JP6634318B2 - Active material for non-aqueous electrolyte battery, electrode for non-aqueous electrolyte battery, non-aqueous electrolyte battery and battery pack - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、非水電解質電池用活物質、非水電解質電池用電極、非水電解質電池および電池パックに関する。 Embodiments of the present invention relate to an active material for a non-aqueous electrolyte battery, an electrode for a non-aqueous electrolyte battery, a non-aqueous electrolyte battery, and a battery pack.
近年、急速なエレクトロニクス機器の小型化技術の発達により、種々の携帯電子機器が普及しつつある。そして、これら携帯電子機器の電源である電池にも小型化が求められており、高エネルギー密度を持つ非水電解質二次電池が注目を集めている。
特に、珪素、スズなどのリチウムと合金化する元素、非晶質カルコゲン化合物などリチウム吸蔵容量が大きく、密度の高い物質を用いる試みがなされている。中でも珪素は珪素原子1に対してリチウム原子を4.4の比率までリチウムを吸蔵することが可能である。このため、非水電解質二次電池の負極材として用いた場合には、質量あたりの負極容量は従来使用されている黒鉛質炭素を負極材として用いた場合の約10倍となる。しかし、珪素は、充放電サイクルにおけるリチウムの挿入脱離に伴う体積の変化が大きく活物質粒子の微粉化などサイクル特性に課題があった。
2. Description of the Related Art In recent years, various portable electronic devices have been spreading due to rapid development of technology for miniaturizing electronic devices. In addition, there is a demand for miniaturization of a battery as a power source of these portable electronic devices, and a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high energy density has attracted attention.
In particular, attempts have been made to use a substance having a large lithium storage capacity and a high density, such as an element which alloys with lithium such as silicon and tin, and an amorphous chalcogen compound. Above all, silicon can occlude lithium up to a ratio of 4.4 lithium atoms to 1 silicon atom. For this reason, when used as a negative electrode material of a non-aqueous electrolyte secondary battery, the negative electrode capacity per mass is about ten times as large as when conventionally used graphitic carbon is used as a negative electrode material. However, silicon has a large change in volume due to insertion and desorption of lithium in a charge and discharge cycle, and has a problem in cycle characteristics such as pulverization of active material particles.
前記課題を解決するために、珪素酸化物粒子と炭素質物とを複合化した活物質を用い、高容量化およびサイクル特性の向上を図ることが検討されている。
しかしながら、このような活物質においても高容量化とサイクル特性の両立が不充分であり、さらなる高容量化およびサイクル特性の両立および向上が求められている。
In order to solve the above-mentioned problems, studies have been made to achieve an increase in capacity and an improvement in cycle characteristics by using an active material in which silicon oxide particles and a carbonaceous material are combined.
However, even with such an active material, compatibility between high capacity and cycle characteristics is insufficient, and further improvement in capacity and compatibility with cycle characteristics are required.
本発明が解決しようとする課題は、高容量およびサイクル特性に優れた非水電解質電池用活物質、非水電解質電池用電極、非水電解質電池および電池パックを提供することである。 An object of the present invention is to provide an active material for a non-aqueous electrolyte battery, an electrode for a non-aqueous electrolyte battery, a non-aqueous electrolyte battery, and a battery pack which are excellent in high capacity and cycle characteristics.
実施形態の非水電解質電池用活物質は、珪素酸化物粒子と炭素質物とを持つ。珪素酸化物粒子は、珪素および酸化珪素、あるいは酸化珪素から成り、組成式がSiOx(0.1≦x≦2)で表される。珪素酸化物粒子の平均一次粒径は3nm以上50nm以下である。実施形態の非水電解質電池用活物質は、N2吸着法による細孔分布測定におけるII型の脱着等温線において、P/P0が0.5より大きい初めの測定点とP/P0が0.7より小さい初めの測定点を結んだ直線の傾きaがマイナスである。 The active material for a nonaqueous electrolyte battery according to the embodiment has silicon oxide particles and a carbonaceous material. The silicon oxide particles are composed of silicon and silicon oxide, or silicon oxide, and have a composition formula represented by SiOx (0.1 ≦ x ≦ 2). The average primary particle size of the silicon oxide particles is 3 nm or more and 50 nm or less. In the active material for a nonaqueous electrolyte battery of the embodiment, in the type II desorption isotherm in the pore distribution measurement by the N 2 adsorption method, the first measurement point where P / P 0 is larger than 0.5 and P / P 0 are The slope a of the straight line connecting the first measurement points smaller than 0.7 is negative.
以下、実施形態の非水電解質電池用活物質、非水電解質電池用電極、非水電解質電池および電池パックを、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an active material for a non-aqueous electrolyte battery, an electrode for a non-aqueous electrolyte battery, a non-aqueous electrolyte battery, and a battery pack of the embodiment will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
第1の実施形態では、非水電解質電池用活物質が提供される。
第1実施形態の非水電解質電池用活物質(以下「活物質」という場合もある)は、珪素酸化物粒子と炭素質物とを含む。珪素酸化物粒子は、珪素および酸化珪素、あるいは酸化珪素から成り、組成式がSiOx(0.1≦x≦2)で表される。
(First embodiment)
In the first embodiment, an active material for a non-aqueous electrolyte battery is provided.
The active material for a non-aqueous electrolyte battery of the first embodiment (hereinafter also referred to as “active material”) includes silicon oxide particles and a carbonaceous material. The silicon oxide particles are composed of silicon and silicon oxide, or silicon oxide, and have a composition formula represented by SiOx (0.1 ≦ x ≦ 2).
本発明者らは、従来検討されている珪素酸化物粒子と炭素質物とを含む活物質における細孔形態が寿命特性に大きな影響を及ぼすという考えに至った。そして、その関係を検討した結果、N2吸着法において特異的な特徴を示す細孔形態を有する活物質において、高い寿命特性を得られることを見出した。
本実施形態の非水電解質電池用活物質は、N2吸着法による細孔分布測定における脱着等温線において、P/P0が0.5より大きい初めの測定点とP/P0が0.7より小さい初めの測定点を結んだ直線の傾きaがマイナスになる。
The present inventors have come to the idea that the pore morphology of the conventionally studied active material containing silicon oxide particles and carbonaceous material greatly affects the life characteristics. Then, as a result of examining the relationship, it has been found that an active material having a pore morphology exhibiting a specific characteristic in the N 2 adsorption method can obtain high life characteristics.
The active material for a non-aqueous electrolyte battery of the present embodiment has the first measurement point where P / P 0 is larger than 0.5 and P / P 0 is 0. 0 in the desorption isotherm in the pore distribution measurement by the N 2 adsorption method. The slope a of the straight line connecting the first measurement points smaller than 7 becomes negative.
以下、本実施形態の非水電解質電池用活物質を、非水電解質電池の負極の活物質合剤層に用いる活物質として説明するが、本実施形態の活物質は正極の活物質合剤層に用いる活物質にも用いることができる。また、活物質を用いた電極は、非水電解質二次電池に用いるものとして説明するが、実施形態の活物質を用いる電極は、様々な電池に用いることができる。 Hereinafter, the active material for a non-aqueous electrolyte battery of the present embodiment will be described as an active material used for an active material mixture layer of a negative electrode of a non-aqueous electrolyte battery. It can be used also as an active material used for. Further, an electrode using an active material will be described as being used for a non-aqueous electrolyte secondary battery, but the electrode using an active material of the embodiment can be used for various batteries.
本実施形態で用いられる炭素質物は、少なくとも非晶質炭素を含んでいる。そして、この炭素質物中に後述する珪素酸化物粒子が分散されている。好ましくは、珪素酸化物粒子の周囲に炭素質物が存在している。 The carbonaceous material used in the present embodiment contains at least amorphous carbon. The silicon oxide particles described below are dispersed in the carbonaceous material. Preferably, a carbonaceous material is present around the silicon oxide particles.
本実施形態の活物質を図1に示す。図1は、活物質の断面のTEM(Transmission Electron Microscope:透過型電子顕微鏡)による画像である。図1において、珪素酸化物粒子1は濃い色で示され、炭素質物2は薄い色で示される。図1で示されているのは活物質の断面の一部であって、図1の下側の珪素酸化物粒子がない部分3は活物質の外側である。
図1のような画像は、本実施形態の活物質を具備する負極を作製し、作製した負極の活物質合剤層の切断面が平滑になるようイオンミリング法で前処理した後にTEM観察を行うことによって得ることができる。活物質を観察するために負極を作製する理由は、活物質の断面を平滑化するイオンミリング法を適用するため活物質が固定された状態であることが望ましく、負極の形態が適しているからである。ただし、イオンミリング法を適用できる状態であれば負極以外の形態でもよく、さらにTEM観察が可能となる平滑な活物質断面を形成できるのであれば他の方法を用いてもよい。得られた珪素酸化物粒子1の周囲にある炭素質物2が非晶質炭素であることは、上記と同じ方法で電極を前処理した後、TEM−EDX法を用いることにより測定できる。具体的には、TEMによる活物質内部の観察で珪素酸化物粒子と珪素酸化物粒子以外の部分を把握し、EDXにより珪素酸化物粒子以外の部分に対し点分析での元素組成分析を行う。TEM−EDXの測定条件は、加速電圧が200kV、ビーム径は約1nmで行う。炭素質物2が非晶質炭素であることは、TEM画像で結晶格子が現れていないことにより判別することができる。測定の結果、珪素酸化物粒子1以外の部分で、非晶質であり、かつ炭素を90原子%以上含む箇所があれば、その部分は非晶質炭素であると判定する。なお、炭素が100原子%とは限らないのは、TEM−EDX法の分析において、活物質作製時に混入した微小な不純物が検出されたり、あるいは珪素酸化物粒子に対する非晶質炭素の量が少ない場合に非晶質炭素の周囲の物質が同時に検出されたりすることによる。
FIG. 1 shows the active material of this embodiment. FIG. 1 is a TEM (Transmission Electron Microscope) image of a cross section of the active material. In FIG. 1, silicon oxide particles 1 are shown in a dark color, and carbonaceous material 2 is shown in a light color. FIG. 1 shows a part of the cross section of the active material, and a portion 3 without silicon oxide particles on the lower side of FIG. 1 is outside the active material.
An image as shown in FIG. 1 is obtained by preparing a negative electrode including the active material of the present embodiment, and performing TEM observation after pretreatment by an ion milling method so that a cut surface of the prepared active material mixture layer of the negative electrode becomes smooth. It can be obtained by doing. The reason for preparing the negative electrode for observing the active material is that the active material is preferably fixed in order to apply the ion milling method for smoothing the cross section of the active material, and the form of the negative electrode is suitable. It is. However, a form other than the negative electrode may be used as long as the ion milling method can be applied, and another method may be used as long as a smooth cross section of the active material capable of TEM observation can be formed. The fact that the carbonaceous material 2 around the obtained silicon oxide particles 1 is amorphous carbon can be measured by using a TEM-EDX method after pretreating the electrode by the same method as described above. Specifically, silicon oxide particles and portions other than the silicon oxide particles are grasped by observing the inside of the active material with a TEM, and elemental analysis by spot analysis is performed on the portions other than the silicon oxide particles by EDX. TEM-EDX measurement conditions are an acceleration voltage of 200 kV and a beam diameter of about 1 nm. Whether the carbonaceous material 2 is amorphous carbon can be determined by the absence of a crystal lattice in the TEM image. As a result of the measurement, if there is a portion other than the silicon oxide particles 1 that is amorphous and contains 90 atomic% or more of carbon, the portion is determined to be amorphous carbon. Note that the carbon content is not always 100 atomic% because, in the analysis by the TEM-EDX method, minute impurities mixed during the production of the active material are detected, or the amount of amorphous carbon with respect to the silicon oxide particles is small. In some cases, substances around the amorphous carbon are detected at the same time.
炭素質物2は、非晶質炭素以外の導電性炭素質物を含んでも良い。そのような炭素質物としては、グラファイト、ハードカーボン、ソフトカーボン、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブとカーボンブラックからなる群から選ばれる1種類または2種類以上を用いることができる。これらは、活物質の導電性を高めたり、あるいは活物質の内部骨格として充放電時に活物質粒子が変形するのを抑制しやすくしたりする点で好ましい。導電性炭素質物は、負極材料に導電性を付与するために用いられる。これら導電性炭素質物として、これらの物質を単独で用いてもよく、あるいは、複数の物質を組合せて用いてもよい。導電性炭素質物は、特に限定されないが、アスペクト比が10以上の繊維状カーボンが特に好ましい。繊維状カーボンとしては、繊維状をなすカーボンナノチューブ(CNT)系のカーボン材等が用いられる。繊維状カーボンの平均直径は、5nm以上1000nm以下であることが好ましく、7nm以上100nm以下であることがより好ましい。繊維状カーボンの含有量は、多すぎると電池容量が減少してしまうため負極活物質中に5質量%以下含まれることが好ましい。 The carbonaceous material 2 may include a conductive carbonaceous material other than amorphous carbon. As such a carbonaceous material, one or more selected from the group consisting of graphite, hard carbon, soft carbon, carbon nanofiber, carbon nanotube and carbon black can be used. These are preferable in that they increase the conductivity of the active material or make it easier to suppress deformation of the active material particles during charge and discharge as an internal skeleton of the active material. The conductive carbonaceous material is used to impart conductivity to the negative electrode material. As these conductive carbonaceous substances, these substances may be used alone, or a plurality of substances may be used in combination. The conductive carbonaceous material is not particularly limited, but fibrous carbon having an aspect ratio of 10 or more is particularly preferable. As the fibrous carbon, a fibrous carbon nanotube (CNT) -based carbon material or the like is used. The average diameter of the fibrous carbon is preferably 5 nm or more and 1000 nm or less, more preferably 7 nm or more and 100 nm or less. If the content of the fibrous carbon is too large, the battery capacity is reduced. Therefore, the content of the fibrous carbon is preferably 5% by mass or less in the negative electrode active material.
本実施形態で用いられる珪素酸化物粒子1は、珪素および酸化珪素、あるいは酸化珪素から成り、組成式SiOx(0.1≦x≦2)で表される。SiOxのxの値が0.1未満である粒子はほぼ珪素のみから成っており、空気中においては粒子表層付近すら酸化されずに存在することが非常に難しい。また、安定な珪素酸化物としては二酸化珪素がよく知られており、SiOxのxの値が2を超える酸化物は不安定である。SiOxのxの値は2であること、すなわちSiOxが二酸化珪素であることが望ましい。これは、二酸化珪素が珪素酸化物の中で最も安定な組成であり、原料の粒子径や構造を制御しやすく、また活物質の製造工程で変化しにくいことによる。 The silicon oxide particles 1 used in the present embodiment are composed of silicon and silicon oxide, or silicon oxide, and are represented by a composition formula SiOx (0.1 ≦ x ≦ 2). Particles of SiOx in which the value of x is less than 0.1 are substantially composed of only silicon, and it is very difficult to exist even in the vicinity of the particle surface without being oxidized in air. Further, silicon dioxide is well known as a stable silicon oxide, and an oxide of SiOx in which the value of x exceeds 2 is unstable. It is desirable that the value of x of SiOx is 2, that is, SiOx is silicon dioxide. This is because silicon dioxide has the most stable composition among silicon oxides, the particle diameter and structure of the raw material are easily controlled, and it is hard to change in the production process of the active material.
珪素酸化物粒子1であることは、前述のTEM−EDX法による測定の結果、珪素および酸素の元素が検出されることにより判定し、SiOxのxの値についても同じ測定により得られる。珪素酸化物粒子が珪素および酸化珪素から成るような場合は、珪素酸化物粒子内の複数の点、望ましくは10点を任意に選んで測定し、珪素および酸化珪素のいずれの部分もそれらの点に含まれていることを確認し、その平均を取る。なお、活物質中に珪素酸化物粒子および炭素質物以外の含有物が1重量%以下程度の少量しか含まれていない場合は、元素組成分析によりさらに正確にSiOxのxの値を得ることができる。具体的には、酸分解−ICP発光分光分析法により活物質中の珪素原子の含有割合、不活性ガス融解−赤外線吸収法により酸素原子の含有割合をそれぞれ求め、SiとOの原子モル比を算出する。本実施形態のSiOxのxの上限値は2としているが、二酸化珪素の測定においても測定誤差によりxが2を超える値になることはありうる。したがって、10%程度の値の違いは許容することとし、測定の結果SiOxのxが2.2となる場合も本実施形態に含まれるものとする。 The fact that the particles are silicon oxide particles 1 is determined by detecting elements of silicon and oxygen as a result of the measurement by the TEM-EDX method described above, and the value of x of SiOx can be obtained by the same measurement. When the silicon oxide particles are composed of silicon and silicon oxide, a plurality of points in the silicon oxide particles, desirably 10 points, are arbitrarily selected and measured. Make sure it is included and take its average. In addition, when the active material contains only a small amount of about 1% by weight or less other than the silicon oxide particles and the carbonaceous material, the value of x of SiOx can be obtained more accurately by elemental composition analysis. . Specifically, the content ratio of silicon atoms in the active material is determined by acid decomposition-ICP emission spectroscopy, and the content ratio of oxygen atoms is determined by inert gas fusion-infrared absorption method, and the atomic molar ratio of Si and O is determined. calculate. Although the upper limit of x of SiOx in the present embodiment is 2, the value of x may exceed 2 due to a measurement error in the measurement of silicon dioxide. Therefore, a difference of about 10% is allowed, and the case where x of SiOx is 2.2 as a result of the measurement is also included in the present embodiment.
