液又はスラリを、ドクターブレード法、ディッピング法又はスプレー法等によって集電体へ付着させる(付着工程)。その後、負極合剤の分散液又はスラリを付着させた集電体を乾燥させることによって、溶媒を蒸発除去させる(乾燥工程)。次いで、ロールプレス等によって集電体及び負極合剤層を加圧成形することにより、負極を作製することができる(成形工程)。上記の方法において、付着工程から乾燥工程までを複数回繰り返すことにより、多層形態の負極合剤層を集電体の表面に配置することもできる。   The negative electrode of the present invention can be produced by a method known in the art. The negative electrode active material of the present invention is usually in the form of particles or lumps. For this reason, the negative electrode active material and the binder described above are mixed to prepare a negative electrode mixture, and the negative electrode active material and the binder powder are bonded together in the negative electrode mixture. Next, the negative electrode mixture may be attached to the current collector, and the negative electrode mixture layer may be adhered to the surface of the current collector. For example, the negative electrode active material and a binder are mixed in a solvent to prepare a dispersion or slurry of the negative electrode mixture. When particles exceeding the preferred thickness of the negative electrode mixture layer are present in the powder of the negative electrode active material used for the negative electrode mixture, coarse particles are previously obtained by classification treatment such as air flow classification or sieve classification. It is preferable to remove. The mixing and dispersing treatment can be performed using a kneader or a dispersing machine known in the art. What is necessary is just to select suitably the solvent for preparing the dispersion liquid or slurry of a negative mix based on the binder used. For example, when the binder is styrene-butadiene rubber, water is preferably used, and when the binder is PVDF, 1-methyl-2-pyrrolidone is preferably used. The dispersion or slurry of the negative electrode mixture is adhered to the current collector by a doctor blade method, a dipping method, a spray method or the like (attachment step). Thereafter, the current collector to which the negative electrode mixture dispersion or slurry is adhered is dried to evaporate and remove the solvent (drying step). Subsequently, a negative electrode can be produced by press-molding the current collector and the negative electrode mixture layer by a roll press or the like (molding step). In the above method, the negative electrode mixture layer in a multilayer form can be arranged on the surface of the current collector by repeating a plurality of times from the attaching step to the drying step.

本発明者らは、本発明の負極において、複数の負極活物質の粒子によって形成される空隙が均質に配置されることにより、該負極を備える二次電池は、不可逆容量の増加及び/又は保存特性の悪化を生じることなく、充放電サイクル数の増加に伴う容量低下が実質的に抑制された長寿命の二次電池となることを見出した。   In the negative electrode of the present invention, the inventors of the present invention have a uniform arrangement of voids formed by particles of a plurality of negative electrode active materials, so that a secondary battery including the negative electrode has increased irreversible capacity and / or storage. It has been found that a long-life secondary battery is obtained in which a decrease in capacity accompanying an increase in the number of charge / discharge cycles is substantially suppressed without causing deterioration of characteristics.

例えば、水銀圧入法によって測定される微分細孔容積のピークは、1μm以下であることが好ましい。また、1μm以上の細孔径に係る細孔の総容積に対する1μm未満の細孔径に係る細孔の総容積の比率は、3以上であることが好ましい。微分細孔容積のピーク及び細孔の総容積の比率が上記の範囲である場合、充放電サイクル時の体積変化を緩和しつつ、負極内部に電解液を均一に浸透させることができるため、好ましい。上記の特徴を有する負極を二次電池に使用することにより、長寿命の二次電池を得ることが可能となる。   For example, the peak of the differential pore volume measured by the mercury intrusion method is preferably 1 μm or less. Further, the ratio of the total volume of pores having a pore diameter of less than 1 μm to the total volume of pores having a pore diameter of 1 μm or more is preferably 3 or more. When the ratio of the peak of the differential pore volume and the total volume of the pores is in the above range, it is preferable because the electrolyte can be uniformly permeated into the negative electrode while relaxing the volume change during the charge / discharge cycle. . By using a negative electrode having the above characteristics for a secondary battery, a long-life secondary battery can be obtained.

なお、水銀圧入法によって測定される微分細孔容積のピーク及び1μm以上の細孔径に係る細孔の総容積に対する1μm未満の細孔径に係る細孔の総容積の比率は、限定するものではないが、例えば、細孔容積測定装置(水銀ポロシメータ)を用いて、本発明の負極の細孔容積分布を測定することによって決定することができる。   In addition, the ratio of the total volume of the pores related to the pore diameter of less than 1 μm to the total volume of the pores related to the peak of the differential pore volume measured by the mercury intrusion method and the pore diameter of 1 μm or more is not limited. However, it can be determined, for example, by measuring the pore volume distribution of the negative electrode of the present invention using a pore volume measuring device (mercury porosimeter).

<3. リチウムイオン電池>
本発明の負極は、非水電解液二次電池、特にリチウムイオン電池の負極として好適に使用し得る。それ故、本発明はまた、上記の負極と、正極と、電解質とを備えるリチウムイオン電池に関する。
本発明の負極を用いて作製したリチウムイオン電池の一実施形態を図1に示す。
<3. Lithium-ion battery>
The negative electrode of the present invention can be suitably used as a negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary batteries, particularly lithium ion batteries. Therefore, the present invention also relates to a lithium ion battery comprising the above negative electrode, a positive electrode, and an electrolyte.
One embodiment of a lithium ion battery produced using the negative electrode of the present invention is shown in FIG.

図1に示すように、本発明のリチウムイオン電池101は、負極112と、正極110と、電解質とを備える。また、前記リチウムイオン電池101は、以下で説明するように、セパレータ111、電池缶113、正極集電タブ114、負極集電タブ115、内蓋116、内圧開放弁117、ガスケット118、正温度係数(PTC:Positive temperature coefficient)抵抗素子119、正極外部端子を兼ねる電池蓋120を備えることもできる。電池蓋120は、内蓋116、内圧開放弁117、ガスケット118及びPTC抵抗素子119からなる一体構造の部品とすることができる。   As shown in FIG. 1, a lithium ion battery 101 of the present invention includes a negative electrode 112, a positive electrode 110, and an electrolyte. The lithium ion battery 101 includes a separator 111, a battery can 113, a positive current collector tab 114, a negative current collector tab 115, an inner lid 116, an internal pressure release valve 117, a gasket 118, a positive temperature coefficient, as will be described below. (PTC: Positive temperature coefficient) It is also possible to provide a battery lid 120 that also serves as a resistance element 119 and a positive electrode external terminal. The battery lid 120 can be an integral part composed of an inner lid 116, an internal pressure release valve 117, a gasket 118, and a PTC resistance element 119.

正極110は、集電体と、該集電体の表面に配置された、正極活物質及びバインダを含む正極合剤層とを有する。   The positive electrode 110 includes a current collector and a positive electrode mixture layer that is disposed on the surface of the current collector and includes a positive electrode active material and a binder.

前記正極活物質としては、例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4に加えて、LiMnO3、LiMn2O3、LiMnO2、Li4Mn5O12、LiMn2-xMxO2(ただし、M=Co、 Ni、 Fe、 Cr、 Zn、 Ta、x=0.01〜0.2)、Li2Mn3MO8(ただし、M=Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Zn)、Li1-xAxMn2O4(ただし、A=Mg、 Ba、B、 Al、 Fe、 Co、 Ni、 Cr、 Zn、 Ca、x=0.01〜0.1)、LiNi1-xMxO2(ただし、M=Co、 Fe、 Ga、x=0.01〜0.2)、LiFeO2、Fe2(SO4)3、LiCo1-xMxO2(ただし、M=Ni、 Fe、 Mn、x=0.01〜0.2)、LiNi1-xMxO2(ただし、M=Mn、 Fe、 Co、 Al、 Ga、 Ca、 Mg、x=0.01〜0.2)、Fe(MoO4)3、FeF3、LiFePO4及びLiMnPO4等を挙げることができる。 Examples of the positive electrode active material include LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2 , Li 4 Mn 5 O 12 , LiMn 2-x M x O 2 ( However, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn, Ta, x = 0.01-0.2), Li 2 Mn 3 MO 8 (M = Fe, Co, Ni, Cu, Zn), Li 1-x A x Mn 2 O 4 (A = Mg, Ba, B, Al, Fe, Co, Ni, Cr, Zn, Ca, x = 0.01 to 0.1), LiNi 1-x M x O 2 (where M = Co, Fe, Ga, x = 0.01 to 0.2), LiFeO 2 , Fe 2 (SO 4 ) 3 , LiCo 1-x M x O 2 (where M = Ni, Fe, Mn, x = 0.01 to 0.2), LiNi 1-x M x O 2 (M = Mn, Fe, Co, Al, Ga, Ca, Mg, x = 0.01-0.2), Fe (MoO 4 ) 3 , FeF 3 , LiFePO 4 and LiMnPO 4 etc. Can be mentioned.

前記バインダとしては、例えば、スチレン-ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース及びポリフッ化ビニリデン(PVDF)、並びにこれらの混合物を挙げることができる。   Examples of the binder include styrene-butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polyvinylidene fluoride (PVDF), and mixtures thereof.

正極活物質は、酸化物系であり電気抵抗が高い。このため、前記正極合剤層は、通常、正極活物質の電気伝導性を補うために、炭素粉末を主成分として含有する導電剤を更に含む。前記導電剤としては、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック、及び黒鉛又は非晶質炭素等の炭素材料を挙げることができる。正極内部に電子ネットワークを形成するために、導電剤の粒径は、正極活物質の平均粒径未満であることが好ましく、正極活物質の平均粒径の1/10以下であることがより好ましい。なお、正極活物質の平均粒径は、上記で説明した負極活物質の平均粒径と同様の方法により、決定することができる。   The positive electrode active material is an oxide and has high electric resistance. For this reason, the positive electrode mixture layer usually further includes a conductive agent containing carbon powder as a main component in order to supplement the electrical conductivity of the positive electrode active material. Examples of the conductive agent include acetylene black, carbon black, and carbon materials such as graphite or amorphous carbon. In order to form an electronic network inside the positive electrode, the particle size of the conductive agent is preferably less than the average particle size of the positive electrode active material, and more preferably 1/10 or less of the average particle size of the positive electrode active material. . The average particle diameter of the positive electrode active material can be determined by the same method as the average particle diameter of the negative electrode active material described above.

集電体は、当該技術分野で慣用される任意の集電体であればよい。上記で説明した負極の集電体と同様の材料を使用することができる。   The current collector may be any current collector commonly used in the art. The same material as that of the negative electrode current collector described above can be used.

