JP6635616B2 - Positive electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery and battery using the same - Google Patents

Positive electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery and battery using the same Download PDF

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Description

本発明は、非水電解質二次電池用の正極及びこれを用いた電池に関する。   The present invention relates to a positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery and a battery using the same.

二次電池の利用分野は、電子機器から自動車、大型蓄電システムなどへと展開しており、その市場規模は10兆円以上の産業に成長することが期待される。とりわけ、スマートフォン、タブレット型端末などの情報通信機器が、めざましい普及を遂げ、全世界の普及率は3割を超えた。   Applications of secondary batteries are expanding from electronic devices to automobiles and large power storage systems, and the market scale is expected to grow to an industry of 10 trillion yen or more. In particular, information communication devices such as smartphones and tablet terminals have been remarkably spread, and the global penetration rate has exceeded 30%.

加えて、二次電池は、電気自動車(EV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)等をはじめとする次世代自動車の電源へと応用範囲も広がっている。また、二次電池は、2011年の東日本大震災を契機に、家庭用バックアップ電源、自然エネルギーの蓄電、負荷平準化などに用いられるようになり、二次電池の用途は拡大しつつある。このように、二次電池は、省エネルギー技術や新エネルギー技術の導入においても不可欠な存在である。   In addition, the application range of the secondary battery is expanding to a power source of a next-generation vehicle such as an electric vehicle (EV) and a plug-in hybrid vehicle (PHEV). Also, secondary batteries have been used for home backup power supplies, renewable energy storage, load leveling, and the like in the wake of the Great East Japan Earthquake of 2011, and the use of secondary batteries is expanding. As described above, the secondary battery is indispensable even in the introduction of energy saving technology and new energy technology.

従来、二次電池は、ニッケル−カドニウム電池やニッケル−水素電池などのアルカリ二次電池が主流であったが、小型、軽量、高電圧、メモリー効果なしという特徴から、非水電解質二次電池、特にリチウム二次電池(リチウムイオン電池)の使用が増大している。非水電解質二次電池は、正極、負極、セパレータ、電解液または電解質、電槽(収納ケース)から構成される。   Conventionally, secondary batteries have been mainly alkaline rechargeable batteries such as nickel-cadmium batteries and nickel-hydrogen batteries.However, due to their small size, light weight, high voltage, and no memory effect, non-aqueous electrolyte secondary batteries, In particular, the use of lithium secondary batteries (lithium ion batteries) is increasing. A non-aqueous electrolyte secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, a separator, an electrolytic solution or electrolyte, and a battery case (storage case).

正極や負極などの電極は、活物質、導電助剤、有機高分子バインダおよび集電体から構成される。一般的に、電極は、活物質、導電助剤、有機バインダを溶媒に混合してスラリー状にし、これを集電体上に塗工し、乾燥後、ロールプレスなどで圧延することによって製造される。   Electrodes such as a positive electrode and a negative electrode are composed of an active material, a conductive additive, an organic polymer binder, and a current collector. In general, an electrode is manufactured by mixing an active material, a conductive auxiliary agent, and an organic binder into a solvent to form a slurry, coating the slurry on a current collector, drying it, and rolling it by a roll press or the like. You.

電極を乾燥した後に圧延するのは、電極の活物質層、すなわち活物質、導電助剤、バインダからなる塗布層の体積を収縮させることで、導電助剤や集電体との接触面積を増大させるためである。これにより、活物質層の電子伝導ネットワークを強固に構築し、電子伝導性を向上させる。   Rolling after drying the electrode increases the contact area with the conductive assistant and the current collector by shrinking the volume of the active material layer of the electrode, that is, the coating layer composed of the active material, the conductive aid, and the binder. It is to make it. Thereby, the electron conduction network of the active material layer is firmly constructed, and the electron conductivity is improved.

バインダは、活物質と活物質、活物質と導電助剤、活物質と集電体、導電助剤と集電体などを結着するために用いられている。バインダは、溶媒に溶かし液体状のものを用いる「溶液型」と、固形分を溶媒中に分散させて用いる「分散型(エマルジョン・ラテックス型)」と、バインダ前駆体を熱や光で反応させて用いる「反応型」とに大別することができる。   The binder is used to bind the active material and the active material, the active material and the conductive auxiliary, the active material and the current collector, and the conductive auxiliary and the current collector. Binder precursor is reacted by heat or light with "solution type", which uses liquid form dissolved in solvent, and "dispersion type (emulsion / latex type)", which uses solid content dispersed in solvent. Can be roughly classified into the "reaction type" used.

また、バインダは、溶媒種によって水系と有機溶媒系に分けることができる。例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)は溶解型のバインダであり、電極スラリー作製時には、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)などの有機溶媒が使用される。スチレンブタジエンゴム(SBR)は分散型のバインダであり、水中にSBR微粒子を分散して用いられる。ポリイミド(PI)は反応型のバインダであり、PI前駆体をNMPなどの溶媒に溶解又は分散させ、加熱処理することでイミド化と架橋反応を進めて強靱なPIを得る。   Further, the binder can be classified into an aqueous solvent and an organic solvent according to the type of the solvent. For example, polyvinylidene fluoride (PVdF) is a soluble binder, and an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is used at the time of preparing the electrode slurry. Styrene butadiene rubber (SBR) is a dispersion type binder, and is used by dispersing SBR fine particles in water. Polyimide (PI) is a reactive binder. A PI precursor is dissolved or dispersed in a solvent such as NMP, and is subjected to heat treatment to promote imidization and a cross-linking reaction to obtain a tough PI.

バインダの分子量や置換基などによっても異なるが、溶解型のバインダには、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、エチレン−酢酸ビニル(EVA)などがある。また、分散型のバインダには、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ウレタンゴム、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ポリ酢酸ビニル(PVAc)、ニトロセルロースなどがある。反応型のバインダには、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリベンズイミダゾール(PBI)、ポリベンゾオキサゾール(PBO)などがある。   Although it differs depending on the molecular weight and the substituent of the binder, the soluble binder includes polyvinylidene fluoride (PVdF) and ethylene-vinyl acetate (EVA). Examples of the dispersion type binder include styrene butadiene rubber (SBR), polytetrafluoroethylene (PTFE), urethane rubber, polypropylene (PP), polyethylene (PE), polyvinyl acetate (PVAc), and nitrocellulose. Reactive binders include polyimide (PI), polyamide (PA), polyamideimide (PAI), polybenzimidazole (PBI), and polybenzoxazole (PBO).

また、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)をはじめとする有機溶媒系バインダは、環境に悪影響を及ぼす可能性があるとされているため、電極乾燥時には回収することが求められており、電極製造コストを上昇させる原因になっている。また、有機溶媒系バインダは、高温の電解液中で膨潤して電極抵抗を増大させるため、高温環境下では使用しにくい。   In addition, since organic solvent-based binders such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) are considered to have an adverse effect on the environment, they are required to be collected when the electrodes are dried. This is a factor that increases manufacturing costs. Further, the organic solvent-based binder swells in a high-temperature electrolytic solution to increase the electrode resistance, and thus is difficult to use in a high-temperature environment.

水系の溶解型バインダは、耐酸化特性又は耐還元特性に劣り、繰り返しの充放電によって徐々に分解されるものが多く、十分な寿命特性が得られない。また、イオン伝導性が低いため、出力特性に欠ける。分散型バインダは、水を溶媒に使用できる長所を有するが、酸やアルカリの度合い(pH)、水分濃度または環境温度によって分散安定性が損なわれやすく、電極スラリーの混合中に偏析、凝集、沈殿などを起こしやすい。また、水中に分散したバインダ微粒子は、1〜800nmの粒径で、乾燥により水分を気化させると粒子同士が融着してフィルム化する。このフィルムは、電気伝導性とイオン伝導性がないため、わずかな使用量の違いで電池の出力特性や寿命特性に大きな影響を及ぼす。   Aqueous soluble binders are inferior in oxidation resistance or reduction resistance, are often gradually decomposed by repeated charge and discharge, and do not have sufficient life characteristics. Further, since the ion conductivity is low, the output characteristics are lacking. The dispersion type binder has the advantage that water can be used as a solvent, but the dispersion stability is easily impaired by the degree of acid or alkali (pH), the water concentration or the environmental temperature, and segregation, agglomeration, and precipitation during mixing of the electrode slurry. And so on. The binder fine particles dispersed in water have a particle diameter of 1 to 800 nm, and when moisture is vaporized by drying, the particles fuse to form a film. Since this film has neither electrical conductivity nor ionic conductivity, a slight difference in the amount used has a great effect on the output characteristics and life characteristics of the battery.

上記のような、溶解型や分散型のバインダでは、硫黄(S)、シリコン(Si)、スズ(Sn)、アルミニウム(Al)などの充放電に伴って激しい体積変化を起こす活物質と組み合わせた場合、安定した寿命特性が得られず、数サイクル程度で充放電容量が半分以下となる。   As described above, in the case of the dissolving or dispersing type binder, the active material is combined with an active material such as sulfur (S), silicon (Si), tin (Sn), and aluminum (Al) that undergoes a drastic volume change upon charging and discharging. In this case, stable life characteristics cannot be obtained, and the charge / discharge capacity becomes less than half in about several cycles.

一方、反応型バインダは、耐熱性、結着性、耐薬品性の全てにおいて優れている。特にPIは、高い耐熱性と結着性を示し、体積変化の大きい活物質であっても、安定した寿命特性を得ることができ、高温の電解液中でもバインダが膨潤しにくい。   On the other hand, the reactive binder is excellent in all of heat resistance, binding property and chemical resistance. In particular, PI exhibits high heat resistance and binding properties, can provide stable life characteristics even with an active material having a large volume change, and does not easily swell the binder even in a high-temperature electrolytic solution.

非特許文献1によれば、PIと高強度な集電体と組み合わせることで、集電体の劣化を防ぎ、さらなる寿命特性を改善できることが開示されている。   Non-Patent Document 1 discloses that by combining a PI with a high-intensity current collector, the current collector can be prevented from deteriorating, and the life characteristics can be further improved.

特許文献1によれば、正極と負極にPIを用いたLiFePO4/SiO系リチウムイオン二次電池が、120℃の高温でも安定に充放電することが可能であることが開示されている。一方、PIを用いると集電体との結着性に優れるので、体積変化の大きい活物質と組み合わせた場合、初期の充放電で集電体にしわや亀裂等を生じることがある。そのため、集電体に機械的強度が高い鉄箔やステンレス箔を用いる必要がある。 Patent Literature 1 discloses that a LiFePO 4 / SiO-based lithium ion secondary battery using PI for the positive electrode and the negative electrode can be stably charged and discharged even at a high temperature of 120 ° C. On the other hand, when PI is used, the current collector is excellent in binding property, and therefore, when combined with an active material having a large volume change, wrinkles and cracks may occur in the current collector during initial charge and discharge. Therefore, it is necessary to use iron foil or stainless steel foil having high mechanical strength for the current collector.