珪素酸化物粒子1の平均一次粒径は3nm以上50nm以下であることが望ましい。この平均一次粒径があまり小さいと炭素質物2中への分散に偏りが生じ、非水電解質二次電池の活物質として用いた場合の充放電時に内部応力の局所的な発生により活物質が割れやすくなる。一方、この平均一次粒径があまり大きいと珪素酸化物粒子内部へのリチウムの拡散が遅くなり、充放電が進みにくくなる。さらに望ましい平均粒径は5nm以上30nm以下であり、さらには5nm以上15nm以下である。このような珪素酸化物粒子の平均一次粒径は、前述のTEMにより活物質を観察し、得られた画像で無作為に選んだ10上の珪素酸化物粒子のそれぞれに対し、無作為に選んだ10の方向のサイズの平均値を算出したものである。なお、ここで言う10の方向は同じような方向が重なっていないことを、無作為に選んだ後に確認するものとする。ただし、電池性能に影響を及ぼさない程度で、この粒径範囲から外れる珪素酸化物粒子が含まれることは許容される。 The average primary particle size of the silicon oxide particles 1 is desirably 3 nm or more and 50 nm or less. If the average primary particle size is too small, the dispersion in the carbonaceous material 2 becomes uneven, and the active material is cracked due to local generation of internal stress during charge / discharge when used as the active material of the nonaqueous electrolyte secondary battery. It will be easier. On the other hand, if the average primary particle size is too large, the diffusion of lithium into the inside of the silicon oxide particles will be slow, making it difficult for charging and discharging to proceed. A more desirable average particle size is 5 nm or more and 30 nm or less, and more preferably 5 nm or more and 15 nm or less. The average primary particle diameter of such silicon oxide particles is determined by observing the active material by the above-described TEM and randomly selecting each of the silicon oxide particles on the 10 randomly selected in the obtained image. The average value of the sizes in the ten directions is calculated. Here, it is assumed that it is confirmed after selecting at random that ten directions mentioned here do not overlap in the same direction. However, it is permissible to include silicon oxide particles out of this particle size range to the extent that battery performance is not affected.
また、また、Li4SiO4などのリチウムシリケートが、珪素酸化物粒子1を構成する珪素の表面もしくは珪素酸化物の表面または内部に分散されていてもよい。このリチウムシリケートを含む珪素酸化物粒子は、例えば、珪素酸化物粒子1を構成する珪素あるいは珪素酸化物とリチウム塩とを含む混合物を熱処理して、珪素あるいは珪素酸化物とリチウム塩とを反応させてリチウムシリケートを形成させることによって得ることができる。リチウム塩としては、水酸化リチウム、酢酸リチウム、酸化リチウム、炭酸リチウムなどを用いることができる。さらに、珪素酸化物粒子の表面には、リチウムシリケート以外の他の添加物が含まれていても良い。 Further, lithium silicate such as Li 4 SiO 4 may be dispersed on the surface of silicon constituting silicon oxide particles 1 or on the surface or inside of silicon oxide. The silicon oxide particles containing the lithium silicate are, for example, heat-treated silicon or a mixture containing the silicon oxide and the lithium salt constituting the silicon oxide particles 1 to react the silicon or the silicon oxide with the lithium salt. To form a lithium silicate. As the lithium salt, lithium hydroxide, lithium acetate, lithium oxide, lithium carbonate and the like can be used. Further, the surface of the silicon oxide particles may contain an additive other than lithium silicate.
本実施形態の活物質は、Liの挿入脱離をする粒子であり、平均一次粒径が0.5μm以上100μm以下、比表面積が0.5m2/g以上100m2/g以下の粒子である。活物質の粒径および比表面積は、リチウムの挿入脱離反応の速度に影響し、負極特性に大きく影響する。活物質は、平均一次粒径と比表面積が、上記の範囲であれば、安定して特性を発揮することができる。特に、平均一次粒径は1μm以上80μm以下であることが好ましく、さらには3μm以上30μm以下であることが好ましい。活物質の粒径はリチウムの挿入脱離反応の速度に影響し、負極特性に大きな影響をもつが、この範囲の値であれば安定して特性を発揮することができる。同時に、集電体上に塗工を行う際に凝集や集電体変形の問題を起こしにくい。なお、活物質の平均一次粒径は、活物質をSEM(Scanning Electron Microscope:走査型電子顕微鏡)で観察し、得られた画像で無作為に選んだ50以上の活物質のそれぞれに対し、無作為に選んだ10の方向のサイズの平均値を算出したものである。なお、ここで言う10の方向は同じような方向が重なっていないことを、無作為に選んだ後に確認するものとする。
また、活物質粒子の構造の保持および珪素酸化物粒子の凝集を防ぐために、活物質中に、ジルコニア又は安定化ジルコニアを含むことが好ましい。珪素酸化物粒子の凝集を防ぐことで、サイクル特性が向上するという利点がある。
The active material of the present embodiment is a particle that inserts and desorbs Li, and has an average primary particle size of 0.5 μm to 100 μm and a specific surface area of 0.5 m 2 / g to 100 m 2 / g. . The particle size and specific surface area of the active material affect the rate of lithium insertion / desorption reaction, and greatly affect the characteristics of the negative electrode. When the average primary particle size and the specific surface area are within the above ranges, the active material can exhibit stable characteristics. In particular, the average primary particle size is preferably 1 μm or more and 80 μm or less, and more preferably 3 μm or more and 30 μm or less. The particle size of the active material affects the speed of the lithium insertion / desorption reaction, and has a large effect on the negative electrode characteristics. However, if the value is within this range, the characteristics can be exhibited stably. At the same time, when performing coating on the current collector, problems such as aggregation and current collector deformation hardly occur. The average primary particle size of the active material was determined by observing the active material with a scanning electron microscope (SEM), and determining the average primary particle size for each of 50 or more active materials randomly selected from the obtained images. The average value of the sizes in the ten directions selected by the user is calculated. Here, it is assumed that it is confirmed after selecting at random that ten directions mentioned here do not overlap in the same direction.
Further, in order to maintain the structure of the active material particles and prevent aggregation of the silicon oxide particles, the active material preferably contains zirconia or stabilized zirconia. There is an advantage that the cycle characteristics are improved by preventing the aggregation of the silicon oxide particles.
本実施形態における活物質は、N2吸着法による細孔分布測定における脱着等温線において、P/P0が0.5より大きい初めの測定点とP/P0が0.7より小さい初めの測定点を結んだ直線の傾きaがマイナスになることを特徴とする非水電解質電池用負極活物質である。さらには、前記脱着等温線において、P/P0が0.3より大きい初めの測定点とP/P0が0.5より小さい初めの測定点を結んだ直線の傾きa’がプラスであり、かつ前記傾きa’の絶対値が前記傾きaの絶対値より大きいことを特徴とする非水電解質電池用負極活物質である。 In the active material according to the present embodiment, in the desorption isotherm in the pore distribution measurement by the N 2 adsorption method, the first measurement point where P / P 0 is larger than 0.5 and the first measurement point where P / P 0 is smaller than 0.7 A negative electrode active material for a non-aqueous electrolyte battery, characterized in that the slope a of a straight line connecting measurement points is negative. Further, in the above desorption isotherms, P / P 0 is located the measuring point and the P / P 0 of the beginning is greater than 0.3 is the slope of the straight line a 'connecting the measurement points smaller than 0.5 initially plus And the absolute value of the gradient a ′ is larger than the absolute value of the gradient a.
図2に本実施形態の活物質のN2吸着法による細孔分布測定における吸脱着等温線の一例を示す。測定点をつなぐ線は上側と下側の2本あり、上側の線が脱着等温線であり、下側の線が吸着等温線である。横軸のP/P0に関し、P0は飽和蒸気圧を示し、測定点の圧力Pの単位をP0と同じにすることでP/P0は相対圧(無次元数)を示す。一方、縦軸の吸着量は単位が[cm3/g STP]であり、1gの試料あたりに吸着したN2の吸着量[cm3]を標準状態換算で表しており、標準状態は0℃、101.13kPaの状態である。したがって、前記傾きaおよびa’の単位は[cm3/g STP]であるが、本明細書では単位の記載を省略している。また、STP(Standard Temperature and Pressure)が意味する標準状態は0℃、101.13kPaである。 FIG. 2 shows an example of the adsorption / desorption isotherm in the pore distribution measurement of the active material of the present embodiment by the N 2 adsorption method. There are two lines connecting the measurement points, upper and lower, the upper line is the desorption isotherm, and the lower line is the adsorption isotherm. Regarding P / P 0 on the horizontal axis, P 0 indicates a saturated vapor pressure, and P / P 0 indicates a relative pressure (dimensionless number) by making the unit of pressure P at the measurement point the same as P 0 . On the other hand, the adsorption amount on the vertical axis is expressed in units of [cm 3 / g STP], and represents the adsorption amount [cm 3 ] of N 2 adsorbed per 1 g of sample in terms of standard state. The standard state is 0 ° C. 101.13 kPa. Therefore, the units of the slopes a and a ′ are [cm 3 / g STP], but the description of the units is omitted in this specification. In addition, the standard state represented by STP (Standard Temperature and Pressure) is 0 ° C. and 101.13 kPa.
図2に示す実施形態において、P/P0が0.5より大きい初めの測定点はP/P0=0.506であり、そのときの吸着量は20.21cm3/g STPである。P/P0が0.7より小さい初めの測定点はP/P0=0.681であり、そのときの吸着量は19.92cm3/g STPである。そして、これら2点を結んだ直線の傾きaは−1.7[=(20.21−19.92)/(0.506−0.681)]であり、マイナスである。この傾きaの評価において、P/P0が0.5より大きい初めの測定点はP/P0=0.55より小さく、P/P0が0.7より小さい初めの測定点はP/P0=0.65より大きいことが望ましい。また、これらの測定点で得られた吸着量が、その前後の測定点で得られた吸着量の平均値と比較して大きく異なる場合、例えば、吸着量の平均値に対して±1%を超える値となった場合は、その点は特異点あるいは測定に問題のある点として考えて除外し、その次の点を採用する。 In the embodiment shown in FIG. 2, the first measurement point where P / P 0 is larger than 0.5 is P / P 0 = 0.506, and the adsorption amount at that time is 20.21 cm 3 / g STP. The first measurement point where P / P 0 is smaller than 0.7 is P / P 0 = 0.681, and the adsorption amount at that time is 19.92 cm 3 / g STP. The slope a of the straight line connecting these two points is -1.7 [= (20.21-19.92) / (0.506-0.681)], which is negative. In the evaluation of the gradient a, the first measurement point where P / P 0 is larger than 0.5 is smaller than P / P 0 = 0.55, and the first measurement point where P / P 0 is smaller than 0.7 is P / P 0. It is desirable that P 0 is larger than 0.65. When the adsorption amount obtained at these measurement points is significantly different from the average value of the adsorption amounts obtained at the preceding and following measurement points, for example, ± 1% of the average value of the adsorption amount is used. If the value exceeds the value, the point is regarded as a singular point or a point having a problem in measurement, and is excluded, and the next point is adopted.
さらに、図2において、P/P0が0.3より大きい初めの測定点はP/P0=0.301であり、そのときの吸着量は19.23cm3/g STPである。P/P0が0.5より小さい初めの測定点P/P0=0.481であり、そのときの吸着量は20.23cm3/g STPである。そして、これら2点を結んだ直線の傾きa’は5.6[=(19.23−20.23)/(0.301−0.481)]であり、プラスである。傾きa’の評価において、P/P0が0.3より大きい初めの測定点はP/P0=0.35より小さく、P/P0が0.5より小さい初めの測定点はP/P0=0.45より大きいことが望ましい。 Furthermore, in FIG. 2, the first measurement point where P / P 0 is larger than 0.3 is P / P 0 = 0.301, and the adsorption amount at that time is 19.23 cm 3 / g STP. P / P 0 is the measuring point P / P 0 = 0.481 for less than 0.5 initially adsorbed amount at that time is 20.23cm 3 / g STP. The slope a 'of the straight line connecting these two points is 5.6 [= (19.23-20.23) / (0.301-0.481)], which is positive. In the evaluation of the slope a ′, the first measurement point where P / P 0 is larger than 0.3 is smaller than P / P 0 = 0.35, and the first measurement point where P / P 0 is smaller than 0.5 is P / P 0. Desirably, P 0 is greater than 0.45.
吸着等温線は、活物質の温度を一定にして、P/P0を増加させたときのN2吸着量の変化を示す線であり、脱着等温線は、P/P0を減少させたときのN2吸着量の変化を示す線である。図2に示すように脱着等温線は、P/P0=1付近から0.7付近まではP/P0の減少に対してN2吸着量は減少しており、傾きはプラスである。P/P0=0.7付近からP/P0の減少に対してN2吸着量は増加しており、傾きはプラスからマイナスに変わる。そして、P/P0=0.5付近からP/P0の減少に対してN2吸着量は減少しており、傾きがマイナスからプラスに変わる。
脱着等温線の傾きがP/P0=0.7付近でプラスからマイナスに変わることが本実施形態の活物質が有する特徴である。脱着等温線の傾きがP/P0=0.7付近から0.5付近までの間の領域でマイナスになることは、圧力Pを低減させることでN2吸着量が増加したことを意味しており、N2ガス吸着で特異的な現象が生じる組成あるいは構造を炭素質物が有していることを示している。一方、脱着等温線の傾きがP/P0=0.5より低い領域でプラスになるのは、一般的にメソポアと称される細孔のうち小さい範囲のもの(2−10nm程度)からの脱着が比較的多いことによると考えられる。
The adsorption isotherm is a line showing a change in the amount of N 2 adsorbed when P / P 0 is increased while keeping the temperature of the active material constant, and the desorption isotherm is when P / P 0 is decreased. is a line indicating variation of N 2 adsorption. Desorption isotherms as shown in FIG. 2, N 2 adsorption amount with respect to the from the vicinity of P / P 0 = 1 to around 0.7 decrease in P / P 0 is decreased, the slope is positive. From around P / P 0 = 0.7, the amount of adsorbed N 2 increases as P / P 0 decreases, and the slope changes from plus to minus. Then, from around P / P 0 = 0.5, the N 2 adsorption amount decreases with decreasing P / P 0 , and the slope changes from minus to plus.
The feature of the active material of the present embodiment is that the slope of the desorption isotherm changes from plus to minus near P / P 0 = 0.7. The fact that the slope of the desorption isotherm becomes negative in the region between P / P 0 = around 0.7 and around 0.5 means that the N 2 adsorption amount was increased by reducing the pressure P. and which shows that the composition or structure specific phenomenon occurs in N 2 gas adsorption carbonaceous material has. On the other hand, the reason why the slope of the desorption isotherm becomes positive in a region lower than P / P 0 = 0.5 is because the pores in a small range (about 2 to 10 nm) of pores generally called mesopores This is probably due to the relatively large number of desorptions.
本実施形態の活物質は前記傾きaがマイナスである特徴があり、傾きaの大きさは、望ましくは−1.0以下であり、さらに望ましくは−1.3以下である。これは、前記傾きaはマイナスの絶対値が大きくなるにつれサイクル特性が高くなる傾向があることによる。一方、前記傾きaは−3.0以上であることが望ましく、さらに望ましくは−2.0以上である。前記傾きaが−3.0より低い活物質を製造するのは非常に困難であり、製造できた場合でも充放電容量あるいは充放電レート特性が低い活物質になりやすい。 The active material of the present embodiment is characterized in that the slope a is negative, and the magnitude of the slope a is desirably −1.0 or less, and more desirably −1.3 or less. This is because the cycle characteristics tend to increase as the absolute value of the slope a increases. On the other hand, the slope a is preferably −3.0 or more, and more preferably −2.0 or more. It is very difficult to manufacture an active material having the slope a lower than −3.0, and even if the active material can be manufactured, the active material tends to have low charge / discharge capacity or charge / discharge rate characteristics.
本実施形態の活物質は前記傾きa’の絶対値が前記傾きaの絶対値より大きい特徴があり、さらに望ましくは前記傾きa’の絶対値が前記傾きaの絶対値の2倍以上であり、さらには3倍以上である。前記傾きa’の絶対値が前記傾きaの絶対値以下であれば、サイクル特性が低くなる傾向がある。一方、前記傾きa’の絶対値は前記傾きaの絶対値の10倍以下であることが望ましく、さらに望ましくは5倍以下である。前記傾きa’の絶対値が前記傾きaの絶対値の10倍より大きいと、電池を製作した場合に使用時の安全性に問題が生じるおそれがある。 The active material of the present embodiment is characterized in that the absolute value of the gradient a ′ is larger than the absolute value of the gradient a, and more desirably, the absolute value of the gradient a ′ is twice or more the absolute value of the gradient a. , And more than three times. If the absolute value of the gradient a 'is equal to or less than the absolute value of the gradient a, the cycle characteristics tend to be low. On the other hand, the absolute value of the gradient a 'is desirably 10 times or less, and more desirably 5 times or less, of the absolute value of the gradient a. If the absolute value of the gradient a 'is greater than 10 times the absolute value of the gradient a, there is a possibility that a problem may occur in the safety during use when the battery is manufactured.
また、前記傾きa’の絶対値は1.0以上15以下であることが望ましく、さらに望ましくは2.0以上10以下、さらには4.5以上7.5以下である。前記傾きa’の絶対値が1.0より小さい活物質はメソポアと称される細孔のうち小さい範囲のもの(2−10nm程度)が少ないと考えられ、充放電サイクルにおけるリチウムの挿入脱離に伴う体積変化を活物質内部で吸収しにくくなり、サイクル特性が低くなりやすい。一方、前記傾きa’の絶対値が15より大きい活物質はメソポアと称される細孔のうち小さい範囲のもの(2−10nm程度)が多く、比表面積も非常に大きいと考えられ、電池を製作した場合に使用時の安全性に問題が生じやすい。 Further, the absolute value of the gradient a 'is preferably 1.0 or more and 15 or less, more preferably 2.0 or more and 10 or less, and further more preferably 4.5 or more and 7.5 or less. It is considered that the active material having an absolute value of the gradient a ′ of less than 1.0 has few pores in a small range (about 2 to 10 nm) among pores called mesopores. It is difficult to absorb the volume change accompanying the inside of the active material, and the cycle characteristics tend to be low. On the other hand, an active material having an absolute value of the gradient a ′ of more than 15 has many pores called mesopores in a small range (about 2 to 10 nm) and a very large specific surface area. When manufactured, safety issues during use are likely to occur.