ここでは好適な正極材料を例示したが、本発明の効果は上記の正極材料の種類に何ら制約を受けるものではない。それ故、当該技術分野で公知の様々な正極材料を使用することができる。   Although a suitable positive electrode material has been exemplified here, the effect of the present invention is not limited by the type of the positive electrode material. Therefore, various positive electrode materials known in the art can be used.

正極において、前記正極合剤層は、前記集電体の表面に配置される。例えば、前記正極合剤層が、前記集電体の表面に接着されていることが好ましい。この場合、前記正極合剤層の厚さは、特に限定されないが、1〜100μmの範囲であることが好ましい。特に1〜50μmの範囲にすれば、負極に流れる電流密度が大きくなっても、正極の抵抗に起因する電圧損失を小さくすることが可能となる。   In the positive electrode, the positive electrode mixture layer is disposed on the surface of the current collector. For example, the positive electrode mixture layer is preferably bonded to the surface of the current collector. In this case, the thickness of the positive electrode mixture layer is not particularly limited, but is preferably in the range of 1 to 100 μm. In particular, when the thickness is in the range of 1 to 50 μm, the voltage loss due to the resistance of the positive electrode can be reduced even if the current density flowing through the negative electrode is increased.

本発明の正極は、上記で説明した負極の作製方法と同様の方法によって作製すればよい。   What is necessary is just to produce the positive electrode of this invention by the method similar to the preparation method of the negative electrode demonstrated above.

次に、図1を参照しながら、上記で説明した負極及び正極を備える本発明のリチウムイオン電池の構成をさらに説明する。   Next, the configuration of the lithium ion battery of the present invention including the negative electrode and the positive electrode described above will be further described with reference to FIG.

上記で説明した正極110及び負極112の間にセパレータ111を挿入して、正極110及び負極112の短絡を防止する。セパレータ111としては、例えば、ポリエチレン若しくはポリプロピレンを主成分として含有するポリオレフィン系高分子シート、又はポリオレフィン系高分子及び4フッ化ポリエチレンを代表とするフッ素系高分子シートを溶着させた多層構造のシート、さらにはセルロース繊維又はポリアクリルニトリルの合成繊維からなる不織布を挙げることができる。電池温度が高くなったときにセパレータ111が収縮しないように、セパレータ111の表面にセラミックス及びバインダの混合物を薄層状に形成させてもよい。セパレータ111は、電池の充放電時にリチウムイオンを透過させる必要があるため、通常、細孔径が0.01〜10μm、気孔率が20〜90%であれば使用可能である。   The separator 111 is inserted between the positive electrode 110 and the negative electrode 112 described above to prevent a short circuit between the positive electrode 110 and the negative electrode 112. As the separator 111, for example, a polyolefin polymer sheet containing polyethylene or polypropylene as a main component, or a sheet having a multilayer structure in which a fluorine polymer sheet represented by a polyolefin polymer and tetrafluoropolyethylene is welded, Furthermore, the nonwoven fabric which consists of a synthetic fiber of a cellulose fiber or polyacrylonitrile can be mentioned. A mixture of ceramics and a binder may be formed in a thin layer on the surface of the separator 111 so that the separator 111 does not shrink when the battery temperature becomes high. Since the separator 111 needs to allow lithium ions to pass through during charging and discharging of the battery, it can be generally used if the pore diameter is 0.01 to 10 μm and the porosity is 20 to 90%.

セパレータ111は、複数の正極110、負極112及びセパレータ111からなる電極群の末端に配置されている電極と電池缶113との間にも挿入して、電池缶113を通じての正極110と負極112との間の短絡を防止する。   The separator 111 is also inserted between the battery can 113 and the electrode disposed at the end of the electrode group consisting of a plurality of positive electrodes 110, negative electrodes 112 and the separator 111, and the positive electrode 110 and the negative electrode 112 through the battery can 113. Prevent short circuit between.

正極110、負極112及びセパレータ111からなる積層体の上部は、リード線を介して外部端子に電気的に接続されている。正極110は、正極集電タブ114を介して内蓋116に接続されている。負極112は、負極集電タブ115を介して電池缶113に接続されている。集電タブ114及び115は、ワイヤ状又は板状等の任意の形状を採ることができる。電流を流したときにオーム損失を小さくすることのできる構造であり、且つ電解液と反応しない材質であれば、集電タブ114及び115の形状、本数、並びに/又は材質は、電池缶113の構造に応じて任意に選択することができる。   The upper part of the laminate composed of the positive electrode 110, the negative electrode 112, and the separator 111 is electrically connected to an external terminal via a lead wire. The positive electrode 110 is connected to the inner lid 116 via the positive electrode current collecting tab 114. The negative electrode 112 is connected to the battery can 113 via a negative electrode current collecting tab 115. The current collecting tabs 114 and 115 can take any shape such as a wire shape or a plate shape. If the material has a structure that can reduce the ohmic loss when a current is passed and does not react with the electrolyte, the shape, number, and / or material of the current collecting tabs 114 and 115 are the same as those of the battery can 113. It can be arbitrarily selected depending on the structure.

正温度係数(PTC)抵抗素子119は、電池内部の温度が高くなったときに、リチウムイオン電池101の充放電を停止させ、電池を保護するために配置される。   The positive temperature coefficient (PTC) resistance element 119 is arranged to stop charging / discharging of the lithium ion battery 101 and protect the battery when the temperature inside the battery becomes high.

複数の正極110、負極112及びセパレータ111からなる電極群の形状は、捲回形状であってもよく、扁平状などの任意の形状に捲回した形状であってもよく、短冊状の形状であってもよい。種々の形状を採ることができる。また、電池容器の形状は、前記電極群の形状に合わせ、円筒型、偏平長円形状又は角型等の任意の形状を選択することができる。この場合、電池容器は、電池缶113の如く底面の部材と一体となった構成としてもよく、電池容器の底面に電池蓋を取り付け、電池蓋に負極を接続する構成としてもよい。本発明の効果に何ら影響を与えることなく、前記電極群の形状及び/又は端子の取り付け方法に応じて任意の形状及び構成の電池容器を用いることができる。   The shape of the electrode group consisting of a plurality of positive electrodes 110, negative electrodes 112, and separators 111 may be a wound shape, may be a shape that is wound into an arbitrary shape such as a flat shape, or a strip shape. There may be. Various shapes can be taken. The shape of the battery container can be selected from any shape such as a cylindrical shape, a flat oval shape, or a square shape according to the shape of the electrode group. In this case, the battery container may be configured to be integrated with the bottom surface member such as the battery can 113, or may be configured such that the battery cover is attached to the bottom surface of the battery container and the negative electrode is connected to the battery cover. A battery container having an arbitrary shape and configuration can be used according to the shape of the electrode group and / or the terminal attachment method without affecting the effects of the present invention.

電池容器の材質は、アルミニウム、ステンレス鋼又はニッケルメッキ鋼等の、非水電解質に対し耐食性のある材料から適宜選択すればよい。また、電池容器を正極集電タブ又は負極集電タブに電気的に接続する場合、非水電解質と接触している部分において、電池容器の腐食及び/又はリチウムイオンとの合金化による材料の変質が起こらないように、リード線の材料を選定する。   The material of the battery container may be appropriately selected from materials that are corrosion resistant to the nonaqueous electrolyte, such as aluminum, stainless steel, or nickel-plated steel. In addition, when the battery container is electrically connected to the positive electrode current collecting tab or the negative electrode current collecting tab, the material is deteriorated due to corrosion of the battery container and / or alloying with lithium ions in a portion in contact with the nonaqueous electrolyte. Select the lead wire material to prevent this from occurring.

電池缶113への電池蓋120の取り付けは、かしめ、溶接、接着等の方法によって行うことができる。   The battery lid 120 can be attached to the battery can 113 by a method such as caulking, welding, or adhesion.

前記電極群を挿入した電池缶113の内部に電解液を注入して、正極110、負極112及びセパレータ111の表面及び細孔内部に電解液を保持させる。   An electrolyte solution is injected into the battery can 113 in which the electrode group is inserted, and the electrolyte solution is held on the surfaces of the positive electrode 110, the negative electrode 112, and the separator 111 and in the pores.

前記電解液としては、有機溶媒、電解質の種類及び/又は有機溶媒の混合比に制限されることなく、当該技術分野で公知の任意の電解液を使用することができる。前記電解液に使用される有機溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、γ-ブチロラクトン、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、1,2-ジメトキシエタン、2-メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルフォキシド、1,3-ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、3-メチル-2-オキサゾリジノン、テトラヒドロフラン、1,2-ジエトキシエタン、クロルエチレンカーボネート及びクロルプロピレンカーボネート等、並びにこれらの混合物から選択される非水溶媒を挙げることができる。本発明のリチウムイオン電池に使用される正極又は負極上で分解しない有機溶媒であれば、上記以外の溶媒を用いてもよい。   The electrolytic solution is not limited to the organic solvent, the type of electrolyte, and / or the mixing ratio of the organic solvent, and any electrolytic solution known in the art can be used. Examples of the organic solvent used in the electrolytic solution include propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, γ-butyrolactone, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, and 2-methyl. Tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, methyl propionate, ethyl propionate, phosphate triester, trimethoxymethane, dioxolane, diethyl ether, sulfolane, 3-methyl-2-oxazolidinone, Non-aqueous solvents selected from tetrahydrofuran, 1,2-diethoxyethane, chloroethylene carbonate, chloropropylene carbonate, and the like, and mixtures thereof can be mentioned. . Solvents other than those described above may be used as long as they are organic solvents that do not decompose on the positive electrode or negative electrode used in the lithium ion battery of the present invention.

また、前記電解液に使用される電解質としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、及びリチウムトリフルオロメタンスルホンイミドに代表されるリチウムのイミド塩等から選択されるリチウム塩を挙げることができる。本発明のリチウムイオン電池に使用される正極又は負極上で分解しない電解質であれば、上記以外の電解質を用いてもよい。 Further, as the electrolyte used in the electrolytic solution, for example, represented by LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4 , LiCF 3 SO 3, LiCF 3 CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6, and lithium trifluoromethane sulfonimide The lithium salt selected from the imide salt of lithium etc. can be mentioned. Any electrolyte other than those described above may be used as long as the electrolyte does not decompose on the positive electrode or the negative electrode used in the lithium ion battery of the present invention.