上記有機バインダの他、非水電解質二次電池の分野ではほとんど報告例がないが、特許文献2乃至4に、二次電池電極に無機バインダを用いた技術が開示されている。特許文献2には、無機バインダを含む非晶質炭素材料、導電剤、バインダおよび溶媒が含まれ、粘度が2000mPa・s以上10000mPa・s以下の範囲である非水電解質二次電池用電極合剤、電極および非水電解質二次電池が提案されている。また、無機バインダが含まれることで、バインダの分解反応を抑制できる場合があると示されている。   There are few reports in the field of non-aqueous electrolyte secondary batteries in addition to the organic binder described above, but Patent Documents 2 to 4 disclose techniques using an inorganic binder for the secondary battery electrode. Patent Literature 2 includes an amorphous carbon material containing an inorganic binder, a conductive agent, a binder, and a solvent, and has a viscosity in a range of 2,000 mPa · s to 10,000 mPa · s, which is an electrode mixture for a non-aqueous electrolyte secondary battery. , Electrodes and non-aqueous electrolyte secondary batteries have been proposed. In addition, it is described that the presence of an inorganic binder can suppress the decomposition reaction of the binder in some cases.

特許文献3および特許文献4には、無機バインダを用いて、物理的、化学的に安定なリチウムイオン電池が提供されている。一方、前述したように、一般的に電極は、活物質層(活物質、導電助剤、バインダからなる層)と集電体から構成されるが、活物質層上に活物質層とは異なる層を設ける場合もある。   Patent Literature 3 and Patent Literature 4 provide physically and chemically stable lithium ion batteries using an inorganic binder. On the other hand, as described above, an electrode is generally composed of an active material layer (a layer composed of an active material, a conductive auxiliary agent, and a binder) and a current collector, but is different from the active material layer on the active material layer. In some cases, a layer is provided.

例えば、特許文献5では、金属または半金属酸化物を主体とした層と少なくとも1層の水不溶性の粒子を含む補助層とを有する電極シートを用いた非水二次電池が提案されている。電極シートに設けられる補助層は、水不溶性の導電性粒子と結着剤から構成され、さらに実質的に導電性を持たない粒子を混合してもよいとされる。実質的に導電性を持たない粒子は、酸化物であり、酸性にもアルカリ性にも溶解する化合物を含む酸化物が好ましいとされる。なお、補助層に用いられる結着剤は、電極合剤を形成するときに用いる結着剤を用いることができると示されている。   For example, Patent Document 5 proposes a non-aqueous secondary battery using an electrode sheet having a layer mainly composed of a metal or a metalloid oxide and at least one auxiliary layer containing water-insoluble particles. The auxiliary layer provided on the electrode sheet is composed of water-insoluble conductive particles and a binder, and may further contain particles having substantially no conductivity. The particles having substantially no conductivity are oxides, and an oxide containing a compound that is soluble in both acidic and alkaline is preferable. It is shown that the binder used for forming the electrode mixture can be used as the binder used for the auxiliary layer.

かかる二次電池は、円筒型、角型、ラミネート型などの種々の形状の電池が広く普及している。そして、比較的小容量の電池には、耐圧性や封口の容易さの点から円筒型が採用され、比較的大容量の電池には、取扱いの容易性から角型が採用されている。   As such secondary batteries, batteries of various shapes such as a cylindrical type, a square type, and a laminated type are widely used. A relatively small-capacity battery has a cylindrical shape in terms of pressure resistance and ease of sealing, and a relatively large-capacity battery has a rectangular shape for ease of handling.

また、二次電池の電極構造に着目すれば、大別して、積層タイプと捲回タイプの2つのタイプが使用されている。すなわち積層タイプの電池は、正極と負極がセパレータを介して交互に積層された電極群が電池ケースに収納されている。積層タイプの電池の多くは、角型の電池ケースを有している。一方、捲回タイプの電池は、正極と負極がセパレータを挟みつつ渦巻状に巻き取られた状態で電池ケースに収納されている。捲回タイプの電池ケースは円筒型や角型のものがある。   In addition, focusing on the electrode structure of the secondary battery, two types, that is, a stacked type and a wound type are generally used. That is, in the stacked battery, an electrode group in which a positive electrode and a negative electrode are alternately stacked via a separator is housed in a battery case. Many of the stacked batteries have a rectangular battery case. On the other hand, a wound-type battery is housed in a battery case in a state where a positive electrode and a negative electrode are spirally wound with a separator interposed therebetween. The wound type battery case includes a cylindrical type and a square type.

特許5728721Patent 5728721 特許5293020Patent 5293020 特開平11−144736JP-A-11-144736 特開平10−523411JP-A-10-523411 国際公開第1996/027910WO 1996/027910

向井孝志ら、リチウムイオン電池活物質の開発と電極材料技術、サイエンス&テクノロジー株式会社、pp.269−311(2014)、ISBN:978−4−86428−089−1Takashi Mukai et al., Development of lithium ion battery active material and electrode material technology, Science & Technology Co., Ltd. 269-311 (2014), ISBN: 978-4-86428-089-1 柳田昌宏ら、第83回電気化学会講演要旨集、1T28、(2016)Masahiro Yanagida et al., Proc. 83rd IEICE Abstracts, 1T28, (2016)

上述したように、非特許文献1や特許文献1は、集電体に薄い銅箔などを用いた場合、しわや亀裂等が発生するため、電極として成立しない(図19参照)。一方、集電体に高強度の鉄箔やステンレス箔を用いれば、集電体が薄くてもしわや亀裂等の発生を起こしにくくすることはできる。しかし、集電体が非常に高強度で優れた靱性を有するので、電極の打ち抜き工程が困難であり、切断時に活物質層が脱落したり、切断面にバリが生じたりする。   As described above, Non-Patent Literature 1 and Patent Literature 1 cannot be formed as electrodes because wrinkles and cracks are generated when a thin copper foil or the like is used for the current collector (see FIG. 19). On the other hand, if a high-strength iron foil or stainless steel foil is used for the current collector, wrinkles, cracks, and the like can be suppressed from occurring even if the current collector is thin. However, since the current collector has very high strength and excellent toughness, the step of punching the electrode is difficult, and the active material layer may fall off during cutting, or burrs may be generated on the cut surface.

また、PIは、あまりにも耐薬品性に優れているため、ほとんど全ての有機溶媒に溶けない。したがって、電極スラリーの作製には、PI前駆体であるポリアミック酸(ポリアミド酸)などをNMPに溶解して用い、200℃以上で加熱処理し、イミド化反応(脱水環化反応)を進めてPIを得る。そして、イミド化反応後に、更に高い温度で熱処理することで架橋反応を起こし、機械的強度の高いPIが得られる。電極寿命の観点からは、熱処理温度は、PIが炭化しない程度まで高い温度で熱処理することが好ましい。しかし、200℃以上の熱処理は、電極の柔軟性が低下して取扱いが困難となるだけでなく、活物質や集電体表面の酸化が避けられず、不可逆容量の原因にもなる。また、高い温度での熱処理は、電極製造時における消費電力の上昇も招く。   Further, PI is so excellent in chemical resistance that it is insoluble in almost all organic solvents. Therefore, in preparing the electrode slurry, a PI precursor such as polyamic acid (polyamic acid) or the like is dissolved in NMP, and is heated at 200 ° C. or higher, and an imidization reaction (dehydration cyclization reaction) is performed to advance the PI. Get. Then, after the imidization reaction, a heat treatment is performed at a higher temperature to cause a crosslinking reaction, and PI having high mechanical strength is obtained. From the viewpoint of the electrode life, it is preferable that the heat treatment is performed at a high temperature until the PI is not carbonized. However, heat treatment at 200 ° C. or higher not only reduces the flexibility of the electrode and makes handling difficult, but also inevitably oxidizes the active material and the surface of the current collector and causes irreversible capacity. In addition, heat treatment at a high temperature also causes an increase in power consumption during electrode production.

一部、イミド化させてPIにした状態で溶媒中に分散したPIバインダも存在するが、スラリーへの添加時に予めイミド化してあるものを用いると、密着強度が劣った電極となり、寿命特性に劣る。また、PIをはじめとする反応型バインダの多くは、初期充電時にアルカリ金属イオンを吸蔵するが、放電時には取り出せず、不可逆容量の原因となる。例えば、分子構造にもよるが、PIは、500〜1000mAh/gもの不可逆容量を有する。そのため、反応型バインダを使用した電極は、初期充放電効率が低く、電池容量が大きく低下することとなる。   In some cases, there is a PI binder dispersed in a solvent in the state of being imidized to form a PI.However, when a preliminarily imidized one is used at the time of addition to a slurry, an electrode having poor adhesion strength is obtained, resulting in poor life characteristics. Inferior. Further, many reactive binders such as PI occlude alkali metal ions at the time of initial charging, but cannot take them out at the time of discharging, which causes irreversible capacity. For example, depending on the molecular structure, PI has an irreversible capacity of 500-1000 mAh / g. Therefore, the electrode using the reactive binder has a low initial charge / discharge efficiency, and the battery capacity is greatly reduced.

ところで、電池の安全性を確認するために、釘刺し試験が行われている。満充電の電池に釘を刺すと、公称容量1Ahクラスの電池であっても600℃を超える発熱が観測されることがある。非特許文献1には、Si系活物質を用いた電池が、電池の釘刺し安全性に大きく改善されることが示されている。また、Si系負極と耐熱性不織布セパレータを用いた電池は、安全性がさらに改善されることが示されている。   By the way, a nail penetration test is performed to confirm the safety of the battery. When a nail is inserted into a fully charged battery, heat generation exceeding 600 ° C. may be observed even in a battery having a nominal capacity of 1 Ah class. Non-Patent Document 1 discloses that a battery using a Si-based active material is greatly improved in nail penetration safety of the battery. Further, it has been shown that a battery using a Si-based negative electrode and a heat-resistant nonwoven fabric separator has further improved safety.