本実施形態において前記のN2吸着法による細孔分布測定は、試料0.2−0.5gを1/2インチインチセルに採取し、まず前処理として島津製作所-マイクロメリティックス製バキュプレップにより温度約200℃で約15時間減圧乾燥による脱ガス処理を行った後、島津製作所-マイクロメリティックス製トライスターII3020を用いて測定を行った。最初に、1/2インチインチセルを液体窒素に入れて冷却し、セル内にN2を導入し、N2の圧力Pを徐々に増加させ、各平衡圧に対するN2の吸着量を測定し、このN2の吸着量を測定点としてプロットして吸着等温線を得る。次いで、N2の圧力Pを徐々に減少させ、各平衡圧に対するN2の吸着量を測定し、このN2の吸着量を測定点としてプロットして脱着等温線を得る。N2の吸着量の測定点数は、P/P0が0.5より大きい初めの測定点とP/P0が0.7より小さい初めの測定点との間、およびP/P0が0.3より大きい初めの測定点とP/P0が0.5より小さい初めの測定点との間ともに、両端2点の測定点を含めて6点以上とすることが好ましい。測定点の数が少ないと、前記傾きaおよび前記傾きa’の精度が低くなるおそれがある。なお、相対圧(P/P0)の範囲は、図2と同様になるようにして測定を行う。 In this embodiment, the pore distribution measurement by the N 2 adsorption method described above is performed by collecting 0.2-0.5 g of a sample in a 1 / inch cell, and first, as a pretreatment, vacuprep manufactured by Shimadzu-Micromeritics. After performing a degassing treatment by drying under reduced pressure at a temperature of about 200 ° C. for about 15 hours, the measurement was performed using a Tristar II3020 manufactured by Shimadzu Corporation-Micromeritics. First, a 1/2 inch cell was cooled by placing it in liquid nitrogen, N 2 was introduced into the cell, the pressure P of N 2 was gradually increased, and the amount of N 2 adsorbed at each equilibrium pressure was measured. Then, the adsorption amount of N 2 is plotted as a measurement point to obtain an adsorption isotherm. Next, the pressure P of N 2 is gradually decreased, the amount of N 2 adsorbed at each equilibrium pressure is measured, and the amount of N 2 adsorbed is plotted as a measurement point to obtain a desorption isotherm. N number of points of adsorption amount of 2, between the measurement point of the first P / P 0 is the measuring point and the P / P 0 of the beginning is greater than 0.5 is smaller than 0.7, and P / P 0 0 It is preferable that the number of points between the first measurement point larger than 0.3 and the first measurement point with P / P 0 smaller than 0.5 be 6 points or more including the measurement points at both ends. If the number of measurement points is small, the accuracy of the slope a and the slope a ′ may be reduced. The measurement is performed in such a manner that the range of the relative pressure (P / P 0 ) is the same as in FIG.
(製造方法)
次に、非水電解質電池用活物質の製造方法について説明する。
活物質は、珪素および酸化珪素、あるいは酸化珪素から成る珪素酸化物粒子と、少なくとも炭素質物の炭素前駆体を、分散媒を用いて混合し混合物を得て、その後、得られた混合物を乾燥・固化後に焼成し、必要に応じ粉砕や篩い分けをすることで作製される。
(Production method)
Next, a method for producing an active material for a non-aqueous electrolyte battery will be described.
The active material is obtained by mixing silicon and silicon oxide, or silicon oxide particles made of silicon oxide, and at least a carbonaceous carbon precursor using a dispersion medium to obtain a mixture, and then drying and mixing the obtained mixture. It is produced by firing after solidification and, if necessary, crushing and sieving.
珪素および酸化珪素、あるいは酸化珪素から成る粒子は、組成式SiOx(0.005≦x≦2)で表される珪素酸化物粒子である。このような粒子としては、結晶珪素の微粒子表面が酸化被膜で覆われた粒子、一酸化珪素を不活性ガス中で1100℃程度に加熱し内部に結晶珪素を析出させた粒子、あるいは気相合成で生成された二酸化珪素粒子などがある。SiOxのxの値が0.005未満である粒子はほぼ珪素のみから成っており、空気中で粒子表層付近がこの程度すら酸化されずに存在することは非常に難しい。また、SiOxのxの値が2を超える酸化物は不安定である。SiOxのxは前記元素組成分析により得ることができる。具体的には、たとえばアルカリ融解−ICP発光分光分析法により珪素酸化物粒子の珪素原子の含有割合、不活性ガス融解−赤外線吸収法により酸素原子の含有割合をそれぞれ求め、SiとOの原子モル比を算出することができる。本実施形態のSiOxのxの上限値は2としているが、二酸化珪素の測定においても測定誤差によりxが2を超える値になることはありうる。したがって、10%程度の値の違いは許容することとし、測定の結果SiOxのxが0.0045や2.2となる場合も本実施形態に含まれるものとする。珪素および酸化珪素、あるいは酸化珪素から成る粒子は、1種類の珪素酸化物粒子で構成されていてもよいし、複数種類の珪素酸化物粒子で構成されていてもよい。ここで言う珪素酸化物粒子の種類は、組成式SiOxのxの値あるいは一次粒径が同等の珪素酸化物粒子であるかを意味する。すなわち複数種類の珪素酸化物粒子で構成される場合、組成式SiOxのxの値あるいは一次粒径が異なる珪素酸化物粒子が含まれることになる。前記製造方法で用いる珪素酸化物粒子に関し本実施形態に望ましい範囲内であるかどうかの判断は、組成式SiOxのxの値あるいは一次粒径に関し、前記製造方法で用いる珪素酸化物粒子全体の平均値に近いと考えられる値を得ることにより行う。したがって、平均値が本実施形態に望ましい範囲の外になるほどの影響がない量であれば、本実施形態の範囲外の珪素酸化物粒子が含有されていてもかまわない。 Particles composed of silicon and silicon oxide or silicon oxide are silicon oxide particles represented by a composition formula SiOx (0.005 ≦ x ≦ 2). Examples of such particles include particles in which the surfaces of fine particles of crystalline silicon are covered with an oxide film, particles in which silicon monoxide is heated to about 1100 ° C. in an inert gas to precipitate crystalline silicon inside, or gas phase synthesis. And the like. Particles in which the value of x in SiOx is less than 0.005 are substantially composed of only silicon, and it is extremely difficult for the surface layer of the particles to exist in air without being oxidized even to this extent. Further, oxides of SiOx in which the value of x exceeds 2 are unstable. X of SiOx can be obtained by the elemental composition analysis. Specifically, for example, the content ratio of silicon atoms in silicon oxide particles is determined by alkali fusion-ICP emission spectroscopy, and the content ratio of oxygen atoms is determined by inert gas fusion-infrared absorption method. The ratio can be calculated. Although the upper limit of x of SiOx in the present embodiment is 2, the value of x may exceed 2 due to a measurement error in the measurement of silicon dioxide. Therefore, a difference of about 10% is allowed, and the case where x of SiOx is 0.0045 or 2.2 as a result of the measurement is also included in the present embodiment. Particles composed of silicon and silicon oxide or silicon oxide may be composed of one kind of silicon oxide particles or plural kinds of silicon oxide particles. The type of the silicon oxide particles referred to here means that the silicon oxide particles have the same value of x or the same primary particle size in the composition formula SiOx. That is, when composed of a plurality of types of silicon oxide particles, silicon oxide particles having different values of x or primary particle diameters in the composition formula SiOx are included. The determination as to whether or not the silicon oxide particles used in the manufacturing method are within the desirable range for the present embodiment is based on the value of x or the primary particle size of the composition formula SiOx, and the average of the entire silicon oxide particles used in the manufacturing method is This is performed by obtaining a value considered to be close to the value. Therefore, silicon oxide particles outside the range of the present embodiment may be contained as long as the average value does not have an effect outside the range desired in the present embodiment.
原料に用いられる珪素酸化物の組成式SiOxのxの値は2であること、すなわちSiOxが二酸化珪素であることが特に望ましい。これは、二酸化珪素が珪素酸化物の中で最も安定な組成であり、原料の粒子径や構造を制御しやすく、また活物質の製造工程で変化しにくいことによる。SiOxのxは大きくなるにつれ、充放電容量が小さくなり、一方でサイクル特性は良くなる傾向がある。そのため、前記製造方法で用いる珪素酸化物粒子のすべてに二酸化珪素粒子を用いて得られる充放電容量が必要とする容量に足りない場合、SiOxのxが2より小さい珪素酸化物粒子を一部混合する。前記一部混合される珪素酸化物粒子は組成式SiOx(0.005≦x≦0.1)で表されることが望ましく、さらに望ましくはSiOx(0.01≦x≦0.1)である。混合割合としては、二酸化珪素粒子に対し1重量%以上15重量%以下が望ましく、さらに望ましくは3重量%以上12重量%以下である。前記混合割合が1重量%より低いと充放電容量増加の効果が小さく、15重量%を超えるとサイクル特性が低下する影響が顕著になる。 It is particularly desirable that the value of x in the composition formula SiOx of the silicon oxide used as the raw material is 2, that is, the SiOx is silicon dioxide. This is because silicon dioxide has the most stable composition among silicon oxides, the particle diameter and structure of the raw material are easily controlled, and it is hard to change in the production process of the active material. As x of SiOx increases, the charge / discharge capacity tends to decrease, while the cycle characteristics tend to improve. Therefore, when the charge / discharge capacity obtained by using silicon dioxide particles for all of the silicon oxide particles used in the above-mentioned manufacturing method is less than the required capacity, silicon oxide particles in which x of SiOx is smaller than 2 are partially mixed. I do. The silicon oxide particles partially mixed are desirably represented by a composition formula SiOx (0.005 ≦ x ≦ 0.1), and more desirably SiOx (0.01 ≦ x ≦ 0.1). . The mixing ratio is preferably from 1% by weight to 15% by weight, more preferably from 3% by weight to 12% by weight, based on the silicon dioxide particles. When the mixing ratio is lower than 1% by weight, the effect of increasing the charge / discharge capacity is small, and when the mixing ratio is higher than 15% by weight, the effect of lowering the cycle characteristics becomes remarkable.
珪素酸化物粒子の平均一次粒径は3nm以上50nm以下であることが望ましい。さらに望ましい平均一次粒径は5nm以上25nm以下であり、さらには5nm以上15nm以下である。また、珪素酸化物粒子はBET比表面積で100m2/g以上450m2/g以下であることが望ましい。さらに望ましいBET比表面積は150m2/g以上400m2/g以下、さらには250m2/g以上350m2/g以下である。これらの平均一次粒径とBET比表面積を同時に満たす珪素酸化物粒子は粒子間に非常に微細な空間を有し、その空間を完全に炭素質物で埋めることが困難であることから、珪素酸化物粒子が炭素質物中に分散した活物質は、前記のN2吸着法による細孔分布測定で脱着等温線が特異的な特徴を示す独特の微構造になるのである。 It is desirable that the silicon oxide particles have an average primary particle size of 3 nm or more and 50 nm or less. A more desirable average primary particle size is 5 nm or more and 25 nm or less, and more preferably 5 nm or more and 15 nm or less. The silicon oxide particles preferably have a BET specific surface area of 100 m 2 / g or more and 450 m 2 / g or less. A more desirable BET specific surface area is from 150 m 2 / g to 400 m 2 / g, and more preferably from 250 m 2 / g to 350 m 2 / g. The silicon oxide particles satisfying the average primary particle size and the BET specific surface area at the same time have a very fine space between the particles, and it is difficult to completely fill the space with a carbonaceous material. active material particles dispersed in the carbonaceous material, said of N 2 desorption isotherm by pore distribution measurement by adsorption method is becoming a unique microstructure showing the specific features.
炭素前駆体としては、加熱による熱分解で非晶質炭素を形成する物質が用いられるが、糖類および糖酸が特に適しており、その中でもスクロース、ラクトース、マルトース、トレハロース、セロビオース、グルコース、フルクトース、ガラクトース、アスコルビン酸、グルクロン酸が好ましく、さらにはスクロースおよびアスコルビン酸が好ましい。これらの物質は分子量がすべて150以上400未満であり、熱分解のピークが比較的低い温度にある特徴がある。前記熱分解のピークは400℃以下であることが望ましく、さらには320℃以下であることが望ましい。熱分解のピーク温度は、たとえば熱分解質量分析法により測定できる。具体的には、パイロライザーで試料の昇温を行い、各温度で発生したガスの量を質量分析計により測定し、発生ガス総量が最も多い温度を熱分解のピーク温度とする。熱分解質量分析法の測定においては、あらかじめ試料に吸着していた水分の蒸発によるピークを減らすため、あらかじめ測定用の試料を乾燥させておくことが望ましい。パイロライザーとしてフロンティアラボ製2120iDを使い、キャリアガスにヘリウムを用い、試料を40℃で8分保持した後5℃/分で800℃まで昇温し、質量分析計としてガスクロマトグラフ質量分析計であるアジレントテクノロジー製6890/5973を使い、カラムをフロンティアラボ製UA−DTMとし質量分析を行った結果、前記のスクロースの熱分解のピークが300℃、アスコルビン酸は205℃であった。 As the carbon precursor, a substance that forms amorphous carbon by thermal decomposition by heating is used, and saccharides and sugar acids are particularly suitable, and among them, sucrose, lactose, maltose, trehalose, cellobiose, glucose, fructose, Galactose, ascorbic acid and glucuronic acid are preferred, and sucrose and ascorbic acid are more preferred. These substances all have a molecular weight of 150 or more and less than 400, and are characterized in that the peak of thermal decomposition is at a relatively low temperature. The peak of the thermal decomposition is preferably 400 ° C. or lower, more preferably 320 ° C. or lower. The peak temperature of pyrolysis can be measured by, for example, pyrolysis mass spectrometry. Specifically, the temperature of the sample is increased by a pyrolyzer, the amount of gas generated at each temperature is measured by a mass spectrometer, and the temperature at which the total amount of generated gas is the highest is defined as the peak temperature of thermal decomposition. In the measurement by the pyrolysis mass spectrometry, it is desirable to dry the sample for measurement in advance in order to reduce the peak due to evaporation of the moisture previously adsorbed on the sample. Using a 2120 iD manufactured by Frontier Lab as a pyrolyzer, using helium as a carrier gas, holding the sample at 40 ° C. for 8 minutes, then increasing the temperature to 800 ° C. at 5 ° C./min, and a gas chromatograph mass spectrometer as a mass spectrometer. As a result of performing mass spectrometry using 6890/5973 manufactured by Agilent Technology as a column and UA-DTM manufactured by Frontier Lab, the peak of the thermal decomposition of sucrose was 300 ° C and that of ascorbic acid was 205 ° C.
活物質の製造における焼成工程においては、前記のように比較的低い温度で熱分解が生じた後、さらに高い温度で焼成が行われて焼きしめられることにより、前記のN2吸着法による細孔分布測定で脱着等温線が特異的な特徴を示す独特の微構造が得られる。これら炭素前駆体は、混合過程の前に平均粒径が10μm以下になるよう粉砕しておくことが望ましい。
炭素前駆体としてさらには、液体であり容易に重合可能な樹脂類またはこれらのモノマーを挙げられる。樹脂類は例えば、フラン樹脂、キシレン樹脂、ケトン樹脂、アミノ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、アニリン樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂であり、モノマーとしては、フルフリルアルコール、フルフラール、フルフラール誘導体等のフラン化合物が挙げられる。重合は活物質製造の乾燥・固化工程において行われ、重合させる方法は炭素前駆体により異なるが、塩酸、酸無水物を加える、あるいは加熱するなどすればよい。重合体になった際の分子量は前記の糖や糖類に比べて大きく、そのため熱分解のピークが400℃以上の比較的高い温度にあることが多い。これらの炭素前駆体を用いる場合、乾燥・固化工程においては、珪素酸化物粒子も含めた混合物全体が均質な状態で乾燥・固化されることが特に重要であり、そのようにして得られた固化物が比較的高い温度で熱分解を起こすことにより、前記のN2吸着法による細孔分布測定で脱着等温線が特異的な特徴を示す独特の微構造を得やすくなる。
In the firing step in the production of the active material, after pyrolysis at relatively low temperatures as described above is caused by the firing is accounted baked performed at higher temperatures, the pores by the the N 2 adsorption method Unique microstructures with specific characteristics of the desorption isotherm are obtained in distribution measurements. It is desirable that these carbon precursors are pulverized so that the average particle size becomes 10 μm or less before the mixing process.
Further examples of the carbon precursor include liquid and easily polymerizable resins or monomers thereof. Resins are, for example, furan resin, xylene resin, ketone resin, amino resin, melamine resin, urea resin, aniline resin, urethane resin, polyimide resin, polyester resin, phenol resin, and as the monomer, furfuryl alcohol, furfural, Furan compounds such as furfural derivatives are exemplified. The polymerization is performed in the drying / solidification step of the production of the active material, and the method of polymerization varies depending on the carbon precursor, but may be, for example, adding hydrochloric acid or an acid anhydride, or heating. The molecular weight of the polymer is higher than that of the above sugars and saccharides, and therefore, the peak of thermal decomposition is often at a relatively high temperature of 400 ° C. or higher. When using these carbon precursors, in the drying / solidification step, it is particularly important that the entire mixture including the silicon oxide particles is dried / solidified in a homogeneous state, and the solidification obtained in this manner is obtained. When the substance is thermally decomposed at a relatively high temperature, it becomes easy to obtain a unique microstructure in which the desorption isotherm shows specific characteristics in the pore distribution measurement by the N2 adsorption method.