特に好ましい電解液は、エチレンカーボネートと、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート又はエチルメチルカーボネートとを混合した溶媒に、電解質として六フッ化リン酸リチウム(LiPF)又はホウフッ化リチウム(LiBF)を溶解させた溶液である。 A particularly preferable electrolytic solution is a mixture of ethylene carbonate and propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate or ethyl methyl carbonate, and lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) or lithium borofluoride (LiBF 4 ) as an electrolyte. It is a dissolved solution.

或いは、前記電解液として、イオン性液体を用いることもできる。前記イオン性液体としては、例えば、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート (EMI-BF4)、リチウム塩LiN(SO2CF3)2(LiTFSI)とトリグライムとテトラグライムとの混合錯体、環状四級アンモニウム系陽イオン(例えば、N-メチル-N-プロピルピロリジニウム)及びイミド系陰イオン(例えば、ビス(フルオロスルホニル)イミド)を挙げることができる。本発明のリチウムイオン電池に使用される正極又は負極上で分解しないイオン性液体であれば、上記以外のイオン性液体を用いてもよい。 Alternatively, an ionic liquid can be used as the electrolytic solution. Examples of the ionic liquid include 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (EMI-BF 4 ), a lithium salt LiN (SO 2 CF 3 ) 2 (LiTFSI), a mixed complex of triglyme and tetraglyme. And cyclic quaternary ammonium cations (for example, N-methyl-N-propylpyrrolidinium) and imide anions (for example, bis (fluorosulfonyl) imide). Any ionic liquid other than those described above may be used as long as it does not decompose on the positive electrode or negative electrode used in the lithium ion battery of the present invention.

電解液を電池容器に注入する方法は、電池容器の形状等に基づき適宜選択すればよい。その方法としては、例えば、電池蓋120を電池缶113から取り外して電極群に直接添加する方法、又は電池蓋120に設置した注液口から添加する方法がある。   The method of injecting the electrolytic solution into the battery container may be appropriately selected based on the shape of the battery container. As the method, for example, there is a method of removing the battery lid 120 from the battery can 113 and adding it directly to the electrode group, or a method of adding from a liquid inlet provided in the battery lid 120.

本発明のリチウムイオン電池は、前記電解液を用いる代わりに、イオン伝導性ポリマーに上記の電解質を含有させた固体高分子電解質(以下「ポリマー電解質」とも記載する)又はポリマー電解質と上記の非水電解液との混合物(以下「ゲル電解質」とも記載する)を用いてもよい。ポリマー電解質又はゲル電解質を用いる場合、前記セパレータが不要となるという利点がある。前記イオン伝導性ポリマーのモノマー単位としては、エチレンオキシド、アクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、メタクリル酸メチル及びヘキサフルオロプロピレン等を挙げることができる。   The lithium ion battery of the present invention is a solid polymer electrolyte (hereinafter also referred to as “polymer electrolyte”) in which an ion conductive polymer contains the above electrolyte instead of using the electrolyte solution, or a polymer electrolyte and the non-aqueous electrolyte. A mixture with an electrolytic solution (hereinafter also referred to as “gel electrolyte”) may be used. When a polymer electrolyte or a gel electrolyte is used, there is an advantage that the separator is not necessary. Examples of the monomer unit of the ion conductive polymer include ethylene oxide, acrylonitrile, polyvinylidene fluoride, methyl methacrylate and hexafluoropropylene.

本発明のリチウムイオン電池は、単独で用いてもよく、複数のリチウムイオン電池を接続したモジュールの形態で用いてもよい。   The lithium ion battery of the present invention may be used alone or in the form of a module in which a plurality of lithium ion batteries are connected.

本発明のリチウムイオン電池を用いて作製したリチウムイオン電池モジュールのシステムの一実施形態を図2に示す。   One embodiment of a system of a lithium ion battery module produced using the lithium ion battery of the present invention is shown in FIG.

図2に示すように、本発明のリチウムイオン電池のモジュール201は、複数のリチウムイオン電池202を備える。前記複数のリチウムイオン電池202の正極外部端子203及び負極外部端子205は、端子204によって互いに接続されることができる。図2の8個のリチウムイオン電池202は、直列に接続されている。前記リチウムイオン電池のモジュール201に含まれるリチウムイオン電池202は、場合によりモジュール容器206により適切な位置に配置される。   As shown in FIG. 2, the module 201 of the lithium ion battery of the present invention includes a plurality of lithium ion batteries 202. The positive external terminal 203 and the negative external terminal 205 of the plurality of lithium ion batteries 202 can be connected to each other by a terminal 204. The eight lithium ion batteries 202 in FIG. 2 are connected in series. The lithium ion battery 202 included in the module 201 of the lithium ion battery is arranged in an appropriate position by the module container 206 in some cases.

また、本発明のリチウムイオン電池のモジュール201は、所望により正極外部端子207と、負極外部端子208と、充電回路210と、演算制御部209と、電力線212と、信号線213と外部電力ケーブル214とを備える、リチウムイオン電池モジュールのシステムS1の形態とすることもできる。システムS1は、外部電源又は外部負荷に接続され(図2では211と表示される。)、充放電することができる。   Further, the lithium ion battery module 201 of the present invention includes a positive external terminal 207, a negative external terminal 208, a charging circuit 210, an arithmetic control unit 209, a power line 212, a signal line 213, and an external power cable 214 as desired. The system S1 of the lithium ion battery module can be provided. The system S1 is connected to an external power source or an external load (indicated as 211 in FIG. 2) and can be charged and discharged.

以上詳細に説明したように、本発明の負極活物質及び負極は、充放電サイクル数の増加に伴う容量低下が実質的に抑制されるため、それを用いたリチウムイオン電池及びそのモジュールは、従来品と比較して長寿命のものとすることができる。それ故、本発明のリチウムイオン電池及びそのモジュールは、携帯用電子機器、携帯電話又は電動工具等の民生用品の他、電気自動車、電車、再生可能エネルギーの貯蔵用蓄電池、無人移動車又は介護機器等の電源に用いることが可能である。また、本発明のリチウムイオン電池及びそのモジュールは、月又は火星等の探索のためのロジステック列車の電源にも適用可能である。さらに、宇宙服、宇宙ステーション、地球上若しくはその他の天体上の建造物又は生活空間(密閉、開放状態を問わない。)、惑星間移動用の宇宙船、惑星ローバー(land rover)、水中又は海中の密閉空間、潜水艦、或いは魚類観測用設備等の各種空間の空調、温調、汚水若しくは空気の浄化、又は動力等の各種電源に用いることも可能である。   As described above in detail, the negative electrode active material and the negative electrode of the present invention are substantially suppressed from being reduced in capacity due to an increase in the number of charge / discharge cycles. Compared to products, it can have a longer life. Therefore, the lithium ion battery and the module thereof according to the present invention are not limited to consumer electronics such as portable electronic devices, mobile phones or electric tools, but also electric vehicles, trains, storage batteries for storing renewable energy, unmanned mobile vehicles, or nursing care devices. It can be used for a power source such as. Further, the lithium ion battery and the module thereof of the present invention can be applied to a power supply of a logistics train for searching for the moon or Mars. In addition, space suits, space stations, structures on earth or other celestial bodies, or living spaces (whether sealed or open), spacecraft for interplanetary movement, planet rover, underwater or underwater. It can also be used for various power sources such as air conditioning, temperature control, purification of sewage or air, or power for various spaces such as closed space, submarine or fish observation equipment.

以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれら実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to these examples.

<製造例1:負極活物質>
[1:黒鉛粒子粉末の調製(1)]
50重量部の平均粒径5μmのコークス粉末、20重量部のタールピッチ、7重量部の平均粒径48μmの炭化ケイ素及び10重量部のコールタールを混合しながら200℃で1時間加熱した。得られた混合物を、ハンマーミルを用いて粉砕し、その混合物を油圧プレス機を用いて圧縮し、ペレット状に成形した。次いで窒素雰囲気下、2800℃で20時間焼成して、黒鉛の結晶性を高めた。得られた焼成物を、ハンマーミルを用いて粉砕し、微細な黒鉛粒子の粉末を得た。この粉末を、風流分級装置を用いて、平均粒径20μmにした。本粉末を、黒鉛粒子粉末1とする。
<Production Example 1: Negative electrode active material>
[1: Preparation of graphite particle powder (1)]
50 parts by weight of coke powder having an average particle diameter of 5 μm, 20 parts by weight of tar pitch, 7 parts by weight of silicon carbide having an average particle diameter of 48 μm and 10 parts by weight of coal tar were heated at 200 ° C. for 1 hour with mixing. The obtained mixture was pulverized using a hammer mill, and the mixture was compressed using a hydraulic press and formed into pellets. Next, it was fired at 2800 ° C. for 20 hours in a nitrogen atmosphere to enhance the crystallinity of graphite. The fired product obtained was pulverized using a hammer mill to obtain fine graphite particle powder. This powder was adjusted to an average particle size of 20 μm using an air classifier. This powder is referred to as graphite particle powder 1.

レーザー散乱を利用した粒度分布測定装置(堀場製作所、LA-920)を用いて、水に懸濁させた黒鉛粉末の粒度分布を計測した。その黒鉛粉末の累積体積百分率が50%になるときの粒径を、D50と記す。同様に、累積百分率が10%となる粒径を、D10とする。粒度分布測定装置を用いて、上記で調製した黒鉛粒子粉末1の粒度分布を分析したところ、D50は18〜19μmであった。 The particle size distribution of graphite powder suspended in water was measured using a particle size distribution measuring device (Horiba, LA-920) using laser scattering. The particle size at which the cumulative volume percentage of the graphite powder is 50%, referred to as D 50. Similarly, the particle size of which cumulative percentage becomes 10%, and D 10. When the particle size distribution of the graphite particle powder 1 prepared above was analyzed using a particle size distribution measuring apparatus, D 50 was 18 to 19 μm.

[2:黒鉛粒子粉末の調製(2)]
50重量部の平均粒径5μmのコークス粉末、20重量部のタールピッチ、7重量部の平均粒径48μmの炭化ケイ素、10重量部のコールタール及び1重量部のナフタレンを混合した。得られた混合物を、ハンマーミルを用いて粉砕し、油圧プレス機を用いてペレット状に加圧成形した。次いで窒素雰囲気下、2000℃で焼成して、やや結晶性の低い黒鉛の焼成物を得た。得られた焼成物を、ハンマーミルを用いて粉砕し、窒素雰囲気下にて2800℃で20時間焼成して、黒鉛粒子の粉末を得た。この粉末を風流分級装置を用いて、平均粒径10μmにした。本粉末を、黒鉛粒子粉末2とする。
[2: Preparation of graphite particle powder (2)]
50 parts by weight of coke powder having an average particle diameter of 5 μm, 20 parts by weight of tar pitch, 7 parts by weight of silicon carbide having an average particle diameter of 48 μm, 10 parts by weight of coal tar and 1 part by weight of naphthalene were mixed. The obtained mixture was pulverized using a hammer mill and pressed into a pellet using a hydraulic press. Next, it was fired at 2000 ° C. in a nitrogen atmosphere to obtain a graphite fired product with slightly low crystallinity. The obtained fired product was pulverized using a hammer mill and fired at 2800 ° C. for 20 hours in a nitrogen atmosphere to obtain graphite particle powder. This powder was adjusted to an average particle size of 10 μm using an air classifier. This powder is referred to as graphite particle powder 2.