非特許文献2では、この現象について検討されており、電極の活物質層の電子伝導性が高いと釘刺し時の電池及び釘の発熱温度は高くなり、電極活物質層の電子伝導性が低いと釘刺し時の電池及び釘の発熱温度も低くなるという結果が示されている。すなわち、電極活物質層の電子伝導性が電池の釘刺し安全性に大きく寄与する。活物質層の電子伝導性が高いと、釘を介して流れる電流値が大きくなり、釘と電池の発熱量も増大し、電子伝導性が低いと、釘を介して流れる電流値が小さくなり、単位時間当たりの発熱量が少なくなる。   Non-Patent Document 2 discusses this phenomenon. If the electron conductivity of the active material layer of the electrode is high, the heat generation temperature of the battery and the nail at the time of nail penetration increases, and the electron conductivity of the electrode active material layer is low. The results show that the temperature at which the battery and the nail generate heat when the nail is pierced also decreases. That is, the electron conductivity of the electrode active material layer greatly contributes to the safety of the battery in piercing. If the electron conductivity of the active material layer is high, the current value flowing through the nail increases, and the calorific value of the nail and the battery also increases.If the electron conductivity is low, the current value flowing through the nail decreases, The amount of heat generated per unit time is reduced.

合金系の活物質は、アルカリ金属と合金化すると電子伝導性を向上させる。例えば、放電状態のSiは半導体であり、電子伝導率が低い状態にあるが、充電状態のLixSi合金(0<x≦4.4)は導体であり、電子伝導率が高い状態となる。すなわち、Si系負極では、内部短絡によって短絡部分のSi系活物質が脱リチウム化し、電極の電子伝導率が急激に低下し、電流を遮断することで、電池の温度上昇を抑制できるものと考えられる。   An alloy-based active material improves electron conductivity when alloyed with an alkali metal. For example, Si in a discharged state is a semiconductor and has a low electron conductivity, whereas a LixSi alloy in a charged state (0 <x ≦ 4.4) is a conductor and has a high electron conductivity. That is, in the case of the Si-based negative electrode, it is considered that the internal short-circuit causes the lithium-based active material in the short-circuited portion to be delithiated, the electron conductivity of the electrode to be rapidly reduced, and the current to be cut off, thereby suppressing the battery temperature rise. Can be

しかし、活物質層中における導電助剤量が多い電極や、導電性の高い材料を活物質に被覆あるいは複合化したような材料を用いた電極では、活物質層の電子伝導性が高くなり、たとえSi系材料を用いたとしても、上記のような電流遮断機構が機能しにくく、電池の温度上昇を十分に抑制できない。そのため、安全性を重視した電池を設計するには、活物質層の導電性の低い電極を用いらなければならなかった。逆にいえば、安全性を重視した電極組成では、電子伝導性が低いため、低出力な電池になる可能性が高い。   However, in an electrode having a large amount of the conductive additive in the active material layer, or an electrode using a material in which a material having high conductivity is coated or compounded with the active material, the electron conductivity of the active material layer is increased, Even if a Si-based material is used, the above-described current interruption mechanism is difficult to function, and the battery temperature rise cannot be sufficiently suppressed. Therefore, in order to design a battery with an emphasis on safety, an electrode having a low conductivity in the active material layer had to be used. Conversely, an electrode composition that emphasizes safety has a low possibility of producing a low-output battery because of low electron conductivity.

活物質層の電子伝導性の低い電極を用いた電池であっても、内部短絡時の一瞬の発熱をなくすことはできないので、この発熱でバインダが炭化すると、電極の電子伝導性が高くなり、安全性は損なわれることになる。いくら耐熱性に優れる有機系の反応型バインダであっても、耐熱温度は400℃程度が限界であり、内部短絡による温度上昇がバインダの耐熱温度を超えると炭化するので、炭化しないバインダが求められている。   Even in a battery using an electrode with a low electron conductivity of the active material layer, instantaneous heat generation at the time of internal short circuit cannot be eliminated, so if the binder is carbonized by this heat generation, the electron conductivity of the electrode increases, Security will be compromised. Even organic reactive binders with excellent heat resistance are limited to a heat resistance temperature of about 400 ° C, and if the temperature rise due to internal short circuit exceeds the heat resistance temperature of the binder, carbonization occurs. ing.

また、活物質においては、一般的に、体積変化の小さい材料が良好な寿命特性を示すことが知られている。例えば、Siの充電反応(Si+4.4Li++4.4e-→Li4.4Si)では約4倍の体積変化を生じ、SiOの充電反応(SiO+8.4Li++8.4e-→Li4.4Si+Li4SiO4)では初期のLi4SiO4生成のための体積変化を除けば、約2.7倍の体積変化であるため、SiOはSiと比べて優れた寿命特性を示す。 In addition, it is generally known that a material having a small volume change exhibits good life characteristics among active materials. For example, in the charge reaction of Si (Si + 4.4Li ++ 4.4e− → Li 4.4 Si), a volume change of about 4 times occurs, and the charge reaction of SiO (SiO + 8.4Li ++ 8.4e− → Li 4.4 Si + Li 4 SiO 4). In (), since the volume change is about 2.7 times excluding the volume change for the initial generation of Li 4 SiO 4 , SiO exhibits excellent life characteristics compared to Si.

他の例としては、Siとアルミナを混合して用いた負極では、純Si負極と比べて、Si比が低下するにつれて、容量は低下するが、寿命特性は改善される傾向にある。アルミナはLiと不活性で充放電反応に寄与しないが、Siの体積変化の緩衝材になり、電極全体の体積変化を小さくすることができる。   As another example, in a negative electrode using a mixture of Si and alumina, as compared with a pure Si negative electrode, the capacity decreases as the Si ratio decreases, but the life characteristics tend to be improved. Alumina is inactive with Li and does not contribute to the charge / discharge reaction, but serves as a buffer for the volume change of Si, and can reduce the volume change of the entire electrode.

例えば、Si負極の充電反応は、下記の式1の反応により、充電前と比べて約4倍の体積変化が起こり、電極バインダにかかるストレスも約4倍となる。
Si+4.4Li++4.4e-→Li4.4Si ・・・・(式1)
For example, in the charging reaction of the Si negative electrode, due to the reaction of the following formula 1, the volume change occurs about four times as compared to before charging, and the stress applied to the electrode binder also becomes about four times.
Si + 4.4Li ++ 4.4e- → Li 4.4 Si ···· ( Equation 1)

Siと等モル量のAl23を加えた負極であれば、Al23がLiと不活性であるので、マクロ的視点では式(2)のような充電反応となる。このような電極であれば、純Siの電極と比べて電極の体積変化が半分になるので、電極バインダにかかるストレスも半分になる。したがって、Siよりも体積変化の小さな材料を混合した電極は、Si比は低下するにつれて、容量は低下するが、寿命特性は改善される傾向にあると予想される。
0.5Si+0.5Al23+2.2Li++2.2e-
→0.5Li4.4Si+0.5Al23 ・・・・(式2)
In the case of a negative electrode to which Al 2 O 3 is added in an equimolar amount to Si, Al 2 O 3 is inactive with Li, so that a charging reaction as shown in equation (2) is obtained from a macroscopic viewpoint. With such an electrode, the volume change of the electrode is halved as compared with a pure Si electrode, so that the stress applied to the electrode binder is also halved. Therefore, it is expected that an electrode in which a material whose volume change is smaller than that of Si is mixed, as the Si ratio decreases, the capacity will decrease but the life characteristics will tend to be improved.
0.5Si + 0.5Al 2 O 3 + 2.2Li ++ 2.2e -
→ 0.5Li 4.4 Si + 0.5Al 2 O 3 ··· (Equation 2)

しかし、実際の寿命特性では、若干の寿命改善効果はあるものの、各サイクルにおけるSiの劣化率はあまり変わらない結果となる。これは、ミクロ的視点では、Si粒子自体の体積変化は約4倍であるので、電極バインダにかかるストレスは式1と変わらず、結局、結着部に応力が集中するためである。特に、電極材料同士や電極材料と集電体がバインダで点接着されている電極だと、接着部が体積変化による応力を集中的に受け、結着性が失われて、電極の導電ネットワークが破壊されやすい。   However, in actual life characteristics, although there is a slight life improvement effect, the result is that the deterioration rate of Si in each cycle does not change much. This is because, from a microscopic point of view, since the volume change of the Si particle itself is about four times, the stress applied to the electrode binder is not different from the equation 1, and the stress is eventually concentrated on the binding portion. Particularly, in the case of electrodes in which electrode materials are mutually bonded or the electrode material and the current collector are point-bonded with a binder, the bonded portion is intensively subjected to stress due to a change in volume, the binding property is lost, and the conductive network of the electrodes is lost. Easy to be destroyed.

一方、バインダが面接着だと、結着部は応力を均一に分散するので、導電ネットワークは破壊されにくくなるが、バインダがイオンの動きを阻害するので、出力特性が低下する。バインダの種類にもよるが、点接着は、バインダ量が少ない場合に起こりやすく、面接着は、バインダ量が多い場合に起こりやすい。   On the other hand, if the binder is surface-bonded, the bonding portion uniformly disperses the stress, so that the conductive network is less likely to be broken. However, the output characteristics are degraded because the binder inhibits the movement of ions. Although depending on the type of binder, spot bonding is likely to occur when the amount of binder is small, and surface bonding is likely to occur when the amount of binder is large.

数あるバインダの中で、合金系活物質を安定に充放電できるバインダとしては、PIのような反応型に限られているのが現状である。ただし、反応型バインダは、スラリーの製造時に有機溶媒を使用し、熱処理工程は200℃以上が必要で、得られる電極にはバインダ由来の不可逆容量が大きく、安全性に関しても限界があった。   At present, among the various types of binders, a binder capable of stably charging and discharging the alloy-based active material is limited to a reactive type such as PI. However, the reactive binder uses an organic solvent during the production of the slurry, requires a heat treatment step of 200 ° C. or higher, and the resulting electrode has a large irreversible capacity derived from the binder, and has a limit in terms of safety.

また、反応型バインダだけでは、十分な寿命特性を発揮しにくく、SiOや高強度集電体箔などと組み合わせる必要があった。有機物は、融点は低く、有機溶媒に溶けやすく、可燃性であるが、無機物は、融点は高く、有機溶媒には溶けにくく、不燃性であり、且つ熱伝導度が高いことが知られている。したがって、無機物で構成されるバインダを用いることができれば、耐熱性が高く、耐電解液性と放熱性に優れた電極が得られる可能性が高い。   In addition, it is difficult for the reactive binder alone to exhibit sufficient life characteristics, and it has been necessary to combine it with SiO, a high-strength current collector foil, or the like. Organic substances have a low melting point, are easily soluble in organic solvents, and are flammable, while inorganic substances are known to have a high melting point, are difficult to dissolve in organic solvents, are nonflammable, and have high thermal conductivity. . Therefore, if a binder composed of an inorganic substance can be used, there is a high possibility that an electrode having high heat resistance and excellent in electrolyte resistance and heat dissipation can be obtained.