分散媒としては、水、エタノール、イソプロピルアルコール、アセトン等のケトン類、N-メチルピロリドン、オレイン酸あるいはリノール酸等の脂肪酸、エチレングリコールあるいはプロピレングリコール等のグリコール類を挙げることができる。あるいは、これらにバインダ剤あるいは界面活性剤を混合した液でもよい。分散媒を用いた混合法としては、固相に対する液相の量が少ない固練り法でもよいし、あるいは固相に対する液相の量が多い混合攪拌法でもよい。固練り法による混合では、被混合物が混合撹拌法と比較して流動性が小さい状態だが、せん断力が加わることにより均質な混合が可能となる。具体的な方法としては乳棒と乳鉢を用いて手によるせん断力を加えながら混合することで練ってもよいし、あるいはプラネタリ―ミキサーや押出し造粒機のような機械を使いせん断力を加えながら混合することで練ってもよい。混合撹拌法は例えば各種攪拌装置、ボールミル、ビーズミル装置およびこれらの組み合わせにより行うことができる。また、混合プロセスの一部で加熱しながら混合を行ってもよい。どのような混合法が良いかは、珪素酸化物粒子、炭素前駆体、分散媒の種類あるいはそれらの配合比によって決まるものであり、製造された活物質のN2吸着法による細孔分布測定で脱着等温線が上記実施形態の活物質になるよう、それら組合せを選別することになる。なお、活物質の特性は上記の原料の種類および量、および混合法の組合せのみでなく、以下に述べる活物質の作製条件にも影響される。そのため、最終的にはこれらすべての組合せを経て得られた活物質が本実施形態の範囲に入ることが必要である。 Examples of the dispersion medium include water, ketones such as ethanol, isopropyl alcohol and acetone, fatty acids such as N-methylpyrrolidone, oleic acid and linoleic acid, and glycols such as ethylene glycol and propylene glycol. Alternatively, a liquid in which a binder agent or a surfactant is mixed therewith may be used. As a mixing method using a dispersion medium, a kneading method in which the amount of the liquid phase with respect to the solid phase is small, or a mixing and stirring method in which the amount of the liquid phase with respect to the solid phase is large may be used. In the mixing by the stiffening method, the mixture to be mixed has a lower fluidity than that of the mixing and stirring method, but uniform mixing is possible by applying a shearing force. As a specific method, kneading may be performed by mixing with a pestle and a mortar while applying a manual shearing force, or mixing may be performed while applying a shearing force using a machine such as a planetary mixer or an extrusion granulator. It may be kneaded by doing. The mixing and stirring method can be performed by, for example, various stirring devices, a ball mill, a bead mill device, and a combination thereof. The mixing may be performed while heating in a part of the mixing process. Which mixing method is best depends on the types of the silicon oxide particles, the carbon precursor, and the dispersion medium, or the compounding ratio thereof, and desorbs the produced active material by pore distribution measurement using the N2 adsorption method. The combinations are selected so that the isotherm becomes the active material of the above embodiment. Note that the characteristics of the active material are affected not only by the types and amounts of the raw materials and the combination of the mixing methods described above, but also by the active material production conditions described below. Therefore, it is necessary that the active material finally obtained through all these combinations falls within the scope of the present embodiment.
混合により得られた混合物は、乾燥・固化を行い、固化物を得る。乾燥は、たとえば大気中で静置したり、加熱をしたりすることで行える。乾燥は、減圧下で行ってもよいし、空気等のガスを流通させた状態で行ってもよい。乾燥は、分散媒を気化させ混合物内から減少させることを目的としており、分散媒の沸点や蒸気圧に応じて適切な方法を選別する。得られた混合物が固形、あるいは流動性が非常に低い状態の場合、乾燥・固化はたとえば150℃のような温度で加熱し保持することで行える。一方、得られた混合物が液状、あるいは流動性のある状態である場合、乾燥・固化の方法によっては、たとえば珪素酸化物粒子の沈降のような現象が生じ、固化物中に大きな偏りが生じることになる。それに対し、前記のように珪素酸化物粒子も含めた混合物全体が均質な状態で乾燥・固化されるようにするためには、混合物を薄く広げたり、エバポレーターのような機械を使い流動させたりしている状態で乾燥・固化工程を行うことが望ましい。 The mixture obtained by mixing is dried and solidified to obtain a solidified product. Drying can be performed, for example, by standing in the atmosphere or by heating. Drying may be performed under reduced pressure or may be performed in a state where a gas such as air is circulated. The purpose of drying is to vaporize the dispersion medium and reduce it from within the mixture, and an appropriate method is selected according to the boiling point and vapor pressure of the dispersion medium. When the obtained mixture is in a solid state or in a state of extremely low fluidity, drying and solidification can be performed by heating and holding at a temperature of, for example, 150 ° C. On the other hand, when the obtained mixture is in a liquid or fluid state, depending on the method of drying and solidification, for example, a phenomenon such as sedimentation of silicon oxide particles occurs, and a large unevenness occurs in the solidified material. become. On the other hand, in order to dry and solidify the entire mixture including the silicon oxide particles in a homogeneous state as described above, the mixture is spread thinly or fluidized using a machine such as an evaporator. It is desirable to carry out the drying / solidification step in the state where it is kept.
乾燥・固化により得られた固化物は、焼成を行う。焼成は、アルゴン(Ar)等の不活性雰囲気下にて加熱を行い、炭素前駆体を非晶質炭素に変化させると共に、SiOxを不均化反応させ珪素粒子を得ることで炭素質物と、炭素質物中に分散された珪素含有粒子の少なくとも2種から成る複合体を得る。焼成の好ましい温度は、600℃以上1500℃以下の範囲、好ましくは800℃以上1300℃以下、さらに好ましくは、800℃以上1100℃以下である。温度が下がるほど非晶質炭素の結晶性は低くなり、温度が上がるほど非晶質炭素の結晶性は高くなりやすい。焼成時間は、1時間以上12時間以下、好ましくは2時間以上8時間以下、さらに好ましくは2時間以上5時間以下である。 The solid obtained by drying and solidifying is fired. In the firing, heating is performed in an inert atmosphere such as argon (Ar) to change a carbon precursor into amorphous carbon, and at the same time, disproportionate SiOx to obtain silicon particles, thereby obtaining a carbonaceous material and a carbonaceous material. A composite comprising at least two types of silicon-containing particles dispersed in a substance is obtained. The preferable temperature of the calcination is in the range of 600 ° C to 1500 ° C, preferably 800 ° C to 1300 ° C, more preferably 800 ° C to 1100 ° C. As the temperature decreases, the crystallinity of the amorphous carbon decreases, and as the temperature increases, the crystallinity of the amorphous carbon tends to increase. The firing time is from 1 hour to 12 hours, preferably from 2 hours to 8 hours, and more preferably from 2 hours to 5 hours.
以上説明した本実施形態によれば、非水電解質電池用活物質を提供することができる。
本実施形態に係る非水電解質電池用活物質は、N2吸着法による細孔分布測定における脱着等温線において、P/P0が0.5より大きい初めの測定点とP/P0が0.7より小さい初めの測定点を結んだ直線の傾きaがマイナスになるという特徴を有することから高容量で優れたサイクル特性を示す。
According to the embodiment described above, an active material for a non-aqueous electrolyte battery can be provided.
The active material for a non-aqueous electrolyte battery according to the present embodiment has an initial measurement point where P / P 0 is larger than 0.5 and P / P 0 is 0 in the desorption isotherm in the pore distribution measurement by the N 2 adsorption method. Since the characteristic is that the slope a of the straight line connecting the first measurement points smaller than 0.7 is negative, it exhibits high capacity and excellent cycle characteristics.
(第2の実施形態)
第2の実施形態では、非水電解質電池用電極が提供される。
本実施形態に係る非水電解質電池用電極は、第1実施形態の非水電解質電池用活物質を用いる。具体的には、本実施形態に係る非水電解質電池用電極は、集電体と、集電体の片面あるいは両面に形成されている電極合剤層とを有する。電極合剤層は、第1実施形態の非水電解質電池用活物質、導電剤および結着剤を含有する。
以下、本実施形態の非水電解質電池用電極を負極として説明するが、本実施形態の非水電極は正極として用いてもよい。また、以下の説明では、本実施形態に係る電極を非水電解質二次電池に用いるものとして説明するが、本実施形態に係る電極は、様々な電池に用いることができる。
(Second embodiment)
In the second embodiment, an electrode for a non-aqueous electrolyte battery is provided.
The nonaqueous electrolyte battery electrode according to the present embodiment uses the nonaqueous electrolyte battery active material of the first embodiment. Specifically, the electrode for a non-aqueous electrolyte battery according to the present embodiment has a current collector and an electrode mixture layer formed on one or both surfaces of the current collector. The electrode mixture layer contains the active material for a non-aqueous electrolyte battery of the first embodiment, a conductive agent, and a binder.
Hereinafter, the electrode for a non-aqueous electrolyte battery of the present embodiment will be described as a negative electrode, but the non-aqueous electrode of the present embodiment may be used as a positive electrode. Further, in the following description, the electrode according to the present embodiment is described as being used for a nonaqueous electrolyte secondary battery, but the electrode according to the present embodiment can be used for various batteries.
図3を参照して、第2の実施形態に係る負極を具体的に説明する。図3は第2の実施形態に係る負極(非水電解質電池用電極)の概念図である。第2実施形態の負極100は、負極合剤層102と負極集電体101とを含む。負極合剤層102は負極集電体101上に配置された活物質を含む合剤の層である。負極合剤層102は、負極活物質と、導電材と結着剤とを含む。結着剤は、負極合剤層と負極集電体101を接合する。 The negative electrode according to the second embodiment will be specifically described with reference to FIG. FIG. 3 is a conceptual diagram of a negative electrode (electrode for a non-aqueous electrolyte battery) according to the second embodiment. The negative electrode 100 of the second embodiment includes a negative electrode mixture layer 102 and a negative electrode current collector 101. The negative electrode mixture layer 102 is a layer of a mixture containing an active material disposed on the negative electrode current collector 101. The negative electrode mixture layer 102 includes a negative electrode active material, a conductive material, and a binder. The binder joins the negative electrode mixture layer and the negative electrode current collector 101.
負極合剤層102の厚さは1μm以上150μm以下の範囲であることが好ましい。従って負極集電体101の両面に担持されている場合は負極合剤層102の合計の厚さは2μm以上300μm以下の範囲となる。片面の厚さのより好ましい範囲は10μm以上100μm以下であり、さらに好ましくは30μm以上100μm以下である。この範囲であると負極100を備えた非水電解質電池の大電流放電特性とサイクル特性が大幅に向上する。 The thickness of the negative electrode mixture layer 102 is preferably in the range of 1 μm to 150 μm. Therefore, when it is carried on both surfaces of the negative electrode current collector 101, the total thickness of the negative electrode mixture layer 102 is in the range of 2 μm or more and 300 μm or less. A more preferable range of the thickness on one side is 10 μm or more and 100 μm or less, and further preferably 30 μm or more and 100 μm or less. Within this range, large current discharge characteristics and cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte battery including the negative electrode 100 are significantly improved.
負極合剤層102の負極活物質、導電剤および結着剤の配合割合は、負極活物質が57質量%以上95質量%以下、導電剤が3質量%以上20質量%以下、結着剤が2質量%以上40質量%以下の範囲にすることが好ましい。負極活物質、導電剤および結着剤の配合割合をこの範囲内とすることにより、負極100を備えた非水電解質電池の良好な大電流放電特性とサイクル特性が得られる。 The mixing ratio of the negative electrode active material, the conductive agent, and the binder in the negative electrode mixture layer 102 is such that the negative electrode active material is 57% by mass to 95% by mass, the conductive agent is 3% by mass to 20% by mass, and the binder is The content is preferably in the range of 2% by mass to 40% by mass. By setting the mixing ratio of the negative electrode active material, the conductive agent, and the binder within this range, good large-current discharge characteristics and cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte battery including the negative electrode 100 can be obtained.
実施形態の負極集電体101は、負極合剤層102と結着する導電性の部材である。負極集電体101としては、多孔質構造の導電性基板か、あるいは無孔の導電性基板を用いられる。これら導電性基板は、例えば、銅、ステンレスまたはニッケルから形成することができる。負極集電体101の厚さは5μm以上20μm以下であることが好ましい。負極集電体101の厚さが、この範囲内であると、電極強度と軽量化のバランスがとれるからである。 The negative electrode current collector 101 of the embodiment is a conductive member that binds to the negative electrode mixture layer 102. As the negative electrode current collector 101, a conductive substrate having a porous structure or a non-porous conductive substrate is used. These conductive substrates can be formed from, for example, copper, stainless steel, or nickel. The thickness of the negative electrode current collector 101 is preferably 5 μm or more and 20 μm or less. This is because if the thickness of the negative electrode current collector 101 is within this range, the balance between electrode strength and weight reduction can be achieved.
導電剤は、負極100の導電性を高める効果があり、負極合剤層102中に分散して存在することが好ましい。導電剤としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等の導電性炭素質物が挙げられる。導電剤は、鱗片状、破砕状、繊維状等の形状のものが用いられる。これらの導電剤は、1種を単独で用いられるか、または、2種以上を組み合わせて用いられる。導電剤もLiの挿入脱離を行うことができる場合が多いが、その充放電容量は本実施形態の活物質と比較して小さい。本実施形態ではLiの挿入脱離を主として担う負極活物質として、炭素質物と炭素質物中に分散された珪素酸化物粒子の少なくとも2種から成る複合体(第1実施形態の非水電解質電池用活物質)を用い、上記の導電性炭素質物を主として導電剤として利用する。 The conductive agent has an effect of increasing the conductivity of the negative electrode 100 and is preferably present in the negative electrode mixture layer 102 in a dispersed state. Examples of the conductive agent include conductive carbonaceous materials such as acetylene black, carbon black, and graphite. As the conductive agent, one having a shape such as a flake shape, a crushed shape, or a fibrous shape is used. These conductive agents may be used alone or in combination of two or more. In many cases, the conductive agent can also insert and desorb Li, but its charge / discharge capacity is smaller than that of the active material of the present embodiment. In the present embodiment, as a negative electrode active material mainly responsible for the insertion and desorption of Li, a composite composed of at least two kinds of carbonaceous materials and silicon oxide particles dispersed in the carbonaceous materials (for the nonaqueous electrolyte battery of the first embodiment) The conductive carbonaceous material is mainly used as a conductive agent.
結着剤は、分散された負極活物質の間隙を埋めて、負極活物質と導電剤を結着させ、また、負極活物質と負極集電体101とを結着させる。結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリアクリル酸、アルギン酸やセルロースなどの多糖類およびその誘導体、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体(EPDM)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド等が挙げられる。これらの中でも、負極集電体101との結着力が高く、負極活物質同士の結着力を高められる点から、イミド骨格を有するポリイミド等のポリマーがより好ましい。結着剤は、1種を単独で用いられるか、または、2種以上を組み合わせて用いられる。2種以上を組み合わせて用いる場合、負極活物質同士の結着に優れた結着剤と、負極活物質と負極集電体101との結着に優れた結着剤との組み合わせや、硬度の高い結着剤と柔軟性に優れる結着剤との組み合わせを採用することにより、負極100のサイクル特性を向上することができる。 The binder fills the gap between the dispersed negative electrode active materials to bind the negative electrode active material and the conductive agent, and also binds the negative electrode active material and the negative electrode current collector 101. Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyacrylic acid, polysaccharides such as alginic acid and cellulose and derivatives thereof, ethylene-propylene-diene copolymer (EPDM), Styrene-butadiene rubber (SBR), polyimide, polyamide, polyamide imide, and the like. Among these, a polymer such as polyimide having an imide skeleton is more preferable because it has a high binding force with the negative electrode current collector 101 and can enhance the binding force between the negative electrode active materials. The binder may be used alone or in combination of two or more. When two or more kinds are used in combination, a combination of a binder excellent in binding between the negative electrode active materials and a binder excellent in binding between the negative electrode active material and the negative electrode current collector 101, and a hardness of By employing a combination of a high binder and a binder having excellent flexibility, the cycle characteristics of the negative electrode 100 can be improved.
次に、負極の製造方法について説明する。
まず、負極活物質、導電剤及び結着剤を汎用されている溶媒に懸濁してスラリーを調製する。
次いで、スラリーを負極集電体101に塗布し、乾燥して負極合剤層102を形成した後、プレスを施すことにより負極100が作製される。なお、プレスの圧力によって、負極集電体101への負極活物質の埋め込み度合いを調節することができる。プレス圧力が0.2kN/cmより低いと負極集電体101に対する負極活物質の埋め込みがあまり生じないため好ましくない。また、プレス圧力が10kN/cmより高いと、負極活物質や負極集電体101が割れる等の破損が生じるため好ましくない。従って、スラリーを乾燥させてなる負極合剤層102のプレス圧力は、0.5kN/cm以上5kN/cm以下が好ましい。
なお、ここで言うプレス圧力はローラープレス機を用いた場合の数値であり、プレス時に測定される圧力[kN]を、負極合剤層の幅[cm]で除した値である。負極合剤層の幅とは、ローラープレス機のロール軸に対し平行な方向の長さであり、たとえば上から見て長方形をした負極合剤層が斜めにローラープレス機に通された場合は、代表的な長さを採用するものとする。
Next, a method for manufacturing the negative electrode will be described.
First, a slurry is prepared by suspending a negative electrode active material, a conductive agent and a binder in a commonly used solvent.
Next, the slurry is applied to the negative electrode current collector 101, dried to form the negative electrode mixture layer 102, and then pressed to manufacture the negative electrode 100. Note that the degree of embedding of the negative electrode active material in the negative electrode current collector 101 can be adjusted by the pressure of the press. If the pressing pressure is lower than 0.2 kN / cm, the negative electrode active material is hardly embedded in the negative electrode current collector 101, which is not preferable. On the other hand, if the pressing pressure is higher than 10 kN / cm, the negative electrode active material and the negative electrode current collector 101 may be broken, which is not preferable. Therefore, the pressing pressure of the negative electrode mixture layer 102 obtained by drying the slurry is preferably 0.5 kN / cm or more and 5 kN / cm or less.
Here, the pressing pressure is a numerical value when a roller press is used, and is a value obtained by dividing the pressure [kN] measured at the time of pressing by the width [cm] of the negative electrode mixture layer. The width of the negative electrode mixture layer is the length in the direction parallel to the roll axis of the roller press, for example, when the negative electrode mixture layer having a rectangular shape as viewed from above is obliquely passed through the roller press. , A representative length shall be adopted.
以上説明した本実施形態によれば、非水電解質電池用電極を提供することができる。
本実施形態に係る非水電解質電池用電極は、集電体と電極合剤層とを有する。電極合剤層は、上述の第1実施形態の非水電解質電池用活物質、導電剤および結着剤を含有する。このため、本実施形態に係る非水電解質電池用電極を適用した非水電解質電池は、高容量で優れたサイクル特性を示す。
According to the embodiment described above, an electrode for a nonaqueous electrolyte battery can be provided.
