JP6286829B2 - Lithium ion secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、リチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery.
携帯電話やノートパソコン等のモバイル機器の普及により、その電力源となる二次電池の役割が重要視されている。これらの二次電池には、小型、軽量でかつ高容量であり、充放電を繰り返した場合でも充放電容量の劣化が起こりにくいことが求められている。このような特性を満たす二次電池として、現在ではリチウムイオン二次電池が多く使用されている。また近年では電気自動車やハイブリッド車等のモータ駆動の車両の市場が急速に立ち上がり、さらには家庭用及び産業用蓄電システムの開発の加速により、更なる高性能リチウムイオン二次電池の開発が進められている。 With the widespread use of mobile devices such as mobile phones and laptop computers, the role of secondary batteries as power sources is gaining importance. These secondary batteries are required to be small, light and have a high capacity, and to be less susceptible to deterioration of charge / discharge capacity even when charge / discharge is repeated. Currently, many lithium ion secondary batteries are used as secondary batteries satisfying such characteristics. In recent years, the market for motor-driven vehicles such as electric vehicles and hybrid vehicles has rapidly risen, and further development of high-performance lithium-ion secondary batteries has been promoted by accelerating the development of household and industrial power storage systems. ing.
リチウムイオン二次電池の負極には、主として黒鉛やハードカーボン等の炭素が用いられている。これらの炭素は、充放電サイクルを良好に繰り返すことができるものの、既に理論容量付近の容量が実現されていることから、今後大幅な容量向上を期待することはできない。その一方で、リチウムイオン二次電池の容量向上の要求は強いことから、炭素よりも高容量、すなわち高エネルギー密度を有する負極材料の検討が行われている。 Carbon such as graphite and hard carbon is mainly used for the negative electrode of the lithium ion secondary battery. Although these carbons can repeat charge / discharge cycles satisfactorily, since capacity near the theoretical capacity has already been realized, it is not possible to expect significant increase in capacity in the future. On the other hand, since there is a strong demand for capacity enhancement of lithium ion secondary batteries, negative electrode materials having a higher capacity than carbon, that is, a higher energy density, have been studied.
エネルギー密度を高める材料として、組成式がLiXA(Aはアルミニウムなどの元素からなる)(x>0)で表されるリチウムと合金を形成するLi吸蔵物質を負極活物質として用いることが検討されている。この負極活物質は、単位体積当りのリチウムイオンの吸蔵放出量が多く、高容量である。また、非特許文献1には、ケイ素を負極活物質として用いることが記載されている。このような負極活物質を用いることによって、高エネルギー密度の二次電池が得られることが記載されている。 As a material for increasing the energy density, it is considered to use, as a negative electrode active material, a Li storage material that forms an alloy with lithium represented by the composition formula Li X A (A is an element such as aluminum) (x> 0). Has been. This negative electrode active material has a large capacity with a large amount of occlusion and release of lithium ions per unit volume. Non-Patent Document 1 describes the use of silicon as a negative electrode active material. It is described that a secondary battery having a high energy density can be obtained by using such a negative electrode active material.
特許文献1には、負極活物質として、リチウムを含有するケイ素の酸化物またはケイ酸塩を用いた非水電解質二次電池が記載されている。このような負極活物質を用いることにより、高エネルギー密度で、充放電特性が優れ、かつサイクル寿命に優れた二次電池が得られることが記載されている。 Patent Document 1 describes a non-aqueous electrolyte secondary battery using a silicon oxide or silicate containing lithium as a negative electrode active material. It is described that by using such a negative electrode active material, a secondary battery having high energy density, excellent charge / discharge characteristics, and excellent cycle life can be obtained.
特許文献2には、負極活物質としてケイ素及び/またはケイ素合金を用い、負極バインダとしてポリイミドを用い、非酸化性雰囲気下に焼結して得られるリチウムイオン二次電池用負極が記載されている。このような負極を用いることにより、サイクル特性に優れた二次電池が得られることが記載されている。 Patent Document 2 describes a negative electrode for a lithium ion secondary battery obtained by using silicon and / or a silicon alloy as a negative electrode active material, using polyimide as a negative electrode binder, and sintering in a non-oxidizing atmosphere. . It is described that a secondary battery having excellent cycle characteristics can be obtained by using such a negative electrode.
しかしながら、非特許文献1に記載されているように、ケイ素を負極活物質として用いた電池は、単位体積当りのリチウムイオンの吸蔵放出量が多く高容量であるものの、リチウムイオンが吸蔵放出される際に電極活物質自体が膨脹収縮することによる微粉化が進行するため、充放電サイクル寿命が短いという問題点がある。 However, as described in Non-Patent Document 1, a battery using silicon as a negative electrode active material has a large amount of lithium ion storage / release per unit volume and a high capacity, but lithium ion is stored / released. At this time, since the fine powdering due to the expansion and contraction of the electrode active material itself proceeds, there is a problem that the charge / discharge cycle life is short.
また、特許文献1に記載されている二次電池は、エネルギー密度は改善する傾向にあるものの、初回充放電における不可逆容量が大きいため、エネルギー密度の改善の程度としては十分ではないという問題点がある。 Moreover, although the secondary battery described in Patent Document 1 tends to improve the energy density, the irreversible capacity in the first charge / discharge is large, so that the degree of improvement in the energy density is not sufficient. is there.
特許文献2に記載されている二次電池は、リチウムイオンが吸蔵放出される際に電極活物質自体が膨脹収縮することによる微粉化が進行するため、充放電サイクル寿命が短いという問題点がある。負極バインダとしてポリイミドを用いることで、ある程度の充放電サイクル寿命を改善することが出来るものの、改善の程度としては十分ではない。 The secondary battery described in Patent Document 2 has a problem that the charge / discharge cycle life is short because the electrode active material itself expands and contracts when lithium ions are occluded and released. . Although the charge / discharge cycle life can be improved to some extent by using polyimide as the negative electrode binder, the degree of improvement is not sufficient.
本発明は、上記問題点を解決し、良好なサイクル特性を有し、かつ高いエネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above problems and to provide a lithium ion secondary battery having good cycle characteristics and a high energy density.
本発明は、正極、セパレータ、負極の順に積層した構造を有するリチウムイオン二次電池であって、前記負極は、少なくともケイ素酸化物と炭素とを含む負極活物質と、イミド基を有するバインダとを含み、リチウムがあらかじめドープされており、かつ、前記負極の表面が炭酸リチウムを5質量%以上含有することを特徴とするリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention is a lithium ion secondary battery having a structure in which a positive electrode, a separator, and a negative electrode are stacked in this order, and the negative electrode includes a negative electrode active material containing at least silicon oxide and carbon, and a binder having an imide group. In addition, the present invention relates to a lithium ion secondary battery, wherein lithium is pre-doped and the surface of the negative electrode contains 5% by mass or more of lithium carbonate.
本発明の実施形態によれば、高いエネルギー密度を有し、かつ良好なサイクル特性を有するリチウムイオン二次電池を提供することが出来る。 According to the embodiment of the present invention, it is possible to provide a lithium ion secondary battery having high energy density and good cycle characteristics.
以下、本実施形態について図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the drawings.
本実施形態によるリチウムイオン二次電池は、正極、セパレータ、及び負極がこの順に積層した構造を有し、例えば図1に示すように、銅箔などの負極集電体2及びその表面上に形成された負極活物質層1からなる負極と、アルミニウムなどの正極集電体4及びその表面上に形成された正極活物質層3からなる正極とを有する。この負極活物質層1及び正極活物質層3は、セパレータ5を介して対向配置されている。セパレータ5と負極活物質層1とが対向している部分、及びセパレータ5と正極活物質層3とが対向配置している部分には、電解液が含浸されている。負極集電体2及び正極集電体4には、電極の取り出しのため、それぞれ負極端子6及び正極端子7が接続されている。図1に示す例では、負極集電体2の表面に負極活物質層が設けられ、それぞれの負極活物質上にセパレータを介して正極活物質層が配置され、二つの正極集電体同士は端部で溶接などにより接続されている。さらに、負極集電体上の負極集電体層、正極集電体上の正極集電体層、及び正極集電体層と負極集電体層との間のセパレータを含む積層構造を積層してもよい。正極集電体同士、負極集電体同士は、それぞれ端部で溶接などにより接続されている。このように構成された素子は、外装体8で封止されている。なお、本明細書において、リチウムイオン二次電池のことを単に「二次電池」と記載することもある。
The lithium ion secondary battery according to the present embodiment has a structure in which a positive electrode, a separator, and a negative electrode are stacked in this order. For example, as shown in FIG. 1, the negative electrode current collector 2 such as a copper foil and the surface thereof are formed. And a positive electrode made of a positive electrode
ここで、負極活物質層は、正極活物質層に対する側の面Faが、正極活物質層の当該負極活物質層に対向する側の面Fcと対向する様に配置されていることが好ましい。負極活物質層の面Faの面積が、正極活物質層Fcの面積より大きすぎると、正極と対向する部分とそうでない部分とで負極の体積変化の度合いの違いが大きくなり、その結果、負極に、しわ、切れ等が生じ、電池特性低下の原因となる。 Here, the negative electrode active material layer is preferably disposed such that the surface Fa on the side of the positive electrode active material layer faces the surface Fc of the positive electrode active material layer facing the negative electrode active material layer. If the area of the face Fa of the negative electrode active material layer is too larger than the area of the positive electrode active material layer Fc, the difference in the degree of volume change of the negative electrode between the part facing the positive electrode and the part not so increases. In addition, wrinkles, cuts and the like are generated, which causes deterioration of battery characteristics.
