JP6375842B2 - Stabilized lithium powder and lithium ion secondary battery using the same - Google Patents

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Description

本発明は、安定化リチウム粉末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 stabilized lithium powder and a lithium ion secondary battery using the same.

リチウムイオン二次電池は、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等と比べ、軽量、高容量であるため、携帯電子機器用電源として広く応用されている。また、ハイブリッド自動車や、電気自動車用に搭載される電源として有力な候補ともなっている。そして、近年の携帯電子機器の小型化、高機能化に伴い、これらの電源となるリチウムイオン二次電池への更なる高容量化が期待されている。   Lithium ion secondary batteries are widely applied as power sources for portable electronic devices because they are lighter and have a higher capacity than nickel cadmium batteries, nickel metal hydride batteries, and the like. It is also a promising candidate as a power source for use in hybrid vehicles and electric vehicles. With the recent miniaturization and higher functionality of portable electronic devices, further increase in capacity is expected for lithium ion secondary batteries that serve as these power sources.

リチウムイオン二次電池の容量は主に電極の活物質に依存する。負極活物質には、一般に黒鉛が利用されているが、上記の要求に対応するためにはより高容量な負極活物質を用いることが必要である。そのため、黒鉛の理論容量(372mAh/g)に比べてはるかに大きな理論容量(4210mAh/g)をもつ金属シリコン(Si)が注目されている。   The capacity of the lithium ion secondary battery mainly depends on the active material of the electrode. In general, graphite is used as the negative electrode active material, but it is necessary to use a higher capacity negative electrode active material in order to meet the above requirements. Therefore, metallic silicon (Si) having a much larger theoretical capacity (4210 mAh / g) than the theoretical capacity of graphite (372 mAh / g) has attracted attention.

一方、金属シリコンよりもサイクル特性が優れる酸化シリコン(SiOx)の使用も検討されている。しかし、酸化シリコンは金属シリコンに比べ不可逆容量が大きい。充放電に寄与するリチウムの量は正極中のリチウム量で一義的に決定されるため、負極における不可逆容量の増加は電池全体の容量低下に繋がる。   On the other hand, the use of silicon oxide (SiOx), which has better cycle characteristics than metal silicon, is also being studied. However, silicon oxide has a larger irreversible capacity than metal silicon. Since the amount of lithium that contributes to charging and discharging is uniquely determined by the amount of lithium in the positive electrode, an increase in irreversible capacity in the negative electrode leads to a decrease in capacity of the entire battery.

この不可逆容量を低減するため、充放電を開始する前にあらかじめ金属リチウムを負極に接触させ、リチウムを負極にドープする技術(リチウムプレドープ)が提案されている(例えば、特許文献1〜2参照)。特許文献1には、リチウムを含む膜を負極に形成することでリチウムを負極にドープする方法が開示されている。また、特許文献2には、リチウム粒子を負極活物質層中に含有させることでリチウムを負極にドープする方法が開示されている。   In order to reduce this irreversible capacity, there has been proposed a technique (lithium pre-doping) in which metallic lithium is brought into contact with the negative electrode in advance before starting charging and discharging, and lithium is doped into the negative electrode (for example, see Patent Documents 1 and 2). ). Patent Document 1 discloses a method of doping lithium into the negative electrode by forming a film containing lithium on the negative electrode. Patent Document 2 discloses a method of doping lithium into the negative electrode by incorporating lithium particles in the negative electrode active material layer.

このようなドープ作業に用いるリチウムは、その反応性の高さからより安全性に優れたものが要望され、リチウム粒子の表面を大気中で安定な被膜で覆い安全性を高め、取扱いを改善した安定化リチウム粉末が提案されている(特許文献3参照)。   Lithium used for such doping work is required to have higher safety due to its high reactivity, and the surface of lithium particles is covered with a stable coating in the atmosphere to improve safety and improve handling. Stabilized lithium powder has been proposed (see Patent Document 3).

通常、リチウムイオン二次電池に用いる電極は負極活物質を含む層を集電体上に形成した後、プレスにより密着させる工程を有するが、プレドープ工程はそのプレスにより安定化リチウム粉末のリチウム金属が露出することでプレドープが進行する。したがって、安定化リチウム粉末に求められる特性は、リチウムの安定性向上のみならず、優れた電池特性を生み出すためのドープ特性も求められている。   Usually, an electrode used for a lithium ion secondary battery has a step of forming a layer containing a negative electrode active material on a current collector and then closely contacting it with a press. In the pre-doping step, the lithium metal of the stabilized lithium powder is reduced by the press. Pre-doping progresses by exposing. Therefore, the characteristics required for the stabilized lithium powder are not only for improving the stability of lithium but also for doping characteristics for producing excellent battery characteristics.

特許第5196118号公報Japanese Patent No. 5196118 特開2010−160986号公報JP 2010-160986 A 特許第2699026号公報Japanese Patent No. 2699026

しかしながら、上記特許文献に記載されているような安定化リチウム粉末を用いると、安定化リチウム粉末の安定化膜がプレス後に電極上に残って抵抗膜を形成し、電池にした際のハイレート特性が劣化してしまうという問題があった。   However, when the stabilized lithium powder as described in the above-mentioned patent document is used, the stabilized film of the stabilized lithium powder remains on the electrode after pressing to form a resistive film, and the high rate characteristic when the battery is formed is There was a problem of deterioration.

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、ハイレート特性が向上可能な安定化リチウム粉末を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of the subject which the said prior art has, and aims at providing the stabilized lithium powder which can improve a high rate characteristic.