[3:被覆層が形成された黒鉛粒子粉末の調製]
上記で調製した100重量部の黒鉛粒子粉末1又は2を、160重量部のノボラック型フェノール樹脂メタノール溶液(日立化成工業株式会社製)に浸漬した。メタノールを用いて黒鉛粒子粉末を分散させて、黒鉛粒子及びフェノール樹脂の混合物溶液を調製した。この溶液から、黒鉛粒子及びフェノール樹脂の混合物を濾取し、真空中にて80℃で24時間乾燥させた。乾燥後の混合物を、400℃で10時間加熱して、黒鉛の核材表面に炭素を主成分として含有する被覆層が形成された黒鉛粒子の粉末を得た。黒鉛粒子粉末1又は2から得られた粉末を、それぞれ被覆層が形成された黒鉛粒子粉末1又は2とする。
[3: Preparation of graphite particle powder with coating layer]
100 parts by weight of the graphite particle powder 1 or 2 prepared above was immersed in 160 parts by weight of a novolac type phenol resin methanol solution (manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd.). Graphite particle powder was dispersed using methanol to prepare a mixture solution of graphite particles and phenol resin. From this solution, a mixture of graphite particles and phenol resin was collected by filtration and dried in vacuum at 80 ° C. for 24 hours. The dried mixture was heated at 400 ° C. for 10 hours to obtain graphite particle powder in which a coating layer containing carbon as a main component was formed on the surface of the graphite core material. The powder obtained from the graphite particle powder 1 or 2 is referred to as graphite particle powder 1 or 2 having a coating layer formed, respectively.

集束イオンビーム(FIB)加工装置(日立ハイテクノロジーズ、FB-2100)を用いて、被覆層が形成された黒鉛粒子粉末1及び2の断面を切り出し、透過型電子顕微鏡(TEM)(日立ハイテクノロジーズ、電界放出形透過電子顕微鏡、HF-3300)を用いて被覆層の厚さを測定した。その結果、被覆層が形成された黒鉛粒子粉末1又は2の被覆層の厚さは、いずれも20±5 nmであった。   Using a focused ion beam (FIB) processing device (Hitachi High-Technologies, FB-2100), cut out the cross section of graphite particle powder 1 and 2 on which the coating layer was formed, and transmission electron microscope (TEM) (Hitachi High-Technologies, The thickness of the coating layer was measured using a field emission transmission electron microscope (HF-3300). As a result, the thickness of the graphite particle powder 1 or 2 on which the coating layer was formed was 20 ± 5 nm.

[4:被覆層が形成された黒鉛粒子粉末の分級(1)]
風流分級装置を用いて、上記で調製した被覆層が形成された黒鉛粒子粉末1を、粒径50μm以上の粗大粒子及び粒径50μm未満の大粒子に分級した。前記大粒子からなる粉末の平均粒径D50は、18.7μmだった。
[4: Classification of graphite particle powder with coating layer (1)]
Using a wind classifier, the graphite particle powder 1 on which the coating layer prepared above was formed was classified into coarse particles having a particle size of 50 μm or more and large particles having a particle size of less than 50 μm. The average particle diameter D 50 of the powder composed of the large particles was 18.7 μm.

次に、風流分級装置を用いて、前記粒径50μm未満の大粒子を、粒径15μm以上の中粒子及び粒径15μm未満の小粒子に分級した。粒度分布測定装置を用いて測定した、前記小粒子からなる粉末の平均粒径D50は、8.2μmだった。 Next, the large particles having a particle size of less than 50 μm were classified into medium particles having a particle size of 15 μm or more and small particles having a particle size of less than 15 μm using an air flow classifier. The average particle diameter D 50 of the powder composed of the small particles, measured using a particle size distribution measuring apparatus, was 8.2 μm.

プラネタリーミキサ(プライミクス、ハイビスミックス2P-03型)を用いて、前記大粒子からなる粉末及び前記小粒子からなる粉末を、体積比に基づきそれぞれ所定量混合し、十分に撹拌した。得られた黒鉛粒子粉末を、実施例1〜6(NM1〜6)とする。
また、前記大粒子からなる粉末を、比較例1(NM13)とする。
Using a planetary mixer (Primics, Hibismix 2P-03 type), a predetermined amount of the powder composed of the large particles and the powder composed of the small particles were mixed based on the volume ratio and sufficiently stirred. Let the obtained graphite particle powder be Examples 1-6 (NM1-6).
The powder composed of the large particles is referred to as Comparative Example 1 (NM13).

[5:被覆層が形成された黒鉛粒子粉末の分級(2)]
上記で説明した分級(1)の手順において、被覆層が形成された黒鉛粒子粉末1を、被覆層が形成された黒鉛粒子粉末2に変更して、粒径50μm以上の粗大粒子、粒径15μm以上で粒径50μm未満の大粒子及び粒径15μm未満の小粒子に分級した。
[5: Classification of graphite particle powder with coating layer (2)]
In the procedure of classification (1) described above, the graphite particle powder 1 with the coating layer is changed to the graphite particle powder 2 with the coating layer, and coarse particles with a particle size of 50 μm or more, particle size of 15 μm. Thus, the particles were classified into large particles having a particle size of less than 50 μm and small particles having a particle size of less than 15 μm.

次に、風流分級装置を用いて、前記粒径15μm未満の小粒子を分級し、粒径10μm未満の微小粒子を得た。前記微小粒子からなる粉末の平均粒径D50は、粒度分布測定装置を用いて測定し、6.4μmを得た。 Next, the small particles having a particle size of less than 15 μm were classified by using an air flow classifier to obtain fine particles having a particle size of less than 10 μm. The average particle diameter D 50 of the powder composed of the fine particles was measured using a particle size distribution measuring apparatus, and 6.4 μm was obtained.

プラネタリーミキサ(プライミクス、ハイビスミックス2P-03型)を用いて、前記大粒子からなる粉末及び前記微小粒子からなる粉末を、体積比に基づきそれぞれ所定量混合し、十分に撹拌した。得られた黒鉛粒子粉末を、実施例7〜11(NM7〜11)、並びに比較例2及び3(NM13及び14)の黒鉛粒子粉末とする。   Using a planetary mixer (Primics, Hibismix 2P-03 type), a predetermined amount of the powder composed of the large particles and the powder composed of the fine particles were mixed based on the volume ratio and sufficiently stirred. The obtained graphite particle powder was used as the graphite particle powder of Examples 7 to 11 (NM7 to 11) and Comparative Examples 2 and 3 (NM13 and 14).

前記分級処理において、分級時間を長くして、平均粒径1〜2μmの極めて小さな微小粒子粉末を得た。得られた小粒径粉末と大粒子粉末(平均粒径18.7μm)とを混合した。得られた黒鉛粒子粉末を、実施例12(NM12)とする。   In the classification treatment, the classification time was extended to obtain extremely small fine particle powder having an average particle diameter of 1 to 2 μm. The obtained small particle size powder and large particle powder (average particle size 18.7 μm) were mixed. The obtained graphite particle powder is referred to as Example 12 (NM12).

実施例1〜12及び比較例1〜3の黒鉛粒子粉末を調製する際の分級粒子の混合比、並びに粒度分布測定装置を用いて測定したD10、D50及びそれらの粒径比D10/D50の値を、表1に示す。 Mixing ratio of classified particles when preparing the graphite particle powders of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 3, and D 10 and D 50 measured using a particle size distribution measuring device and their particle size ratio D 10 / The value of D 50 is shown in Table 1.

Figure 0005994571
Figure 0005994571

[6:被覆層が形成された黒鉛粒子粉末の物性解析]
X線広角回折法により、実施例1〜12及び比較例1〜3の黒鉛粒子粉末に含まれる黒鉛結晶の面指数(002)面の間隔(d002)を決定した。X線回折装置には、微小部X線回折装置(リガク、RU-200)を用い、X線源はCuKαを用いた。
[6: Physical property analysis of graphite particle powder with coating layer]
The distance (d 002 ) between the plane index (002) planes of the graphite crystals contained in the graphite particle powders of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 3 was determined by the X-ray wide angle diffraction method. A micro X-ray diffractometer (Rigaku, RU-200) was used as the X-ray diffractometer, and CuKα was used as the X-ray source.

表2に示すように、実施例1〜12及び比較例1〜3の粉末は、粒子の内部に黒鉛結晶を有する核材を含むことが明らかとなった。   As shown in Table 2, it was revealed that the powders of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 3 contained a core material having graphite crystals inside the particles.

上記で調製した黒鉛結晶のc軸長さ(以下Lcと記す。)は、20〜90 nmの範囲であった。ただし、本発明の効果が得られる条件下にて、本発明はLcの範囲に制約を受けない。   The c-axis length (hereinafter referred to as Lc) of the graphite crystal prepared above was in the range of 20 to 90 nm. However, the present invention is not limited by the range of Lc under the conditions where the effects of the present invention can be obtained.

ガス吸着を利用したBET比表面積測定装置(カウンタクローム、AUTOSORB-1)を用いて、実施例1〜12及び比較例1〜3の黒鉛粒子粉末の比表面積を決定した。吸着ガスには、窒素を用いた。   The specific surface areas of the graphite particle powders of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 3 were determined using a BET specific surface area measuring device (counterchrome, AUTOSORB-1) using gas adsorption. Nitrogen was used as the adsorption gas.

レーザーラマン分光装置(日本分光、NRS-2100)を用いて、実施例1〜12及び比較例1〜3のラマンスペクトルを測定した。レーザー光は、アルゴンレーザーを用いた。試料粉末にアルゴンレーザーを照射し、散乱光を分光させて、1360 cm-1(Dバンド)及び1580 cm-1(Gバンド)の波数領域のピークを検出し、1580 cm-1(Gバンド)領域のピーク強度に対する1360 cm-1(Dバンド)領域のピーク強度の比(I1360/I1580)を算出した。 The Raman spectra of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 3 were measured using a laser Raman spectrometer (JASCO, NRS-2100). As the laser beam, an argon laser was used. The sample powder is irradiated with an argon laser and the scattered light is dispersed to detect peaks in the wave number region of 1360 cm -1 (D band) and 1580 cm -1 (G band), and 1580 cm -1 (G band). The ratio (I 1360 / I 1580 ) of the peak intensity of the 1360 cm −1 (D band) region to the peak intensity of the region was calculated.