(負極)
本実施形態のリチウムイオン二次電池において、負極は、負極活物質と負極バインダとを含む。前記負極活物質は少なくともケイ素酸化物と炭素とを含有し、前記負極バインダはイミド基を有する化合物を含む。さらに、本実施形態によるリチウムイオン二次電池の負極には、リチウムがあらかじめドープされており、かつ、前記負極の表面が炭酸リチウムを5質量%以上含有する。
(Negative electrode)
In the lithium ion secondary battery of the present embodiment, the negative electrode includes a negative electrode active material and a negative electrode binder. The negative electrode active material contains at least silicon oxide and carbon, and the negative electrode binder contains a compound having an imide group. Furthermore, the negative electrode of the lithium ion secondary battery according to the present embodiment is pre-doped with lithium, and the surface of the negative electrode contains 5% by mass or more of lithium carbonate.
負極バインダは、負極活物質と集電体、および、負極活物質どうしを結着させて一体化するが、負極バインダとしてイミド基を有する化合物を含むことにより、負極活物質と集電体とを密着させる機能がより高くなり、良好な充放電サイクル特性を有する電池を製造できる。 The negative electrode binder is formed by binding and integrating the negative electrode active material and the current collector, and the negative electrode active material. By including a compound having an imide group as the negative electrode binder, the negative electrode active material and the current collector are combined. The function to make it adhere | attach becomes higher, and the battery which has favorable charging / discharging cycling characteristics can be manufactured.
本実施形態において、負極バインダとして用いるイミド基を有する化合物としては、ポリイミド、ポリアミドイミド等が挙げられる。 In the present embodiment, examples of the compound having an imide group used as a negative electrode binder include polyimide and polyamideimide.
ポリイミド樹脂は、無水テトラカルボン酸とジアミンを反応させて生成するポリアミド酸(又はポリアミック酸)を加熱等により脱水及び環化反応することで得ることができる。ポリアミドイミド樹脂は、例えば、トリメリット酸又は無水トリメリット酸もしくはその酸塩化物と、芳香族ジアミン又は芳香族ジイソシアネートとの反応により得ることができる。 The polyimide resin can be obtained by dehydrating and cyclizing the polyamic acid (or polyamic acid) produced by reacting tetracarboxylic anhydride and diamine with heating or the like. Polyamideimide resin can be obtained, for example, by reaction of trimellitic acid or trimellitic anhydride or acid chloride thereof with aromatic diamine or aromatic diisocyanate.
また、負極バインダとして、本発明の目的を損なわない範囲でそのほかの化合物をさらに含んでもよく、例えば、ポリアミド、ポリアクリル酸系樹脂、ポリメタクリル酸系樹脂等を含んでもよい。 In addition, the negative electrode binder may further include other compounds as long as the object of the present invention is not impaired, and may include, for example, polyamide, polyacrylic acid resin, polymethacrylic acid resin, and the like.
負極バインダの全質量中、イミド基を有する化合物の含有量は、50質量%以上が好ましく、100質量%であってもよい。 The content of the compound having an imide group in the total mass of the negative electrode binder is preferably 50% by mass or more, and may be 100% by mass.
本実施形態における負極バインダは、弾性率が1.5GPa以上5.0GPa以下であることが好ましい。弾性率が低すぎると、樹脂の強度不足により、初回充放電特性が不十分になることがある。逆に弾性率が高すぎると、樹脂の伸度が低下し、繰り返し充放電時の容量の急速な低下につながることがある。 The negative electrode binder in the present embodiment preferably has an elastic modulus of 1.5 GPa or more and 5.0 GPa or less. If the elastic modulus is too low, the initial charge / discharge characteristics may become insufficient due to insufficient strength of the resin. On the other hand, if the elastic modulus is too high, the elongation of the resin is lowered, which may lead to a rapid drop in capacity during repeated charge / discharge.
本実施形態による二次電池の負極活物質層は、負極活物質として、ケイ素酸化物と炭素とを含有する。また、本実施形態においては、負極活物質として、さらに単体のケイ素を含んでもよい。ケイ素酸化物の粒子には、負極活物質としての役割を担うとともに、体積変化がケイ素粒子に比べて小さい利点がある。以下、単体のケイ素および/またはケイ素酸化物を、単に「ケイ素系化合物」と記載することもある。 The negative electrode active material layer of the secondary battery according to the present embodiment contains silicon oxide and carbon as the negative electrode active material. In the present embodiment, the negative electrode active material may further contain simple silicon. Silicon oxide particles have a role as a negative electrode active material and have an advantage that the volume change is smaller than that of silicon particles. Hereinafter, the simple silicon and / or silicon oxide may be simply referred to as “silicon-based compound”.
負極活物質に含まれるケイ素酸化物の含有量は、特に限定されないが、負極活物質の全重量に対して、10重量%以上98重量%以下であることが好ましく、30重量%以上95重量%以下であることがより好ましい。 The content of the silicon oxide contained in the negative electrode active material is not particularly limited, but is preferably 10% by weight or more and 98% by weight or less, and 30% by weight or more and 95% by weight with respect to the total weight of the negative electrode active material. The following is more preferable.
本実施形態による二次電池の負極活物質層は、負極活物質として炭素を含有することにより、繰り返し充放電における負極の膨脹収縮を緩和し、負極活物質であるケイ素系化合物の導通を確保することができるため、より良好なサイクル特性が得られる。炭素を負極活物質に含有させる方法としては、単にケイ素系化合物等と炭素粒子を混合する方法、また、負極活物質表面へ炭素を複合化する方法等を挙げることができる。具体的には、例えば、高温非酸素雰囲気下で、有機化合物の気体雰囲気中にケイ素系化合物を導入する方法や、高温非酸素雰囲気下で、ケイ素系化合物と炭素の前駆体樹脂を混合する方法によって、ケイ素系化合物の核の周囲に炭素の被覆層を形成することができる。これにより充放電における負極体積膨張が抑制され、サイクル特性のさらなる改善効果が得られる。 The negative electrode active material layer of the secondary battery according to the present embodiment contains carbon as the negative electrode active material, thereby relaxing expansion and contraction of the negative electrode during repeated charge and discharge and ensuring conduction of the silicon compound as the negative electrode active material. Therefore, better cycle characteristics can be obtained. Examples of the method of incorporating carbon into the negative electrode active material include a method of simply mixing a silicon compound or the like and carbon particles, a method of combining carbon on the surface of the negative electrode active material, and the like. Specifically, for example, a method of introducing a silicon compound into a gas atmosphere of an organic compound in a high temperature non-oxygen atmosphere, or a method of mixing a silicon compound and a carbon precursor resin in a high temperature non-oxygen atmosphere Thus, a carbon coating layer can be formed around the core of the silicon-based compound. Thereby, the negative electrode volume expansion in charging / discharging is suppressed and the further improvement effect of cycling characteristics is acquired.
本実施形態において、炭素としては、例えば、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、および炭素繊維から選ばれる少なくとも一種以上を含むことが好ましい。また、炭素の含有量は、特に限定はされないが、負極活物質100重量%に対して、1〜20重量%であることが好ましい。炭素量が多すぎると、電極密度が低下し、ケイ素系化合物を含む負極活物質の特長である電池容量向上のメリットが小さくなるため、所望の電池容量とサイクル特定を考慮して炭素量を設定することが好ましい。 In the present embodiment, the carbon preferably includes, for example, at least one selected from graphite, carbon black, acetylene black, and carbon fiber. Moreover, although content of carbon is not specifically limited, It is preferable that it is 1 to 20 weight% with respect to 100 weight% of negative electrode active materials. If the amount of carbon is too large, the electrode density decreases, and the merit of battery capacity improvement, which is a feature of the negative electrode active material containing silicon compounds, is reduced. Therefore, the carbon amount is set in consideration of the desired battery capacity and cycle specification. It is preferable to do.
負極活物質層には、導電性を高めるため、必要に応じてカーボンブラックやアセチレンブラック等の導電剤を含んでいてもよい。導電剤の含有量は、負極活物質100質量部に対して5質量部以下とすることが好ましい。 The negative electrode active material layer may contain a conductive agent such as carbon black or acetylene black as necessary in order to increase conductivity. The content of the conductive agent is preferably 5 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material.