上記目的を達成するために、本発明にかかる安定化リチウム粉末は金属リチウム粒子の表面に無機固体電解質から成る安定化膜を有することを特徴としている。安定化膜をイオン伝導性の高い無機固体電解質で形成することで、プレス後に安定化膜が電極上に残ってもリチウムイオンの移動が阻害されず、ハイレート特性が大きく向上する。   In order to achieve the above object, the stabilized lithium powder according to the present invention is characterized in that it has a stabilizing film made of an inorganic solid electrolyte on the surface of metallic lithium particles. By forming the stabilization film with an inorganic solid electrolyte having high ion conductivity, even if the stabilization film remains on the electrode after pressing, the movement of lithium ions is not inhibited, and the high-rate characteristics are greatly improved.

前記無機固体電解質は、Ti、Al、La、Zr、Ge及びSiからなる群より選択される少なくとも1種の元素の酸化物、硫化物、窒化物又はリン酸化合物のいずれか1種の固体電解質を含有することが好ましい。   The inorganic solid electrolyte is at least one oxide selected from the group consisting of Ti, Al, La, Zr, Ge, and Si, sulfide, nitride, or phosphate compound. It is preferable to contain.

更に、前記無機固体電解質は、イオン伝導性の観点から、リチウム−アルミニウム−チタニウム−リン酸塩(LATP)、ランタンジルコン酸リチウム(LLZ)、リン酸リチウムオキシナイトライド(LiPON)、LiO−SiO、LiS−GeS、LiS−Pであることがより好ましい。 Furthermore, from the viewpoint of ion conductivity, the inorganic solid electrolyte includes lithium-aluminum-titanium-phosphate (LATP), lithium lanthanum zirconate (LLZ), lithium phosphate oxynitride (LiPON), Li 2 O— Si 2 O, Li 2 S—Ge 2 S, and Li 2 S—P 2 S 5 are more preferable.

前記無機固体電解質は前記安定化リチウム粉末全体に対して1質量部以上10質量部以下であることが好ましい。これによれば、ハイレート特性の更なる改善が見込まれる。   The inorganic solid electrolyte is preferably 1 part by mass or more and 10 parts by mass or less with respect to the entire stabilized lithium powder. According to this, further improvement of the high rate characteristic is expected.

また、上記安定化リチウム粉末は、粒子の平均円形度をCとしたとき、C≦0.90であることが好ましい。この様な形状にすることで粒子の局所に応力が集中し、硬い固体電解質から成る安定化膜を安定かつ容易に破砕することが可能となり、プレドープ工程の生産性を向上させることができる。   The stabilized lithium powder preferably has C ≦ 0.90 where C is the average circularity of the particles. With such a shape, stress concentrates locally on the particles, and the stabilization film made of a hard solid electrolyte can be crushed stably and easily, and the productivity of the pre-doping process can be improved.

本発明によれば、プレドープ工程後に残膜として電極上に残る安定化リチウム粉末の安定化膜のイオン伝導性を向上させることで、ハイレート特性を改善可能な安定化リチウム粉末を得ることができる。   According to the present invention, a stabilized lithium powder capable of improving the high rate characteristics can be obtained by improving the ionic conductivity of the stabilized lithium powder remaining on the electrode as a remaining film after the pre-doping step.

本実施形態の安定化リチウム粉末の模式断面図である。It is a schematic cross section of the stabilized lithium powder of this embodiment. 本実施形態のリチウムイオン二次電池の模式断面図である。It is a schematic cross section of the lithium ion secondary battery of this embodiment.

以下、本発明について本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. In addition, this invention is not limited to the following embodiment.

<安定化リチウム粉末>
本実施形態の安定化リチウム粉末は、図1に示す通り金属リチウム粒子1の表面を固体電解質からなる安定化膜2で被覆されたものである。この安定化膜は単一または複数の無機固体電解質によって被覆された粒子でああってもよい。
<Stabilized lithium powder>
The stabilized lithium powder of the present embodiment is one in which the surface of the metallic lithium particles 1 is coated with a stabilizing film 2 made of a solid electrolyte as shown in FIG. The stabilizing membrane may be a particle coated with a single or a plurality of inorganic solid electrolytes.

上記無機固体電解質としては、Ti、Al、La、Zr、Ge及びSiからなる群より選択される少なくとも1種の元素の酸化物、硫化物、窒化物又はリン酸化合物の固体電解質が好ましい。例えば、β−アルミナ、ZrO、LaO、TiO、GeO、LiSICON、NASICON、LATP、LLZ、LiPON、LiO−SiO、LiS−GeS、LiS−Pが好適な固体電解質の例として挙げられる。これらは必要に応じて、還元雰囲気下で焼成を行い、酸素欠損を生じさせたり、イオン注入等を施してイオン伝導性を向上させて用いることが好ましい。 The inorganic solid electrolyte is preferably a solid electrolyte of an oxide, sulfide, nitride, or phosphate compound of at least one element selected from the group consisting of Ti, Al, La, Zr, Ge, and Si. For example, β-alumina, ZrO x , LaO x , TiO x , GeO x , LiSICON, NASICON, LATP, LLZ, LiPON, Li 2 O—Si 2 O, Li 2 S—Ge 2 S, Li 2 S—P 2 S 5 may be mentioned as examples of suitable solid electrolytes. These are preferably used by firing in a reducing atmosphere as necessary to cause oxygen deficiency or ion implantation to improve ion conductivity.