ただ、従来多くの無機バインダは非水電解質二次電池電極用に適合されていない。無機バインダは、ケイ酸塩系、リン酸塩系、ゾル系、セメント系の4種類に大別することができる。このうち、本発明者らは、金属、酸化物、およびカーボンのすべてに対して強い結着性と、1000℃以上の耐熱性を有するケイ酸塩系とリン酸塩系、特に、アルカリ金属ケイ酸塩系に注目した。   However, many inorganic binders have not been adapted for non-aqueous electrolyte secondary battery electrodes. Inorganic binders can be broadly classified into four types: silicate-based, phosphate-based, sol-based, and cement-based. Among them, the present inventors have proposed a silicate-based and phosphate-based, particularly alkali metal silicic acid, which have strong binding properties to all metals, oxides, and carbon and have heat resistance of 1000 ° C. or more. Attention was paid to the acid salt system.

ケイ酸塩系とは、アルカリ金属ケイ酸塩のほか、グアニジン化合物のケイ酸塩、アンモニウム化合物のケイ酸塩であってもよい。ケイ酸塩塩系無機バインダは、シロキサン結合(−Si−O−Si−)を有するケイ素(Si)と酸素(O)を主たる分子骨格とする化合物であり、炭素を主体とした骨格を有する有機バインダとは異なる(図21a参照)。   The silicate type may be a silicate of a guanidine compound or a silicate of an ammonium compound, in addition to the alkali metal silicate. A silicate salt-based inorganic binder is a compound having a silicon (Si) having a siloxane bond (-Si-O-Si-) and oxygen (O) as a main molecular skeleton, and an organic skeleton having a carbon-based skeleton. Different from the binder (see FIG. 21a).

また、シロキサン結合中のSiサイトの一部が、Al、Zr、Ti、Mg、Mo、Sr、Ca、Zn、Ba、B、W、Ta、Ce、Hf、Yなどの遷移金属元素で置換されていてもよい。   Further, a part of the Si site in the siloxane bond is replaced with a transition metal element such as Al, Zr, Ti, Mg, Mo, Sr, Ca, Zn, Ba, B, W, Ta, Ce, Hf, or Y. May be.

ケイ酸塩には、オルトケイ酸塩(A4SiO4)、メタケイ酸塩(A2SiO3)、ピロケイ酸塩(A6Si27)、二ケイ酸塩(A2Si25)、四ケイ酸塩(A2Si49)などの多ケイ酸塩や、A2Si25、A2Si37、A2Si49などの多くの種類が存在し、これらは水和物であってもよい。また、それらの構造については、結晶性ケイ酸塩と非結晶性ケイ酸塩に大別することができる(A=アルカリ金属元素または、グアニジン化合物、アンモニウム化合物)。このような、ケイ酸塩は、ケイ酸塩中のAの割合が増すにつれて、融点が低下する傾向にあり、同時に水への溶解性を示すことになる。 The silicate includes orthosilicate (A 4 SiO 4 ), metasilicate (A 2 SiO 3 ), pyrosilicate (A 6 Si 2 O 7 ), and disilicate (A 2 Si 2 O 5 ) , Polysilicates such as tetrasilicate (A 2 Si 4 O 9 ), and many types such as A 2 Si 2 O 5 , A 2 Si 3 O 7 , A 2 Si 4 O 9 , These may be hydrates. Further, their structures can be broadly classified into crystalline silicates and amorphous silicates (A = alkali metal element or guanidine compound, ammonium compound). Such a silicate tends to have a lower melting point as the proportion of A in the silicate increases, and at the same time shows solubility in water.

工業的には、ケイ酸塩は、ケイ酸塩中のAの割合が連続的に変化させることができ、任意の塩が調整可能であり、ケイ酸塩の一般的な分子式は、A2O・nSiO2なる形式で表される。 Industrially, silicates can have a continuously varying proportion of A in the silicate, any salt can be adjusted, and the general molecular formula of the silicate is A 2 O · NSiO represented by 2 of the form.

この分子骨格の違いにより、有機バインダよりも、高い耐熱性と耐酸化性を示し、防火剤、防水剤、漂白剤、洗剤、石鹸、コーティング剤、シーリング剤、土木地盤強化剤などの様々な分野で応用されているが、非水電解質二次電池の分野では、ほとんど報告例がない。   Due to this difference in molecular skeleton, it shows higher heat resistance and oxidation resistance than organic binder, and various fields such as fire retardant, waterproof agent, bleach, detergent, soap, coating agent, sealing agent, civil engineering ground reinforcement, etc. However, there are few reports in the field of non-aqueous electrolyte secondary batteries.

リン酸塩系とは、リン酸アルミニウム塩のほか、リン酸マグネシウム塩、リン酸カルシウム塩であってもよい。   The phosphate type may be a magnesium phosphate salt or a calcium phosphate salt in addition to the aluminum phosphate salt.

リン酸系無機バインダは、加熱によりヒドロキシル基から水がとれてリンと酸素の間に共有結合を生じ、脱水縮合反応が起こる。この脱水縮合反応は、遷移金属(M)を中心とした1つの分子につき、最大6箇所反応でき、3次元的に高分子化したリン酸遷移金属が得られる。すなわち、アルミノリン酸結合を有するリン(P)と酸素(O)、遷移金属(M)を主たる分子骨格とする化合物であり、炭素を主体とした骨格を有する有機バインダとは異なる(図21b参照)。   In the phosphate-based inorganic binder, water is removed from the hydroxyl group by heating to form a covalent bond between phosphorus and oxygen, and a dehydration condensation reaction occurs. This dehydration-condensation reaction can be performed at a maximum of six places per molecule centering on the transition metal (M), and a three-dimensionally polymerized transition metal phosphate can be obtained. That is, it is a compound having phosphorus (P) having an aluminophosphate bond, oxygen (O), and a transition metal (M) as a main molecular skeleton, which is different from an organic binder having a carbon-based skeleton (see FIG. 21B). .

また、遷移金属サイトの一部が、Al、Mg、Ca、Cu、Fe、Ba,Ti、Mn、Mo、Mg、Si、Sr、Ca、Zn、Ba、B、W、Ta、Ce、Hf、Yなどの遷移金属元素で置換されていてもよい。   Some of the transition metal sites are Al, Mg, Ca, Cu, Fe, Ba, Ti, Mn, Mo, Mg, Si, Sr, Ca, Zn, Ba, B, W, Ta, Ce, Hf, It may be substituted with a transition metal element such as Y.

具体的には、リン酸アルミニウム塩には、第一リン酸アルミニウム塩(Al(H2PO43)、リン酸水素アルミニウム塩(Al2(H2PO43)、メタリン酸アルミニウム(Al(PO33)がある。リン酸マグネシウム塩には、第一リン酸マグネシウム塩(Mg(H2PO43)、リン酸水素マグネシウム塩(MgHPO4)、メタリン酸マグネシウム(Mg(PO32)がある。リン酸カルシウム塩には、第一リン酸カルシウム塩(Ca(H2PO43)、リン酸水素カルシウム塩(CaHPO4)、リン酸三カルシウム塩(Ca3(H2PO42)、メタリン酸カルシウム(Ca(PO32)があり、これらは水和物であってもよい。それらの構造については、結晶性リン酸塩と非結晶性リン酸塩に大別することができる。 Specifically, aluminum phosphates include aluminum phosphate monobasic (Al (H 2 PO 4 ) 3 ), aluminum hydrogen phosphate (Al 2 (H 2 PO 4 ) 3 ), and aluminum metaphosphate ( Al (PO 3 ) 3 ). Magnesium phosphate salts include magnesium phosphate monobasic (Mg (H 2 PO 4 ) 3 ), magnesium hydrogen phosphate (MgHPO 4 ), and magnesium metaphosphate (Mg (PO 3 ) 2 ). Examples of the calcium phosphate salt include monocalcium phosphate salt (Ca (H 2 PO 4 ) 3 ), calcium hydrogen phosphate (CaHPO 4 ), tricalcium phosphate (Ca 3 (H 2 PO 4 ) 2 ), calcium metaphosphate ( Ca (PO 3 ) 2 ), which may be hydrates. Their structures can be broadly divided into crystalline phosphates and amorphous phosphates.

工業的には、リン酸塩は、リン酸塩中のMとPの割合が連続的に変化させることができ、任意の塩が調整可能であり、リン酸塩の一般的な分子式は、M・nHxPO4なる形式で表される(M=Alまたは、Mg、Ca)。 Industrially, phosphates can have a continuously varying ratio of M and P in the phosphate, any salt can be adjusted, and the general molecular formula of the phosphate is M - represented by NHxPO 4 of the form (M = Al or, Mg, Ca).

ゾル系とは、酸化物微粒子が水に分散したコロイド溶液である。酸化物の粒径は、10nm以上200nm以下であり、その表面にはヒドロキシル基が存在する。例えば、酸化物がSiO2である場合、脱水縮合により、シロキサン結合を形成するが、このシロキサン結合は、酸化物の粒子内部で形成されるため、ケイ酸系塩と比較すると結着力が弱い。また、pH管理が重要で、安定にゾル状態を維持しにくい問題がある。本発明においては、ゾル系は、活物質層内に浸透しにくいため、骨格形成剤としての使用は好ましくない。 The sol system is a colloid solution in which fine oxide particles are dispersed in water. The particle size of the oxide is 10 nm or more and 200 nm or less, and a hydroxyl group is present on the surface. For example, when the oxide is SiO 2 , a siloxane bond is formed by dehydration-condensation, but since the siloxane bond is formed inside the oxide particles, the binding force is weaker than that of a silicate salt. Further, there is a problem that pH control is important and it is difficult to stably maintain a sol state. In the present invention, since the sol-based material hardly penetrates into the active material layer, it is not preferable to use it as a skeleton-forming agent.

特許文献2は、バインダに無機バインダが含まれることで、バインダの分解反応を抑制できる場合があると示されている。これは、炭素材料(グラファイト、ソフトカーボン、ハードカーボンなど)が、0.1V(vs.Li+/Li)付近に充放電プラトー電位が
あり、電極が強い還元力をもつため、耐還元性に優れる無機バインダで分解反応を抑制しているものと思われる。
Patent Literature 2 discloses that when a binder includes an inorganic binder, a decomposition reaction of the binder may be suppressed in some cases. This is because the carbon material (graphite, soft carbon, hard carbon, etc.) has a charge / discharge plateau potential near 0.1 V (vs. Li + / Li), and the electrode has strong reducing power. It is considered that the decomposition reaction is suppressed by an excellent inorganic binder.