負極活物質層は、例えば、上記の方法で形成した負極活物質と、負極バインダとを溶剤に分散・混練し、得られたスラリーを負極集電体の上に塗布し、高温雰囲気で乾燥することにより形成することができる。負極バインダの含有量は、負極活物質100質量部に対して5〜20質量部とすることが好ましい。溶剤としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)などが好適である。負極集電体としては、電気化学的な安定性から、銅、ニッケル、銀、又はそれらの合金が好ましい。負極集電体の形状としては、箔、平板状、メッシュ状が挙げられる。必要に応じて、負極活物質層を常温又は高温下でプレス処理することで、電極密度を高めることもできる。 The negative electrode active material layer is prepared by, for example, dispersing and kneading the negative electrode active material formed by the above method and the negative electrode binder in a solvent, coating the obtained slurry on the negative electrode current collector, and drying in a high temperature atmosphere. Can be formed. The content of the negative electrode binder is preferably 5 to 20 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. As the solvent, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and the like are suitable. As the negative electrode current collector, copper, nickel, silver, or an alloy thereof is preferable in view of electrochemical stability. Examples of the shape of the negative electrode current collector include foil, flat plate, and mesh. If necessary, the electrode density can be increased by pressing the negative electrode active material layer at room temperature or high temperature.
負極活物質層の密度(電極密度)は、1.0g/cm3以上2.0g/cm3以下の範囲であることが好ましい。電極密度が低すぎる場合には充放電容量が低下する傾向があり、電極密度が高すぎる場合には負極を含む電極に電解液を含浸させることが困難となり、やはり充放電容量が低下する傾向がある。 The density of the negative electrode active material layer (electrode density) is preferably in the range of 1.0 g / cm 3 to 2.0 g / cm 3 . If the electrode density is too low, the charge / discharge capacity tends to decrease, and if the electrode density is too high, it becomes difficult to impregnate the electrode including the negative electrode with the electrolyte, and the charge / discharge capacity also tends to decrease. is there.
なお、負極活物質層中に小粒径粒子が含まれていると、サイクル特性が低下する傾向にある。また、粒径が大きすぎると、電気的特性が低下する傾向にある。このため、負極活物質層に含まれる活物質粒子の平均粒径D50は、0.1μm以上20μm以下にあることが好ましく、0.5μm以上10μm以下にあることがより好ましい。 In addition, when small particle diameter particles are included in the negative electrode active material layer, the cycle characteristics tend to deteriorate. On the other hand, if the particle size is too large, the electrical characteristics tend to deteriorate. For this reason, the average particle diameter D 50 of the active material particles contained in the negative electrode active material layer is preferably 0.1 μm or more and 20 μm or less, and more preferably 0.5 μm or more and 10 μm or less.
本実施形態において、負極の目付量(負極集電体を除いた負極の単位面積当たりの質量)は、3.0〜15.0mg/cm2であることが好ましい。目付け量が少なすぎると、充放電に直接関与しない部材(集電体、セパレータ、など)の割合が多くなり、質量エネルギー密度が小さくなってしまう。また、目付け量が多すぎると、集電体からの剥離や電極の縦方向(電極を平板状に置いた時の深さ方向)における接触抵抗の増加が大きくなってしまう。 In the present embodiment, the basis weight of the negative electrode (the mass per unit area of the negative electrode excluding the negative electrode current collector) is preferably 3.0 to 15.0 mg / cm 2 . If the basis weight is too small, the proportion of members (current collector, separator, etc.) that are not directly involved in charge / discharge increases, and the mass energy density decreases. On the other hand, if the basis weight is too large, peeling from the current collector and increase in contact resistance in the vertical direction of the electrode (depth direction when the electrode is placed in a flat plate shape) become large.
本実施形態のリチウムイオン二次電池の負極の表面は、炭酸リチウムを5wt%以上、好ましくは5.5wt%以上、さらに好ましくは6wt%以上、好ましくは95wt%以下、より好ましくは80wt%以下含有する。表面に炭酸リチウムを5wt%以上含む負極を用いることにより、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度とサイクル特性を向上させることができる。ここで、「負極の表面」とは、負極の負極活物質層の表面から負極集電体側の面側への深さが、例えば、好ましくは10nmまでの部分、より好ましくは5nmまでの部分である。なお、本実施形態において、負極中、炭酸リチウムは負極の表面のみならず、負極全体に存在していてもよい。 The surface of the negative electrode of the lithium ion secondary battery of the present embodiment contains lithium carbonate in an amount of 5 wt% or more, preferably 5.5 wt% or more, more preferably 6 wt% or more, preferably 95 wt% or less, more preferably 80 wt% or less. To do. By using a negative electrode containing 5 wt% or more of lithium carbonate on the surface, the energy density and cycle characteristics of the lithium ion secondary battery can be improved. Here, the “surface of the negative electrode” is a portion where the depth from the surface of the negative electrode active material layer of the negative electrode to the surface on the negative electrode current collector side is, for example, preferably up to 10 nm, more preferably up to 5 nm. is there. In the present embodiment, in the negative electrode, lithium carbonate may be present not only on the surface of the negative electrode but also on the entire negative electrode.
負極の表面に炭酸リチウムを5wt%以上含ませる方法としては、後述するように、炭酸リチウムを含有するリチウム源を用いて負極にリチウムをドープする方法が好ましい。 As a method for adding 5 wt% or more of lithium carbonate to the surface of the negative electrode, as described later, a method of doping lithium into the negative electrode using a lithium source containing lithium carbonate is preferable.
なお、負極の表面の炭酸リチウムの含有量は、例えば、X線光電子分光法にて元素組成および化学状態を分析することにより算出することができる。 The content of lithium carbonate on the surface of the negative electrode can be calculated, for example, by analyzing the elemental composition and chemical state by X-ray photoelectron spectroscopy.
本実施形態によるリチウムイオン二次電池は、負極中の負極活物質に、あらかじめリチウムがドープされている。ケイ素酸化物を含む負極活物質は、内部に存在する酸素の存在により、リチウムとの不可逆反応が生じるが、負極にリチウムをあらかじめドープすることにより、不可逆容量が低減し、さらなるエネルギー密度の向上を図ることが出来る。なお、本明細書においては、「リチウムドープ」のことを「リチウムプレドープ」と記載することもある。 In the lithium ion secondary battery according to the present embodiment, lithium is previously doped in the negative electrode active material in the negative electrode. The negative electrode active material containing silicon oxide causes an irreversible reaction with lithium due to the presence of oxygen present inside, but by previously doping lithium into the negative electrode, the irreversible capacity is reduced and the energy density is further improved. I can plan. In the present specification, “lithium dope” may be described as “lithium pre-dope”.
本実施形態において、負極のリチウムドープ量(負極の単位面積当たりのリチウム量)は、1.6〜4.0mg/cm2であることが好ましい。リチウムドープ量が少なすぎると、負極活物質が有する大きな不可逆容量を低減するというリチウムドープの効果が十分に得られない。また、リチウムドープ量が多すぎると、放電時の負極劣化が大きくなってしまい、サイクル特性が低下してしまう。なお、リチウムドープ量は対極にLiを用いたセルを作製し充放電効率を測定することにより確認することができる。 In the present embodiment, the lithium doping amount of the negative electrode (lithium amount per unit area of the negative electrode) is preferably 1.6 to 4.0 mg / cm 2 . If the amount of lithium doping is too small, the lithium doping effect of reducing the large irreversible capacity of the negative electrode active material cannot be obtained sufficiently. Moreover, when there is too much lithium dope amount, the negative electrode deterioration at the time of discharge will become large, and cycling characteristics will fall. The lithium doping amount can be confirmed by preparing a cell using Li as the counter electrode and measuring the charge / discharge efficiency.
本実施形態においては、電池の作製前(好ましくは負極のみの状態、より好ましくは負極が極板の状態)に負極にリチウムをドープするが、リチウムをドープさせる方法として、リチウム源、好ましくは炭酸リチウムを含有するリチウム源を、負極活物質に接触させて加熱することにより行う。ここで、炭酸リチウムを含有するリチウム源の形態は、箔、もしくは銅などの基材上に形成した箔であることが望ましい。 In this embodiment, the negative electrode is doped with lithium before the battery is manufactured (preferably only in the negative electrode state, more preferably the negative electrode is in the electrode plate state). As a method for doping lithium, a lithium source, preferably carbonic acid is used. A lithium source containing lithium is heated in contact with the negative electrode active material. Here, the form of the lithium source containing lithium carbonate is desirably a foil or a foil formed on a base material such as copper.
本実施形態において、負極に接触させるリチウム源は、リチウムを80質量%以上含む金属からなることが好ましい。リチウムを80質量%以上含む金属は、リチウム合金であってもよいが、リチウムの含有量が好ましくは80質量%以上、より好ましくは90質量%以上、さらに好ましくは95質量%以上である。リチウムを主成分とする金属に含有されるリチウム以外の金属元素としては、例えば、ナトリウム、マグネシウム、シリコン、カルシウム、銅、セシウム等が挙げられる。 In the present embodiment, the lithium source brought into contact with the negative electrode is preferably made of a metal containing 80% by mass or more of lithium. The metal containing 80% by mass or more of lithium may be a lithium alloy, but the lithium content is preferably 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more, and still more preferably 95% by mass or more. Examples of metal elements other than lithium contained in the metal having lithium as a main component include sodium, magnesium, silicon, calcium, copper, and cesium.