The electrode for a non-aqueous electrolyte battery according to the present embodiment has a current collector and an electrode mixture layer. The electrode mixture layer contains the active material for a non-aqueous electrolyte battery of the first embodiment, a conductive agent, and a binder. For this reason, the nonaqueous electrolyte battery to which the electrode for a nonaqueous electrolyte battery according to the present embodiment is applied exhibits high capacity and excellent cycle characteristics.
(第3の実施形態)
第3の実施形態では、非水電解質電池が提供される。
第3の実施形態に係る非水電解質電池は、第2実施形態の非水電解質電池用電極を用いる。具体的には、本実施形態に係る非水電解質電池は、外装材と、外装材内に収納された正極と、外装材内に正極と空間的に離間して、例えばセパレータを介在して収納された負極と、外装材内に充填された非水電解質とを具備する。第2実施形態の非水電解質電池用電極は、負極として用いられる。
(Third embodiment)
In a third embodiment, a non-aqueous electrolyte battery is provided.
The nonaqueous electrolyte battery according to the third embodiment uses the electrode for a nonaqueous electrolyte battery of the second embodiment. Specifically, the nonaqueous electrolyte battery according to the present embodiment includes an exterior material, a positive electrode housed in the exterior material, and a space separated from the positive electrode in the exterior material by, for example, a separator. And a non-aqueous electrolyte filled in an exterior material. The electrode for a non-aqueous electrolyte battery of the second embodiment is used as a negative electrode.
以下、本実施形態に係る非水電解質電池の構成部材である負極、正極、非水電解質、セパレータ、外装材について、詳細に説明する。 Hereinafter, the negative electrode, the positive electrode, the nonaqueous electrolyte, the separator, and the packaging material, which are constituent members of the nonaqueous electrolyte battery according to the present embodiment, will be described in detail.
(1)負極
負極としては、上述の第2の実施形態に係る負極が用いられる。
(1) Negative electrode As the negative electrode, the negative electrode according to the above-described second embodiment is used.
(2)正極
正極は、正極集電体と、この正極集電体の片面もしくは両面に形成され、正極活物質、導電剤および結着剤を含む正極合剤層とを備える。導電剤および結着剤は、任意成分である。
(2) Positive Electrode The positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode mixture layer formed on one or both surfaces of the positive electrode current collector and containing a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder. The conductive agent and the binder are optional components.
正極合剤層の片面の厚さは、1μm以上150μm以下の範囲であること好ましく、30μm以上120μm以下であることがより好ましい。従って、正極集電体の両面に、正極合剤層が設けられている場合、正極合剤層の厚さの合計は、2μm以上300μm以下の範囲となる。
正極合剤層の厚さが、上記の範囲内であると、正極を備えた非水電解質電池の大電流放電特性とサイクル特性が大幅に向上する。
The thickness of one surface of the positive electrode mixture layer is preferably in the range of 1 μm or more and 150 μm or less, and more preferably 30 μm or more and 120 μm or less. Therefore, when the positive electrode mixture layers are provided on both surfaces of the positive electrode current collector, the total thickness of the positive electrode mixture layers is in the range of 2 μm or more and 300 μm or less.
When the thickness of the positive electrode mixture layer is within the above range, large current discharge characteristics and cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte battery provided with the positive electrode are significantly improved.
正極活物質としては、種々の酸化物、例えば、二酸化マンガン、リチウムマンガン複合酸化物、リチウム含有ニッケルコバルト酸化物(例えば、LiCoO2)、リチウム含有ニッケルコバルト酸化物(例えば、LiNi0.8Co0.2O2)、リチウムマンガン複合酸化物(例えば、LiMn2O4、LiMnO2)が用いられる。これらの正極活物質を用いることにより、非水電解質二次電池は高電圧が得られるために好ましい。 As the positive electrode active material, various oxides, for example, manganese dioxide, lithium manganese composite oxide, lithium-containing nickel cobalt oxide (for example, LiCoO 2 ), lithium-containing nickel cobalt oxide (for example, LiNi 0.8 Co 0) .2 O 2 ) and lithium manganese composite oxide (eg, LiMn 2 O 4 , LiMnO 2 ). By using these positive electrode active materials, a nonaqueous electrolyte secondary battery is preferable because a high voltage can be obtained.
正極活物質の平均一次粒径は、100nm〜1μmであることが好ましい。平均一次粒径が100nm以上の正極活物質は、工業生産上の取り扱いが容易である。また、平均一粒径が1μm以下の正極活物質は、リチウムイオンの固体内拡散をスムーズに進行させることができる。 The average primary particle size of the positive electrode active material is preferably from 100 nm to 1 μm. A positive electrode active material having an average primary particle size of 100 nm or more is easy to handle in industrial production. In addition, a positive electrode active material having an average particle size of 1 μm or less can smoothly diffuse lithium ions in a solid.
導電剤は、正極活物質の集電性能を高めて、正極活物質と正極集電体との接触抵抗を抑える。導電剤としては、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック、人工黒鉛、天然黒鉛、炭素繊維、導電性ポリマー等を含むものが挙げられる。
導電剤の種類は、1種類または2種類以上にすることができる。
The conductive agent enhances the current collecting performance of the positive electrode active material and suppresses the contact resistance between the positive electrode active material and the positive electrode current collector. Examples of the conductive agent include those containing acetylene black, carbon black, artificial graphite, natural graphite, carbon fiber, a conductive polymer, and the like.
The kind of the conductive agent can be one kind or two or more kinds.
結着剤は、分散された正極活物質の間隙を埋め、正極活物質と導電剤を結着させ、また、正極活物質と正極集電体とを結着させる。
結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素系ゴム、ポリアクリル酸を含む有機物が挙げられる。
結着剤の種類は、1種類または2種類以上にすることができる。
また、結着剤を分散させるための有機溶媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド(DMF)等が用いられる。
The binder fills the gap between the dispersed positive electrode active materials, binds the positive electrode active material and the conductive agent, and binds the positive electrode active material and the positive electrode current collector.
Examples of the binder include organic substances including polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluororubber, and polyacrylic acid.
The kind of the binder can be one kind or two or more kinds.
Further, as the organic solvent for dispersing the binder, for example, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF) and the like are used.
正極合剤層における、正極活物質、導電剤および結着剤の配合割合は、正極活物質が80質量%以上95質量%以下、導電剤が3質量%以上20質量%以下、結着剤が2質量%以上7質量%以下の範囲にすることが好ましい。正極合剤層の配合割合がこの範囲にある正極を備えた非水電解質電池は、良好な大電流放電特性とサイクル特性が得られる。 The mixing ratio of the positive electrode active material, the conductive agent and the binder in the positive electrode mixture layer is such that the positive electrode active material is 80% by mass or more and 95% by mass or less, the conductive agent is 3% by mass or more and 20% by mass or less, and the binder is The content is preferably in the range of 2% by mass to 7% by mass. A nonaqueous electrolyte battery provided with a positive electrode in which the mixing ratio of the positive electrode mixture layer is in this range can obtain good high-current discharge characteristics and cycle characteristics.
正極集電体は、正極合剤層と結着する導電性の部材である。正極集電体としては、多孔質構造の導電性基板か、あるいは無孔の導電性基板が用いられる。
正極集電体の厚さは、8μm以上15μm以下であることが好ましい。正極集電体の厚さが、この範囲内であることが好ましい理由は、電極強度と軽量化のバランスがとれるからである。
The positive electrode current collector is a conductive member that binds to the positive electrode mixture layer. As the positive electrode current collector, a conductive substrate having a porous structure or a non-porous conductive substrate is used.
The thickness of the positive electrode current collector is preferably 8 μm or more and 15 μm or less. The reason why the thickness of the positive electrode current collector is preferably within this range is because the balance between electrode strength and weight reduction can be achieved.
次に、正極の製造方法について説明する。
まず、正極活物質、導電剤および結着剤を汎用されている溶媒に懸濁してスラリーを調製する。
次いで、スラリーを正極集電体上に塗布し、乾燥して正極合剤層を形成した後、プレスを施すことにより正極が得られる。
また、正極は、正極活物質、結着剤および必要に応じて配合される導電剤をペレット状に形成して正極合剤層とし、これを正極集電体上に配置することにより作製されてもよい。
Next, a method for manufacturing the positive electrode will be described.
First, a slurry is prepared by suspending a positive electrode active material, a conductive agent and a binder in a commonly used solvent.
Next, the slurry is applied on a positive electrode current collector, dried to form a positive electrode mixture layer, and then pressed to obtain a positive electrode.
The positive electrode is produced by forming a positive electrode active material, a binder, and a conductive agent to be blended as necessary into a pellet to form a positive electrode mixture layer, and arranging this on a positive electrode current collector. Is also good.
(3)非水電解質
非水電解質としては、非水電解液、電解質含浸型ポリマー電解質、高分子電解質または無機固体電解質が用いられる。
非水電解液は、非水溶媒(有機溶媒)に電解質を溶解することにより調製される液体状電解液で、電極群中の空隙に保持される。
(3) Non-aqueous electrolyte As the non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte, an electrolyte-impregnated polymer electrolyte, a polymer electrolyte or an inorganic solid electrolyte is used.
The non-aqueous electrolyte is a liquid electrolyte prepared by dissolving an electrolyte in a non-aqueous solvent (organic solvent), and is held in a gap in the electrode group.
非水溶媒としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ビニレンカーボネート等の環状カーボネート(以下、「第1溶媒」と言う。)と、環状カーボネートより低粘度の非水溶媒(以下、「第2溶媒」と言う。)との混合溶媒を主体とする非水溶媒を用いることが好ましい。 Examples of the non-aqueous solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), and vinylene carbonate (hereinafter, referred to as “first solvent”), and non-aqueous solvents having a lower viscosity than the cyclic carbonate (hereinafter, referred to as “first solvent”). It is preferable to use a non-aqueous solvent mainly composed of a mixed solvent with “a second solvent”.
第2溶媒としては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルエチルカーボネート(MEC)等の鎖状カーボネート、プロピオン酸エチル、プロピオン酸メチル、γ−ブチロラクトン(GBL)、アセトニトリル(AN)、酢酸エチル(EA)、トルエン、キシレン、酢酸メチル(MA)等が挙げられる。これらの第2溶媒は、単独または2種以上の混合物の形態で用いることができる。特に、第2溶媒は、このドナー数があまり大きいと、Liイオンとの結合が強くなりすぎ、Liイオン伝導度を下がるため、ドナー数が16.5以下であることがより好ましい。
第2溶媒の粘度は、25℃において2.8cPs以下であることが好ましい。
Examples of the second solvent include chain carbonates such as dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and methyl ethyl carbonate (MEC), ethyl propionate, methyl propionate, γ-butyrolactone (GBL), and acetonitrile (AN ), Ethyl acetate (EA), toluene, xylene, methyl acetate (MA) and the like. These second solvents can be used alone or in the form of a mixture of two or more. In particular, if the number of donors in the second solvent is too large, bonding with Li ions becomes too strong, and the Li ion conductivity is lowered. Therefore, the number of donors is more preferably 16.5 or less.
The viscosity of the second solvent at 25 ° C. is preferably 2.8 cPs or less.
第1溶媒と第2溶媒の混合溶媒中のエチレンカーボネートまたはプロピレンカーボネートの配合量は、体積比で1.0%以上80%以下であることが好ましく、20%以上75%以下であることがより好ましい。この第2溶媒の体積比があまり小さいと非水電解液の粘度が高くなるためにLiイオン伝導度が下がり、一方、第2溶媒の体積比があまり大きいとPCやECの働きが阻害されLiイオン伝導度が下がるため、前記範囲が好ましい。 The blending amount of ethylene carbonate or propylene carbonate in the mixed solvent of the first solvent and the second solvent is preferably from 1.0% to 80% by volume, more preferably from 20% to 75%. preferable. If the volume ratio of the second solvent is too small, the viscosity of the non-aqueous electrolyte increases, and the Li ion conductivity decreases. On the other hand, if the volume ratio of the second solvent is too large, the action of PC and EC is hindered and Li The above range is preferable because the ionic conductivity is reduced.
非水電解質に含まれる電解質としては、例えば、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、六フッ化砒素リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、および、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム[LiN(CF3SO2)2]等のリチウム塩が挙げられる。これらの中でも、六フッ化リン酸リチウムまたは四フッ化ホウ酸リチウムを用いることが好ましい。非水電解質に含まれる非水溶媒に対する電解質の溶解量は、0.5mol/L以上2.0mol/L以下であることが好ましい。電解質の溶解量があまり小さいとイオンの移動が起きにくくなるためLiイオン伝導度が下がり、一方電解質の溶解量が2.0mol/Lを超えると非水電解液の粘度が高くなるためにLiイオン伝導度が下がるからである。 Examples of the electrolyte contained in the non-aqueous electrolyte include lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), and lithium arsenic hexafluoride (LiAsF). 6 ), lithium trifluorometasulfonate (LiCF 3 SO 3 ), and lithium salts such as lithium bistrifluoromethylsulfonylimide [LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ]. Among these, it is preferable to use lithium hexafluorophosphate or lithium tetrafluoroborate. The amount of the electrolyte dissolved in the nonaqueous solvent contained in the nonaqueous electrolyte is preferably 0.5 mol / L or more and 2.0 mol / L or less. If the dissolved amount of the electrolyte is too small, the migration of ions becomes difficult to occur, so that the Li ion conductivity decreases. On the other hand, if the dissolved amount of the electrolyte exceeds 2.0 mol / L, the viscosity of the non-aqueous electrolyte increases, so that the Li ion This is because the conductivity decreases.
(4)セパレータ
セパレータは、正極と負極の間に配置される。
セパレータは、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、セルロース、または、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)を含む多孔質フィルム、または、合成樹脂製不織布から形成される。これらの中でも、ポリエチレンまたはポリプロピレンから形成された多孔質フィルムは、一定温度において溶融し、電流を遮断することが可能であるため、安全性を向上できるため好ましい。
(4) Separator The separator is disposed between the positive electrode and the negative electrode.
The separator is formed of, for example, a porous film containing polyethylene (PE), polypropylene (PP), cellulose, or polyvinylidene fluoride (PVdF), or a synthetic resin nonwoven fabric. Among these, a porous film formed of polyethylene or polypropylene is preferable because it can be melted at a certain temperature and cut off the current, thereby improving safety.
セパレータの厚さは、5μm以上30μm以下であることが好ましく、10μm以上25μm以下であることがより好ましい。セパレータの厚さが5μm未満では、セパレータの強度が著しく低下し、内部ショートを生じ易くなるおそれがある。一方、セパレータの厚さが30μmを超えると、正極と負極の間の距離が大きくなって、内部抵抗が大きくなるおそれがある。 The thickness of the separator is preferably 5 μm or more and 30 μm or less, more preferably 10 μm or more and 25 μm or less. When the thickness of the separator is less than 5 μm, the strength of the separator is significantly reduced, and an internal short circuit may easily occur. On the other hand, if the thickness of the separator exceeds 30 μm, the distance between the positive electrode and the negative electrode increases, and the internal resistance may increase.
セパレータは、120℃で1時間放置したときの熱収縮率が20%以下であることが好ましく、15%以下であることがより好ましい。セパレータの熱収縮率が20%を超えると、加熱により正極と負極の間でショートする可能性が大きくなる。
セパレータは、多孔度が30%以上70%以下であることが好ましく、35%以上70%以下であることがより好ましい。
The heat shrinkage of the separator when left at 120 ° C. for 1 hour is preferably 20% or less, more preferably 15% or less. When the heat shrinkage of the separator exceeds 20%, the possibility of short circuit between the positive electrode and the negative electrode due to heating increases.
The porosity of the separator is preferably 30% or more and 70% or less, and more preferably 35% or more and 70% or less.
セパレータの多孔度が上記の範囲内であることが好ましい理由は、次の通りである。多孔度が30%未満では、セパレータにおいて高い電解質保持性を得ることが難しくなるおそれがある。一方、多孔度が70%を超えると、セパレータに十分な強度が得られなくなるおそれがある。 The reason why the porosity of the separator is preferably within the above range is as follows. If the porosity is less than 30%, it may be difficult to obtain high electrolyte retention in the separator. On the other hand, if the porosity exceeds 70%, sufficient strength may not be obtained for the separator.
セパレータは、空気透過率が30秒/100cm3以上500秒/100cm3以下であることが好ましく、50秒/100cm3以上300秒/100cm3以下であることがより好ましい。
空気透過率が30秒/100cm3未満では、セパレータに十分な強度が得られなくなるおそれがある。一方、空気透過率が500秒/100cm3を超えると、セパレータにおいて高いリチウムイオン移動度が得られなくなるおそれがある。
The air permeability of the separator is preferably 30 seconds / 100 cm 3 or more and 500 seconds / 100 cm 3 or less, and more preferably 50 seconds / 100 cm 3 or more and 300 seconds / 100 cm 3 or less.
If the air permeability is less than 30 seconds / 100 cm 3 , sufficient strength may not be obtained for the separator. On the other hand, if the air permeability exceeds 500 seconds / 100 cm 3 , high lithium ion mobility may not be obtained in the separator.
(5)外装材
正極、負極および非水電解質が収容される外装材としては、金属製容器や、ラミネートフィルム製外装容器が用いられる。
金属製容器としては、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、ステンレス等からなる金属缶で角形、円筒形の形状のものが用いられる。また、金属製容器の厚さは、1mm以下であることが好ましく、より好ましくは0.5mm以下、さらに好ましくは0.2mm以下である。
(5) Outer material As the outer material in which the positive electrode, the negative electrode, and the nonaqueous electrolyte are accommodated, a metal container or a laminated film outer container is used.
As the metal container, a metal can made of aluminum, an aluminum alloy, iron, stainless steel or the like and having a square or cylindrical shape is used. Further, the thickness of the metal container is preferably 1 mm or less, more preferably 0.5 mm or less, and still more preferably 0.2 mm or less.