しかし、合金系材料は、炭素材料の充放電プラトー電位よりも高く、炭素系電極よりも還元力が弱いため、バインダの分解反応はあまり起こらない。そのため、バインダの分解反応を抑制しても合金系電極の寿命特性は大きく改善されない。   However, since the alloy-based material is higher than the charge / discharge plateau potential of the carbon material and has a lower reducing power than the carbon-based electrode, the decomposition reaction of the binder hardly occurs. Therefore, even if the decomposition reaction of the binder is suppressed, the life characteristics of the alloy-based electrode are not significantly improved.

また、特許文献2には、無機バインダは無機粒子を含み、無機粒子の粒径が1nm以上100nm以下であることが好ましく、より好ましくは1nm以上50nm以下、さらにより好ましくは1nm以上10nm以下である、と示されている。このような粒径とすることにより、電極合剤の分散性、接着力ともにより優れるバインダを得ることができると記載されている。   In Patent Document 2, the inorganic binder contains inorganic particles, and the particle diameter of the inorganic particles is preferably from 1 nm to 100 nm, more preferably from 1 nm to 50 nm, and still more preferably from 1 nm to 10 nm. , Is indicated. It is described that a binder having more excellent dispersibility and adhesive strength of the electrode mixture can be obtained by using such a particle size.

無機粒子は、炭素材料と比べて、比重が大きいため、無機粒子の粒径が大きくなるにつれて、粒子の沈殿速度が増加し、分散性と接着力が低下する。そのため、100nm以下の粒子を用いることが有効である。しかし、電極塗工後の乾燥時に、100nm以下の粒子が、気化した水分の逃げ道を防ぎ、塗膜が発泡し、集電体との結着性が低下したり、均一な電極が得られにくいという課題がある。また、このような電極は、柔軟性に優れた有機バインダを含まないため、脆く、電極を折り曲げたりすると破損する。そのため、捲回タイプの電池には適さない。   Since the specific gravity of the inorganic particles is larger than that of the carbon material, as the particle size of the inorganic particles increases, the sedimentation speed of the particles increases, and the dispersibility and the adhesive force decrease. Therefore, it is effective to use particles of 100 nm or less. However, at the time of drying after electrode coating, particles having a diameter of 100 nm or less prevent escape of vaporized water, the coating film foams, and the binding property with the current collector is reduced, and it is difficult to obtain a uniform electrode. There is a problem that. In addition, such an electrode does not contain an organic binder having excellent flexibility, and thus is brittle, and is broken when the electrode is bent. Therefore, it is not suitable for a wound type battery.

一方、合金系活物質は、従来の炭素系活物質よりも高容量であることが知られている。例えば、Siが2800〜4000mAh/g、SiOが1300〜2000mAh/g、Snが700〜1000mAh/g、Sが800〜1500mAh/gもの高い電気容量が示される。そのため、少しの誤差であっても電極容量に大きなばらつきが生じ、寿命特性や出力特性を悪化させることがある。また、電極スラリーの粘度調整は、溶媒の使用量によって劇的に変化するため、制御が難しい。   On the other hand, alloy-based active materials are known to have higher capacities than conventional carbon-based active materials. For example, a high electric capacity of 2800 to 4000 mAh / g for Si, 1300 to 2000 mAh / g for SiO, 700 to 1000 mAh / g for Sn, and 800 to 1500 mAh / g for S is shown. For this reason, even a small error causes a large variation in the electrode capacitance, which may deteriorate the life characteristics and output characteristics. Further, the viscosity of the electrode slurry is difficult to control because it drastically changes depending on the amount of the solvent used.

特許文献3および、特許文献4には、無機バインダを用いて、物理的、化学的に安定なリチウムイオン電池が提供されている。電極の実施例は、黒鉛負極(黒鉛アノード)とLiCoO2正極(LiCoO2カソード)の記載がある。黒鉛負極では、1.0gの水酸化リチウム、23.4gの無機バインダ(ポリケイ酸リチウム)および45.0gの黒鉛粉末から構成されている。 Patent Literature 3 and Patent Literature 4 provide physically and chemically stable lithium ion batteries using an inorganic binder. Examples of the electrode include a graphite negative electrode (graphite anode) and a LiCoO 2 positive electrode (LiCoO 2 cathode). The graphite negative electrode is composed of 1.0 g of lithium hydroxide, 23.4 g of an inorganic binder (lithium polysilicate), and 45.0 g of graphite powder.

したがって、活物質、導電助剤およびバインダの固形分合計を100質量%とした場合、活物質が64.8質量%で、無機バインダが33.7質量%となる。   Therefore, when the total solid content of the active material, the conductive additive, and the binder is 100% by mass, the active material is 64.8% by mass, and the inorganic binder is 33.7% by mass.

LiCoO2正極では、1.0gの水酸化リチウム、1.9gの黒鉛粉末、2.9gのC−100カーボンブラック、24gの無機バインダ(ポリケイ酸リチウム)および85.6gの黒鉛粉末からなる構成されている。 The LiCoO 2 cathode is composed of 1.0 g of lithium hydroxide, 1.9 g of graphite powder, 2.9 g of C-100 carbon black, 24 g of inorganic binder (lithium polysilicate) and 85.6 g of graphite powder. ing.

したがって、活物質、導電助剤およびバインダの固形分合計を100質量%とした場合、活物質が74.2質量%で無機バインダが20.8質量.%となる。なお、特許文献3および特許文献4では、無機バインダは、無機粒子に関する記載はなく、実施例からも無機粒子は含まれていない。   Therefore, when the total solid content of the active material, the conductive additive, and the binder is 100% by mass, the active material is 74.2% by mass and the inorganic binder is 20.8% by mass. %. In Patent Document 3 and Patent Document 4, the inorganic binder does not describe the inorganic particles, and the Examples do not include the inorganic particles.

上記した特許文献2乃至4は、いずれも従来の有機バインダでは実現しづらかったバインダの分解反応や電解液による膨潤を改善しようとするものである。活物質としてSi系やSn系などの合金材料と電解液で膨潤しにくいバインダを用いることで、電極の使用温度を拡大し、且つ、高容量化を実現できそうである。   The above Patent Documents 2 to 4 all attempt to improve the decomposition reaction of the binder and the swelling due to the electrolytic solution, which are difficult to realize with the conventional organic binder. By using an alloy material such as a Si-based or Sn-based material as an active material and a binder that does not easily swell with an electrolytic solution, it is likely that the operating temperature of the electrode can be increased and the capacity can be increased.

しかし、ケイ酸塩系のバインダは強アルカリ性であり、リン酸塩系のバインダでは強酸性であるため、電極スラリー作製時の合金系活物質が溶解し、水素ガスを発生させてスラリーを発泡させる。特に、電極乾燥時には高温になるため、水素ガスの発生量が増大し、均一な電極製造すらままならない。また、アルカリや酸に耐性のない集電体を用いると集電体が劣化する。   However, since the silicate-based binder is strongly alkaline and the phosphate-based binder is strongly acidic, the alloy-based active material when the electrode slurry is prepared is dissolved, and hydrogen gas is generated to foam the slurry. . In particular, since the temperature becomes high when the electrode is dried, the amount of hydrogen gas generated increases, and even electrode production cannot be maintained. In addition, if a current collector having no resistance to alkali or acid is used, the current collector deteriorates.

例えば、Si活物質とアルカリ金属ケイ酸塩系とが接触すると、Si+2OH-+H2O→SiO32-+2H2↑の反応が起こる。そのため、耐アルカリ性又は耐酸性の活物質、すなわち炭素系材料しか選択肢がないのが現状である。また、電極の構成要素のひとつであるバインダは、活物質と活物質、活物質と導電助剤、活物質と集電体、導電助剤と集電体とを結着するために用いられているが、現行の電池は、PVdFまたはSBR等の有機バインダを採用しているので、活物質、導電助剤、集電体等の無機材料と比べてその熱伝導度は小さく、熱を伝え難い。また、ケイ酸塩系やリン酸塩系の無機バインダは、従来の有機バインダと比べて、比重が大きいため、電極作製時に使用されるバインダ量が、活物質、導電助剤およびバインダの固形分合計を100質量%とした場合、20質量%以上でないと十分な結着力を示さない。特に体積変化の大きい材料を用いる場合は、30〜70質量%必要になる。そのため、電極の活物質の割合が減り、電極エネルギー密度が低下する。 For example, when the Si active material comes into contact with the alkali metal silicate system, a reaction of Si + 2OH− + H 2 O → SiO 32 − + 2H 2 } occurs. Therefore, at present, there is only an option for an alkali- or acid-resistant active material, that is, a carbon-based material. The binder, which is one of the components of the electrode, is used for binding the active material and the active material, the active material and the conductive auxiliary, the active material and the current collector, and the conductive auxiliary and the current collector. However, since current batteries employ an organic binder such as PVdF or SBR, their thermal conductivity is small compared to inorganic materials such as active materials, conductive aids, and current collectors, and heat is difficult to transfer. . In addition, since the silicate-based or phosphate-based inorganic binder has a higher specific gravity than a conventional organic binder, the amount of the binder used when preparing an electrode is reduced by the solid content of the active material, the conductive additive, and the binder. If the total is 100% by mass, a sufficient binding force will not be exhibited unless the total is not less than 20% by mass. In particular, when a material having a large volume change is used, 30 to 70% by mass is required. Therefore, the ratio of the active material of the electrode decreases, and the electrode energy density decreases.

上記の通り、本願の発明者らは、当初ケイ酸塩系やリン酸塩系のバインダの適用について検討を重ねたが、ケイ酸塩系やリン酸塩系をバインダとして適用した場合、現状では多くの課題を含み、実用的な電極として成立しないことがわかった。そこで、発明者らは、ケイ酸塩系やリン酸塩系をバインダとしてではなく、電極に適用できるよう研究を重ね、本発明をするに至った。本発明は、上述した従来の問題点や、発明者らが新たに発見した問題点を解決することができる。   As described above, the inventors of the present application initially studied the application of a silicate-based or phosphate-based binder, but when a silicate-based or phosphate-based binder was applied, It has been found that it contains many problems and cannot be realized as a practical electrode. Thus, the inventors have repeated studies to apply a silicate-based or phosphate-based material to an electrode instead of a binder, and have completed the present invention. The present invention can solve the conventional problems described above and the problems newly discovered by the inventors.