上記安定化リチウム粉末において、上記固体電解質の占める割合が1質量部以上10質量部以下であることが好ましく、1質量部以上5質量部以下であることがより好ましい。これによれば、安定化リチウム粉末の保護性能を維持したまま、ハイレート特性をより改善させることが可能となる。   In the stabilized lithium powder, the proportion of the solid electrolyte is preferably 1 part by mass or more and 10 parts by mass or less, and more preferably 1 part by mass or more and 5 parts by mass or less. According to this, it becomes possible to further improve the high rate characteristics while maintaining the protection performance of the stabilized lithium powder.

上記安定化リチウム粉末の平均円形度は0.90以下であることが好ましい。円形度が小さいほど固体電解質膜の破砕が容易となり、プレドープがより効果的に進行する。 The average circularity of the stabilized lithium powder is preferably 0.90 or less. The smaller the degree of circularity, the easier the solid electrolyte membrane is crushed and the pre-doping proceeds more effectively.

(金属リチウム粒子の製造方法)
次に金属リチウム粒子の製造方法について説明する。まず、炭化水素オイルにリチウムインゴットを投入し、これをリチウムの融点以上に加熱し、この溶融リチウム−炭化水素オイル混合物を十分な時間撹拌して分散液を作ったのち、冷却することで金属リチウム粒子を作製する。
(Method for producing metallic lithium particles)
Next, a method for producing metallic lithium particles will be described. First, a lithium ingot is charged into a hydrocarbon oil, heated to a temperature higher than the melting point of lithium, this molten lithium-hydrocarbon oil mixture is stirred for a sufficient time to form a dispersion, and then cooled to form a metallic lithium. Make particles.

容器には邪魔板を取り付けた耐熱性のものを用い、容器を5〜15度傾けて撹拌を行う。回転数は1000rpm以上が好ましく、3000rpm〜10000rpmで撹拌を行うことがより好ましい。   Use a heat-resistant container with a baffle plate, and stir the container by tilting it 5 to 15 degrees. The number of rotations is preferably 1000 rpm or more, and more preferably stirring is performed at 3000 rpm to 10,000 rpm.

上記炭化水素オイルは、リチウムインゴットを1質量部としたとき、溶融後の均一分散性の観点から1〜30質量部であることが好ましく、2〜15質量部であることがより好ましい。   From the viewpoint of uniform dispersibility after melting, the hydrocarbon oil is preferably 1 to 30 parts by mass, more preferably 2 to 15 parts by mass when the lithium ingot is 1 part by mass.

本発明の安定化リチウム粉末を作製するために必要な温度は、リチウム金属が溶融する温度以上であることが好ましい。具体的には、190℃〜250℃、好ましくは195℃〜240℃、より好ましくは200℃〜220℃である。低すぎるとリチウムが固体化しリチウムの粉末の製造が困難となり、温度が高すぎると炭化水素油の種類によっては気化が起こり、製造上扱いにくくなるためである。   The temperature necessary for producing the stabilized lithium powder of the present invention is preferably equal to or higher than the temperature at which lithium metal melts. Specifically, it is 190 degreeC-250 degreeC, Preferably it is 195 degreeC-240 degreeC, More preferably, it is 200 degreeC-220 degreeC. If the temperature is too low, lithium is solidified, making it difficult to produce lithium powder. If the temperature is too high, vaporization may occur depending on the type of hydrocarbon oil, making it difficult to handle in production.

上記分散液の冷却後の温度は100℃以下が好ましく、50℃以下がより好ましい。また、上記分散液は1時間以上かけて徐々に冷却することが好ましい。   The temperature after cooling the dispersion is preferably 100 ° C. or lower, and more preferably 50 ° C. or lower. Moreover, it is preferable that the said dispersion liquid is gradually cooled over 1 hour or more.

(安定化リチウム粉末の製造方法)
その後、上記金属リチウム粒子に固体電解質を加え、ボールミルで乾式粉砕することによって、金属リチウム粒子表面が固体電解質で被覆された安定化リチウム粉末が得られる。
(Method for producing stabilized lithium powder)
Thereafter, a solid electrolyte is added to the metal lithium particles, and dry pulverization is performed with a ball mill, thereby obtaining a stabilized lithium powder having the surface of the metal lithium particles coated with the solid electrolyte.

上記ボールミルとしては、アトライター装置、遊星ボールミル、振動ミル、コニカルミル、チューブミル等が挙げられる。ボールミルでの乾式粉砕は、基本的には粉砕機内において鋼球等のボール同士の衝突により、粒子が衝撃作用を受けて粉砕や、合金化、非晶質化が起こるが、微粒子においては、この衝撃作用によって粒子同士が凝集、凝着して複合粒子を形成する。 Examples of the ball mill include an attritor device, a planetary ball mill, a vibration mill, a conical mill, and a tube mill. In dry pulverization with a ball mill, basically, particles such as steel balls collide with each other in a pulverizer, and the particles are crushed, alloyed, or amorphized. Particles are aggregated and adhered by impact action to form composite particles.

なお、ボールミルでの処理は金属リチウム粒子が反応しないよう、アルゴンやヘリウム等の不活性ガス雰囲気下で行なうことが好ましい。 In addition, it is preferable to perform the process by a ball mill in inert gas atmosphere, such as argon and helium, so that a metal lithium particle may not react.

なお、安定化膜を形成するための固体電解質は、紛体として混合することが好ましく、この固体電解質の粒径は、上記で作製した金属リチウム粒子の平均粒径を1としたとき、0.01〜0.2であることが好ましい。固体電解質及び金属リチウム粒子の平均粒径は、レーザー回折式粒度分布測定装置等既知の方法で測定することが出来る。 The solid electrolyte for forming the stabilizing film is preferably mixed as a powder, and the particle diameter of the solid electrolyte is 0.01 when the average particle diameter of the metallic lithium particles prepared above is 1. It is preferable that it is -0.2. The average particle diameters of the solid electrolyte and the metal lithium particles can be measured by a known method such as a laser diffraction particle size distribution analyzer.