リチウムを80質量%以上含む金属(以下、単に、リチウム金属ということがある。)の形態は、箔、片等の任意の形態でよいが、負極と接触できる面積が大きい方が好ましく、箔が好ましい。リチウム金属箔は、例えば、押し出しあるいは圧延により製作することができる。また蒸着により作製することもできる。 The form of the metal containing 80% by mass or more of lithium (hereinafter sometimes simply referred to as lithium metal) may be an arbitrary form such as a foil or piece, but preferably has a larger area that can be in contact with the negative electrode. preferable. The lithium metal foil can be manufactured by, for example, extrusion or rolling. It can also be produced by vapor deposition.
リチウム金属箔は、それ単独の箔の形態であってよいが、また、リチウム金属箔が基材上に形成された形態でもよい。基材としては、銅などのリチウムと合金化反応しない金属箔、ポリエチレンテレフタレート(PET)などのポリエステルやポリプロピレン(PP)等のプラスチックフィルムなどが使用される。基材は、電極に密着可能な柔軟性を有することが好ましいが、一方で、リチウムのドープにより電極に膨張や収縮による体積変化が生じた際にシワ等にならない程度の強度を有すると、電極の形状変化を緩和する効果がある。従って、例えば、銅箔では10μmから40μmの厚さを有することが好ましい。 The lithium metal foil may be in the form of a single foil, or may be a form in which the lithium metal foil is formed on a substrate. As the substrate, metal foil that does not alloy with lithium such as copper, polyester such as polyethylene terephthalate (PET), plastic film such as polypropylene (PP), and the like are used. It is preferable that the base material has flexibility capable of being in close contact with the electrode. On the other hand, if the base material has a strength that does not cause wrinkles or the like when a volume change due to expansion or contraction occurs due to lithium doping, the electrode This has the effect of relaxing the shape change. Therefore, for example, the copper foil preferably has a thickness of 10 μm to 40 μm.
このリチウム金属の表面層組成は、製造方法や使用条件、使用環境、保管環境などにより、大きく異なることが多い。真空装置内で蒸着やスパッタなどによりリチウム膜を形成した場合であっても、蒸着時の真空度や導入ガス、温度などの条件により表面層の生成状態は異なる。また、深さ方向および横方向への分布も使用条件や環境により異なる。 The surface layer composition of this lithium metal often varies greatly depending on the production method, use conditions, use environment, storage environment, and the like. Even when a lithium film is formed by vapor deposition, sputtering, or the like in a vacuum apparatus, the generation state of the surface layer varies depending on conditions such as the degree of vacuum, gas introduced, and temperature during vapor deposition. Further, the distribution in the depth direction and the lateral direction also varies depending on the use conditions and environment.
本実施形態において、負極へのリチウムドープに用いるリチウム源は、炭酸リチウムを含むことが好ましく、炭酸リチウムを好ましくは8質量%以上、より好ましくは10質量%以上、さらに好ましくは25質量%以上(100質量%を含む)含む表面層を有する。炭酸リチウムを含む表面層を有するリチウム源の炭酸リチウムを含む表面層と負極活物質層とを接触させてリチウムドープを行うことにより、負極上に炭酸リチウムを5質量%以上含む表面層を形成することができる。 In this embodiment, it is preferable that the lithium source used for lithium dope to a negative electrode contains lithium carbonate, Preferably lithium carbonate is 8 mass% or more, More preferably, it is 10 mass% or more, More preferably, it is 25 mass% or more ( (Including 100% by mass). A surface layer containing 5% by mass or more of lithium carbonate is formed on the negative electrode by performing lithium doping by bringing the surface layer containing lithium carbonate of the lithium source having a surface layer containing lithium carbonate into contact with the negative electrode active material layer. be able to.
リチウム源は、好ましくはすでに説明したとおりの、リチウムを80質量%以上含む金属であり、その形態は、箔、片等の任意の形態、好ましくは箔である。例えば、リチウム源は、リチウム金属の単独の箔であり、リチウム金属の両面または片面に、炭酸リチウムを含む表面層を有する。ここで、リチウム源が、リチウム金属の単独の箔である場合、リチウム源の少なくとも片面(負極と接触させる面)が、炭酸リチウムを含む表面層となっていればよいが、両面が炭酸リチウムを含む表面層であってもよい。また、基材上に形成されたリチウム金属の表面(基材と反対側)に、炭酸リチウムを含む表面層を有していてもよい。 The lithium source is preferably a metal containing 80% by mass or more of lithium as already described, and the form thereof is an arbitrary form such as a foil or a piece, preferably a foil. For example, the lithium source is a single foil of lithium metal and has a surface layer containing lithium carbonate on both or one side of the lithium metal. Here, when the lithium source is a single foil of lithium metal, it is sufficient that at least one surface of the lithium source (surface to be brought into contact with the negative electrode) is a surface layer containing lithium carbonate. The surface layer may be included. Moreover, you may have a surface layer containing lithium carbonate in the surface (opposite side to a base material) of the lithium metal formed on the base material.
リチウム源において、炭酸リチウムを含む表面層の厚さはリチウム源の厚さの30%以下であることが好ましく、20%以下であることがより好ましく、10%以下であることがさらに好ましく、3%以下であることがさらに好ましい。また、リチウム源中、炭酸リチウムを含む表面層の厚さは、15nm以下であることが好ましく、10nm以下であることがより好ましく、8nm以下であることがより好ましく、5nm以下であることがより好ましく、3nm以下であることがさらに好ましい。ここで、「厚さ」とは、リチウム源と負極との接触面に対して、垂直方向における厚さである。リチウム源の厚さは、特に限定されず、例えば20mm以下でよく、1例としては5mm以下、好ましくは1mm以下程度である。特にリチウム源が箔の形態であるとき、箔の厚さとしては、より好ましくは500μm以下である。 In the lithium source, the thickness of the surface layer containing lithium carbonate is preferably 30% or less of the thickness of the lithium source, more preferably 20% or less, still more preferably 10% or less. More preferably, it is% or less. The thickness of the surface layer containing lithium carbonate in the lithium source is preferably 15 nm or less, more preferably 10 nm or less, more preferably 8 nm or less, and more preferably 5 nm or less. Preferably, it is 3 nm or less. Here, the “thickness” is a thickness in a direction perpendicular to the contact surface between the lithium source and the negative electrode. The thickness of the lithium source is not particularly limited, and may be 20 mm or less, for example, 5 mm or less, and preferably about 1 mm or less. In particular, when the lithium source is in the form of a foil, the thickness of the foil is more preferably 500 μm or less.
リチウム源の厚さは、特に限定されないが、負極の組成および厚さによって調整することが好ましい。表面層の厚さが上記範囲であるリチウム源を用いることにより、電極とリチウム源の接触界面における不均一性が改善される。特に0.5μm以下の薄い表面層の場合には、負極表面の凹凸によって表面層を突き破るため、表面層より下のリチウム金属部分と負極とが接触する割合が増加するため、特に好ましい。リチウム源の表面層は、リチウム金属が反応して形成された不純物層であるため、本来は極めて薄いことが好まれるが、リチウム源の表面で均一であることが必要なため少なくとも0.5nm以上、好ましくは1nm以上の厚さであることが好ましい。 Although the thickness of a lithium source is not specifically limited, It is preferable to adjust with the composition and thickness of a negative electrode. By using a lithium source having a surface layer thickness in the above range, non-uniformity at the contact interface between the electrode and the lithium source is improved. In particular, in the case of a thin surface layer of 0.5 μm or less, the surface layer is pierced by irregularities on the surface of the negative electrode, so that the ratio of contact between the lithium metal portion below the surface layer and the negative electrode is particularly preferable. Since the surface layer of the lithium source is an impurity layer formed by the reaction of lithium metal, it is originally preferred to be extremely thin, but it must be uniform on the surface of the lithium source, so at least 0.5 nm or more The thickness is preferably 1 nm or more.
リチウム源の表面に、炭酸リチウムを含有する表面層を形成する方法としては、特に限定されない。例えば、アルゴンと炭酸ガス、または、アルゴン、炭酸ガス、および微量の水分の混合雰囲気下にリチウム金属を保持することで形成が可能である。 A method for forming a surface layer containing lithium carbonate on the surface of the lithium source is not particularly limited. For example, it can be formed by holding lithium metal in a mixed atmosphere of argon and carbon dioxide, or argon, carbon dioxide, and a small amount of moisture.