アルミニウム合金としては、マグネシウム、亜鉛、珪素等の元素を含む合金が好ましい。アルミニウム合金中に、鉄、銅、ニッケル、クロム等の遷移金属を含む場合、その含有量は100ppm以下であることが好ましい。アルミニウム合金からなる金属製容器は、アルミニウムからなる金属製容器よりも強度が飛躍的に増大するため、金属製容器の厚さを薄くすることができる。その結果、薄型で軽量かつ高出力で放熱性に優れた非水電解質電池を実現することができる。 As the aluminum alloy, an alloy containing elements such as magnesium, zinc, and silicon is preferable. When a transition metal such as iron, copper, nickel, and chromium is contained in the aluminum alloy, the content is preferably 100 ppm or less. Since the strength of the metal container made of an aluminum alloy is dramatically increased as compared with the metal container made of aluminum, the thickness of the metal container can be reduced. As a result, it is possible to realize a nonaqueous electrolyte battery that is thin, lightweight, has high output, and is excellent in heat dissipation.
ラミネートフィルムとしては、例えば、アルミニウム箔を樹脂フィルムで被覆した多層フィルム等が挙げられる。樹脂フィルムを構成する樹脂としては、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート(PET)等の高分子化合物が用いられる。また、ラミネートフィルムの厚さは、0.5mm以下であることが好ましく、0.2mm以下であることがより好ましい。アルミニウム箔の純度は、99.5%以上であることが好ましい。 Examples of the laminated film include a multilayer film in which an aluminum foil is covered with a resin film. As a resin constituting the resin film, a polymer compound such as polypropylene (PP), polyethylene (PE), nylon, and polyethylene terephthalate (PET) is used. The thickness of the laminate film is preferably 0.5 mm or less, more preferably 0.2 mm or less. The purity of the aluminum foil is preferably 99.5% or more.
なお、本実施形態の非水電解質電池は、扁平型(薄型)、角型、円筒型、コイン型、ボタン型等の種々の形態の非水電解質電池に適用することができる。
また、本実施形態に係る非水電解質電池は、上記の正極および負極からなる電極群に電気的に接続されるリードをさらに具備することができる。本実施形態に係る非水電解質電池は、例えば、2つのリードを具備することもできる。その場合、一方のリードは、正極集電タブに電気的に接続され、他方のリードは、負極集電タブに電気的に接続される。
リードの材料としては、特に限定されないが、例えば、正極集電体および負極集電体と
同じ材料が用いられる。
The nonaqueous electrolyte battery according to the present embodiment can be applied to various types of nonaqueous electrolyte batteries such as a flat type (thin type), a square type, a cylindrical type, a coin type, and a button type.
In addition, the nonaqueous electrolyte battery according to the present embodiment can further include a lead electrically connected to the electrode group including the positive electrode and the negative electrode. The non-aqueous electrolyte battery according to the embodiment may include, for example, two leads. In that case, one lead is electrically connected to the positive electrode current collection tab, and the other lead is electrically connected to the negative electrode current collection tab.
Although the material of the lead is not particularly limited, for example, the same material as the positive electrode current collector and the negative electrode current collector is used.
本実施形態に係る非水電解質電池は、上記のリードに電気的に接続され、上記の外装材から引き出された端子をさらに具備することもできる。本実施形態に係る非水電解質電池は、例えば、2つの端子を具備することもできる。その場合、一方の端子は、正極集電タブに電気的に接続されたリードに接続され、他方の端子は、負極集電タブに電気的に接続されたリードに接続される。
端子の材料としては、特に限定されないが、例えば、正極集電体および負極集電体と同じ材料が用いられる。
The nonaqueous electrolyte battery according to the present embodiment may further include a terminal electrically connected to the lead and extending from the exterior material. The non-aqueous electrolyte battery according to the embodiment may include, for example, two terminals. In that case, one terminal is connected to a lead electrically connected to the positive electrode current collecting tab, and the other terminal is connected to a lead electrically connected to the negative electrode current collecting tab.
Although the material of the terminal is not particularly limited, for example, the same material as the positive electrode current collector and the negative electrode current collector is used.
(6)非水電解質電池
次に、本実施形態に係る非水電解質電池の一例として、図4および図5に示す扁平型非水電解質二次電池(非水電解質電池)200について説明する。図4は第3の実施形態に係る扁平型非水電解質二次電池(非水電解質電池)の断面概念図であり、図5は図4中に示すA部の拡大断面概念図である。
(6) Nonaqueous Electrolyte Battery Next, as an example of the nonaqueous electrolyte battery according to the present embodiment, a flat nonaqueous electrolyte secondary battery (nonaqueous electrolyte battery) 200 shown in FIGS. 4 and 5 will be described. FIG. 4 is a conceptual cross-sectional view of a flat nonaqueous electrolyte secondary battery (nonaqueous electrolyte battery) according to the third embodiment, and FIG. 5 is an enlarged schematic conceptual view of a portion A shown in FIG.
図4に示す扁平型非水電解質二次電池200は、扁平状の捲回電極群201が、外装材202内に収納されて構成されている。外装材202は、ラミネートフィルムを袋状に形成したものでもよく、金属製の容器であってもよい。また、扁平状の捲回電極群201は、外側、すなわち外装材202側から、負極203、セパレータ204、正極205、セパレータ204の順で積層された積層物を渦巻状に捲回し、プレス成型することにより形成される。最外層に位置する電極は負極203であり、この負極203は、負極集電体203aの電池内面側の片面のみに負極合剤層203bが形成された構成を有する。最外層以外の負極203は、負極集電体203aの両面に負極合剤層203bが形成された構成を有する。また、正極205は、正極集電体205aの両面に正極合剤層205bが形成された構成を有する。なお、セパレータ204に代えて、上述した電解質含浸型ポリマー電解質および高分子電解質などのゲル状の非水電解質を用いてもよい。 The flat type non-aqueous electrolyte secondary battery 200 shown in FIG. 4 includes a flat wound electrode group 201 housed in an exterior material 202. The exterior material 202 may be a laminate film formed in a bag shape or a metal container. In addition, the flat wound electrode group 201 is formed by spirally winding a laminate in which the negative electrode 203, the separator 204, the positive electrode 205, and the separator 204 are sequentially stacked from the outside, that is, from the exterior material 202 side, and press-molded. It is formed by this. The electrode located in the outermost layer is the negative electrode 203, and the negative electrode 203 has a configuration in which the negative electrode mixture layer 203b is formed only on one surface of the negative electrode current collector 203a on the inner side of the battery. The negative electrode 203 other than the outermost layer has a configuration in which a negative electrode mixture layer 203b is formed on both surfaces of a negative electrode current collector 203a. The positive electrode 205 has a configuration in which a positive electrode mixture layer 205b is formed on both surfaces of a positive electrode current collector 205a. Note that, instead of the separator 204, a gel non-aqueous electrolyte such as the above-described electrolyte-impregnated polymer electrolyte and polymer electrolyte may be used.
図4に示す捲回電極群201は、その外周端近傍において、負極端子206が最外周の負極203の負極集電体203aに電気的に接続されている。正極端子207は内側の正極205の正極集電体205aに電気的に接続されている。これらの負極端子206及び正極端子207は、外装材202の外部に延出されるか、外装材202に備えられた取り出し電極に接続される。 In the wound electrode group 201 shown in FIG. 4, the negative electrode terminal 206 is electrically connected to the negative electrode current collector 203a of the outermost negative electrode 203 near the outer peripheral end. The positive electrode terminal 207 is electrically connected to the positive electrode current collector 205a of the inner positive electrode 205. The negative electrode terminal 206 and the positive electrode terminal 207 extend to the outside of the exterior material 202 or are connected to an extraction electrode provided on the exterior material 202.
ラミネートフィルムからなる外装材を備えた扁平型非水電解質二次電池200を製造する際は、負極端子206および正極端子207が接続された捲回電極群201を、開口部を有する袋状の外装材202に装入し、液状非水電解質を外装材202の開口部から注入し、外装材202の開口部を負極端子206及び正極端子207を挟んだ状態でヒートシールすることにより捲回電極群201及び液状非水電解質を完全密封させる。
また、金属容器からなる外装材を備えた扁平型非水電解質二次電池200を製造する際は、負極端子206および正極端子207が接続された捲回電極群201を、開口部を有する金属容器に装入し、液状非水電解質を外装材202の開口部から注入し、さらに、金属容器に蓋体を装着して開口部を封口させる。
When manufacturing the flat type nonaqueous electrolyte secondary battery 200 provided with the exterior material made of a laminated film, the wound electrode group 201 to which the negative electrode terminal 206 and the positive electrode terminal 207 are connected is formed by a bag-shaped exterior having an opening. The wound electrode group is charged by charging the liquid non-aqueous electrolyte through the opening of the package 202 and heat-sealing the opening of the package 202 with the negative electrode terminal 206 and the positive electrode terminal 207 sandwiched therebetween. 201 and the liquid non-aqueous electrolyte are completely sealed.
Further, when manufacturing the flat type nonaqueous electrolyte secondary battery 200 provided with the exterior material formed of a metal container, the wound electrode group 201 to which the negative electrode terminal 206 and the positive electrode terminal 207 are connected is formed by using a metal container having an opening. , And the liquid non-aqueous electrolyte is injected from the opening of the exterior material 202, and a lid is attached to the metal container to close the opening.
負極端子206としては、例えば、リチウムに対する電位が1V以上3V以下の範囲において電気的安定性と導電性とを備える材料を用いることができる。具体的には、アルミニウムまたはMg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、Si等の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。負極端子206は、負極集電体203aとの接触抵抗を低減するために、負極集電体203aと同様の材料であることが好ましい。 As the negative electrode terminal 206, for example, a material having electrical stability and conductivity can be used when the potential with respect to lithium is in the range of 1 V to 3 V. Specifically, aluminum or an aluminum alloy containing elements such as Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, and Si can be used. The negative electrode terminal 206 is preferably made of the same material as the negative electrode current collector 203a in order to reduce the contact resistance with the negative electrode current collector 203a.
正極端子207としては、リチウムに対する電位が3V以上4.25Vの範囲において電気的安定性と導電性とを備える材料を用いることができる。具体的には、アルミニウムまたはMg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、Si等の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。正極端子207は、正極集電体との接触抵抗を低減するために、正極集電体と同様の材料であることが好ましい。 As the positive electrode terminal 207, a material having electrical stability and conductivity can be used when the potential with respect to lithium is in the range of 3 V to 4.25 V. Specifically, aluminum or an aluminum alloy containing elements such as Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, and Si can be used. The positive electrode terminal 207 is preferably made of the same material as the positive electrode current collector in order to reduce the contact resistance with the positive electrode current collector.
以下、扁平型非水電解質二次電池200の構成部材である外装材202、負極203、正極205、セパレータ204および非水電解質について詳細に説明する。
(1)外装材
外装材202としては、上記の外装材が用いられる。
(2)負極
負極203としては、上記の負極が用いられる。
(3)正極
正極205としては、上記の正極が用いられる。
(4)セパレータ
セパレータ204としては、上記のセパレータが用いられる。
(5)非水電解質
非水電解質としては、上記の非水電解質が用いられる。
Hereinafter, the exterior material 202, the negative electrode 203, the positive electrode 205, the separator 204, and the nonaqueous electrolyte, which are components of the flat nonaqueous electrolyte secondary battery 200, will be described in detail.
(1) Exterior material As the exterior material 202, the above-mentioned exterior material is used.
(2) Negative electrode As the negative electrode 203, the above-described negative electrode is used.
(3) Positive electrode As the positive electrode 205, the above-described positive electrode is used.
(4) Separator As the separator 204, the above-described separator is used.
(5) Non-aqueous electrolyte As the non-aqueous electrolyte, the above-mentioned non-aqueous electrolyte is used.
第3の実施形態に係る非水電解質電池は、前述した図4および図5に示す構成のものに限らず、例えば、図6および図7に示す構成の電池であってもよい。図6は、第3の実施形態に係る別の扁平型非水電解質二次電池を模式的に示す部分切欠斜視図であり、図7は図6中に示したB部の拡大断面図である。 The nonaqueous electrolyte battery according to the third embodiment is not limited to the configuration shown in FIGS. 4 and 5 described above, and may be, for example, a battery having the configuration shown in FIGS. 6 and 7. FIG. 6 is a partially cutaway perspective view schematically showing another flat type nonaqueous electrolyte secondary battery according to the third embodiment, and FIG. 7 is an enlarged sectional view of a portion B shown in FIG. .
図6および図7に示す非水電解質二次電池300は、積層型電極群301が外装材302内に収納されて構成されている。積層型電極群301は、図7に示すように正極303と負極304とを、その間にセパレータ305を介在させながら交互に積層した構造を有する。 The non-aqueous electrolyte secondary battery 300 shown in FIGS. 6 and 7 has a configuration in which a stacked electrode group 301 is housed in an exterior material 302. As shown in FIG. 7, the stacked electrode group 301 has a structure in which a positive electrode 303 and a negative electrode 304 are alternately stacked with a separator 305 interposed therebetween.
正極303は複数枚存在し、それぞれが正極集電体303aと、正極集電体303aの両面に担持された正極合剤層303bとを備える。正極合剤層303bには正極活物質が含有される。 There are a plurality of positive electrodes 303, each of which includes a positive electrode current collector 303a and a positive electrode mixture layer 303b carried on both surfaces of the positive electrode current collector 303a. The positive electrode mixture layer 303b contains a positive electrode active material.
負極304は複数枚存在し、それぞれが負極集電体304aと、負極集電体304aの両面に担持された負極合剤層304bとを備える。負極合剤層304bには負極活物質が含有される。各負極304の負極集電体304aは、一辺が負極304から突出している。突出した負極集電体304aは、帯状の負極端子306に電気的に接続されている。帯状の負極端子306の先端は、外装材302から外部に引き出されている。また、図示しないが、正極303の正極集電体303aは、負極集電体304aの突出辺と反対側に位置する辺が正極303から突出している。正極303から突出した正極集電体303aは、帯状の正極端子307に電気的に接続されている。帯状の正極端子307の先端は、負極端子306とは反対側に位置し、外装材302の辺から外部に引き出されている。 There are a plurality of negative electrodes 304, each of which includes a negative electrode current collector 304a and a negative electrode mixture layer 304b supported on both surfaces of the negative electrode current collector 304a. The negative electrode mixture layer 304b contains a negative electrode active material. One side of the negative electrode current collector 304 a of each negative electrode 304 protrudes from the negative electrode 304. The protruding negative electrode current collector 304 a is electrically connected to a strip-shaped negative electrode terminal 306. The tip of the strip-shaped negative electrode terminal 306 is drawn out from the exterior material 302. Although not shown, the positive electrode current collector 303a of the positive electrode 303 has a side located on the side opposite to the side of the negative electrode current collector 304a protruding from the positive electrode 303. The positive electrode current collector 303 a protruding from the positive electrode 303 is electrically connected to a belt-shaped positive electrode terminal 307. The tip of the band-shaped positive electrode terminal 307 is located on the opposite side of the negative electrode terminal 306, and is drawn out from the side of the exterior material 302.
図6および図7に示す非水電解質二次電池300を構成する各部材の材質、配合比、寸法等は、図4および図5において説明した非水電解質二次電池200の各構成部材と同様の構成である。 The materials, blending ratios, dimensions, and the like of the members constituting the nonaqueous electrolyte secondary battery 300 shown in FIGS. 6 and 7 are the same as those of the nonaqueous electrolyte secondary battery 200 described in FIGS. 4 and 5. It is a structure of.
以上説明した本実施形態によれば、非水電解質電池を提供することができる。
本実施形態に係る非水電解質電池は、負極と、正極と、非水電解質と、セパレータと、外装材と、を具備する。負極は、上述の第2の実施形態に係る非水電解質電池用活物質を用いて形成されている。このため、本実施形態に係る非水電解質電池は、高容量で優れたサイクル特性を示す。
According to the embodiment described above, a nonaqueous electrolyte battery can be provided.
The non-aqueous electrolyte battery according to this embodiment includes a negative electrode, a positive electrode, a non-aqueous electrolyte, a separator, and a packaging material. The negative electrode is formed using the active material for a non-aqueous electrolyte battery according to the above-described second embodiment. For this reason, the nonaqueous electrolyte battery according to the present embodiment exhibits high capacity and excellent cycle characteristics.
(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態に係る電池パックを説明する。
第4の実施形態に係る電池パックは、上記第3の実施形態に係る非水電解質電池(即ち、単電池)を1つ以上有する。電池パックに複数の単電池が含まれる場合、各単電池は、電気的に直列、並列、或いは、直列と並列に接続して配置される。
(Fourth embodiment)
Next, a battery pack according to a fourth embodiment will be described.
The battery pack according to the fourth embodiment has one or more nonaqueous electrolyte batteries (that is, unit cells) according to the third embodiment. When a plurality of cells are included in the battery pack, the cells are electrically connected in series, in parallel, or connected in series and in parallel.
図8および図9を参照して、第4の実施形態に係る電池パックを具体的に説明する。図8は第4の実施形態に係る電池パックの概念図であり、図9は第4の実施形態に係る電池パックの電気回路を示すブロック図である。図8に示す電池パック400においては、単電池401として図4に示す扁平型非水電解質二次電池200を使用している。 The battery pack according to the fourth embodiment will be specifically described with reference to FIGS. FIG. 8 is a conceptual diagram of the battery pack according to the fourth embodiment, and FIG. 9 is a block diagram illustrating an electric circuit of the battery pack according to the fourth embodiment. In the battery pack 400 shown in FIG. 8, the flat nonaqueous electrolyte secondary battery 200 shown in FIG.
複数の単電池401は、外部に延出した負極端子206及び正極端子207が同じ向きに揃えられるように積層され、粘着テープ402で締結することにより組電池403を構成している。これらの単電池401は、図8および図9に示すように互いに電気的に直列に接続されている。 The plurality of cells 401 are stacked so that the negative electrode terminal 206 and the positive electrode terminal 207 extending to the outside are aligned in the same direction, and the assembled battery 403 is configured by fastening with an adhesive tape 402. These cells 401 are electrically connected to each other in series as shown in FIGS.