<負極>
このように上述した安定化リチウム粉末は、プレドープ後に負極上に残る安定化膜のイオン伝導度が高く、電池にした際のハイレート特性を向上させることができる。
負極20は後述するように負極用集電体22上に負極活物質層24を形成することで作製することができる。
<Negative electrode>
Thus, the stabilized lithium powder described above has high ionic conductivity of the stabilizing film remaining on the negative electrode after pre-doping, and can improve the high-rate characteristics when it is made into a battery.
The negative electrode 20 can be produced by forming a negative electrode active material layer 24 on a negative electrode current collector 22 as described later.

(負極用集電体)
負極用集電体22は、導電性の板材であればよく、例えば、銅、ニッケル又はそれらの合金、ステンレス等の金属薄板(金属箔)を用いることができる。
(Current collector for negative electrode)
The negative electrode current collector 22 may be a conductive plate material, and for example, a metal thin plate (metal foil) such as copper, nickel, an alloy thereof, or stainless steel can be used.

(負極活物質層)
負極活物質層24は、負極活物質、負極用バインダー、及び、必要に応じた量の負極用導電助剤から主に構成されるものである。
(Negative electrode active material layer)
The negative electrode active material layer 24 is mainly composed of a negative electrode active material, a negative electrode binder, and an amount of a negative electrode conductive additive as required.

(負極活物質)
負極活物質としては不可逆容量が大きいものが好ましく、例えば、金属シリコン(Si)、酸化シリコン(SiO)等が挙げられる。
(Negative electrode active material)
The negative electrode active material preferably has a large irreversible capacity, and examples thereof include metal silicon (Si) and silicon oxide (SiO x ).

(負極用バインダー)
負極用バインダーは、負極活物質同士を結合すると共に、負極活物質と集電体22とを結合している。バインダーは、上述の結合が可能なものであればよく、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素樹脂が挙げられる。更に、上記の他に、バインダーとして、例えば、セルロース、スチレン・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂等を用いてもよい。また、バインダーとして電子伝導性の導電性高分子やイオン伝導性の導電性高分子を用いてもよい。電子伝導性の導電性高分子としては、例えば、ポリアセチレン等が挙げられる。この場合は、バインダーが導電助剤粒子の機能も発揮するので導電助剤を添加しなくてもよい。イオン伝導性の導電性高分子としては、例えば、リチウムイオン等のイオンの伝導性を有するものを使用することができ、例えば、高分子化合物(ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物、ポリフォスファゼン等)のモノマーと、LiClO、LiBF、LiPF等のリチウム塩又はリチウムを主体とするアルカリ金属塩と、を複合化させたもの等が挙げられる。複合化に使用する重合開始剤としては、例えば、上記のモノマーに適合する光重合開始剤または熱重合開始剤が挙げられる。
(Binder for negative electrode)
The negative electrode binder bonds the negative electrode active materials and the current collector 22 together with the negative electrode active materials. The binder is not particularly limited as long as the above-described bonding is possible, and examples thereof include fluorine resins such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). In addition to the above, for example, cellulose, styrene / butadiene rubber, ethylene / propylene rubber, polyimide resin, polyamideimide resin, or the like may be used as the binder. Alternatively, an electron conductive conductive polymer or an ion conductive conductive polymer may be used as the binder. Examples of the electron conductive conductive polymer include polyacetylene. In this case, since the binder also exhibits the function of the conductive assistant particles, it is not necessary to add the conductive assistant. As the ion-conductive conductive polymer, for example, those having ion conductivity such as lithium ion can be used. For example, polymer compounds (polyether-based polymer compounds such as polyethylene oxide and polypropylene oxide) , Polyphosphazene, etc.) and a lithium salt such as LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , or an alkali metal salt mainly composed of lithium, and the like. Examples of the polymerization initiator used for the combination include a photopolymerization initiator or a thermal polymerization initiator that is compatible with the above-described monomer.

負極活物質層24中のバインダーの含有量も特に限定されないが、負極活物質の質量に対して0.5〜5質量部であることが好ましい。   The content of the binder in the negative electrode active material layer 24 is not particularly limited, but is preferably 0.5 to 5 parts by mass with respect to the mass of the negative electrode active material.

(負極用導電助剤)
負極用導電助剤も、負極活物質層24の導電性を良好にするものであれば特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、黒鉛、カーボンブラック等の炭素系材料や、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属微粉、炭素材料及び金属微粉の混合物、ITO等の導電性酸化物が挙げられる。
(負極の製造方法)
上記安定化リチウム粉を溶媒に分散させた分散液を、負極集電体上に形成した負極活物質層の上に塗布し、乾燥後にこれをプレスすることで負極活物質へのリチウムのドープが進行し、リチウムドープされた負極が完成する。
(Conductive aid for negative electrode)
The conductive aid for the negative electrode is not particularly limited as long as it improves the conductivity of the negative electrode active material layer 24, and a known conductive aid can be used. Examples thereof include carbon-based materials such as graphite and carbon black, metal fine powders such as copper, nickel, stainless steel, and iron, a mixture of carbon materials and metal fine powders, and conductive oxides such as ITO.
(Method for producing negative electrode)
The dispersion liquid in which the above stabilized lithium powder is dispersed in a solvent is applied on the negative electrode active material layer formed on the negative electrode current collector, and after drying, this is pressed, so that the negative electrode active material is doped with lithium. Proceed to complete the lithium-doped negative electrode.