本発明に用いる骨格形成剤は、非水電解質二次電池の電極に用いられる骨格形成剤であって、成分にシロキサン結合を有するケイ酸塩、又は、成分にアルミノリン酸結合を有するリン酸塩を含むことを特徴とする。この構成によれば、ケイ酸塩、又は、リン酸塩を含む骨格形成剤を電極に用いることで、耐熱性に優れ高強度で、サイクル寿命特性が向上した電極とできる。   The skeleton-forming agent used in the present invention is a skeleton-forming agent used for an electrode of a non-aqueous electrolyte secondary battery, and a silicate having a siloxane bond as a component, or a phosphate having an aluminophosphate bond as a component. It is characterized by including. According to this configuration, by using a skeleton-forming agent containing silicate or phosphate for the electrode, an electrode having excellent heat resistance, high strength, and improved cycle life characteristics can be obtained.

また、この骨格形成剤、前記ケイ酸塩は、一般式A2O・nSiO2で表される結晶または非晶質構造であり、Aは、Li、Na、K、トリエタノールアンモニウム基、テトラメタノールアンモニウム基、テトラエタノールアンモニウム基、グラニジン基の少なくともいずれか1種であり、nは、0.5以上5.0以下である。 The skeleton forming agent and the silicate have a crystalline or amorphous structure represented by the general formula A 2 O.nSiO 2 , where A is Li, Na, K, a triethanolammonium group, tetramethanol. It is at least one of an ammonium group, a tetraethanol ammonium group, and a granidine group, and n is 0.5 or more and 5.0 or less.

好ましくは、この骨格形成剤は、前記一般式のAが、LiまたはNaであり、nが、1.6以上3.9以下で、より好ましくは、2.0以上3.5以下である。Aは、骨格形成の機械強度と結着性、耐摩耗性に優れるという観点から、Naが好ましい。なお、Liは、イオン伝導性が高い骨格形成体が得られるため電池の入出力特性に優れる。ただ、NaであってもSiO2の数nが、5.0を超えると、活物質層やセパレータとの結着性に劣り、充放電時における電極の体積変化や、釘刺し試験などの外的要因で、剥離と亀裂が著しく発生しやすい。また、粘度が低くなりすぎて、後に述べるセラミックスとの分散性安定性が低下する。 Preferably, in the skeleton forming agent, A in the above general formula is Li or Na, and n is 1.6 or more and 3.9 or less, more preferably 2.0 or more and 3.5 or less. A is preferably Na from the viewpoint of excellent mechanical strength for forming the skeleton, binding properties, and abrasion resistance. Note that Li is excellent in the input / output characteristics of the battery because a skeleton-forming body having high ion conductivity is obtained. However, when the number n of SiO 2 exceeds 5.0 even with Na, the binding property with the active material layer and the separator is poor, and the volume change of the electrode during charge and discharge and the outside of the nail penetration test etc. Peeling and cracking are likely to occur significantly due to physical factors. Further, the viscosity becomes too low, and the stability of dispersibility with ceramics described later decreases.

逆に、nが0.5未満では、粘性が高いため、電極活物質層やセパレータに対して、骨格形成剤が浸透または塗布しにくくなる。また、セラミックスとの混練を行う際に、発熱量が大きくなる。   On the other hand, when n is less than 0.5, the viscosity is high, so that it becomes difficult for the skeleton forming agent to penetrate or apply to the electrode active material layer and the separator. Further, when kneading with ceramics, the calorific value increases.

ケイ酸塩は、非晶質であることが好ましい。非晶質のケイ酸塩であれば、結晶のように特定方向に割れることがないため、電極の寿命特性が改善される。加えて、フッ酸に対する耐性が向上するため、フッ酸由来の電極崩壊が起こりにくくすることができる。   Preferably, the silicate is amorphous. An amorphous silicate does not crack in a specific direction unlike a crystal, so that the life characteristics of the electrode are improved. In addition, since the resistance to hydrofluoric acid is improved, the collapse of the electrode derived from hydrofluoric acid can be suppressed.

通常、非晶質の固体は、無秩序な分子配列から成り、区別できる結晶格子を所有しない。また、非晶質の固体の溶解性は結晶形の形態より高く、一定の融点を有しない。従って、粉末X線回折(XRD)パターンにおいて明確なピークが無いこと、示差熱分析(DTA)曲線や示差走査熱量分析(DSC)曲線の融解吸熱ピークが無いことが、非晶質形態であることを示している。   Usually, amorphous solids consist of disordered molecular arrangements and do not possess a distinguishable crystal lattice. In addition, the solubility of an amorphous solid is higher than that of a crystalline form and does not have a constant melting point. Therefore, the absence of a distinct peak in the powder X-ray diffraction (XRD) pattern and the absence of a melting endothermic peak in a differential thermal analysis (DTA) curve or a differential scanning calorimetry (DSC) curve indicate that the amorphous form is present. Is shown.

すなわち、非晶質のケイ酸塩は、XRDにおいて、結晶質形態の特長であるシャープなピークが無く、Cu−Kα線による15°〜40°の範囲内の回折角(2θ)に典型的な幅広いブロードなピーク、いわゆるhaloパターンを示す。より詳しくは、本質的に、図17と同一のXRDパターンを示す。   That is, the amorphous silicate does not have a sharp peak characteristic of a crystalline form in XRD, and has a typical diffraction angle (2θ) in the range of 15 ° to 40 ° by Cu-Kα ray. It shows a broad broad peak, the so-called halo pattern. More specifically, it shows essentially the same XRD pattern as FIG.

ただ、XRDでhaloパターンが得られたとしても、そのすべてが非晶質とは限らない。しかし、それは、式3に示すシェラー式より、結晶粒が5nm未満の限定された条件だけである。すなわち、結晶粒が5nm以上の場合は、回折線が幅広く非晶質と似たパターンにはならない。
D(Å)=0.9λ/(β×cosθ) ・・・・(式3)
(式中、Dは結晶粒の大きさ、λはX線管球の波長、βは結晶粒の大きさによる回折線の拡がり、θは回折角を示す)
However, even if a halo pattern is obtained by XRD, not all of them are amorphous. However, it is only the limited condition that the crystal grain is smaller than 5 nm according to the Scherrer equation shown in Equation 3. That is, when the crystal grain size is 5 nm or more, the diffraction line is not wide and the pattern is not similar to that of the amorphous.
D (Å) = 0.9λ / (β × cosθ) (3)
(Where D is the size of the crystal grain, λ is the wavelength of the X-ray tube, β is the spread of the diffraction line due to the size of the crystal grain, and θ is the diffraction angle)

また、非晶質から結晶状態に変化する場合には、大きな発熱が起こるので、これを測定することによってケイ酸塩の結晶状態を判断することも可能である。非晶質のケイ酸塩は、電極を10℃/h以上の昇温速度で、80℃以上600℃以下の温度で熱処理することで得ることができる。   Further, when the state changes from the amorphous state to the crystalline state, a large amount of heat is generated. Therefore, it is possible to determine the crystalline state of the silicate by measuring this. The amorphous silicate can be obtained by heat-treating the electrode at a rate of 10 ° C./h or more at a temperature of 80 ° C. or more and 600 ° C. or less.

好ましくは、この骨格形成剤は、前記ケイ酸塩の固形分濃度が0.1質量%以上30質量%以下である。より好ましくは、0.1質量%以上15質量%以下である。   Preferably, in this skeleton forming agent, the solid content concentration of the silicate is 0.1% by mass or more and 30% by mass or less. More preferably, the content is 0.1% by mass or more and 15% by mass or less.

また、この骨格形成剤は、さらに界面活性剤を含み、前記界面活性剤が0.001質量%以上5.0質量%以下である。この構成によれば、骨格形成剤の活物質層への親液性が向上し、骨格形成剤が活物質層に均一に浸透する。よって、活物質層内に均一な骨格が形成され、サイクル寿命特性がさらに向上する。0.001質量%未満では、グラファイトやハードカーボン、導電助剤などのカーボン系材料が多く含まれる活物質層に対して、骨格形成剤が浸透しにくく、5質量%を超えると、脱泡剤が必要になり、脱泡剤がないと活物質層の表面が発泡して強固な骨格形成がされにくい。   This skeleton forming agent further contains a surfactant, and the surfactant is present in an amount of 0.001% by mass or more and 5.0% by mass or less. According to this configuration, the lyophilicity of the skeleton forming agent to the active material layer is improved, and the skeleton forming agent uniformly penetrates the active material layer. Therefore, a uniform skeleton is formed in the active material layer, and the cycle life characteristics are further improved. When the content is less than 0.001% by mass, the skeleton forming agent hardly penetrates into the active material layer containing a large amount of a carbon-based material such as graphite, hard carbon, and a conductive additive. In the absence of a defoaming agent, the surface of the active material layer foams and it is difficult to form a strong skeleton.

また、この骨格形成剤は、さらに、耐アルカリ性の無機粒子を含む。この構成によれば、骨格形成剤を電極に塗工したとき、電極の活物質層の表面に無機粒子が積層して、活物質層が無機粒子の層で覆われ、また活物質層内にも無機粒子が入り込む。   Further, the skeleton forming agent further contains alkali-resistant inorganic particles. According to this configuration, when the skeleton-forming agent is applied to the electrode, the inorganic particles are laminated on the surface of the active material layer of the electrode, and the active material layer is covered with the layer of the inorganic particles. Also inorganic particles enter.

これにより、活物質層に強固な骨格を形成することができるとともに、乾燥時の剥離やクラックの発生を抑制することができ、また、無機粒子同士の間隙により空孔が形成されて良好な電解液との親液性が得られる。また、無機粒子の層によって耐熱性に優れた高強度で耐摩耗性に優れた電極になる。また、無機粒子の層がセパレータの代わりとなり、別途セパレータを用いずに、電池を構成することが可能となる。   As a result, a strong skeleton can be formed in the active material layer, peeling and cracking during drying can be suppressed, and pores are formed due to gaps between the inorganic particles, resulting in good electrolysis. The lyophilicity with the liquid is obtained. In addition, the inorganic particle layer provides an electrode having high heat resistance and high strength and excellent wear resistance. In addition, the layer of inorganic particles replaces the separator, and the battery can be configured without using a separate separator.