実施例1〜12及び比較例1〜3の黒鉛粒子粉末(負極活物質)の面指数(002)面の間隔(d002)、比表面積、ラマンピーク強度の比(I1360/I1580)及び被覆層の厚さを、表2に示す。 The spacing (d 002 ) of the plane index (002) plane, specific surface area, ratio of Raman peak intensity (I 1360 / I 1580 ) and the graphite particle powders (negative electrode active materials) of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 3 Table 2 shows the thickness of the coating layer.

Figure 0005994571
Figure 0005994571

<製造例2:負極>
[1:負極の作製]
98重量部の実施例1〜12及び比較例1〜3の黒鉛粒子粉末を含む負極活物質をそれぞれ別々に秤量し、水を溶媒として、プラネタリーミキサ(プライミクス、ハイビスミックス2P-03型)を用いて撹拌した。これに、カルボキシメチルセルロース及びバインダの順に添加し、十分に混合させてスラリを調製した。バインダは、1重量部のスチレン-ブタジエンゴム及び1重量部のカルボキシメチルセルロースとした。得られたスラリを、銅製集電箔(厚さ10μm)にブレードコータを用いて塗布した。次いで、60〜120℃の温度範囲にて真空乾燥をして、水分を除去し、電極をロールプレス機により圧縮して負極を得た。得られた実施例1〜12及び比較例1〜3の負極合剤の密度は、1.5 g/cm3だった。実施例1〜12並びに比較例1〜3の負極は、NM1〜12、NM13〜15と表記する。
<Production Example 2: Negative electrode>
[1: Production of negative electrode]
98 parts by weight of negative electrode active materials containing graphite particles of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 3 were separately weighed, and water was used as a solvent, and a planetary mixer (Primics, Hibismix 2P-03) was used. And stirred. To this, carboxymethylcellulose and a binder were added in this order and mixed well to prepare a slurry. The binder was 1 part by weight of styrene-butadiene rubber and 1 part by weight of carboxymethyl cellulose. The obtained slurry was applied to a copper current collector foil (thickness 10 μm) using a blade coater. Subsequently, it vacuum-dried in the temperature range of 60-120 degreeC, the water | moisture content was removed, and the electrode was compressed with the roll press machine, and the negative electrode was obtained. The density of the obtained negative electrode mixtures of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 3 was 1.5 g / cm 3 . The negative electrodes of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 3 are denoted as NM1 to 12 and NM13 to 15.

[2:負極の微分細孔容積分布]
水銀圧入法(水銀ポロシメータ)により、実施例1〜12及び比較例1〜3の負極の細孔容積分布を決定した。また、1μm以上の細孔径に係る細孔の総容積に対する1μm未満の細孔径に係る細孔の総容積の比率を算出した。
[2: Differential pore volume distribution of negative electrode]
The pore volume distribution of the negative electrodes of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 3 was determined by a mercury intrusion method (mercury porosimeter). Further, the ratio of the total volume of pores having a pore diameter of less than 1 μm to the total volume of pores having a pore diameter of 1 μm or more was calculated.

その結果、実施例1〜12及び比較例1〜3の負極の微分細孔容積のピークは、0.1〜1μmの範囲だった。1μm以上の細孔径に係る細孔の総容積に対する1μm未満の細孔径に係る細孔の総容積の比率を表3に示す。   As a result, the peak of the differential pore volume of the negative electrodes of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 3 was in the range of 0.1 to 1 μm. Table 3 shows the ratio of the total volume of pores having a pore diameter of less than 1 μm to the total volume of pores having a pore diameter of 1 μm or more.

Figure 0005994571
Figure 0005994571

<製造例3:リチウムイオン電池>
[1:正極の作製]
本実施例では、正極活物質としてLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2を用いた。
89重量部のLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、4重量部のアセチレンブラック及び7重量部のPVDFを、溶媒(1-メチル-2-ピロリドン)に分散させて、正極合剤のスラリを調製した。前記スラリを集電体(材質:アルミニウム、厚さ:20μm)に付着させた。その後、正極を60〜120℃の温度範囲で、真空下にて溶媒を乾燥させて、ロールプレスによって、正極合剤層が接着された集電体を加圧成形して、正極を作製した。
<Production Example 3: Lithium-ion battery>
[1: Fabrication of positive electrode]
In this example, LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 was used as the positive electrode active material.
89 parts by weight of LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 , 4 parts by weight of acetylene black and 7 parts by weight of PVDF are dispersed in a solvent (1-methyl-2-pyrrolidone) to form a positive electrode composite. An agent slurry was prepared. The slurry was adhered to a current collector (material: aluminum, thickness: 20 μm). Thereafter, the positive electrode was dried in a vacuum at a temperature range of 60 to 120 ° C., and the current collector to which the positive electrode mixture layer was adhered was pressure-formed by a roll press to produce a positive electrode.

[2:リチウムイオン電池の作製]
実施例1〜12及び比較例1〜3の負極、並びに上記の正極を用いて、以下の手順でリチウムイオン電池をそれぞれ5個ずつ作製した。実施例1〜12及び比較例1〜3の負極を用いて作製したリチウムイオン電池を図1に示す。
[2: Fabrication of lithium-ion battery]
Using the negative electrodes of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 3 and the positive electrode described above, five lithium ion batteries were prepared in the following procedure. FIG. 1 shows lithium ion batteries produced using the negative electrodes of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 3.

実施例1〜12及び比較例1〜3の負極112と、上記の手順で作製した正極110との間にセパレータ111を挿入して、負極112(活物質重量;10 g)と正極110(活物質重量;28 g)との間の短絡を防止した。なお、セパレータ111には、ポリプロピレンの両面にポリエチレンを密着させた三層構造の微多孔シートであって、細孔径が0.05〜0.2μm、厚さが25μm、空隙率が45±5%のものを用いた。正極110、負極112及びセパレータ111からなる積層体をニッケルメッキ鋼製の電池缶113に挿入した。積層体の末端に配置されている電極と電池缶113との間にもセパレータ111を挿入して、電池缶113を通じての正極110と負極112との間の短絡を防止した。   The separator 111 was inserted between the negative electrode 112 of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 3 and the positive electrode 110 produced by the above procedure, and the negative electrode 112 (active material weight; 10 g) and the positive electrode 110 (active Short circuit between material weight; 28 g) was prevented. The separator 111 is a microporous sheet having a three-layer structure in which polyethylene is adhered to both sides of polypropylene, having a pore diameter of 0.05 to 0.2 μm, a thickness of 25 μm, and a porosity of 45 ± 5%. Using. A laminate composed of the positive electrode 110, the negative electrode 112, and the separator 111 was inserted into a battery can 113 made of nickel-plated steel. A separator 111 was also inserted between the electrode arranged at the end of the laminate and the battery can 113 to prevent a short circuit between the positive electrode 110 and the negative electrode 112 through the battery can 113.

エチレンカーボネート(以下「EC」とも記載する)とエチルメチルカーボネート(以下「EMC」とも記載する)とを1:2(体積比)の混合比で混合して、EC及びEMC混合溶媒を調製した。この混合溶媒にLiPF6を溶解させ、1MのLiPF6をEC及びEMC混合溶媒中に含有する溶液を調製した。さらに、前記溶液の総重量に対して1重量%のビニレンカーボネートを添加して、1MのLiPF6を電解質として含有する電解液を調製した。 Ethylene carbonate (hereinafter also referred to as “EC”) and ethyl methyl carbonate (hereinafter also referred to as “EMC”) were mixed at a mixing ratio of 1: 2 (volume ratio) to prepare an EC and EMC mixed solvent. LiPF 6 was dissolved in this mixed solvent to prepare a solution containing 1M LiPF 6 in EC and EMC mixed solvent. Further, 1% by weight of vinylene carbonate was added to the total weight of the solution to prepare an electrolytic solution containing 1M LiPF 6 as an electrolyte.

前記積層体を挿入した電池缶113の内部に上記で調製した電解液を注入して、正極110、負極112及びセパレータ111の表面及び細孔内部に電解液を保持させた。   The electrolyte prepared above was injected into the battery can 113 in which the laminate was inserted, and the electrolyte was held on the surfaces of the positive electrode 110, the negative electrode 112, and the separator 111 and inside the pores.

正極集電タブ114の一方の端部を前記積層体の正極110に、他方の端部を内蓋116に、それぞれ接続した。また、負極集電タブ115の一方の端部を前記積層体の負極112に、他方の端部を電池缶113に、それぞれ接続した。なお、正極集電タブ114及び負極集電タブ115には、アルミニウム箔とニッケル箔とをそれぞれ用いた。   One end of the positive electrode current collecting tab 114 was connected to the positive electrode 110 of the laminate, and the other end was connected to the inner lid 116. Also, one end of the negative electrode current collecting tab 115 was connected to the negative electrode 112 of the laminate, and the other end was connected to the battery can 113. The positive electrode current collecting tab 114 and the negative electrode current collecting tab 115 were made of aluminum foil and nickel foil, respectively.

内蓋116、内圧開放弁117、ガスケット118及び正温度係数(PTC)抵抗素子119を電池蓋120に取り付けた。PTC抵抗素子119は、電池内部の温度が高くなったときに、リチウムイオン電池101の充放電を停止させ、電池を保護するために用いた。前記電池蓋120及び電池缶113を密着させ、かしめによって電池蓋120を電池缶113に取り付けて、リチウムイオン電池101を作製した。得られたリチウムイオン電池を、実施例1〜12(B1〜12)、並びに比較例1〜3(B13〜15)のリチウムイオン電池とする。   An inner lid 116, an internal pressure release valve 117, a gasket 118 and a positive temperature coefficient (PTC) resistance element 119 were attached to the battery lid 120. The PTC resistance element 119 was used to stop charging / discharging of the lithium ion battery 101 and protect the battery when the temperature inside the battery became high. The battery lid 120 and the battery can 113 were brought into close contact, and the battery lid 120 was attached to the battery can 113 by caulking to produce a lithium ion battery 101. Let the obtained lithium ion battery be the lithium ion battery of Examples 1-12 (B1-12) and Comparative Examples 1-3 (B13-15).