炭酸リチウムを含む表面層を有するリチウム源と負極とを接触させるにあたっては、負極の負極活物質層とリチウム源が密着していればよく、その方法としては特に限定されない。例えば、(1)負極とリチウム源を重ねた後、加圧により負極とリチウム源を密着させる方法、(2)負極とリチウム源を重ねた後、減圧により電極とリチウム源の界面の隙間を除去する方法などが挙げられる。 In contacting the negative electrode with a lithium source having a surface layer containing lithium carbonate, the negative electrode active material layer of the negative electrode and the lithium source may be in close contact with each other, and the method is not particularly limited. For example, (1) A method in which a negative electrode and a lithium source are stacked and then the negative electrode and the lithium source are brought into close contact with each other by pressurization. (2) A gap between the electrode and the lithium source is removed by depressurization after the negative electrode and the lithium source are stacked. The method of doing is mentioned.
重ね合わせた負極とリチウム源を加圧する方法では、比較的軟質であるリチウムが電極以外にはみ出さない範囲の圧力を加える必要があり、具体的には、0.5kgf/cm2から30kgf/cm2の加圧が好ましい。特にリチウム源の厚さが100μm以下である場合は、15kgf/cm2以下の加圧が好ましい。また、電極面内で均一のリチウムプレドープを行うために、電極面内に対して均一に加圧することが好ましい。 In the method of pressurizing the superimposed negative electrode and lithium source, it is necessary to apply a pressure within a range in which relatively soft lithium does not protrude beyond the electrode. Specifically, 0.5 kgf / cm 2 to 30 kgf / cm A pressure of 2 is preferred. In particular, when the thickness of the lithium source is 100 μm or less, pressurization of 15 kgf / cm 2 or less is preferable. Further, in order to perform uniform lithium pre-doping in the electrode surface, it is preferable to apply pressure uniformly to the electrode surface.
重ね合わせた負極とリチウム源を減圧により接触させる方法では、接触を維持できる状態で電極とリチウム源を、例えば袋等の変形可能な減圧容器内に配置し、外側から受ける大気圧による減圧容器の変形により、電極とリチウム源とを互いに押し付けながら、その界面に余分な隙間がなくなる範囲で減圧する。また、電極とリチウムをラミネート等の封止可能な袋に入れて減圧を行い、減圧下で封止してもよい。減圧する圧力は、例えば、負極とリチウム箔とを接触させる場合、−0.05MPaから−0.1MPaの減圧で密着させることが好ましい。 In the method in which the superimposed negative electrode and the lithium source are brought into contact with each other under reduced pressure, the electrode and the lithium source are arranged in a deformable decompression container such as a bag in a state where the contact can be maintained, and the decompression container of the atmospheric pressure received from the outside is received. While the electrode and the lithium source are pressed against each other due to the deformation, the pressure is reduced within a range where there is no excess gap at the interface. Alternatively, the electrode and lithium may be put in a sealable bag such as a laminate to reduce pressure, and sealed under reduced pressure. For example, when the negative electrode and the lithium foil are brought into contact with each other, the pressure to be reduced is preferably in close contact with a reduced pressure of -0.05 MPa to -0.1 MPa.
更に、(1)と(2)の方法を組み合わせて行ってもよく、また、負極とリチウム源の接触が良好であれば、加圧や減圧を行わなくてもよい。リチウム源から負極への拡散(ドープ)は、リチウムと電極が接触している部分で進行するため、リチウム負極とリチウム源が十分に接触して余分な隙間のない状態ではリチウムと電極の接触面積が大きく、リチウムプレドープが均一に進行しやすい。 Further, the methods (1) and (2) may be combined, and if the contact between the negative electrode and the lithium source is good, pressurization or decompression may not be performed. Diffusion (doping) from the lithium source to the negative electrode proceeds at the part where the lithium and the electrode are in contact. The lithium pre-doping tends to proceed uniformly.
負極とリチウム源とを加熱する温度は、リチウムの拡散が安定して進行し、かつ金属リチウムの融点(180.5℃)を超えない温度範囲である必要があり、例えば室温(20℃)から180℃の範囲が好ましい。金属リチウムの融点を超えた温度では、溶融したリチウムが電極以外にはみ出してしまい、効率的にドープすることができない。また、上述した負極とリチウム源を接触させる方法などにより良好な接触が得られている場合にはドープが進行しやすく、室温(20℃)から130℃がより好ましい。特に負極とリチウム源が余分な隙間なく密着している場合には、室温(20℃)から80℃が特に好ましい。加熱する時間は、必要とするドープ量および加熱温度にも依存するが、1時間から100時間の範囲で概ねプレドープが完了でき、好ましくは2時間から12時間である。 The temperature at which the negative electrode and the lithium source are heated needs to be within a temperature range in which lithium diffusion proceeds stably and does not exceed the melting point of metallic lithium (180.5 ° C.), for example, from room temperature (20 ° C.). A range of 180 ° C. is preferred. At a temperature exceeding the melting point of metallic lithium, the molten lithium protrudes beyond the electrode and cannot be doped efficiently. In addition, when good contact is obtained by the method of bringing the negative electrode and the lithium source into contact with each other, dope is likely to proceed, and room temperature (20 ° C.) to 130 ° C. is more preferable. In particular, when the negative electrode and the lithium source are in close contact with each other with no extra space, room temperature (20 ° C.) to 80 ° C. is particularly preferable. Although the heating time depends on the required dope amount and the heating temperature, pre-doping can be generally completed within the range of 1 hour to 100 hours, preferably 2 hours to 12 hours.
また、負極とリチウム源とを接触した状態で加熱する工程で、負極とリチウム源の密着を保持する状態で加圧しつつ加熱してもよい。 Further, in the step of heating while the negative electrode and the lithium source are in contact with each other, the heating may be performed while applying pressure while maintaining the close contact between the negative electrode and the lithium source.
必要量のリチウムプレドープを完了した後、電極上にリチウムが残存している場合にはこれを取り除いてもよい。基材上に形成したリチウム箔などをリチウム源とした場合には、容易に取り除くことが可能である。 After completion of the required amount of lithium pre-doping, if lithium remains on the electrode, it may be removed. When a lithium foil or the like formed on a substrate is used as a lithium source, it can be easily removed.
なお、前述のように金属リチウムは反応性の高い金属であり、水分とも激しく反応するため、リチウムプレドープに関する作業は低湿度環境で行うことが好ましく、かつリチウム源の劣化を抑制するためにアルゴンなどのリチウムに対して不活性なガス雰囲気で作業を行うことが好ましい。 As described above, metallic lithium is a highly reactive metal and reacts violently with moisture. Therefore, it is preferable to carry out the work related to lithium pre-doping in a low-humidity environment, and to suppress deterioration of the lithium source, argon It is preferable to work in a gas atmosphere inert to lithium.
(正極)
本実施形態による二次電池において、正極活物質層に含まれる正極活物質としては、例えば、マンガン酸リチウム;コバルト酸リチウム;ニッケル酸リチウム;これらのリチウム化合物の二種以上の混合物;前記リチウム化合物のマンガン、コバルト、ニッケルの部分をアルミニウム、マグネシウム、チタン、亜鉛などの他の金属元素でその一部若しくは全部を置換したもの;リン酸鉄リチウムなどを用いることができる。
(Positive electrode)
In the secondary battery according to the present embodiment, examples of the positive electrode active material included in the positive electrode active material layer include lithium manganate; lithium cobaltate; lithium nickelate; a mixture of two or more of these lithium compounds; In which the manganese, cobalt, and nickel portions are partially or entirely replaced with other metal elements such as aluminum, magnesium, titanium, and zinc; lithium iron phosphate and the like can be used.
また、マンガン酸リチウム;マンガン酸リチウムのマンガンの部分の一部を少なくともニッケルで置換したニッケル置換マンガン酸リチウム;ニッケル酸リチウム;ニッケル酸リチウムのニッケルの部分の一部を少なくともコバルトで置換したコバルト置換ニッケル酸リチウム;これらのリチウム化合物のマンガン又はニッケルの部分を他の金属元素(例えばアルミニウム、マグネシウム、チタン、亜鉛の少なくとも一種)で置換した活物質を用いることができる。例えば、以下の組成式で示される活物質を用いることができる。
LiaNibCocAldO2
(0.80≦a≦1.05、0.50≦b≦0.95、0.10≦c≦0.50、0.01≦d≦0.15)。
In addition, lithium manganate; nickel-substituted lithium manganate in which a part of manganese of lithium manganate is substituted with at least nickel; lithium nickelate; cobalt substitution in which a part of nickel in lithium nickelate is substituted with at least cobalt Lithium nickelate; An active material in which the manganese or nickel portion of these lithium compounds is replaced with another metal element (for example, at least one of aluminum, magnesium, titanium, and zinc) can be used. For example, an active material represented by the following composition formula can be used.
Li a Ni b Co c Al d O 2
(0.80 ≦ a ≦ 1.05, 0.50 ≦ b ≦ 0.95, 0.10 ≦ c ≦ 0.50, 0.01 ≦ d ≦ 0.15).