好ましくは、この骨格形成剤は、前記ケイ酸塩及び前記耐アルカリ性の無機粒子を含む固形分の合計を100質量%とした場合に、前記ケイ酸塩が5質量%以上80質量%以下であり、前記耐アルカリ性の無機粒子が20質量%以上95質量%以下であり、前記耐アルカリ性の無機粒子のメディアン径(D50)が0.2μm以上20μm以下である。 Preferably, in the skeleton forming agent, the content of the silicate is 5% by mass or more and 80% by mass or less, when the total of the solid content including the silicate and the alkali-resistant inorganic particles is 100% by mass. The content of the alkali-resistant inorganic particles is 20% by mass or more and 95% by mass or less, and the median diameter (D 50 ) of the alkali-resistant inorganic particles is 0.2 μm or more and 20 μm or less.

ここで、メディアン径(D50)とは、レーザー回折・散乱式粒子径分布測定法における体積基準の粒子径を意味する。レーザー回折・散乱式粒子径分布測定法とは、粒子に対してレーザー光を当てたときに粒子サイズによって回折散乱光の光強度分布が異なる現象を利用して粒子サイズを測定する方法である。 Here, the median diameter (D 50 ) means a volume-based particle diameter in a laser diffraction / scattering particle diameter distribution measuring method. The laser diffraction / scattering particle size distribution measuring method is a method of measuring the particle size by utilizing a phenomenon that when a laser beam is applied to particles, the light intensity distribution of the diffracted scattered light varies depending on the particle size.

骨格形成剤に、上記の耐アルカリ性の無機粒子が含まれることで、高温で乾燥した際に、骨格形成剤が発泡しにくくなる。骨格形成剤が発泡すると、活物質層やセパレータとの結着性が低下して、十分な強度が得られにくくなる。   When the skeleton forming agent contains the alkali-resistant inorganic particles, the skeleton forming agent is less likely to foam when dried at a high temperature. When the skeleton-forming agent foams, the binding property with the active material layer and the separator is reduced, and it is difficult to obtain sufficient strength.

前記耐アルカリ性の無機粒子のメディアン径(D50)を0.2μm以上20μm以下とした理由は、無機粒子同士の間隙により空孔が形成され、良好な電解液との親液性が得られるためであり、電池の出力特性の観点からは、0.25μm以上10μm以下であることがより好ましく、0.3μm以上2μm以下であることがさらに好ましい。 The reason for setting the median diameter (D 50 ) of the alkali-resistant inorganic particles to 0.2 μm or more and 20 μm or less is that pores are formed by gaps between the inorganic particles, and good lyophilicity with an electrolytic solution can be obtained. From the viewpoint of the output characteristics of the battery, the thickness is more preferably 0.25 μm or more and 10 μm or less, and even more preferably 0.3 μm or more and 2 μm or less.

無機粒子の粒径がこの範囲よりも大きいと、チクソトロピー性が低くなりダイラタンシー性を示す傾向となり、骨格形成剤に無機粒子を加えた際の分散安定性が低下する。逆に、粒径がこの範囲よりも小さいと、2μmを超える厚みの骨格を形成する場合、乾燥時に気化した水分の逃げ道がなくなり、塗膜が発泡し、集電体との結着性が低下するばかりか、均一な電極が得られにくい。   If the particle size of the inorganic particles is larger than this range, the thixotropy will be low and dilatancy will tend to be exhibited, and the dispersion stability when the inorganic particles are added to the skeleton forming agent will be reduced. Conversely, if the particle size is smaller than this range, when forming a skeleton having a thickness of more than 2 μm, there is no way for moisture vaporized during drying to escape, the coating film foams, and the binding property with the current collector decreases. In addition, it is difficult to obtain a uniform electrode.

前記の無機粒子が耐アルカリ性を必要とする理由は、ケイ酸塩が強いアルカリ性を示すためである(pH12以上)。また、この骨格形成剤は、前記耐アルカリ性に加えて、電解液への耐溶解性に優れる無機粒子であることが望ましい。   The reason that the inorganic particles require alkali resistance is that silicate exhibits strong alkalinity (pH 12 or more). Further, it is desirable that the skeleton-forming agent is inorganic particles that have excellent resistance to dissolution in an electrolytic solution in addition to the alkali resistance.

このような条件を満たす無機粒子は、例えば、Al、Zr、Ti、Si、Mg、Mo、Sr、Ca、Zn、Ba、B、W、Ta、Ce、HfおよびYよりなる群から選ばれた少なくとも一種以上の元素の酸化物、水酸化物、窒化物、炭化物、炭酸化合物、硫酸化合物などがあげられる。このうち、さらに電池の充電や放電時における酸化分解や還元分解しにくく、不可逆容量の少ない材料であるという観点から、Al23、ZrO2、TiO2
SiO2、CaO、MgO、CeO、Y23、AlN、WC、SiC、B4C、BN、TaC、TiC、TiB2、HfB2、Si34、TiN、CaCO3、MgSO4、Al2(SO43、CaSO4、ZrSiO4を含有することが好ましい。
The inorganic particles satisfying such conditions are selected, for example, from the group consisting of Al, Zr, Ti, Si, Mg, Mo, Sr, Ca, Zn, Ba, B, W, Ta, Ce, Hf and Y. Examples include oxides, hydroxides, nitrides, carbides, carbonates, and sulfates of at least one element. Of these, Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 ,
SiO 2 , CaO, MgO, CeO, Y 2 O 3 , AlN, WC, SiC, B 4 C, BN, TaC, TiC, TiB 2 , HfB 2 , Si 3 N 4 , TiN, CaCO 3 , MgSO 4 , Al It preferably contains 2 (SO 4 ) 3 , CaSO 4 , and ZrSiO 4 .

加えて、電池の不可逆容量の少ない材料であるという観点から、Al23、ZrO2、TiO2、SiO2、MgO、CeO、Y23、WC、SiC、B4C、TaC、TiC、Si34、TiN、CaCO3、MgSO4、CaSO4、ZrSiO4を含有することが好ましい。これらの材料であれば、乾燥時に生じるケイ酸塩の大きな体積収縮を抑制する効果と、低温で乾燥しても十分な強度を有することが可能となる。 In addition, Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 , SiO 2 , MgO, CeO, Y 2 O 3 , WC, SiC, B 4 C, TaC, TiC , Si 3 N 4 , TiN, CaCO 3 , MgSO 4 , CaSO 4 , and ZrSiO 4 . With these materials, it is possible to have an effect of suppressing a large volume shrinkage of the silicate generated at the time of drying, and to have a sufficient strength even when dried at a low temperature.

一方、リン酸塩は、一般式M・nHxPO4で表される結晶または非晶質構造であり、Mは、Al、Ca、Mgの少なくともいずれか1種であり、xは、0以上2以下であり、nは、0.5以上5以下である。 On the other hand, the phosphate has a crystalline or amorphous structure represented by the general formula M · nHxPO 4 , M is at least one of Al, Ca, and Mg, and x is 0 or more and 2 or less. And n is 0.5 or more and 5 or less.

Mは、骨格形成の機械強度と結着性、耐摩耗性に優れるという観点から、Alが好ましい。xは、骨格形成の結着性に優れるという観点から、1〜2が好ましく、より好ましくは2である。nは、骨格形成の機械強度と結着性、耐摩耗性に優れるという観点から、0.5〜5.0が好ましく、より好ましくは2.5〜3.5である。リン酸塩も、ケイ酸塩の場合と同様、非晶質であることが好ましい。   M is preferably Al from the viewpoint of excellent mechanical strength in forming the skeleton, binding properties, and wear resistance. x is preferably 1 or 2 and more preferably 2 from the viewpoint of excellent skeleton formation binding property. n is preferably from 0.5 to 5.0, more preferably from 2.5 to 3.5, from the viewpoint of excellent mechanical strength for forming the skeleton, binding properties, and abrasion resistance. The phosphate is preferably amorphous as in the case of the silicate.

好ましくは、この骨格形成剤は、前記リン酸塩の固形分濃度が0.1質量%以上30質量%以下である。より好ましくは、0.1質量%以上15質量%以下である。   Preferably, the skeleton forming agent has a solid content concentration of the phosphate of 0.1% by mass or more and 30% by mass or less. More preferably, the content is 0.1% by mass or more and 15% by mass or less.

また、この骨格形成剤は、界面活性剤を含み、前記界面活性剤が0.001質量%以上5.0質量%以下であることが好ましい。   The skeleton forming agent contains a surfactant, and the content of the surfactant is preferably 0.001% by mass or more and 5.0% by mass or less.

また、この骨格形成剤は、さらに、耐酸性の無機粒子を含むことが好ましい。この構成によれば、骨格形成剤を電極に塗工したとき、電極の活物質層の表面に無機粒子が積層して、活物質層が無機粒子の層で覆われ、また活物質層内にも無機粒子が入り込む。   The skeleton forming agent preferably further contains acid-resistant inorganic particles. According to this configuration, when the skeleton-forming agent is applied to the electrode, the inorganic particles are laminated on the surface of the active material layer of the electrode, and the active material layer is covered with the layer of the inorganic particles. Also inorganic particles enter.

これにより、活物質層に強固な骨格を形成することができるとともに、乾燥時の剥離やクラックの発生を抑制することができ、また、無機粒子同士の間隙により空孔が形成されて良好な電解液との親液性が得られる。また、無機粒子の層によって耐熱性に優れた高強度で耐摩耗性に優れた電極になる。また、無機粒子の層がセパレータの代わりとなり、別途セパレータを用いずに、電池を構成することが可能となる。   As a result, a strong skeleton can be formed in the active material layer, peeling and cracking during drying can be suppressed, and pores are formed due to gaps between the inorganic particles, resulting in good electrolysis. The lyophilicity with the liquid is obtained. In addition, the inorganic particle layer provides an electrode having high heat resistance and high strength and excellent wear resistance. In addition, the layer of inorganic particles replaces the separator, and the battery can be configured without using a separate separator.

好ましくは、この骨格形成剤は、前記リン酸塩及び前記耐酸性の無機粒子を含む固形分の合計を100質量%とした場合に、前記リン酸塩が5質量%以上80質量%以下であり、前記耐酸性の無機粒子が20質量%以上95質量%以下であり、前記耐酸性の無機粒子のメディアン径(D50)が0.2μm以上20μm以下である。 Preferably, the skeleton forming agent has a phosphate content of 5% by mass or more and 80% by mass or less when the total of the solid content including the phosphate and the acid-resistant inorganic particles is 100% by mass. The acid-resistant inorganic particles are at least 20 mass% and at most 95 mass%, and the median diameter (D 50 ) of the acid-resistant inorganic particles is at least 0.2 μm and at most 20 μm.