各リチウムイオン電池に用いた負極活物質の重量は、10±0.1 gであった。また、正極活物質の重量は、28±0.3 gであった。上記の負極重量及び正極重量に基づき、各リチウムイオン電池の定格容量(計算値)を計算したところ、3.5 Ahであった。   The weight of the negative electrode active material used for each lithium ion battery was 10 ± 0.1 g. The weight of the positive electrode active material was 28 ± 0.3 g. Based on the above negative electrode weight and positive electrode weight, the rated capacity (calculated value) of each lithium ion battery was calculated to be 3.5 Ah.

[3:リチウムイオン電池の性能評価]
実施例1〜12(B1〜12)、並びに比較例1〜3(B13〜15)のリチウムイオン電池に、以下の手順で初期エージングの処理を行った。
[3: Performance evaluation of lithium-ion battery]
The lithium ion batteries of Examples 1 to 12 (B1 to 12) and Comparative Examples 1 to 3 (B13 to 15) were subjected to initial aging treatment according to the following procedure.

各リチウムイオン電池に、開回路の状態から充電を開始した。電流は、3.5 Aとし、4.2 Vに到達した時点でその電圧を維持し、電流が0.1 Aになるまで充電を継続した。その後、30分の休止時間を設けて、3.5 Aにて放電を始めた。電池電圧が3.0 Vに達したときに放電を停止させ、30分の休止を行った。上記と同様の手順で、充電と放電とを5回繰り返して、リチウムイオン電池の初期エージングの処理を終了させた。最後のサイクル(5サイクル目)の放電容量を、負極活物質の重量(10±0.1 g)で除算して、初期容量を計算した。   Each lithium ion battery was charged from an open circuit state. The current was 3.5 A, the voltage was maintained when 4.2 V was reached, and charging was continued until the current reached 0.1 A. Thereafter, a 30-minute rest period was provided, and discharging was started at 3.5 A. When the battery voltage reached 3.0 V, the discharge was stopped and a 30-minute pause was performed. In the same procedure as described above, charging and discharging were repeated 5 times to complete the initial aging process of the lithium ion battery. The initial capacity was calculated by dividing the discharge capacity of the last cycle (5th cycle) by the weight of the negative electrode active material (10 ± 0.1 g).

次に、上記の初期エージングの手順において、充電条件は変えずに、放電時の電流値を10.5 A(3C相当の電流値)に増加させて、3C放電容量密度を測定した。   Next, in the above-described initial aging procedure, the current value during discharge was increased to 10.5 A (current value equivalent to 3C) without changing the charging conditions, and the 3C discharge capacity density was measured.

また、上記の初期エージングと同様の手順で300サイクルの充放電試験を行い、最後のサイクル(300サイクル目)の放電容量密度を初期値で除算して、容量維持率(%)を計算した。   In addition, a charge / discharge test of 300 cycles was performed in the same procedure as the above initial aging, and the capacity retention rate (%) was calculated by dividing the discharge capacity density of the last cycle (300th cycle) by the initial value.

実施例1〜12(B1〜12)、並びに比較例1〜3(B13〜15)のリチウムイオン電池の初期容量、3C放電容量密度及び容量維持率を表4に示す。   Table 4 shows the initial capacity, 3C discharge capacity density, and capacity retention rate of the lithium ion batteries of Examples 1 to 12 (B1 to 12) and Comparative Examples 1 to 3 (B13 to 15).

Figure 0005994571
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表4に示すように、実施例1〜12(B1〜12)のリチウムイオン電池によって、高い初期容量密度が得られ、340 mAh/g以上の高い放電容量密度が得られた。実施例1〜12のリチウムイオン電池では、負極内部の粒子の充填状態が改善されて、電子ネットワークが良好になったため、高い放電容量密度が得られたと考えられる。また、小粒径粒子の混合比が大きくなるほど、3C放電容量が増大する傾向があった。特に、実施例12の負極の3C放電容量密度が大きくなった。これらのリチウムイオン電池では、電子ネットワークの改善に加えて、比表面積の増加が高レート放電特性を向上させたと考えられる。   As shown in Table 4, high initial capacity densities were obtained with the lithium ion batteries of Examples 1 to 12 (B1 to 12), and a high discharge capacity density of 340 mAh / g or more was obtained. In the lithium ion batteries of Examples 1 to 12, it was considered that a high discharge capacity density was obtained because the filling state of the particles inside the negative electrode was improved and the electronic network was improved. Further, the 3C discharge capacity tended to increase as the mixing ratio of the small particle size particles increased. In particular, the 3C discharge capacity density of the negative electrode of Example 12 was increased. In these lithium ion batteries, in addition to the improvement of the electronic network, it is considered that the increase in the specific surface area improved the high rate discharge characteristics.

また、初期エージングの条件において300サイクルの充放電試験を行った後であっても、実施例1〜12のリチウムイオン電池は96%以上の高い容量維持率を示した。   Even after 300 cycles of charge and discharge tests were performed under the initial aging conditions, the lithium ion batteries of Examples 1 to 12 exhibited a high capacity retention rate of 96% or more.

これに対し、比較例1のリチウムイオン電池は、実施例1〜12のリチウムイオン電池と比較して初期容量密度が小さくなった。比較例1のリチウムイオン電池では、電子ネットワークが悪く、負極の抵抗が増加したためと考えられる。その結果、比較例1のリチウムイオン電池では、実施例1〜12のリチウムイオン電池と比較して3C放電容量及び300サイクル経過後の容量維持率のいずれも減少した。   In contrast, the lithium ion battery of Comparative Example 1 had a lower initial capacity density than the lithium ion batteries of Examples 1-12. This is probably because the lithium ion battery of Comparative Example 1 had a poor electronic network and increased the resistance of the negative electrode. As a result, in the lithium ion battery of Comparative Example 1, both the 3C discharge capacity and the capacity retention rate after 300 cycles were reduced as compared with the lithium ion batteries of Examples 1-12.

比較例2のリチウムイオン電池に使用される比較例2の負極活物質は、大粒径及び小粒径の黒鉛粒子の混合比が、実施例7の負極活物質の混合比と近い範囲である(表1)。しかしながら、比較例2のリチウムイオン電池は、実施例7のリチウムイオン電池の場合と比較して初期容量密度、3C放電容量及び300サイクル経過後の容量維持率のいずれも低くなった。   The negative electrode active material of Comparative Example 2 used for the lithium ion battery of Comparative Example 2 has a mixing ratio of large and small graphite particles in a range close to the mixing ratio of the negative electrode active material of Example 7. (table 1). However, in the lithium ion battery of Comparative Example 2, all of the initial capacity density, 3C discharge capacity, and capacity retention after 300 cycles were lower than in the case of the lithium ion battery of Example 7.

比較例3のリチウムイオン電池は、実施例12のリチウムイオン電池の場合と比較して初期容量密度及び3C放電容量が高くなった。比較例3のリチウムイオン電池に使用される比較例3の負極活物質は、実施例12の負極活物質と比較して黒鉛粒子の粉末の混合比における小粒径粒子の割合が高いため(表1)、比較例3の負極活物質は、実施例12の負極活物質と比較して比表面積が大きくなる(表2)。これにより、比較例3の負極活物質は、実施例12の負極活物質と比較して充放電に係る反応面積が増大するため、結果として比較例3のリチウムイオン電池の初期容量密度及び3C放電容量は、実施例12の場合と比較して高くなったと考えられる。一方、比較例3の負極活物質の比表面積は6.9 m2/gと極めて大きいため、300サイクル経過後の容量維持率は低くなったと考えられる。実施例12及び比較例3の結果より、両者の負極活物質の比表面積の中間位置に、高い容量維持率を得るための比表面積の上限値があり、その上限値は6.5と推定される。 The lithium ion battery of Comparative Example 3 had higher initial capacity density and 3C discharge capacity than the lithium ion battery of Example 12. Since the negative electrode active material of Comparative Example 3 used for the lithium ion battery of Comparative Example 3 has a higher proportion of small particle size particles in the mixing ratio of the graphite particle powder than the negative electrode active material of Example 12 (Table 1) The specific surface area of the negative electrode active material of Comparative Example 3 is larger than that of the negative electrode active material of Example 12 (Table 2). Thereby, the negative electrode active material of Comparative Example 3 increases the reaction area related to charge / discharge compared with the negative electrode active material of Example 12, resulting in the initial capacity density and 3C discharge of the lithium ion battery of Comparative Example 3 The capacity is considered to be higher than that in Example 12. On the other hand, since the specific surface area of the negative electrode active material of Comparative Example 3 was as extremely large as 6.9 m 2 / g, the capacity retention rate after 300 cycles was considered to be low. From the results of Example 12 and Comparative Example 3, there is an upper limit value of the specific surface area for obtaining a high capacity retention ratio at an intermediate position between the specific surface areas of both negative electrode active materials, and the upper limit value is estimated to be 6.5.

また、比較例1及び2のリチウムイオン電池は、実施例1のリチウムイオン電池と比較して3C放電容量が低くなった。比較例1及び2のリチウムイオン電池に使用される比較例1及び2の負極活物質のD50は18.5μmを中心とする大きな値であるため(表1)、比較例1及び2の負極活物質は、実施例1の負極活物質と比較して比表面積が小さくなる(表2)。これにより、比較例1及び2の負極活物質は、実施例1の負極活物質と比較して充放電に係る反応面積が低下するため、結果として比較例1及び2のリチウムイオン電池の3C放電容量は、実施例1の場合と比較して低くなったと考えられる。それ故、高レート放電特性を確保するためのD50の上限値は、18.5μmと結論づけることができる。 Further, the lithium ion batteries of Comparative Examples 1 and 2 had a lower 3C discharge capacity than the lithium ion battery of Example 1. Since D 50 of the negative electrode active material of Comparative Example 1 and 2 used in the lithium ion battery of Comparative Example 1 and 2 are large value centered on 18.5 (Table 1), the negative active in Comparative Examples 1 and 2 The material has a specific surface area smaller than that of the negative electrode active material of Example 1 (Table 2). Thereby, the negative electrode active material of Comparative Examples 1 and 2 has a reduced reaction area for charge and discharge compared to the negative electrode active material of Example 1, resulting in 3C discharge of the lithium ion batteries of Comparative Examples 1 and 2 The capacity is considered to be lower than that in Example 1. Therefore, it can be concluded that the upper limit value of D 50 for ensuring high rate discharge characteristics is 18.5 μm.