正極活物質層は、正極活物質と、正極バインダとを溶剤に分散・混練し、得られたスラリーを正極集電体の上に塗布し、高温雰囲気で乾燥することにより形成することができる。正極バインダとして主に用いられるのは、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレンが挙げられる。溶剤としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)などが好適である。正極集電体としては、有機電解液中での高い耐食性が求められることから、アルミニウムや、アルミニウムを主成分とする合金を用いることができる。 The positive electrode active material layer can be formed by dispersing and kneading a positive electrode active material and a positive electrode binder in a solvent, applying the obtained slurry onto a positive electrode current collector, and drying in a high temperature atmosphere. Polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene are mainly used as the positive electrode binder. As the solvent, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and the like are suitable. As the positive electrode current collector, aluminum or an alloy containing aluminum as a main component can be used because high corrosion resistance in an organic electrolyte is required.
本実施形態による二次電池において、セパレータとしては、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン、フッ素樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等からなる多孔性フィルムを用いることができる。 In the secondary battery according to the present embodiment, as the separator, a porous film made of polyolefin such as polypropylene or polyethylene, fluororesin, polyimide, polyamideimide, or the like can be used.
本実施形態による二次電池において、電解液としては、1種又は2種以上の非水溶媒に、リチウム塩を溶解させた非水系電解液を用いることができる。非水溶媒としては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)などの環状カーボネート;ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジプロピルカーボネート(DPC)などの鎖状カーボネート;ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸エチルなどの脂肪族カルボン酸エステル;γ−ブチロラクトンなどのγ−ラクトン;1,2−エトキシエタン(DEE)、エトキシメトキシエタン(EME)などの鎖状エーテル;テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどの環状エーテルが挙げられる。 In the secondary battery according to the present embodiment, as the electrolytic solution, a nonaqueous electrolytic solution in which a lithium salt is dissolved in one or more types of nonaqueous solvents can be used. Nonaqueous solvents include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), butylene carbonate (BC), cyclic carbonates such as vinylene carbonate (VC); dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate ( EMC), chain carbonates such as dipropyl carbonate (DPC); aliphatic carboxylic acid esters such as methyl formate, methyl acetate and ethyl propionate; γ-lactones such as γ-butyrolactone; 1,2-ethoxyethane (DEE) And chain ethers such as ethoxymethoxyethane (EME); cyclic ethers such as tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran.
その他、非水溶媒として、ジメチルスルホキシド、1,3−ジオキソラン、ジオキソラン誘導体、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、プロピオニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、スルホラン、メチルスルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エチルエーテル、1,3−プロパンサルトン、アニソール、N−メチルピロリドンなどの非プロトン性有機溶媒を用いることもできる。 Other non-aqueous solvents include dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, dioxolane derivatives, formamide, acetamide, dimethylformamide, acetonitrile, propionitrile, nitromethane, ethyl monoglyme, phosphate triester, trimethoxymethane, sulfolane, methyl Non-protons such as sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, 3-methyl-2-oxazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethyl ether, 1,3-propane sultone, anisole, N-methylpyrrolidone An organic solvent can also be used.
非水溶媒に溶解させるリチウム塩としては、LiPF6、LiAsF6、LiAlCl4、LiClO4、LiBF4、LiSbF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、Li(CF3SO2)2、LiN(CF3SO2)2、LiB10Cl10、低級脂肪族カルボン酸リチウム、クロロボランリチウム、四フェニルホウ酸リチウム、LiBr、LiI、LiSCN、LiCl、イミド類などが挙げられる。また、非水系電解液の代わりにポリマー電解質を用いてもよい。 Examples of the lithium salt dissolved in the non-aqueous solvent include LiPF 6 , LiAsF 6 , LiAlCl 4 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN ( CF 3 SO 2 ) 2 , LiB 10 Cl 10 , lower aliphatic lithium carboxylate, chloroborane lithium, lithium tetraphenylborate, LiBr, LiI, LiSCN, LiCl, imides and the like. Further, a polymer electrolyte may be used instead of the non-aqueous electrolyte solution.
本発明の実施形態による二次電池において、外装体としては、缶ケースや外装フィルム等を用いることができる。缶ケースとしては、ステンレス缶が多く用いられる。外装フィルムとしては、接着層としてのポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−メタクリル酸共重合体やエチレン−アクリル酸共重合体を金属イオンで分子間結合させたアイオノマー樹脂等の熱可塑性樹脂を有するラミネートフィルムが用いられる。 In the secondary battery according to the embodiment of the present invention, a can case, an exterior film, or the like can be used as the exterior body. Stainless steel cans are often used as can cases. As the exterior film, a laminate film having a thermoplastic resin such as an ionomer resin in which polyethylene, polypropylene, ethylene-methacrylic acid copolymer or ethylene-acrylic acid copolymer as an adhesive layer is intermolecularly bonded with metal ions is used. It is done.
以下、本実施形態に係る実施例について説明する。なお、本発明は、下記実施例に限られるわけではない。 Hereinafter, examples according to the present embodiment will be described. The present invention is not limited to the following examples.
以下の実施例および比較例においては、下記式(a): In the following examples and comparative examples, the following formula (a):
(実施例1)
負極活物質として、レーザ回折・散乱法により測定される平均粒径D50が5μmとなるように調整された、酸化ケイ素粒子(ケイ素/酸素=1/1.05(原子数比))を準備し、その酸化ケイ素粒子85重量部に、バインダ溶液として上記式(a)で表されるポリアミドイミド−NMP溶液50重量部(最終的に得られるポリアミドイミド10重量部に相当)、及び平均粒径D50が5μmとなるように調整された、天然黒鉛粉末5重量部を混合し、さらに溶剤としてのNMPを加えて溶解・分散させることで、負極電極材料のスラリーを作製した。このスラリーを厚さ10μmの銅箔の両面に160×90mmの四角形の形状に塗布し、乾燥炉にて125℃で5分間の乾燥処理を行った後、ロールプレスにて圧縮成型を行い、再び乾燥炉にて300℃で10分間の乾燥処理を行って、負極集電体の両面に負極活物質層を形成した。
Example 1
As the negative electrode active material, silicon oxide particles (silicon / oxygen = 1.1.05 (atomic ratio)) adjusted so that the average particle diameter D 50 measured by the laser diffraction / scattering method is 5 μm are prepared. In addition, 85 parts by weight of the silicon oxide particles, 50 parts by weight of a polyamideimide-NMP solution represented by the above formula (a) as a binder solution (corresponding to 10 parts by weight of the finally obtained polyamideimide), and an average particle diameter A slurry of a negative electrode material was prepared by mixing 5 parts by weight of natural graphite powder adjusted to have D 50 of 5 μm, and further adding NMP as a solvent to dissolve and disperse it. This slurry was applied to both sides of a copper foil having a thickness of 10 μm in a 160 × 90 mm square shape, dried at 125 ° C. for 5 minutes in a drying furnace, then compression molded with a roll press, and again A drying treatment was performed at 300 ° C. for 10 minutes in a drying furnace to form a negative electrode active material layer on both surfaces of the negative electrode current collector.
その際、形成した負極活物質層の重量は、活物質容量(金属リチウムに対して電位0.02Vに達したときの負極の初回充電容量;以下、負極において同様)1.50Ahに相当する重量とした。 At that time, the weight of the formed negative electrode active material layer is a weight corresponding to 1.50 Ah of the active material capacity (the initial charge capacity of the negative electrode when the potential reaches 0.02 V with respect to metallic lithium; hereinafter the same applies to the negative electrode). It was.
このようにして、負極集電体の両面に負極活物質層を形成したものを1枚作製し、それを160×90mmの四角形の形状に打ち抜いた。 In this manner, a single negative electrode active material layer formed on both sides of the negative electrode current collector was produced, and punched into a 160 × 90 mm square shape.
[リチウムドープ]
リチウム源として、厚さ約8nmの主に炭酸リチウムから成る表面層(炭酸リチウム約30質量%)を有する、厚さ40μmのリチウム箔を用意した。リチウム箔を負極上に重ねた状態でアルミニウムラミネート袋に収容して袋内を−0.1MPaまで減圧しつつ封止した。次にアルミニウムラミネート袋を恒温槽内で100℃24時間の加熱処理を行った。熱処理を完了した後、アルミニウムラミネート袋が完全に室温(23℃)以下に戻った後に袋から電極を取り出し、リチウムドープを完了した。
[Lithium dope]
As a lithium source, a lithium foil having a thickness of 40 μm and having a surface layer (about 30% by mass of lithium carbonate) mainly made of lithium carbonate having a thickness of about 8 nm was prepared. The lithium foil was placed on the negative electrode in an aluminum laminate bag and sealed while reducing the pressure to -0.1 MPa. Next, the aluminum laminate bag was heat-treated at 100 ° C. for 24 hours in a thermostatic bath. After the heat treatment was completed, the electrode was taken out from the bag after the aluminum laminate bag was completely returned to room temperature (23 ° C.) or less, and lithium doping was completed.