上記分散液の溶媒としては蒸気圧が高いものが好ましく、例えば、ノルマルヘプタン、ノルマルヘキサン、メチルエチルケトン等が挙げられる。   As the solvent for the dispersion, those having a high vapor pressure are preferable, and examples thereof include normal heptane, normal hexane, and methyl ethyl ketone.

上記プレス方法としては特に限定は無く、ハンドプレスやローラープレス等、既知の方法を使うことが可能である。   The pressing method is not particularly limited, and a known method such as a hand press or a roller press can be used.

<リチウムイオン二次電池>
図2に本実施形態のリチウムイオン二次電池の模式断面図を示す。
<Lithium ion secondary battery>
FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of the lithium ion secondary battery of the present embodiment.

上記の通り作製されたリチウムドープ負極20と、正極10と、電解質を含浸させたセパレータ18とを図2のように作製することでリチウムイオン二次電池100を作製することができ、負極20は、負極用集電体22上に負極活物質層24を形成することで作製することができる。ここで、正極10は、正極集電体12上に正極活物質層14を形成することで作製することができる。なお、図面中62と60は、それぞれ正極と負極の引出し電極を示す。   A lithium ion secondary battery 100 can be produced by producing the lithium-doped negative electrode 20 produced as described above, the positive electrode 10, and the separator 18 impregnated with an electrolyte as shown in FIG. It can be produced by forming the negative electrode active material layer 24 on the negative electrode current collector 22. Here, the positive electrode 10 can be produced by forming the positive electrode active material layer 14 on the positive electrode current collector 12. In the drawings, reference numerals 62 and 60 denote a positive electrode and a negative electrode, respectively.

<正極>
(正極用集電体)
正極用集電体12は、導電性の板材であればよく、例えば、アルミニウム又はそれらの合金、ステンレス等の金属薄板(金属箔)を用いることができる。
<Positive electrode>
(Current collector for positive electrode)
The positive electrode current collector 12 may be a conductive plate material, and for example, a metal thin plate (metal foil) such as aluminum, an alloy thereof, or stainless steel can be used.

(正極活物質層)
正極活物質層14は、正極活物質、正極用バインダー、及び、必要に応じた量の正極用導電助剤から主に構成されるものである。
(Positive electrode active material layer)
The positive electrode active material layer 14 is mainly composed of a positive electrode active material, a positive electrode binder, and a necessary amount of positive electrode conductive additive.

(正極活物質)
正極活物質としては、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入(インターカレーション)、又は、リチウムイオンと該リチウムイオンのカウンターアニオン(例えば、PF )とのドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知の電極活物質を使用できる。例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、リチウムマンガンスピネル(LiMn)、及び、一般式:LiNiCoMnMaO(x+y+z+a=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦a≦1、MはAl、Mg、Nb、Ti、Cu、Zn、Crより選ばれる1種類以上の元素)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物(LiV)、オリビン型LiMPO(ただし、Mは、Co、Ni、Mn、Fe、Mg、Nb、Ti、Al、Zrより選ばれる1種類以上の元素又はVOを示す)、チタン酸リチウム(LiTi12)、LiNiCoAl(0.9<x+y+z<1.1)等の複合金属酸化物が挙げられる。
(Positive electrode active material)
Examples of the positive electrode active material include occlusion and release of lithium ions, desorption and insertion (intercalation) of lithium ions, or doping and dedoping of lithium ions and counter anions (for example, PF 6 ) of the lithium ions. The electrode is not particularly limited as long as it can be reversibly advanced, and a known electrode active material can be used. For example, lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganese spinel (LiMn 2 O 4 ), and the general formula: LiNi x Co y Mn z MaO 2 (x + y + z + a = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ a ≦ 1, and M is one or more elements selected from Al, Mg, Nb, Ti, Cu, Zn, and Cr) Oxide, lithium vanadium compound (LiV 2 O 5 ), olivine type LiMPO 4 (where M is one or more elements selected from Co, Ni, Mn, Fe, Mg, Nb, Ti, Al, Zr, or VO) shown), and composite metal oxides of lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12) , LiNi x Co y Al z O 2 (0.9 <x + y + z <1.1) , etc.

(正極用バインダー)
正極用バインダーとしては特に限定は無く、上記で記載した負極用バインダーと同様のものを用いることが出来る。
(Binder for positive electrode)
There is no limitation in particular as a binder for positive electrodes, The thing similar to the binder for negative electrodes described above can be used.

(正極用導電助剤)
正極用導電助剤としては特に限定は無く、上記で記載した負極用導電助剤と同様のものを用いることが出来る。
(Conductive aid for positive electrode)
There is no limitation in particular as a conductive support agent for positive electrodes, The thing similar to the conductive support agent for negative electrodes described above can be used.

<電解質>
電解質は、正極活物質層14、負極活物質層24、及び、セパレータ18の内部に含有させるものである。電解質としては、特に限定されず、例えば、本実施形態では、リチウム塩を含む電解液を使用することができる。
<Electrolyte>
The electrolyte is contained in the positive electrode active material layer 14, the negative electrode active material layer 24, and the separator 18. The electrolyte is not particularly limited, and for example, in the present embodiment, an electrolytic solution containing a lithium salt can be used.