プリント配線基板404は、負極端子206及び正極端子207が延出する単電池401側面と対向して配置されている。プリント配線基板404には、図7に示すようにサーミスタ405、保護回路406及び外部機器への通電用端子407が搭載されている。なお、組電池403と対向するプリント配線基板404の面には組電池403の配線と不要な接続を回避するために絶縁板(図示せず)が取り付けられている。 The printed wiring board 404 is disposed to face the side surface of the unit cell 401 from which the negative electrode terminal 206 and the positive electrode terminal 207 extend. As shown in FIG. 7, a thermistor 405, a protection circuit 406, and a terminal 407 for supplying power to an external device are mounted on the printed wiring board 404. An insulating plate (not shown) is attached to the surface of the printed wiring board 404 facing the battery pack 403 to avoid unnecessary connection with the wiring of the battery pack 403.
正極側リード408は、組電池403の最下層に位置する正極端子207に接続され、その先端はプリント配線基板404の正極側コネクタ409に挿入されて電気的に接続されている。負極側リード410は、組電池403の最上層に位置する負極端子206に接続され、その先端はプリント配線基板404の負極側コネクタ411に挿入されて電気的に接続されている。これらの正極側コネクタ409、負極側コネクタ411は、プリント配線基板404に形成された配線412、413を通して保護回路406に接続されている。 The positive electrode lead 408 is connected to the positive electrode terminal 207 located at the lowermost layer of the battery pack 403, and the tip is inserted into the positive electrode connector 409 of the printed wiring board 404 and is electrically connected. The negative electrode lead 410 is connected to the negative electrode terminal 206 located at the uppermost layer of the battery pack 403, and the tip is inserted into the negative electrode connector 411 of the printed wiring board 404 and is electrically connected. The positive connector 409 and the negative connector 411 are connected to the protection circuit 406 through wirings 412 and 413 formed on the printed wiring board 404.
サーミスタ405は、単電池401の温度を検出するために用いられ、図8においては図示を省略しているが、単電池401の近傍に設けられると共に、その検出信号は保護回路406に送信される。保護回路406は、単電池401の充放電を制御するものである。所定の条件で保護回路406と外部機器への通電用端子407との間のプラス側配線414a及びマイナス側配線414bを遮断できる。所定の条件とは、例えばサーミスタ405の検出温度が所定温度以上になったときである。また、所定の条件とは単電池401の過充電、過放電、過電流等を検出したときである。この過充電等の検出は、個々の単電池401もしくは単電池401全体について行われる。個々の単電池401を検出する場合、電池電圧を検出してもよいし、正極電位もしくは負極電位を検出してもよい。後者の場合、個々の単電池401中に参照極として用いるリチウム電極が挿入される。図8及び図9の場合、単電池401それぞれに電圧検出のための配線415を接続し、これら配線415を通して検出信号が保護回路406に送信される。 The thermistor 405 is used to detect the temperature of the cell 401 and is not shown in FIG. 8, but is provided in the vicinity of the cell 401 and a detection signal is transmitted to the protection circuit 406. . The protection circuit 406 controls charging and discharging of the cell 401. Under a predetermined condition, the positive wiring 414a and the negative wiring 414b between the protection circuit 406 and the terminal 407 for supplying power to the external device can be cut off. The predetermined condition is, for example, when the temperature detected by the thermistor 405 becomes equal to or higher than the predetermined temperature. The predetermined condition is when overcharge, overdischarge, overcurrent, and the like of the cell 401 are detected. The detection of the overcharge or the like is performed for each of the single cells 401 or the entire single cell 401. When detecting the individual cells 401, the battery voltage may be detected, or the positive electrode potential or the negative electrode potential may be detected. In the latter case, a lithium electrode used as a reference electrode is inserted into each unit cell 401. In the case of FIGS. 8 and 9, a wiring 415 for voltage detection is connected to each of the unit cells 401, and a detection signal is transmitted to the protection circuit 406 through these wirings 415.
図8に示すように、正極端子207及び負極端子206が突出する側面を除く組電池403の三側面には、ゴムもしくは樹脂からなる保護シート416がそれぞれ配置されている。 As shown in FIG. 8, protective sheets 416 made of rubber or resin are arranged on three sides of the battery pack 403 except for the side faces from which the positive electrode terminal 207 and the negative electrode terminal 206 protrude.
組電池403は、各保護シート416及びプリント配線基板404と共に収納容器417内に収納される。すなわち、収納容器417の長辺方向の両方の内側面と短辺方向の内側面それぞれに保護シート416が配置され、短辺方向の保護シート416とは反対側の内側面にプリント配線基板404が配置される。組電池403は、保護シート416及びプリント配線基板404で囲まれた空間内に位置する。蓋418は、収納容器417の上面に取り付けられている。 The assembled battery 403 is stored in a storage container 417 together with the protection sheets 416 and the printed wiring board 404. That is, the protective sheets 416 are disposed on both the inner side surfaces in the long side direction and the inner side surfaces in the short side direction of the storage container 417, and the printed wiring board 404 is provided on the inner side opposite to the protective sheet 416 in the short side direction. Be placed. The assembled battery 403 is located in a space surrounded by the protection sheet 416 and the printed wiring board 404. The lid 418 is attached to the upper surface of the storage container 417.
なお、組電池403の固定には粘着テープ402に代えて、熱収縮テープを用いてもよい。この場合、組電池の両側面に保護シートを配置し、熱収縮テープを周回させた後、熱収縮テープを熱収縮させて組電池を結束させる。 Note that a heat-shrinkable tape may be used for fixing the battery pack 403 instead of the adhesive tape 402. In this case, the protective sheets are arranged on both side surfaces of the battery pack, and after the heat shrink tape is circulated, the heat shrink tape is heat shrunk to bind the battery pack.
図8、図9においては単電池401を直列接続した形態を示したが、電池容量を増大させるためには、単電池401を並列に接続しても、または直列接続と並列接続を組み合わせてもよい。組み上がった電池パックをさらに直列、並列に接続することもできる。 8 and 9 show the configuration in which the cells 401 are connected in series. However, in order to increase the battery capacity, the cells 401 may be connected in parallel or a combination of series connection and parallel connection may be used. Good. The assembled battery packs can be further connected in series and in parallel.
なお、電池パックの態様は用途により適宜変更される。電池パックの用途は、大電流を取り出したときに優れたサイクル特性を示すものが好ましい。具体的には、デジタルカメラの電源用や、二輪乃至四輪のハイブリッド電気自動車、二輪乃至四輪の電気自動車、アシスト自転車等の車両に用いられる車載用が挙げられる。特に、高温特性の優れた非水電解質二次電池を用いた電池パックは車載用に好適に用いられる。 The mode of the battery pack is appropriately changed depending on the use. As a use of the battery pack, a battery pack exhibiting excellent cycle characteristics when a large current is taken out is preferable. Specific examples include a power source for a digital camera, and a vehicle for a vehicle such as a two-wheel or four-wheel hybrid electric vehicle, a two-wheel or four-wheel electric vehicle, or an assist bicycle. In particular, a battery pack using a nonaqueous electrolyte secondary battery having excellent high-temperature characteristics is suitably used for vehicles.
以上説明した本実施形態によれば、電池パックを提供することができる。
本実施形態に係る電池パックは、上記第3の実施形態に係る非水電解質電池を少なくとも1つ具備する。このため、本実施形態に係る電池パックは、高容量で優れたサイクル特性を示す。
According to the embodiment described above, a battery pack can be provided.
The battery pack according to the present embodiment includes at least one nonaqueous electrolyte battery according to the third embodiment. Therefore, the battery pack according to the present embodiment has a high capacity and excellent cycle characteristics.
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、非水電解質電池用活物質がN2吸着法による細孔分布測定における脱着等温線において、P/P0が0.5より大きい初めの測定点とP/P0が0.7より小さい初めの測定点を結んだ直線の傾きaがマイナスであることにより、高容量で優れたサイクル特性を示す非水電解質電池用電極、非水電解質電池および電池パックを実現できる。 According to at least one embodiment described above, in the desorption isotherm in the pore distribution measurement of the active material for a nonaqueous electrolyte battery by the N 2 adsorption method, the first measurement point where P / P 0 is larger than 0.5 An electrode for a non-aqueous electrolyte battery, a non-aqueous electrolyte battery, and a battery exhibiting a high capacity and excellent cycle characteristics because the slope a of a straight line connecting the first measurement points where P / P 0 is smaller than 0.7 is negative. Pack can be realized.
以下に具体的な実施例を挙げ、その効果について述べる。 The effects will be described below with reference to specific examples.
(実施例1)
次のような条件で実施例1の負極活物質を得た。親水性の二酸化珪素粉末(市販品、平均一次粒径12nm、BET比表面積302m2/g、SiOxのx=2.0)1.5gと、珪素粉末(市販品、平均一次粒径40nm、BET比表面積60m2/g、SiOxのx=0.024)0.075gとを混合して珪素酸化物粉末を得た。得られた珪素酸化物粉末にアスコルビン酸粉末4.0gを加え、メノウ乳鉢で乾式混合を5分間行った。次に、得られた混合粉にスポイトを用いて純水を添加しながら、30分間固練りして含水混合物を得た。この含水混合物を団子状(ボール状)に成形して、団子状含水混合物を得た。この団子状含水混合物をアルミナ製のこう鉢に入れて、150℃のホットプレートの上に1時間静置して、乾燥させて固化させた。得られた団子状固化物を、Ar雰囲気下1000℃で3時間保持し焼成した。得られた団子状焼成物をメノウ乳鉢で粉砕し、この粉砕によって得られた粉砕物を目開き20μmの篩にかけて粗大粒子を取り除いて負極活物質を得た。
(Example 1)
The negative electrode active material of Example 1 was obtained under the following conditions. 1.5 g of hydrophilic silicon dioxide powder (commercially available, average primary particle size: 12 nm, BET specific surface area: 302 m 2 / g, x = 2.0 of SiOx) and silicon powder (commercially available, average primary particle size: 40 nm, BET) Specific surface area of 60 m 2 / g, SiOx (x = 0.024) and 0.075 g were mixed to obtain a silicon oxide powder. 4.0 g of ascorbic acid powder was added to the obtained silicon oxide powder, and dry-mixed in an agate mortar for 5 minutes. Next, while adding pure water to the obtained mixed powder using a dropper, the mixture was kneaded for 30 minutes to obtain a water-containing mixture. This water-containing mixture was formed into a dumpling (ball shape) to obtain a dumped water-containing mixture. The hydrated mixture in a dumpling state was placed in an alumina mortar, allowed to stand on a hot plate at 150 ° C. for 1 hour, dried and solidified. The obtained dumpling-like solid was held at 1000 ° C. for 3 hours in an Ar atmosphere and fired. The obtained dumpling-like fired product was pulverized in an agate mortar, and the pulverized product obtained through the pulverization was sieved through a 20 μm sieve to remove coarse particles to obtain a negative electrode active material.
(充放電試験)
得られた負極活物質77質量%、平均粒子径3μmのグラファイト15質量%、ポリイミド8質量%を、N-メチルピロリドンに懸濁してスラリーを調製した。このスラリーを厚さ12μmの銅箔上に塗布して圧延した後、250℃で2時間、Arガス中にて熱処理して、スラリーを乾燥させて、銅箔上に負極合剤層を形成した。次いで、負極合剤層付の銅箔を、所定のサイズに裁断した後、100℃で12時間、真空乾燥して、試験電極を得た。
(Charge and discharge test)
A slurry was prepared by suspending 77% by mass of the obtained negative electrode active material, 15% by mass of graphite having an average particle diameter of 3 μm, and 8% by mass of polyimide in N-methylpyrrolidone. This slurry was applied on a copper foil having a thickness of 12 μm and rolled, and then heat-treated at 250 ° C. for 2 hours in Ar gas to dry the slurry and form a negative electrode mixture layer on the copper foil. . Next, the copper foil with the negative electrode mixture layer was cut into a predetermined size, and then dried in vacuum at 100 ° C. for 12 hours to obtain a test electrode.
上記の試験電極と、対極および参照極として金属リチウム箔と、電解液とを用いて、アルゴン雰囲気中で電池を製造し、この電池について充放電試験を行った。電解液としては、ECとDECとを体積比で1:2(EC:DEC)の割合で含む混合溶媒にLiPF6を1Mの濃度で溶解させた溶液を用いた。
充放電試験の条件は、次のとおりとした。
初回の充放電は、電圧(参照極と試験電極間の電位差)が0.01Vとなるまで1mA/cm2の電流密度で充電し、さらに電圧を0.01Vに維持して24時間の定電圧充電を行い、その後、電圧が1.5Vとなるまで1mA/cm2の電流密度で放電した。このときの放電容量を初回放電容量とした。
二回目以降の充放電は、電圧が0.01Vとなるまで1mA/cm2の電流密度で充電して、電圧が1.5Vとなるまで1mA/cm2の電流密度で放電するサイクルを行い、放電容量の推移を測定した。放電容量が初回放電容量の80%を維持することができたサイクル数をサイクル寿命とし、評価を行った。
A battery was manufactured in an argon atmosphere using the test electrode, the metal lithium foil as a counter electrode and a reference electrode, and an electrolytic solution, and a charge / discharge test was performed on the battery. As the electrolytic solution, a solution in which LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1 M in a mixed solvent containing EC and DEC at a volume ratio of 1: 2 (EC: DEC) was used.
The conditions of the charge / discharge test were as follows.
In the first charge / discharge, the battery is charged at a current density of 1 mA / cm 2 until the voltage (potential difference between the reference electrode and the test electrode) becomes 0.01 V, and the voltage is maintained at 0.01 V and the constant voltage for 24 hours. The battery was charged and then discharged at a current density of 1 mA / cm 2 until the voltage reached 1.5 V. The discharge capacity at this time was defined as the initial discharge capacity.
The second and subsequent charge / discharge cycles are performed by charging at a current density of 1 mA / cm 2 until the voltage becomes 0.01 V and discharging at a current density of 1 mA / cm 2 until the voltage becomes 1.5 V. The transition of the discharge capacity was measured. The cycle number at which the discharge capacity was able to maintain 80% of the initial discharge capacity was defined as the cycle life, and the evaluation was performed.
(N2吸着法による細孔分布測定)
得られた負極活物質に対し、前記の方法でN2吸着法による細孔分布測定を行った。具体的には負極活物質試料0.2−0.5gを1/2インチインチセルに採取し、まず前処理として島津製作所-マイクロメリティックス社製バキュプレップにより温度約200℃で約15時間減圧乾燥による脱ガス処理を行った後、島津製作所-マイクロメリティックス社製トライスターII3020を用いて測定を行った。結果として得られた吸脱着等温線を図2に示す。これにより、脱着等温線における前記傾きaおよび傾きa’を得た。
(Pore distribution measurement by N 2 adsorption method)
To the negative electrode active material obtained was subjected to pore distribution measurement by N 2 adsorption method in the above method. Specifically, 0.2-0.5 g of the negative electrode active material sample was collected in a 1/2 inch cell, and firstly, as a pretreatment, a temperature was about 200 ° C. for about 15 hours by a vacuprep manufactured by Shimadzu Corporation-Micromeritics Co., Ltd. After performing degassing treatment by drying under reduced pressure, the measurement was performed using Tristar II3020 manufactured by Shimadzu Corporation-Micromeritics Co., Ltd. The resulting adsorption-desorption isotherm is shown in FIG. Thus, the slope a and the slope a ′ in the desorption isotherm were obtained.
(活物質内部の構造観察)
実施例1において得られた試験電極について、電極をイオンミリング法で薄片化した後、TEMによる観察を行い、負極活物質内に珪素酸化物粒子が分散した状態を確認し、その平均一次粒径を得た。結果として得られた画像を図1に示す。装置は日本電子製JEM−200CXを用い、加速電圧は200kVとした。
(Structural observation inside the active material)
The test electrode obtained in Example 1 was sliced by an ion milling method, and then observed by TEM to confirm that silicon oxide particles were dispersed in the negative electrode active material. I got The resulting image is shown in FIG. The device used was JEM-200CX manufactured by JEOL Ltd., and the accelerating voltage was 200 kV.
(組成分析)
実施例1において得られた負極活物質中のO/Si(原子モル比)を元素組成分析に基づき算出した。元素組成分析の具体的な方法は、アルカリ融解−ICP発光分光分析法により活物質中の珪素原子の含有割合を、不活性ガス融解−赤外線吸収法により酸素原子の含有割合をそれぞれ最初に求め、次にこの含有割合から原子モル比を計算した。これにより珪素原子が25.7重量%、酸素原子が25重量%の割合で含有されるという結果が得られ、O/Si(原子モル比)が2.0であると計算された。
(Composition analysis)
O / Si (atomic molar ratio) in the negative electrode active material obtained in Example 1 was calculated based on elemental composition analysis. The specific method of elemental composition analysis is to first determine the content of silicon atoms in the active material by alkali melting-ICP emission spectroscopy and the content of oxygen atoms by inert gas melting-infrared absorption, respectively. Next, the atomic molar ratio was calculated from this content ratio. As a result, a result was obtained in which silicon atoms were contained at a ratio of 25.7% by weight and oxygen atoms were contained at a ratio of 25% by weight, and O / Si (atomic molar ratio) was calculated to be 2.0.
以下の実施例および比較例については実施例1と異なる部分のみ説明し、その他の合成および評価手順については実施例1と同様に行ったので説明を省略する。なお、いずれの場合も実施例1同様に、珪素含有粒子が非晶質炭素中に分散していることが確認された。 In the following Examples and Comparative Examples, only portions different from Example 1 will be described, and other synthesis and evaluation procedures are performed in the same manner as in Example 1, and thus description thereof will be omitted. In each case, as in Example 1, it was confirmed that the silicon-containing particles were dispersed in the amorphous carbon.
(実施例2)
アスコルビン酸粉末の代わりにスクロース粉末を3.8g用いたこと以外は、実施例1と同様にして負極活物質を得た。
(Example 2)
A negative electrode active material was obtained in the same manner as in Example 1, except that 3.8 g of sucrose powder was used instead of ascorbic acid powder.