得られたリチウムドープ済の負極表面について、X線光電子分光法にて元素組成及び化学状態を分析し、得られたデータから表面に含有される炭酸リチウムの割合を算出した。炭酸リチウムの割合を表1に示す。 The obtained lithium-doped negative electrode surface was analyzed for elemental composition and chemical state by X-ray photoelectron spectroscopy, and the proportion of lithium carbonate contained on the surface was calculated from the obtained data. The proportion of lithium carbonate is shown in Table 1.
一方、コバルト酸リチウムからなる正極活物質粒子92重量部に、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン4重量部、及び導電剤としてのカーボン粉末(非晶質炭素粉末)4重量部を混合し、さらに溶剤としてのNMPを加えて溶解・分散させることで、正極電極材料のスラリーを作製した。このスラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔の片面に160×90mmの四角形の形状に塗布し、乾燥炉にて125℃で5分間の乾燥処理を行った後、ロールプレスにて圧縮成型を行うことで、正極集電体の片面に正極活物質層を形成した。 On the other hand, 92 parts by weight of positive electrode active material particles made of lithium cobaltate are mixed with 4 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder and 4 parts by weight of carbon powder (amorphous carbon powder) as a conductive agent, and further as a solvent. NMP was added and dissolved and dispersed to prepare a slurry of the positive electrode material. This slurry is applied to one side of a 20 μm thick aluminum foil in a 160 × 90 mm square shape, dried at 125 ° C. for 5 minutes in a drying furnace, and then subjected to compression molding with a roll press. A positive electrode active material layer was formed on one side of the positive electrode current collector.
その際、形成した正極活物質層の重量は、活物質容量(金属リチウムに対して電位4.3Vに達したときの正極の初回充電容量;以下、正極において同様)1.00Ahに相当する重量とした。 At that time, the weight of the formed positive electrode active material layer is the weight corresponding to 1.00 Ah of the active material capacity (the initial charge capacity of the positive electrode when the potential reaches 4.3 V with respect to metallic lithium; hereinafter the same applies to the positive electrode). It was.
こうして、正極集電体の片面に正極活物質層を形成したものを2枚作製し、それを165×95mmの四角形の形状に打ち抜いて、正極とした。 In this way, two sheets of positive electrode current collectors each having a positive electrode active material layer formed thereon were produced, and punched into a 165 × 95 mm square shape to obtain a positive electrode.
次いで、ポリプロピレンの多孔性フィルムからなる170×100mmの四角形の形状のセパレータを用意した。そして、下から、正極、セパレータ、負極、セパレータ、正極の順に重ね合わせた積層体を得た。 Next, a 170 × 100 mm square separator made of a polypropylene porous film was prepared. And the laminated body which piled up in order of the positive electrode, the separator, the negative electrode, the separator, and the positive electrode was obtained from the bottom.
次いで、負極集電体に、電極の引き出しのためのニッケルからなる負極端子を、超音波接合によって融着した。また、負極端子の反対側で2枚の正極集電体を重ね合わせ、そこに電極の引き出しのためのアルミニウムからなる正極端子を、超音波接合によって融着した。こうして、正極端子と負極端子とを対向する長辺部分に配置した。 Next, a negative electrode terminal made of nickel for drawing out the electrode was fused to the negative electrode current collector by ultrasonic bonding. Further, two positive electrode current collectors were superposed on the opposite side of the negative electrode terminal, and a positive electrode terminal made of aluminum for drawing out the electrode was fused thereto by ultrasonic bonding. Thus, the positive electrode terminal and the negative electrode terminal were arranged on the long side portions facing each other.
得られた積層体の両側から、接着層が積層セル側となるように外装フィルムを重ね合わせた後、外装フィルムの外周部が重なり合っている四辺中三辺を、ヒートシールにより熱融着(封止)させた。その後、電解液を注液し、真空下にて最後の一辺を熱融着させた。 After overlaying the exterior film so that the adhesive layer is on the laminated cell side from both sides of the resulting laminate, heat sealing (sealing) the three sides of the four sides where the outer periphery of the exterior film overlaps I stopped it. Then, the electrolyte solution was poured and the last side was heat-sealed under vacuum.
ここで、電解液としては、EC、DEC及びEMCを体積比で3:5:2の割合で混合した溶媒に、LiPF6を1mol/Lの濃度で溶解させたものを用いた。こうして得られたラミネート型電池では、負極端子及び正極端子の先端が、外装フィルムから互いに反対方向に向いて外部に突出している。このラミネート型電池を5個作製した。 Here, as the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving LiPF 6 at a concentration of 1 mol / L in a solvent in which EC, DEC, and EMC were mixed at a volume ratio of 3: 5: 2 was used. In the laminated battery thus obtained, the tips of the negative electrode terminal and the positive electrode terminal protrude outward from the exterior film in opposite directions. Five laminate type batteries were produced.
(初回放電容量、サイクル特性及びセル厚さ増加率の評価)
得られた5個のラミネート型電池に対し、まず、20℃の定温雰囲気下において、定格である4.2Vまでのフル充電を行った後、2.7Vまでの放電を行ったときの放電容量を測定した。これを初回放電容量、すなわち充放電容量とした。次いで、45℃の定温雰囲気下において、各ラミネート型電池に対して4.2Vまでの充電と2.7Vまで放電とを1Cレートにより100回繰り返し、その100サイクル後の放電容量を20℃で測定した。なお、1Cレートとは、公称容量(mAh)を1時間で充放電する電流値をいう。初回放電容量に対する100サイクル後の放電容量の割合を計算し、これをサイクル特性とした。さらに、サイクル開始前と100サイクル後のそれぞれにおいて、各ラミネート型電池の厚さを測定し、セル厚さ増加率を計算した。得られた5個のラミネート型電池における、初回放電容量、サイクル特性及びセル厚さ増加率のそれぞれの平均値を、表1に示す。
(Evaluation of initial discharge capacity, cycle characteristics, and cell thickness increase rate)
The discharge capacity when the five laminated batteries obtained were first charged to a rated voltage of 4.2 V in a constant temperature atmosphere of 20 ° C. and then discharged to 2.7 V. Was measured. This was defined as the initial discharge capacity, that is, charge / discharge capacity. Next, in a constant temperature atmosphere of 45 ° C., charging to 4.2 V and discharging to 2.7 V were repeated 100 times at a 1 C rate for each laminated battery, and the discharge capacity after 100 cycles was measured at 20 ° C. did. The 1C rate means a current value for charging / discharging the nominal capacity (mAh) in one hour. The ratio of the discharge capacity after 100 cycles to the initial discharge capacity was calculated and used as the cycle characteristics. Further, the thickness of each laminated battery was measured before the start of the cycle and after 100 cycles, and the cell thickness increase rate was calculated. Table 1 shows the average values of the initial discharge capacity, the cycle characteristics, and the cell thickness increase rate in the obtained five laminated batteries.
(実施例2)
バインダ溶液としてポリアミック酸−NMP溶液50重量部(最終的に得られる上記式(b)で表されるポリイミド10重量部)を準備した。それ以外は、実施例1と同様に実施した。負極中の炭酸リチウムの割合、得られた5個のラミネート型電池における、初回放電容量、サイクル特性及びセル厚さ増加率のそれぞれの平均値を表1に示す。
(Example 2)
As a binder solution, 50 parts by weight of a polyamic acid-NMP solution (10 parts by weight of polyimide represented by the above formula (b) finally obtained) was prepared. Other than that was carried out in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the average values of the ratio of lithium carbonate in the negative electrode, the initial discharge capacity, the cycle characteristics, and the cell thickness increase rate in the obtained five laminated batteries.
(実施例3)
リチウム源として、厚さ約5nmの主に炭酸リチウムから成る表面層(炭酸リチウム約50質量%)を有する、厚さ100μmのリチウム箔を用意した。それ以外は、実施例1と同様に実施した。負極中の炭酸リチウムの割合、得られた5個のラミネート型電池における、初回放電容量、サイクル特性及びセル厚さ増加率のそれぞれの平均値を表1に示す。
(Example 3)
As a lithium source, a lithium foil having a thickness of about 100 μm and having a surface layer (about 50% by mass of lithium carbonate) mainly made of lithium carbonate having a thickness of about 5 nm was prepared. Other than that was carried out in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the average values of the ratio of lithium carbonate in the negative electrode, the initial discharge capacity, the cycle characteristics, and the cell thickness increase rate in the obtained five laminated batteries.
(実施例4)
リチウム源として、厚さ約10nmの主に炭酸リチウムから成る表面層(炭酸リチウム約10質量%)を有する、厚さ20μmのリチウム箔を用意した。それ以外は、実施例1と同様に実施した。負極中の炭酸リチウムの割合、得られた5個のラミネート型電池における、初回放電容量、サイクル特性及びセル厚さ増加率のそれぞれの平均値を表1に示す。
Example 4
As a lithium source, a lithium foil having a thickness of 20 μm having a surface layer (about 10% by mass of lithium carbonate) mainly made of lithium carbonate having a thickness of about 10 nm was prepared. Other than that was carried out in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the average values of the ratio of lithium carbonate in the negative electrode, the initial discharge capacity, the cycle characteristics, and the cell thickness increase rate in the obtained five laminated batteries.