前記電解液としては高い電圧で作動可能な有機溶媒を使用することが好ましく、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、等の非プロトン性高誘電率溶媒や、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、等の酢酸エステル類あるいはプロピオン酸エステル類等の非プロトン性低粘度溶媒が挙げられる。更に、これらの非プロトン性高誘電率溶媒と非プロトン性低粘度溶媒は適当な混合比で併用されて使用することが望ましい。   It is preferable to use an organic solvent that can be operated at a high voltage as the electrolytic solution, for example, an aprotic high dielectric constant solvent such as ethylene carbonate or propylene carbonate, or an acetate ester such as dimethyl carbonate or ethyl methyl carbonate. Or aprotic low-viscosity solvents such as propionates. Furthermore, it is desirable to use these aprotic high dielectric constant solvents and aprotic low viscosity solvents in combination at an appropriate mixing ratio.

また、前記有機溶媒としてイミダゾリウム、アンモニウム、及びピリジニウム型のカチオンを用いたイオン性液体を使用しても良い。対アニオンは特に限定されるものではないが、BF 、PF 、(CFSO等が挙げられ、前述の有機溶媒と混合して使用しても良い。 Further, an ionic liquid using imidazolium, ammonium, and pyridinium type cations may be used as the organic solvent. The counter anion is not particularly limited, and examples thereof include BF 4 , PF 6 , (CF 3 SO 2 ) 2 N − and the like, and they may be used by mixing with the above-mentioned organic solvent.

前記リチウム塩としては特に限定されず、リチウムイオン二次電池の電解質として用いられるリチウム塩を用いることが出来る。例えば、LiPF、LiBF、LiClO、LiFSI、LiBOB等の無機酸陰イオン塩、LiCFSO、(CFSONLi等の有機酸陰イオン塩等を用いることが出来る。 It does not specifically limit as said lithium salt, The lithium salt used as an electrolyte of a lithium ion secondary battery can be used. For example, inorganic acid anion salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiFSI, and LiBOB, organic acid anion salts such as LiCF 3 SO 3 , (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, and the like can be used.

更に、前記リチウム塩の濃度は、電気伝導性の点から、0.5〜2.0Mが好ましい。なお、この電解質の温度25℃における導電率は0.01S/m以上であることが好ましく、リチウム塩の種類あるいはその濃度により調整される。   Furthermore, the concentration of the lithium salt is preferably 0.5 to 2.0 M from the viewpoint of electrical conductivity. The conductivity of the electrolyte at 25 ° C. is preferably 0.01 S / m or more, and is adjusted by the type of lithium salt or its concentration.

電解質を固体電解質やゲル電解質とする場合には、ポリ(ビニリデンフルオライド)等を高分子材料として含有することが可能である。   When the electrolyte is a solid electrolyte or gel electrolyte, poly (vinylidene fluoride) or the like can be contained as a polymer material.

更に、本実施形態の電解液中には、必要に応じて各種添加剤を添加してもよい。添加剤としては、例えば、サイクル寿命向上を目的としたビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート等や、過充電防止を目的としたビフェニル、アルキルビフェニル等や、脱酸や脱水を目的とした各種カーボネート化合物、各種カルボン酸無水物、各種含窒素及び含硫黄化合物が挙げられる。 Furthermore, you may add various additives in the electrolyte solution of this embodiment as needed. Examples of additives include vinylene carbonate and methyl vinylene carbonate for the purpose of improving cycle life, biphenyl and alkyl biphenyl for the purpose of preventing overcharge, various carbonate compounds for the purpose of deoxidation and dehydration, Carboxylic anhydride, various nitrogen-containing and sulfur-containing compounds can be mentioned.

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。 The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment.

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.

[実施例1]
(金属リチウム粒子の作製)
内壁に邪魔板を取り付けたステンレススチール樹脂フラスコ反応器に関東化学社のリチウムインゴット100gおよびWitco社のCarnation炭化水素オイルを加え、容器内を乾燥アルゴンで置換した。次いでこの反応器を200℃まで加熱し、リチウムインゴットを溶融させた。溶融状態でこの混合物を10分間、容器を5度傾けた状態で8000rpmの回転速度で撹拌した後、撹拌を維持したまま1時間かけて室温まで冷却した後、得られた粉末をヘキサンで洗浄することで金属リチウム粒子を得た。
[Example 1]
(Production of metallic lithium particles)
A stainless steel resin flask reactor having a baffle plate attached to the inner wall was added 100 g of lithium ingot manufactured by Kanto Chemical Co. and Carnation hydrocarbon oil manufactured by Witco, and the inside of the container was replaced with dry argon. The reactor was then heated to 200 ° C. to melt the lithium ingot. The mixture was stirred for 10 minutes at a rotational speed of 8000 rpm with the container tilted 5 degrees in the molten state, and then cooled to room temperature over 1 hour with stirring maintained, and the resulting powder was washed with hexane. As a result, metallic lithium particles were obtained.