上記の結果から、負極活物質及び負極の仕様と当該負極を使用したリチウムイオン電池の性能との間には以下の関係が存在することが明らかとなった。なお、本発明は、以下の作用・原理に限定されるものではない。   From the above results, it became clear that the following relationship exists between the specifications of the negative electrode active material and the negative electrode and the performance of the lithium ion battery using the negative electrode. Note that the present invention is not limited to the following actions and principles.

まず、黒鉛粒子を含む負極活物質の粉末の粒径比D10/D50が0.1〜0.52の範囲であり、D10が1.2〜9.2μmの範囲であり、D50が10〜18.5μmの範囲であり、前記粉末の比表面積が3.0〜6.5 m2/g の範囲である場合、当該負極活物質を使用した負極及びリチウムイオン電池は、比較例1の負極活物質を使用した負極及びリチウムイオン電池を上回る性能を発揮することができる。例えば、初期容量密度は350 mAh/g以上に、容量維持率は96%以上に達することができる。 First, the particle size ratio D 10 / D 50 of the negative electrode active material powder containing graphite particles is in the range of 0.1 to 0.52, D 10 is in the range of 1.2 to 9.2 μm, and D 50 is in the range of 10 to 18.5 μm. When the specific surface area of the powder is in the range of 3.0 to 6.5 m 2 / g, the negative electrode and lithium ion battery using the negative electrode active material are the negative electrode and lithium ion using the negative electrode active material of Comparative Example 1. Performance that exceeds the battery can be exhibited. For example, the initial capacity density can reach 350 mAh / g or more, and the capacity retention rate can reach 96% or more.

負極活物質の粉末に含まれる黒鉛粒子の粒径比D10/D50が0.29〜0.47の範囲である場合、当該負極活物質を使用した負極及びリチウムイオン電池の性能はより向上する。例えば、初期容量密度は352 mAh/g以上に、3C(1/3時間率)放電容量密度は343 mAh/gに達する。すなわち、上記範囲にすれば、容量維持率も96%以上となり、寿命と高レート放電特性とがともに優れることがわかった。なお、上述の粒径比の範囲から外れる実施例1の負極活物質の場合、3C放電容量がやや低下していることから、好適なD10/D50の上限値が0.47と0.52の間にあることが支持される。 If the particle diameter ratio D 10 / D 50 of the graphite particles contained in the powder of the anode active material is in the range of 0.29 to 0.47, the negative electrode and the performance of the lithium ion battery using the negative electrode active material is more increased. For example, the initial capacity density reaches 352 mAh / g or more, and the 3C (1/3 hour rate) discharge capacity density reaches 343 mAh / g. In other words, it was found that, within the above range, the capacity retention rate was 96% or more, and both the life and high rate discharge characteristics were excellent. In addition, in the case of the negative electrode active material of Example 1 that deviates from the above range of the particle size ratio, the 3C discharge capacity is slightly reduced, so that the preferable upper limit of D 10 / D 50 is between 0.47 and 0.52. It is supported that there is.

負極活物質の粉末に含まれる黒鉛粒子の粒径比D10/D50が0.1〜0.35の範囲である場合、当該負極活物質を使用した負極及びリチウムイオン電池の放電容量密度はさらに向上する。例えば、3C放電容量密度は357 mAh/gに達することができる。上記の範囲に包含される実施例9〜12の負極活物質を使用したリチウムイオン電池は、最も放電容量密度が高い。 When the particle size ratio D 10 / D 50 of the graphite particles contained in the powder of the negative electrode active material is in the range of 0.1 to 0.35, the discharge capacity density of the negative electrode and the lithium ion battery using the negative electrode active material is further improved. For example, the 3C discharge capacity density can reach 357 mAh / g. The lithium ion batteries using the negative electrode active materials of Examples 9 to 12 included in the above range have the highest discharge capacity density.

上記のような有利な効果が得られた理由は、黒鉛粒子を含む負極活物質の粉末の大粒径粒子及び小粒径粒子の混合比が好適な範囲であったためと考えられる。このような効果は、黒鉛粒子の分布を本発明の最適範囲にしたことに由来するものである。前記粒子粉末において、複数の大粒径粒子によって形成される空隙に小粒径粒子が入り込むことによって、みかけの負極密度は高くなる。このため、小さな加圧成形圧力であっても、所望の負極密度を容易に実現することができる。これにより、黒鉛粒子に過大な圧力が加えられて、該粒子が変形することを回避することができる。その結果、望ましい負極の構造が実現されて、負極の性能が向上したと考えられる。大粒径又は小粒径の黒鉛粒子の少なくとも一方を、被覆の少ない黒鉛粒子又は被覆されていない黒鉛粒子に置き換えても同じ効果が得られる。充放電サイクルに伴う体積変化は、被覆の有無には関係がないからである。   The reason why the above advantageous effect was obtained is thought to be that the mixing ratio of the large particle size particles and the small particle size particles of the negative electrode active material powder containing graphite particles was within a suitable range. Such an effect is derived from the fact that the distribution of graphite particles is within the optimum range of the present invention. In the particle powder, the apparent negative electrode density is increased by the small particle diameter particles entering the voids formed by the plurality of large particle diameter particles. For this reason, even if it is a small press-molding pressure, a desired negative electrode density is easily realizable. Thereby, it can avoid that an excessive pressure is applied to a graphite particle and this particle | grain deform | transforms. As a result, it is considered that a desirable negative electrode structure was realized and the performance of the negative electrode was improved. The same effect can be obtained even if at least one of the large or small particle size graphite particles is replaced with graphite particles with little coating or uncoated graphite particles. This is because the volume change accompanying the charge / discharge cycle is not related to the presence or absence of coating.

負極の作製において、特定の黒鉛粒子に過大な圧力が加えられると、その粒子に微小な亀裂(クラック)が形成される。亀裂が形成された黒鉛粒子を含む負極活物質を使用してリチウムイオン電池の負極を作製すると、充放電サイクルによって、その亀裂を基点に黒鉛粒子が崩壊する。負極に使用される黒鉛粒子の崩壊は、負極活物質の損失による容量低下の原因となる。また、黒鉛粒子の崩壊部分では、反応活性な黒鉛の表面が露出するため、電解液の分解反応サイトが増大する。その結果、負極の表面に、電解液の分解に起因する被膜が形成される。このような被膜が形成されると、リチウムイオン電池の容量維持率の低下及び/又は直流抵抗の上昇を招き、結果としてリチウムイオン電池の寿命特性が劣化する。   In the production of the negative electrode, when an excessive pressure is applied to specific graphite particles, minute cracks are formed in the particles. When a negative electrode of a lithium ion battery is produced using a negative electrode active material containing graphite particles with cracks formed, the graphite particles collapse based on the cracks due to charge / discharge cycles. Collapse of the graphite particles used in the negative electrode causes a decrease in capacity due to loss of the negative electrode active material. Moreover, since the surface of the reactive active graphite is exposed at the collapsed portion of the graphite particles, the decomposition reaction site of the electrolytic solution increases. As a result, a film resulting from the decomposition of the electrolytic solution is formed on the surface of the negative electrode. When such a film is formed, the capacity maintenance rate of the lithium ion battery is decreased and / or the direct current resistance is increased, and as a result, the life characteristics of the lithium ion battery are deteriorated.

本実施例の負極の場合、小さな加圧成形圧力で所望の負極密度を容易に実現することができるため、過大な加圧成形圧力が加えられて黒鉛粒子が変形することを回避することができる。それ故、上記の問題を解消することができる。このような効果は、黒鉛粒子の分布を本発明の最適範囲にしたことに由来するものであり、黒鉛表面の被覆の有無に無関係である。   In the case of the negative electrode of this example, a desired negative electrode density can be easily realized with a small pressure forming pressure, and therefore it is possible to avoid deformation of graphite particles due to an excessive pressure forming pressure being applied. . Therefore, the above problem can be solved. Such an effect is derived from the fact that the distribution of graphite particles is within the optimum range of the present invention, and is independent of the presence or absence of coating on the graphite surface.

また、本実施例の負極の場合、複数の大粒径黒鉛粒子によって形成される空隙に小粒径粒子が入り込むため、黒鉛粒子間の電気的接触が良好になるだけでなく、微細な空隙が負極全体に均質に形成される。このため、負極に含まれる全ての粒子について、充放電サイクルに伴う該粒子の体積変化が緩和される。上記で説明したように、本実施例の負極の場合、1μmの細孔径に係る細孔の総容積が、1μm以上の細孔径に係る細孔の総容積の3倍以上の高い比率となり、微小な細孔が負極全体に形成されていることが示された(表3)。負極に含まれる黒鉛粒子間の空隙の大きさが不均質である場合、充放電サイクル時の体積変化により、小さな空隙を形成している複数の粒子の接触面において該粒子の間隔が徐々に増大する。その結果、電気的な接触不良が生じることとなる。また、特定の黒鉛粒子に過大な応力が印加されることにより、接触しあった黒鉛粒子がずれて、新たな黒鉛表面が露出する。或いは黒鉛粒子の被覆層が破壊され、反応活性な黒鉛の表面が露出する。そのような露出した部位で、電解液の分解反応が新たに進行する。その結果、負極の容量低下が引き起こされる。このような容量低下は、黒鉛粒子の被覆によりある程度緩和されるが、充放電時の黒鉛粒子の体積変化が本質的な原因である。   In addition, in the case of the negative electrode of this example, since the small particle diameter enters the void formed by a plurality of large particle size graphite particles, not only the electrical contact between the graphite particles is good, but also the fine voids It is uniformly formed throughout the negative electrode. For this reason, about all the particles contained in a negative electrode, the volume change of this particle | grain accompanying a charging / discharging cycle is relieve | moderated. As described above, in the case of the negative electrode of this example, the total volume of the pores related to the pore diameter of 1 μm is a high ratio of 3 times or more the total volume of the pores related to the pore diameter of 1 μm or more, and the minute volume It was shown that simple pores were formed in the entire negative electrode (Table 3). When the size of voids between graphite particles contained in the negative electrode is inhomogeneous, the space between the particles gradually increases at the contact surface of multiple particles that form small voids due to the volume change during the charge / discharge cycle To do. As a result, an electrical contact failure occurs. Further, when an excessive stress is applied to specific graphite particles, the graphite particles in contact with each other are displaced, and a new graphite surface is exposed. Alternatively, the coating layer of graphite particles is destroyed, and the surface of the reactive active graphite is exposed. The decomposition reaction of the electrolytic solution newly proceeds at the exposed portion. As a result, the capacity of the negative electrode is reduced. Such a decrease in capacity is alleviated to some extent by the coating of the graphite particles, but the volume change of the graphite particles during charging / discharging is an essential cause.