(実施例5)
リチウム源として、厚さ約20nmの主に炭酸リチウムから成る表面層(炭酸リチウム約60質量%)を有する、厚さ10μmのリチウム箔を用意した。それ以外は、実施例1と同様に実施した。負極中の炭酸リチウムの割合、得られた5個のラミネート型電池における、初回放電容量、サイクル特性及びセル厚さ増加率のそれぞれの平均値を表1に示す。
(Example 5)
As a lithium source, a 10 μm thick lithium foil having a surface layer (about 60% by mass of lithium carbonate) mainly made of lithium carbonate having a thickness of about 20 nm was prepared. Other than that was carried out in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the average values of the ratio of lithium carbonate in the negative electrode, the initial discharge capacity, the cycle characteristics, and the cell thickness increase rate in the obtained five laminated batteries.
(比較例1)
リチウム源として、厚さ約15nmの主に炭酸リチウムから成る表面層(炭酸リチウム約6質量%)を有する、厚さ50μmのリチウム箔を用意した。それ以外は、実施例1と同様に実施した。負極中の炭酸リチウムの割合、得られた5個のラミネート型電池における、初回放電容量、サイクル特性及びセル厚さ増加率のそれぞれの平均値を表1に示す。
(Comparative Example 1)
As a lithium source, a 50 μm thick lithium foil having a surface layer (lithium carbonate about 6 mass%) mainly made of lithium carbonate having a thickness of about 15 nm was prepared. Other than that was carried out in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the average values of the ratio of lithium carbonate in the negative electrode, the initial discharge capacity, the cycle characteristics, and the cell thickness increase rate in the obtained five laminated batteries.
(比較例2)
負極バインダ溶液としてポリフッ化ビニリデン−NMP溶液100重量部(最終的に得られるポリフッ化ビニリデン10重量部)を準備した。それ以外は、実施例1と同様に実施した。負極中の炭酸リチウムの割合、得られた5個のラミネート型電池における、初回放電容量、サイクル特性及びセル厚さ増加率のそれぞれの平均値を表1に示す。
(Comparative Example 2)
As a negative electrode binder solution, 100 parts by weight of a polyvinylidene fluoride-NMP solution (10 parts by weight of finally obtained polyvinylidene fluoride) was prepared. Other than that was carried out in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the average values of the ratio of lithium carbonate in the negative electrode, the initial discharge capacity, the cycle characteristics, and the cell thickness increase rate in the obtained five laminated batteries.
(比較例3)
負極活物質として酸化ケイ素に代えてケイ素とした以外は、実施例1と同様に実施した。負極中の炭酸リチウムの割合、得られた5個のラミネート型電池における、初回放電容量、サイクル特性及びセル厚さ増加率のそれぞれの平均値を表1に示す。
(Comparative Example 3)
The same operation as in Example 1 was performed except that silicon was used instead of silicon oxide as the negative electrode active material. Table 1 shows the average values of the ratio of lithium carbonate in the negative electrode, the initial discharge capacity, the cycle characteristics, and the cell thickness increase rate in the obtained five laminated batteries.
実施例1〜5は、比較例1と比べると、サイクル特性が良好であったことから、負極表面中の炭酸リチウムの割合が5wt%以上であると好ましいことが示された。また、リチウム箔の表面層中の炭酸リチウム含有量は8wt%以上であることが好ましいことが示唆された。 Since Examples 1 to 5 had better cycle characteristics than Comparative Example 1, it was shown that the proportion of lithium carbonate in the negative electrode surface was preferably 5 wt% or more. Moreover, it was suggested that the lithium carbonate content in the surface layer of the lithium foil is preferably 8 wt% or more.
また、実施例1〜4では初回放電容量も特に優れていたことから、リチウム源として用いるリチウム箔において、炭酸リチウムを含む表面層の厚さが10nm以下であると好ましいことが示唆された。 In Examples 1 to 4, the initial discharge capacity was also particularly excellent, suggesting that the thickness of the surface layer containing lithium carbonate is preferably 10 nm or less in the lithium foil used as the lithium source.
比較例2では、負極バインダにイミド結合を持たない化合物を用いているが、実施例1,2と比べて明らかにサイクル特性の低下が見られた。これは、比較例2では、バインダ強度が低いため、充放電を行うごとに負極の体積変化によって粒子間の結着が失われ、導電性が失われたためと考えられる。 In Comparative Example 2, a compound having no imide bond was used for the negative electrode binder, but the cycle characteristics were clearly reduced as compared with Examples 1 and 2. This is presumably because, in Comparative Example 2, the binder strength was low, so that every time charging / discharging was performed, binding between particles was lost due to volume change of the negative electrode, and conductivity was lost.
比較例3では、負極中に酸化ケイ素を混合していないが、実施例1,2と比べて明らかにサイクル特性の低下が見られた。これは、比較例3では、酸化ケイ素を含有することによる粒子の体積変化抑制のメリットが得られず、粒子の体積変化が大きくなり、充放電毎に粒子にクラックが生じ、導電性が失われたためと考えられる。 In Comparative Example 3, silicon oxide was not mixed in the negative electrode, but the cycle characteristics were clearly reduced as compared with Examples 1 and 2. This is because in Comparative Example 3, the merit of suppressing the volume change of the particles due to containing silicon oxide is not obtained, the volume change of the particles is increased, the particles are cracked every charge and discharge, and the conductivity is lost. It is thought that it was because of.
また、実施例1では、酸化ケイ素と天然黒鉛粉末を混合した例を示しているが、負極の作製としてはこれに限定されるものではない。例えば、酸化ケイ素粒子と、フェノール樹脂を混合し、窒素雰囲気下で焼成させた場合、及び酸化ケイ素粒子表面に炭素を蒸着させた場合においても、同様の特性が得られる。このことから、良好な初回放電容量とサイクル特性は、酸化ケイ素と炭素が両方存在する負極により得られることがわかる。 Moreover, in Example 1, although the example which mixed the silicon oxide and natural graphite powder is shown, as preparation of a negative electrode, it is not limited to this. For example, similar characteristics can be obtained when silicon oxide particles and a phenol resin are mixed and fired in a nitrogen atmosphere, and when carbon is deposited on the surface of the silicon oxide particles. From this, it can be seen that good initial discharge capacity and cycle characteristics can be obtained by a negative electrode in which both silicon oxide and carbon are present.
以上示したように、本実施形態によれば、リチウムイオン二次電池の初期特性、ひいてはエネルギー密度において、さらに、例えば45℃100サイクル後のサイクル特性において、優れた特性を得ることができる。 As described above, according to the present embodiment, excellent characteristics can be obtained in the initial characteristics of the lithium ion secondary battery, that is, the energy density, and, for example, in the cycle characteristics after 45 cycles at 45 ° C.
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、電気自動車におけるエネルギー回生用途、エンジン駆動、太陽電池との組合せによる蓄電用途、産業機器の非常用電源、民生機器の駆動など、リチウムイオン二次電池を適用し得る製品に利用することができる。 The lithium ion secondary battery according to the present embodiment is a lithium ion secondary battery such as an energy regeneration application in an electric vehicle, an engine drive, a power storage application in combination with a solar battery, an emergency power supply for industrial equipment, and a consumer equipment drive. It can be used for applicable products.
1 負極活物質層
2 負極集電体
3 正極活物質層
4 正極集電体
5 セパレータ
6 負極端子
7 正極端子
8 外装体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Negative electrode active material layer 2 Negative electrode collector 3 Positive electrode
Claims (7)
前記負極は、
少なくともケイ素酸化物と炭素とを含む負極活物質と、イミド基を有するバインダとを含み、リチウムがあらかじめドープされており、かつ、
前記負極の深さが5nmまでの表面が炭酸リチウムを5質量%以上含有することを特徴とするリチウムイオン二次電池。 A lithium ion secondary battery having a structure in which a positive electrode, a separator, and a negative electrode are stacked in this order,
The negative electrode is
A negative electrode active material containing at least silicon oxide and carbon, a binder having an imide group, lithium is pre-doped, and
The lithium ion secondary battery front surface is characterized by containing a lithium carbonate or 5 wt% of the depth of the negative electrode 5 nm.
前記負極と、炭酸リチウムを含有する表面層を有するリチウム源とを接触させて加熱することによりリチウムがドープされた負極を作製する工程と、
正極、セパレータ、および前記リチウムがドープされた負極を積層して電極素子を作製する工程と、
を含むリチウムイオン二次電池の製造方法。 Producing a negative electrode comprising a negative electrode active material containing silicon oxide and carbon, and a binder containing an imide group;
Producing a negative electrode doped with lithium by contacting and heating the negative electrode and a lithium source having a surface layer containing lithium carbonate;
Laminating a positive electrode, a separator, and a negative electrode doped with lithium, to produce an electrode element;
The manufacturing method of the lithium ion secondary battery containing this.
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