(安定化リチウム粉末の作製)
得られた金属リチウム粒子95質量部に、LATP5質量部を加え、アルゴン雰囲気下、ボールミルで回転速度300rpm/min、2分間回転させ、安定化リチウム粉末を得た。
(負極の作製)
酸化シリコン(SiO)83質量部、アセチレンブラック2質量部、ポリアミドイミド15質量部、N−メチルピロリドン100質量部を混合し、負極活物質層形成用のスラリーを調製した。このスラリーを、集電体として厚さ14μmの銅箔の一面に、負極活物質の塗布量が2.0mg/cmとなるように塗布し、100℃で乾燥することで負極活物質層を形成した。その後、ローラープレスによって加圧成形し、真空中、350℃で3時間熱処理することで、負極活物質層の厚さが22μmである負極を得た。
(Production of stabilized lithium powder)
5 parts by mass of LATP was added to 95 parts by mass of the obtained metal lithium particles, and the mixture was rotated at a rotational speed of 300 rpm / min for 2 minutes in a ball mill under an argon atmosphere to obtain a stabilized lithium powder.
(Preparation of negative electrode)
83 parts by mass of silicon oxide (SiO), 2 parts by mass of acetylene black, 15 parts by mass of polyamideimide, and 100 parts by mass of N-methylpyrrolidone were mixed to prepare a slurry for forming a negative electrode active material layer. The slurry was applied to one surface of a copper foil having a thickness of 14 μm as a current collector so that the amount of the negative electrode active material applied was 2.0 mg / cm 2 and dried at 100 ° C. to thereby form the negative electrode active material layer. Formed. Then, the negative electrode whose thickness of a negative electrode active material layer is 22 micrometers was obtained by pressure-molding with a roller press, and heat-processing in a vacuum at 350 degreeC for 3 hours.

上記の方法で得られた負極の上に、上記安定化リチウム粉末100質量部をメチルエチルケトン100質量部に分散させた分散液を、安定化リチウム粉末の塗布量が0.5mg/cmとなるように塗布し、100℃で乾燥を行った。その後、ハンドプレスによって30kNの力で加圧して負極へリチウムをドープさせ、リチウムドープ負極を得た。 A dispersion obtained by dispersing 100 parts by mass of the stabilized lithium powder in 100 parts by mass of methyl ethyl ketone on the negative electrode obtained by the above method is applied so that the coating amount of the stabilized lithium powder becomes 0.5 mg / cm 2. And dried at 100 ° C. Then, it pressurized by the force of 30 kN with the hand press, and lithium was doped to the negative electrode, and the lithium dope negative electrode was obtained.

(評価用リチウムイオン二次電池の作製)
上記で作製したリチウムドープされた負極と、正極として銅箔にリチウム金属箔を貼り付けた対極とを、それらの間にポリエチレン微多孔膜からなるセパレータを挟んでアルミラミネートパックに入れ、このアルミラミネートパックに、電解液として1MのLiPF溶液(溶媒:エチレンカーボネート(EC)/ジエチルカーボネート(DEC)=3/7(体積比))を注入した後、真空シールし、評価用のリチウムイオン二次電池を作製した。
(Production of evaluation lithium-ion secondary battery)
The lithium-doped negative electrode prepared above and the counter electrode obtained by attaching a lithium metal foil to a copper foil as a positive electrode are put in an aluminum laminate pack with a separator made of a polyethylene microporous film interposed therebetween, and this aluminum laminate After injecting 1M LiPF 6 solution (solvent: ethylene carbonate (EC) / diethyl carbonate (DEC) = 3/7 (volume ratio)) as an electrolytic solution into the pack, vacuum sealing was performed and lithium ion secondary for evaluation was performed. A battery was produced.

<平均円形度の測定>
上記で作製した安定化リチウム粉末について、光学顕微鏡を用いて粒子を観察した。得られた観察像を二値化し、画像解析によって粒子の円形度を求めた。最低500個以上の粒子に対して上記画像解析を行い、合成した安定化リチウム粉末の平均円形度とした。なお、円形度Cは、粒子の面積をS、周囲長をLとしたとき、C=4πS/Lで定義される。
<Measurement of average circularity>
About the stabilized lithium powder produced above, particles were observed using an optical microscope. The obtained observed image was binarized, and the circularity of the particles was determined by image analysis. The above image analysis was performed on at least 500 particles, and the average circularity of the synthesized stabilized lithium powder was determined. The circularity C is defined as C = 4πS / L 2 where S is the particle area and L is the perimeter.

<初期効率およびハイレート容量維持率の測定>
上記で作製した評価用リチウムイオン二次電池について、二次電池充放電試験装置(北斗電工株式会社製)を用い、電圧範囲を0.005Vから2.5Vまでとし、1C=1600mAh/gとしたときの0.05Cでの電流値で充放電を行い、初期効率を求めた。なお、初期効率(%)は、初期充電容量に対する初期放電容量の割合(100×初期放電容量/初期充電容量)である。この値が高いほど、不可逆容量が低減されており、優れたドープ効果が得られていることを意味する。
<Measurement of initial efficiency and high rate capacity maintenance ratio>
About the lithium ion secondary battery for evaluation produced above, a secondary battery charge / discharge test apparatus (manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.) was used, the voltage range was 0.005 V to 2.5 V, and 1C = 1600 mAh / g. Charging / discharging was performed at a current value of 0.05 C to obtain initial efficiency. The initial efficiency (%) is the ratio of the initial discharge capacity to the initial charge capacity (100 × initial discharge capacity / initial charge capacity). The higher this value, the lower the irreversible capacity, which means that an excellent doping effect is obtained.

同様に、0.2Cと2Cの電流値で充放電を行い、それぞれのレートでの放電容量を求め、これらの値からハイレート特性としてハイレート容量維持率(2C放電容量/0.2C放電容量×100)を求めた。負極上に残膜として残る安定化リチウム粉末の安定化膜のイオン伝導度が高い場合、ハイレートでのリチウムイオンの移動が阻害されないので高い維持率を示す。平均円形度、初期効率と合わせ、結果を表1に示す。   Similarly, charge and discharge are performed at current values of 0.2 C and 2 C, discharge capacities at the respective rates are obtained, and a high rate capacity retention ratio (2 C discharge capacity / 0.2 C discharge capacity × 100 is obtained from these values as a high rate characteristic. ) When the ion conductivity of the stabilized film of the stabilized lithium powder remaining as the remaining film on the negative electrode is high, the high ionization rate is not hindered and the high retention rate is exhibited. The results are shown in Table 1 together with the average circularity and the initial efficiency.