(実施例3)
次のような条件で珪素と二酸化珪素の混合粉末をプラズマ加熱し、珪素酸化物粉末を得た。珪素は約5μmの市販品粉末、二酸化珪素は約4μmの市販品粉末を用いた。混合粉末は、珪素と二酸化珪素とをモル比が3:1(珪素:二酸化珪素)になるように混合して調製した。プラズマ加熱においては、プラズマ加熱装置内に8000℃の領域を存在させ、混合粉末をフィーダーにより前記の領域の上部から落下させ、前記の領域を通過させた。加熱により気化した混合粉末は、前記の領域を通過した後、急冷され、析出した。得られた珪素酸化物粉末は、平均一次粒径が14nm、BET比表面積が268m2/g、SiOxのxが0.70であった。
この珪素酸化物粉末1.5gにアスコルビン酸粉末4.0gを加え、メノウ乳鉢で乾式混合を5分間行った。次に、得られた混合粉にスポイトを用いてエタノールを添加し、30分間固練りして含エタノール混合物を行った。固練りの際は、エタノールが蒸発するのに応じて適宜エタノールを添加した。この含エタノール混合物を団子状に成形して、団子状含エタノール混合物を得た。この団子状含エタノール混合物をアルミナ製のこう鉢に入れて、150℃のホットプレートの上に1時間静置して、乾燥させて固化させた。得られた団子状固化物を、Ar雰囲気下1000℃で3時間保持し焼成した。得られた団子状焼成物をメノウ乳鉢で粉砕し、この粉砕によって得られた粉砕物を目開き20μmの篩にかけて粗大粒子を取り除いて負極活物質を得た。
(Example 3)
The mixed powder of silicon and silicon dioxide was plasma-heated under the following conditions to obtain a silicon oxide powder. Silicon was a commercially available powder of about 5 μm, and silicon dioxide was a commercially available powder of about 4 μm. The mixed powder was prepared by mixing silicon and silicon dioxide at a molar ratio of 3: 1 (silicon: silicon dioxide). In the plasma heating, an area of 8000 ° C. was present in the plasma heating apparatus, and the mixed powder was dropped from above the area by a feeder and passed through the area. After passing through the above-mentioned region, the mixed powder vaporized by heating was quenched and precipitated. The obtained silicon oxide powder had an average primary particle size of 14 nm, a BET specific surface area of 268 m 2 / g, and x of SiOx was 0.70.
4.0 g of ascorbic acid powder was added to 1.5 g of this silicon oxide powder, and dry-mixed in an agate mortar for 5 minutes. Next, ethanol was added to the obtained mixed powder using a dropper and kneaded for 30 minutes to obtain an ethanol-containing mixture. At the time of stiffening, ethanol was appropriately added as the ethanol evaporated. This ethanol-containing mixture was shaped into a dumpling to obtain a dumpling-like ethanol-containing mixture. This ethanolic mixture containing dumplings was put in an alumina mortar, allowed to stand on a hot plate at 150 ° C. for 1 hour, dried and solidified. The obtained dumpling-like solid was held at 1000 ° C. for 3 hours in an Ar atmosphere and fired. The obtained dumpling-like fired product was pulverized in an agate mortar, and the pulverized product obtained through the pulverization was sieved through a 20 μm sieve to remove coarse particles to obtain a negative electrode active material.
(実施例4)
実施例1と同じく親水性の二酸化珪素粉末(市販品、平均一次粒径12nm、BET比表面積302m2/g、SiOxのx=2.0)1.5gと、珪素粉末(市販品、平均一次粒径40nm、BET比表面積60m2/g、SiOxのx=0.024)0.075gとを混合して珪素酸化物粉末を得た。得られた珪素酸化物粉末にアスコルビン酸粉末4.0gを加え、メノウ乳鉢で乾式混合を5分間行った。次に、この混合粉に25gの純水を加え、ZrO2ボールを用い、遊星ボールミルにて解砕・混合処理を行い、スラリーを調製した。そのスラリーを、減圧ろ過してZrO2ボールを取り除き、金属容器にろ過済みスラリーを厚みが5mm以下になるように移し、80℃にて10時間静置して、乾燥させた。得られた乾燥物を、アルミナ製のこう鉢に移し150℃のホットプレートの上に1時間静置し、さらに乾燥させて、固化させた。得られた固化物を、Ar雰囲気下1000℃で3時間保持し焼成した。得られた焼成物をメノウ乳鉢で粉砕し、この粉砕によって得られた粉砕物を目開き20μmの篩にかけて粗大粒子を取り除いて負極活物質を得た。
(Example 4)
As in Example 1, 1.5 g of hydrophilic silicon dioxide powder (commercially available, average primary particle size: 12 nm, BET specific surface area: 302 m 2 / g, x = 2.0 of SiOx) and silicon powder (commercially available, average primary A silicon oxide powder was obtained by mixing a particle diameter of 40 nm, a BET specific surface area of 60 m 2 / g, and SiOx (x = 0.024) of 0.075 g. 4.0 g of ascorbic acid powder was added to the obtained silicon oxide powder, and dry-mixed in an agate mortar for 5 minutes. Next, 25 g of pure water was added to the mixed powder, and crushing and mixing were performed using a ZrO 2 ball with a planetary ball mill to prepare a slurry. The slurry was filtered under reduced pressure to remove ZrO 2 balls, and the filtered slurry was transferred to a metal container so that the thickness became 5 mm or less, allowed to stand at 80 ° C. for 10 hours, and dried. The obtained dried product was transferred to an alumina mortar, allowed to stand on a hot plate at 150 ° C. for 1 hour, and further dried and solidified. The obtained solid was held at 1000 ° C. for 3 hours in an Ar atmosphere and fired. The obtained calcined product was pulverized in an agate mortar, and the pulverized product obtained by the pulverization was sieved through a 20 μm sieve to remove coarse particles to obtain a negative electrode active material.
(実施例5)
実施例1と同じく親水性の二酸化珪素粉末(市販品、平均一次粒径12nm、BET比表面積302m2/g、SiOxのx=2.0)1.5gと、珪素粉末(市販品、平均一次粒径40nm、BET比表面積60m2/g、SiOxのx=0.024)0.075gとを混合して珪素酸化物粉末を得た。得られた珪素酸化物粉末にアスコルビン酸粉末4.0gを加え、メノウ乳鉢で乾式混合を5分間行った。次に、この混合粉を固形状レゾール系フェノール樹脂3.0gを26gのエタノールに溶解させた溶液に加え、ZrO2ボールを用い、遊星ボールミルにて解砕・混合処理を行い、スラリーを調製した。そのスラリーを、減圧ろ過してZrO2ボールを取り除き、金属容器にろ過済みスラリーを厚みが5mm以下になるように移し、80℃で加熱して乾燥させ、この乾燥によって得られた乾燥物を150℃で1時間加熱して固化させた。得られた固化物を、アルミナ製のこう鉢に移し、Ar雰囲気下1000℃で3時間保持し焼成した。得られた焼成物をメノウ乳鉢で粉砕し、この粉砕によって得られた粉砕物を目開き20μmの篩にかけて粗大粒子を取り除いて負極活物質を得た。
(Example 5)
As in Example 1, 1.5 g of hydrophilic silicon dioxide powder (commercially available, average primary particle size: 12 nm, BET specific surface area: 302 m 2 / g, x = 2.0 of SiOx) and silicon powder (commercially available, average primary A silicon oxide powder was obtained by mixing a particle diameter of 40 nm, a BET specific surface area of 60 m 2 / g, and SiOx (x = 0.024) of 0.075 g. 4.0 g of ascorbic acid powder was added to the obtained silicon oxide powder, and dry-mixed in an agate mortar for 5 minutes. Next, this mixed powder was added to a solution prepared by dissolving 3.0 g of a solid resol-based phenol resin in 26 g of ethanol, and crushed and mixed by a planetary ball mill using ZrO 2 balls to prepare a slurry. . The slurry is filtered under reduced pressure to remove the ZrO 2 balls, the filtered slurry is transferred to a metal container so that the thickness becomes 5 mm or less, and the slurry is heated and dried at 80 ° C. C. for 1 hour to solidify. The obtained solid was transferred to an alumina mortar, and kept at 1000 ° C. for 3 hours in an Ar atmosphere and fired. The obtained calcined product was pulverized in an agate mortar, and the pulverized product obtained by the pulverization was sieved through a 20 μm sieve to remove coarse particles to obtain a negative electrode active material.
(実施例6)
固形状レゾール系フェノール樹脂の代わりに液状レゾール系樹脂5.2gを用いたこと以外は、実施例5と同様にして負極活物質を得た。
(Example 6)
A negative electrode active material was obtained in the same manner as in Example 5, except that 5.2 g of a liquid resol-based resin was used instead of the solid resol-based phenol resin.
(比較例1)
固練りで用いる液を純水の代わりに、純水とエタノールを重量比1:2で混合した混合液を用いたこと以外は実施例1と同じ方法で負極活物質を得た。
(Comparative Example 1)
A negative electrode active material was obtained in the same manner as in Example 1 except that the liquid used for stiffening was replaced by pure water and a mixture of ethanol and ethanol at a weight ratio of 1: 2.
(比較例2)
親水性の二酸化珪素粉末(市販品、平均一次粒径12nm、BET比表面積302m2/g、SiOxのx=2.0)の代わりに親水性の二酸化珪素粉末(市販品、平均一次粒径33nm、BET比表面積49m2/g、SiOxのx=2.0)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして負極活物質を得た。
(Comparative Example 2)
Instead of hydrophilic silicon dioxide powder (commercially available, average primary particle size 12 nm, BET specific surface area 302 m 2 / g, x of SiOx = 2.0), hydrophilic silicon dioxide powder (commercially available, average primary particle size 33 nm) And a BET specific surface area of 49 m 2 / g, x of SiOx = 2.0), except that a negative electrode active material was obtained in the same manner as in Example 1.
(比較例3)
固練りで用いる液をエタノールの代わりにエタノールと純水を重量比1:1で混合した液を用いたこと以外は、実施例3と同様にして負極活物質を得た。
(Comparative Example 3)
A negative electrode active material was obtained in the same manner as in Example 3, except that the liquid used for the stiffening was a mixture of ethanol and pure water at a weight ratio of 1: 1 instead of ethanol.
(比較例4)
金属容器にろ過済みスラリーを厚みが5mm以下になるように移す代わりに厚みが40mm程度になるように移したこと以外は、実施例5と同じ方法で負極活物質を得た。
(Comparative Example 4)
A negative electrode active material was obtained in the same manner as in Example 5, except that the filtered slurry was transferred to a metal container so that the thickness became about 40 mm instead of being transferred to a thickness of 5 mm or less.
実施例1〜6および比較例1〜4の負極活物質に関し、脱着等温線中の傾きa、傾きa’、活物質中の珪素酸化物粒子の平均一次粒径、SiOxのxの値、初回放電容量、およびサイクル寿命を表1に示す。活物質内部の構造観察により、すべての活物質内に珪素酸化物粒子が分散していることが確認された。傾きaがマイナスであり、傾きa’がプラスであるが傾きa’の絶対値が傾きaの絶対値より小さい例として実施例5のN2吸着法による細孔分布測定における吸脱着等温線を図8に示す。また、傾きaがプラスである例として比較例4のN2吸着法による細孔分布測定における吸脱着等温線を図9に示す。 Regarding the negative electrode active materials of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4, the slope a and the slope a ′ in the desorption isotherm, the average primary particle diameter of the silicon oxide particles in the active material, the value of x in SiOx, and the first time Table 1 shows the discharge capacity and the cycle life. Observation of the structure inside the active material confirmed that silicon oxide particles were dispersed in all the active materials. As an example in which the slope a is negative and the slope a ′ is positive, but the absolute value of the slope a ′ is smaller than the absolute value of the slope a, the adsorption / desorption isotherm in the pore distribution measurement by the N 2 adsorption method in Example 5 is shown. As shown in FIG. FIG. 9 shows an adsorption / desorption isotherm in the pore distribution measurement by the N 2 adsorption method of Comparative Example 4 as an example in which the slope a is positive.
実施例1、2、4、5、6および比較例1、4は、活物質中の珪素酸化物粒子の平均一次粒径、SiOxのxの値、および初回放電容量で大きな差がなく、それらと比較例2はSiOxのxの値、および初回放電容量で大きな差がないが、傾きaがマイナスである実施例1、2、4、5、6のサイクル寿命に対し、傾きaがプラスである比較例1、2、4のサイクル寿命は低いものであった。また、実施例3と比較例3は、活物質中の珪素酸化物粒子の平均一次粒径、SiOxのxの値、および初回放電容量に大きな差がないが、傾きaがマイナスである実施例3のサイクル寿命に対し、傾きaがプラスである比較例3のサイクル寿命は低いものであった。 In Examples 1, 2, 4, 5, 6 and Comparative Examples 1 and 4, there was no significant difference in the average primary particle diameter of the silicon oxide particles in the active material, the value of x in SiOx, and the initial discharge capacity. In Comparative Example 2 and Comparative Example 2, there is no significant difference in the value of x of SiOx and the initial discharge capacity, but the cycle a of Examples 1, 2, 4, 5, and 6 in which the slope a is minus is larger than the cycle life of Examples 1, 2, 4, 5, and 6. The cycle life of Comparative Examples 1, 2, and 4 was low. In Example 3 and Comparative Example 3, there is no significant difference in the average primary particle diameter of the silicon oxide particles in the active material, the value of x in SiOx, and the initial discharge capacity, but the slope a is negative. The cycle life of Comparative Example 3, in which the slope a was positive, was lower than that of Comparative Example 3.
以上、実施形態について説明したが、実施形態はこれらに限られず、特許請求の範囲に記載の発明の要旨の範疇において様々に変更可能である。また、実施する形態は、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。 Although the embodiments have been described above, the embodiments are not limited to these, and various changes can be made within the scope of the invention described in the claims. Further, the embodiment can be variously modified in the implementation stage without departing from the scope of the invention. Furthermore, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the above embodiments.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are provided by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in other various forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and equivalents thereof.
1…珪素酸化物粒子、2…炭素質物、100…負極、101…負極集電体、102…負極合剤層、200…非水電解質二次電池、201…捲回電極群、202…外装材、203…負極、203a…負極集電体、203b…負極合剤層、204…セパレータ、205…正極、205a…正極集電体、205b…正極合剤層、206…負極端子、207…正極端子、300…非水電解質二次電池、301…積層型電極群、302…外装材、303…正極、303a…正極集電体、303b…正極合剤層、304…負極、304a…負極集電体、304b…負極合剤層、305…セパレータ、306…負極端子、307…正極端子、400…電池パック、401…単電池、402…粘着テープ、403…組電池、404…プリント配線基板、405…サーミスタ、406…保護回路、407…通電用端子、408…正極側リード、409…正極側コネクタ、410…負極側リード、411…負極側コネクタ、412…配線、413…配線、414a…プラス側配線、414b…マイナス側配線、415…配線、416…保護シート、417…収納容器、418…蓋 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Silicon oxide particle, 2 ... Carbonaceous material, 100 ... Negative electrode, 101 ... Negative electrode collector, 102 ... Negative electrode mixture layer, 200 ... Non-aqueous electrolyte secondary battery, 201 ... Wound electrode group, 202 ... Exterior material 203, negative electrode, 203a, negative electrode current collector, 203b, negative electrode mixture layer, 204, separator, 205, positive electrode, 205a, positive electrode current collector, 205b, positive electrode mixture layer, 206, negative electrode terminal, 207, positive electrode terminal , 300: non-aqueous electrolyte secondary battery, 301: stacked electrode group, 302: exterior material, 303: positive electrode, 303a: positive electrode current collector, 303b: positive electrode mixture layer, 304: negative electrode, 304a: negative electrode current collector , 304b negative electrode mixture layer, 305 separator, 306 negative electrode terminal, 307 positive electrode terminal, 400 battery pack, 401 unit cell, 402 adhesive tape, 403 battery pack, 404 printed wiring board, 405 Thermistor, 406: protection circuit, 407: conducting terminal, 408: positive lead, 409: positive connector, 410: negative lead, 411: negative connector, 412: wiring, 413: wiring, 414a: positive wiring 414b ... wiring on the minus side, 415 ... wiring, 416 ... protection sheet, 417 ... storage container, 418 ... lid
Claims (8)
前記珪素酸化物粒子の平均一次粒径は3nm以上50nm以下であり、
N2吸着法による細孔分布測定におけるII型の脱着等温線において、P/P0が0.5より大きい初めの測定点とP/P0が0.7より小さい初めの測定点を結んだ直線の傾きaがマイナスである非水電解質電池用活物質。 Silicon oxide particles composed of silicon and silicon oxide, or silicon oxide, and having a composition formula represented by SiOx (0.1 ≦ x ≦ 2) and a carbonaceous material;
The average primary particle size of the silicon oxide particles is 3 nm or more and 50 nm or less,
In the type II desorption isotherm in the pore distribution measurement by the N 2 adsorption method, the first measurement point where P / P 0 was larger than 0.5 and the first measurement point where P / P 0 was smaller than 0.7 were connected. An active material for a non-aqueous electrolyte battery in which the slope a of the straight line is negative.
前記電極合剤層が請求項1乃至4のいずれか1項に記載の非水電解質電池用活物質、導電剤および結着剤を含有する非水電解質電池用電極。 A current collector, and an electrode mixture layer formed on one or both surfaces of the current collector,
An electrode for a non-aqueous electrolyte battery, wherein the electrode mixture layer contains the active material for a non-aqueous electrolyte battery according to claim 1, a conductive agent, and a binder.
前記負極は、請求項5に記載の非水電解質電池用電極からなる非水電解質電池。 An exterior material, a positive electrode housed in the exterior material, a negative electrode housed in the exterior material through a separator, spatially separated from the positive electrode, and a non-electrode filled in the exterior material. And a water electrolyte,
A non-aqueous electrolyte battery comprising the non-aqueous electrolyte battery electrode according to claim 5.
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