これに対し、本実施例の負極の場合、黒鉛粒子間の空隙の大きさが略均質であるため、充放電サイクル時に全ての粒子に対して実質的に均等な応力が作用する。本発明の最適な粒度分布をもつ黒鉛粒子を用いることにより、負極内部の応力の均等化及び粒子当たりの応力の低減が図られる。このように、本実施例の負極の場合、特定の黒鉛粒子に対して過大な応力が印加されることを回避し得るため、上記の問題を解消することができる。   On the other hand, in the case of the negative electrode of this example, since the size of the voids between the graphite particles is substantially uniform, substantially uniform stress acts on all the particles during the charge / discharge cycle. By using the graphite particles having the optimum particle size distribution of the present invention, the stress inside the negative electrode can be equalized and the stress per particle can be reduced. As described above, in the case of the negative electrode of this example, it is possible to avoid applying an excessive stress to the specific graphite particles, so that the above problem can be solved.

<製造例4:リチウムイオン電池モジュールのシステム>
[1:システムの作製]
実施例1のリチウムイオン電池を用いて、以下の手順でモジュール(組電池)のシステムを作製した。実施例1のリチウムイオン電池を用いて作製したリチウムイオン電池のモジュールのシステムを図2に示す。
<Production Example 4: Lithium-ion battery module system>
[1: Production of system]
Using the lithium ion battery of Example 1, a module (assembled battery) system was produced by the following procedure. FIG. 2 shows a module system of a lithium ion battery manufactured using the lithium ion battery of Example 1.

端子204を用いて実施例1のリチウムイオン電池202の正極外部端子203及び負極外部端子205を8直列に接続して、モジュール201を組み立てた。このモジュール201に、正極外部端子207、負極外部端子208、充電回路210、演算制御部209、給電負荷電源211、電力線212、信号線213及び外部電力ケーブル214を接続して、システムS1を作製した。   Using the terminal 204, the positive electrode external terminal 203 and the negative electrode external terminal 205 of the lithium ion battery 202 of Example 1 were connected in series, and the module 201 was assembled. A positive electrode external terminal 207, a negative electrode external terminal 208, a charging circuit 210, a calculation control unit 209, a power supply load power supply 211, a power line 212, a signal line 213, and an external power cable 214 were connected to the module 201 to produce a system S1. .

また、上記の手順において、実施例1のリチウムイオン電池を実施例8のリチウムイオン電池に変更した他は、上記と同様の手順でシステムS2を作製した。   Further, a system S2 was produced in the same procedure as described above except that the lithium ion battery of Example 1 was changed to the lithium ion battery of Example 8 in the above procedure.

なお、本実施例は本発明の有効性を確認するための試験であったので、外部電源又は外部負荷を取り付けるところを、電力の供給と消費の両方の機能を兼ね備えた給電負荷電源211を用いた。これを用いることは、電気自動車等の電気車両又は工作機械、或いは分散型電力貯蔵システム又はバックアップ電源システム等の実使用時と比較して、本発明の効果に相違をもたらすものでない。   Since this example was a test for confirming the effectiveness of the present invention, a power supply load power source 211 having both functions of supplying and consuming power is used for attaching an external power source or an external load. It was. The use of this does not make a difference in the effect of the present invention compared to an actual use of an electric vehicle such as an electric vehicle or a machine tool, or a distributed power storage system or a backup power supply system.

[2:システムの性能評価]
上記のシステムS1及びS2において、充放電回路210から正極外部端子207及び負極外部端子208へ1時間率相当の電流値(3.5 A)の充電電流を流し、33.6 Vの定電圧にて1時間の充電を行った。ここで設定した定電圧値は、先に述べた単電池の定電圧値4.2 Vの8倍の値である。モジュールの充放電に必要な電力は、給電負荷電源211より供給した。
[2: System performance evaluation]
In the above systems S1 and S2, a charging current corresponding to a 1 hour rate (3.5 A) is passed from the charge / discharge circuit 210 to the positive external terminal 207 and the negative external terminal 208, and the constant voltage of 33.6 V is applied for 1 hour. Charged. The constant voltage value set here is eight times the constant voltage value 4.2 V of the unit cell described above. Electric power necessary for charging / discharging the module was supplied from a power supply load power supply 211.

放電試験は、正極外部端子207及び負極外部端子208から逆向きの電流を充放電回路210に流して、給電負荷電源211にて電力を消費させた。放電電流は、1時間率の条件(放電電流として3.5 A)とし、正極外部端子207及び負極外部端子208の端子間電圧が24 Vに達するまで放電させた。   In the discharge test, a reverse current was passed from the positive external terminal 207 and the negative external terminal 208 to the charge / discharge circuit 210, and power was consumed by the power supply load power supply 211. The discharge current was 1 hour rate (discharge current 3.5 A), and discharging was performed until the voltage between the positive external terminal 207 and the negative external terminal 208 reached 24 V.

上記の条件で充放電試験を行ったところ、システムS1の場合、充電容量が3.5 Ah、放電容量が3.4〜3.5 Ahの初期性能であった。さらに300サイクルの充放電サイクル試験を実施したところ、システムS1の場合、容量維持率は91〜93%であり、システムS2の場合、容量維持率は94〜95%であった。   When the charge / discharge test was performed under the above conditions, in the case of system S1, the initial performance was a charge capacity of 3.5 Ah and a discharge capacity of 3.4 to 3.5 Ah. When a charge / discharge cycle test of 300 cycles was further performed, in the case of system S1, the capacity maintenance rate was 91 to 93%, and in the case of system S2, the capacity maintenance rate was 94 to 95%.

なお、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除及び/又は置換をすることが可能である。   In addition, this invention is not limited to an above-described Example, Various modifications are included. For example, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, it is possible to add, delete, and / or replace another configuration with respect to a part of the configuration of each embodiment.

101…リチウムイオン電池
110…正極
111…セパレータ
112…負極
113…電池缶
114…正極集電タブ
115…負極集電タブ
116…内蓋
117…内圧開放弁
118…ガスケット
119…正温度係数(PTC)抵抗素子
120…電池蓋
201…モジュール
202…リチウムイオン電池
203…リチウムイオン電池の正極外部端子
204…端子
205…リチウムイオン電池の負極外部端子
206…モジュール容器
207…モジュールの正極外部端子
208…モジュールの負極外部端子
209…演算制御部
210…充電回路
211…給電負荷電源
212…電力線
213…信号線
214…外部電力ケーブル
101 ... Lithium ion battery
110 ... Positive electrode
111 ... Separator
112 ... Negative electrode
113 ... Battery can
114 ... Positive current collector tab
115… Negative electrode current collecting tab
116 ... Inner lid
117 ... Internal pressure release valve
118… Gasket
119… Positive temperature coefficient (PTC) resistance element
120 ... Battery cover
201 ... Module
202 ... Lithium ion battery
203 ... Lithium ion battery positive electrode external terminal
204 ... Terminal
205 ... Negative electrode external terminal of lithium-ion battery
206 ... Module container
207… Module positive external terminal
208 ... Negative external terminal of module
209 ... Calculation control unit
210 ... Charging circuit
211… Power supply for load supply
212 ... Power line
213 ... Signal line
214 ... External power cable

Claims (7)

黒鉛粒子を含む粉末からなり、該粉末の累積体積10%における粒径をD10、累積体積50%における粒径をD50としたときの粒径比D10/D50が0.1〜0.35の範囲であり、D10が1.2〜4.7μmの範囲であり、D5010.415.1μmの範囲であり、且つ該粉末の比表面積が3.0〜6.5 m2/gの範囲である、非水電解液二次電池用負極活物質。 The particle size ratio D 10 / D 50 is in the range of 0.1 to 0.35 , where the particle size is D 10 when the cumulative particle size is 10% and the particle size when the cumulative particle size is 50% is D 50. A non-aqueous electrolyte in which D 10 is in the range of 1.2 to 4.7 μm, D 50 is in the range of 10.4 to 15.1 μm, and the specific surface area of the powder is in the range of 3.0 to 6.5 m 2 / g Negative electrode active material for secondary battery . 前記粉末が他の材料の粒子をさらに含み、前記黒鉛粒子を、前記黒鉛粒子及び前記他の材料の粒子の総体積に対して50体積%以上含む、請求項1記載の非水電解液二次電池用負極活物質。 The non-aqueous electrolyte secondary according to claim 1, wherein the powder further includes particles of another material, and the graphite particles include 50% by volume or more based on a total volume of the graphite particles and the particles of the other material. Negative electrode active material for batteries . 前記黒鉛粒子が、黒鉛を含有する核材と、該核材の表面に配置された、炭素を主成分として含有する被覆層とを有する、請求項1又は2記載の非水電解液二次電池用負極活物質。 3. The nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the graphite particles have a core material containing graphite, and a coating layer containing carbon as a main component disposed on the surface of the core material. use the negative electrode active material. 前記被覆層が、窒素、リン、酸素、アルカリ金属、アルカリ土類金属又は遷移金属をさらに含有する、請求項3記載の非水電解液二次電池用負極活物質。 4. The negative electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 3 , wherein the coating layer further contains nitrogen, phosphorus, oxygen, alkali metal, alkaline earth metal, or transition metal. 集電体と、該集電体の表面に配置された、請求項1〜4のいずれか1項記載の非水電解液二次電池用負極活物質及びバインダを含む負極合剤層とを有し、水銀圧入法によって測定される微分細孔容積のピークが1μm以下の細孔径であり、且つ1μm以上の細孔径に係る細孔の総容積に対する1μm未満の細孔径に係る細孔の総容積の比率が3以上である、非水電解液二次電池用負極。 A current collector, and a negative electrode mixture layer comprising a negative electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 4 and a binder disposed on a surface of the current collector. The peak of differential pore volume measured by mercury porosimetry is a pore diameter of 1 μm or less, and the total volume of pores having a pore diameter of less than 1 μm with respect to the total volume of pores having a pore diameter of 1 μm or more. The negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries whose ratio is 3 or more. 請求項5記載の非水電解液二次電池用負極と、正極と、電解質とを備えるリチウムイオン二次電池。 6. A lithium ion secondary battery comprising the negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 5 , a positive electrode, and an electrolyte. 請求項6記載のリチウムイオン二次電池を複数備えるリチウムイオン二次電池モジュールのシステム。 7. A system of a lithium ion secondary battery module comprising a plurality of lithium ion secondary batteries according to claim 6 .
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