[実施例2〜12]
安定化リチウム粉末の製造条件を下記表1に示すものに変更した以外は実施例1と同様として、実施例2〜12の安定化リチウム粉末を得た。また、得られた安定化リチウム粉末を用いて、実施例1と同様にして実施例2〜12の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
[Examples 2 to 12]
The stabilized lithium powders of Examples 2 to 12 were obtained in the same manner as in Example 1 except that the production conditions of the stabilized lithium powder were changed to those shown in Table 1 below. Moreover, the lithium ion secondary battery for evaluation of Examples 2-12 was produced like Example 1 using the obtained stabilized lithium powder.

実施例2〜12の評価用リチウムイオン二次電池に対し、実施例1に記載される各種試験を実施した結果を表1に示す。実施例2〜6では固体電解質の種類によらず、実施例1と同様に優れたハイレート特性を示しており、プレドープ後に電極上に残る残膜によってリチウムイオンの移動が阻害されていないことを表している。実施例7〜12で固体電解質添加量を変えた場合でも高いハイレート容量維持率と初期効率を示しており、安定化リチウム粉末の保護性能を維持したまま、ハイレート特性が改善された。   Table 1 shows the results of various tests described in Example 1 performed on the lithium ion secondary batteries for evaluation of Examples 2 to 12. In Examples 2-6, regardless of the type of solid electrolyte, excellent high rate characteristics are shown as in Example 1, indicating that the migration of lithium ions is not inhibited by the remaining film remaining on the electrode after pre-doping. ing. Even when the solid electrolyte addition amount was changed in Examples 7 to 12, a high high-rate capacity retention ratio and an initial efficiency were exhibited, and the high-rate characteristics were improved while maintaining the protective performance of the stabilized lithium powder.

[比較例1]
市販のFMC社の安定化リチウム粉末(商品名:SLMP)を用いて、実施例1と同様にして比較例1の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
[Comparative Example 1]
A lithium ion secondary battery for evaluation of Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1 using commercially available stabilized lithium powder (trade name: SLMP) manufactured by FMC.

比較例1の評価用リチウムイオン二次電池に対し、実施例1に記載される各種試験を実施した結果を表1に示す。比較例1の安定化リチウム粉末の安定化膜はLi2Oで形成されており、プレドープ後に高抵抗のLi2Oが電極上に残膜として残ることから、ハイレート特性が悪化している。   Table 1 shows the results of various tests described in Example 1 performed on the evaluation lithium ion secondary battery of Comparative Example 1. The stabilization film of the stabilized lithium powder of Comparative Example 1 is formed of Li 2 O, and high resistance Li 2 O remains as a residual film on the electrode after pre-doping, so that the high rate characteristics are deteriorated.

Figure 0006375842
Figure 0006375842

本発明の安定化リチウム粉末をプレドープに用いることで、ハイレート特性が大きく改善されたリチウムイオン二次電池を提供することが可能となる。 By using the stabilized lithium powder of the present invention for pre-doping, it is possible to provide a lithium ion secondary battery with greatly improved high rate characteristics.

1…金属リチウム、2…安定化膜、10…正極、12…正極集電体、14…正極活物質層、18…セパレータ、20…負極、22…負極集電体、24…負極活物質層、30…積層体、50…ケース、52…金属箔、54…高分子膜、60,62…リード、100…リチウムイオン二次電池。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Metal lithium, 2 ... Stabilization film, 10 ... Positive electrode, 12 ... Positive electrode collector, 14 ... Positive electrode active material layer, 18 ... Separator, 20 ... Negative electrode, 22 ... Negative electrode collector, 24 ... Negative electrode active material layer 30 ... laminate, 50 ... case, 52 ... metal foil, 54 ... polymer film, 60, 62 ... lead, 100 ... lithium ion secondary battery.

Claims (3)

金属リチウム粒子の表面に無機固体電解質から成る安定化膜を備え、前記無機固体電解質は、リチウム−アルミニウム−チタニウム−リン酸塩、ランタンジルコン酸リチウム、リン酸リチウムオキシナイトライド、Li O−Si O、Li S−Ge S、Li S−P のうちのいずれか1種を含有することを特徴とする安定化リチウム粉末。 The surface of the metal lithium particles is provided with a stabilizing film made of an inorganic solid electrolyte, and the inorganic solid electrolyte is composed of lithium-aluminum-titanium-phosphate, lithium lanthanum zirconate, lithium phosphate oxynitride, Li 2 O—Si. 1. A stabilized lithium powder comprising any one of 2 O, Li 2 S—Ge 2 S, and Li 2 S—P 2 S 5 . 前記無機固体電解質は、安定化リチウム粉末全体100質量部に対し1質量部以上10質量部以下であることを特徴とする請求項に記載の安定化リチウム粉末。 3. The stabilized lithium powder according to claim 2 , wherein the inorganic solid electrolyte is 1 part by mass or more and 10 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the entire stabilized lithium powder. 前記安定化リチウム粉末の平均円形度をCとしたとき、C≦0.9であることを特徴とする請求項1または2に記載の安定化リチウム粉末。

3. The stabilized lithium powder according to claim 1, wherein C ≦ 0.9 when the average circularity of the stabilized lithium powder is C. 4.

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