骨格形成剤に、上記の耐酸性の無機粒子が含まれることで、高温で乾燥した際に、骨格形成剤が発泡しにくくなる。骨格形成剤が発泡すると、活物質層やセパレータとの結着性が低下して、十分な強度が得られにくくなる。前記耐酸性の無機粒子のメディアン径(D50)は、0.2μm以上20μm以下であることが好ましい。 When the skeleton-forming agent contains the above-mentioned acid-resistant inorganic particles, the skeleton-forming agent hardly foams when dried at a high temperature. When the skeleton-forming agent foams, the binding property with the active material layer and the separator is reduced, and it is difficult to obtain sufficient strength. The median diameter (D 50 ) of the acid-resistant inorganic particles is preferably 0.2 μm or more and 20 μm or less.

前記の無機粒子が耐酸性を必要とする理由は、リン酸塩が強い酸性(pH1〜2)を示すためである。また、この骨格形成剤は、前記耐酸性に加えて、電解液への耐溶解性に優れる無機粒子であることが望ましい。   The reason that the inorganic particles require acid resistance is that phosphates show strong acidity (pH 1 to 2). In addition, it is desirable that the skeleton forming agent is inorganic particles that have excellent resistance to dissolution in an electrolytic solution in addition to the acid resistance.

このような条件を満たす無機粒子は、例えば、Al、Zr、Ti、Si、Mo、Sr、Ba、B、W、Ta、Ce、HfおよびYよりなる群から選ばれた少なくとも一種以上の元素の酸化物、水酸化物、窒化物、炭化物、炭酸化合物、硫酸化合物などがあげられる。このうち、さらに電池の充電や放電時における酸化分解や還元分解しにくく、不可逆容量の少ない材料であるという観点から、Al23、ZrO2、TiO2、SiO2、CeO、Y23、WC、SiC、B4C、BN、TaC、TiC、TiB2、HfB2、Si34、TiN、ZrSiO4を含有することが好ましい。 The inorganic particles satisfying such conditions include, for example, at least one or more elements selected from the group consisting of Al, Zr, Ti, Si, Mo, Sr, Ba, B, W, Ta, Ce, Hf, and Y. Oxides, hydroxides, nitrides, carbides, carbonate compounds, sulfate compounds and the like can be mentioned. Among them, Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 , SiO 2 , CeO, and Y 2 O 3 are materials that are hardly oxidatively decomposed or reductively decomposed at the time of charging or discharging of the battery and have a small irreversible capacity. , WC, SiC, B 4 C, BN, TaC, TiC, TiB 2 , HfB 2 , Si 3 N 4 , TiN, and ZrSiO 4 .

加えて、電池の不可逆容量の少ない材料であるという観点から、Al23、ZrO2、TiO2、SiO2、CeO、Y23、WC、SiC、B4C、BN、TaC、TiC、Si34、TiN、ZrSiO4を含有することが好ましい。これらの材料であれば、乾燥時に生じるリン酸塩の大きな体積収縮を抑制する効果と、低温で乾燥しても十分な強度を有することが可能となる。 In addition, Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 , SiO 2 , CeO, Y 2 O 3 , WC, SiC, B 4 C, BN, TaC, TiC , Si 3 N 4 , TiN, and ZrSiO 4 . With these materials, it is possible to suppress the large volume shrinkage of the phosphate generated during drying and to have sufficient strength even when dried at a low temperature.

ケイ酸塩系とリン酸塩系では、電池寿命と入出力特性、不可逆容量、耐吸湿性、耐熱性などの観点から、ケイ酸塩系が好ましい。   Among silicates and phosphates, silicates are preferred from the viewpoints of battery life and input / output characteristics, irreversible capacity, moisture absorption resistance, heat resistance and the like.

本発明に係る電極は、非水電解質二次電池用の電極であって、骨格形成剤が少なくとも活物質層の表面に存在していることを特徴とする。この構成によれば、ケイ酸塩又はリン酸塩を含む骨格形成剤が電極の骨格を構成し、耐熱性に優れ高強度で、サイクル寿命特性が向上した電極となる。また、ケイ酸塩又はリン酸塩を含むバインダを用いた場合は電極として成り立たないところ、骨格形成剤を活物質層の表面につけることで、サイクル寿命特性に優れた電極とできる。   The electrode according to the present invention is an electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the skeleton forming agent is present at least on the surface of the active material layer. According to this configuration, the skeleton-forming agent containing silicate or phosphate forms the skeleton of the electrode, and the electrode has excellent heat resistance, high strength, and improved cycle life characteristics. When a binder containing silicate or phosphate is not used as an electrode, an electrode having excellent cycle life characteristics can be obtained by attaching a skeleton-forming agent to the surface of the active material layer.

ここで、非水電解質二次電池とは、水を主成分としない電解質を用いた二次電池であり、例えばリチウム二次電池(リチウムイオン電池)、ナトリウム電池(ナトリウムイオン電池)、カリウム電池(カリウムイオン電池)などがある。また、電極は、非水電解質二次電池に用いられる電極であれば特に限定されず、また、電極の材質や形状も特に限定されない。   Here, the non-aqueous electrolyte secondary battery is a secondary battery using an electrolyte not containing water as a main component, such as a lithium secondary battery (lithium ion battery), a sodium battery (sodium ion battery), and a potassium battery ( Potassium ion battery). The electrode is not particularly limited as long as it is an electrode used for a nonaqueous electrolyte secondary battery, and the material and shape of the electrode are not particularly limited.

また、電極には負極と正極がある。まず、負極について、負極に用いる負極活物質は、アルカリ金属イオン(リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオンなど)を可逆的に吸蔵・放出することが可能な材料であれば特に限定されない。例えば、Li、Na、K、C、Mg、Al、Si、P、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、W、Pb及びBiよりなる群から選ばれた少なくとも一種以上の元素、これらの元素を用いた合金、複合化物、酸化物、カルコゲン化物又はハロゲン化物であればよい。   The electrodes include a negative electrode and a positive electrode. First, regarding the negative electrode, the negative electrode active material used for the negative electrode is not particularly limited as long as it is a material capable of reversibly storing and releasing alkali metal ions (such as lithium ions, sodium ions, and potassium ions). For example, Li, Na, K, C, Mg, Al, Si, P, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Y, Zr, Nb, At least one element selected from the group consisting of Mo, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, W, Pb and Bi, alloys, composites, oxides, chalcogenides or halogens using these elements Any compound can be used.

放電プラトーの領域が0〜1V(vs.Li+/Li)の範囲内に観測できる観点から、Li、Na、K、C、Mg、Al、Si、Ti、Zn、Ge、Fe、Mn、Ag、Cu、In、Sn及びPbよりなる群から選ばれた少なくとも一種以上の元素、これらの元素を用いた同素体、合金又は酸化物が好ましい。   From the viewpoint that the region of the discharge plateau can be observed in the range of 0 to 1 V (vs. Li + / Li), Li, Na, K, C, Mg, Al, Si, Ti, Zn, Ge, Fe, Mn, Ag , Cu, In, Sn and Pb, at least one element selected from the group consisting of these, and allotropes, alloys or oxides using these elements are preferable.

さらにエネルギー密度の観点から、元素としては、Al、Si、Zn、Ge、Ag、Sn等が好ましく、合金としては、Si−Al、Al−Zn、Si−Mg、Si−La、Al−Ge、Si−Ge、Si−Ag、Si−Sn、Si−Ti、Si−Y、Si−Cr、Si−Ni、Si−Zr、Si−V、Si−Nb、Si−Mo、Zn−Sn、Ge−Ag、Ge−Sn、Ge−Sb、Ag−Sn、Ag−Ge、Sn−Sb等の各組み合わせ等が好ましく、酸化物としては、Fe23、CuO、MnO2、NiO、Li4Ti512、H2Ti1225、Na2Ti37等が好ましい。合金としては、全率固溶型合金、共晶合金、亜共晶合金、過共晶合金、包晶型合金であってもよい。また、活物質粒子表面に電子伝導性に優れた材料やセラミックスでコーティングしてもよい。なお、これらのリチウムを可逆的に吸蔵・放出することが可能な材料を、2種以上使用してもよい。 Further, from the viewpoint of energy density, the elements are preferably Al, Si, Zn, Ge, Ag, Sn and the like, and the alloys are Si-Al, Al-Zn, Si-Mg, Si-La, Al-Ge, Si-Ge, Si-Ag, Si-Sn, Si-Ti, Si-Y, Si-Cr, Si-Ni, Si-Zr, Si-V, Si-Nb, Si-Mo, Zn-Sn, Ge- Ag, Ge-Sn, Ge- Sb, Ag-Sn, Ag-Ge, the combination such as Sn-Sb is preferable, as the oxide, Fe 2 O 3, CuO, MnO 2, NiO, Li 4 Ti 5 O 12 , H 2 Ti 12 O 25 , Na 2 Ti 3 O 7 and the like are preferable. The alloy may be a solid solution alloy, a eutectic alloy, a hypoeutectic alloy, a hypereutectic alloy, or a peritectic alloy. Further, the surface of the active material particles may be coated with a material having excellent electron conductivity or ceramics. Note that two or more materials capable of reversibly occluding and releasing lithium may be used.

活物質粒子の形状は特に限定されず、球状、楕円状、切子状、帯状、ファイバー状、フレーク状、ドーナツ状、中空状であってもよい。アルカリ金属イオン(リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン)を可逆的に吸蔵・放出することが可能な材料は、初期の充電の過程でアルカリ金属イオンを吸蔵・放出することができる物質と固体電解質に分解する化合物がより好ましい。   The shape of the active material particles is not particularly limited, and may be spherical, elliptical, faceted, strip-shaped, fiber-shaped, flake-shaped, donut-shaped, or hollow. Materials that can occlude and release alkali metal ions (lithium ion, sodium ion, and potassium ion) reversibly are substances and solid electrolytes that can occlude and release alkali metal ions during the initial charging process. Compounds that degrade are more preferred.

固体電解質は、イオン伝導性を有する物質であれば特に限定されないが、LiαXβYγで示される固体電解質であることが好ましい。ここに式中、0<α≦4、0≦β≦2、0≦γ≦5である。固体電解質は、アルカリ金属イオンを可逆的に吸蔵・放出することが可能な材料のバッファー材にもなる。   The solid electrolyte is not particularly limited as long as it has ion conductivity, but is preferably a solid electrolyte represented by LiαXβYγ. Here, in the formula, 0 <α ≦ 4, 0 ≦ β ≦ 2, and 0 ≦ γ ≦ 5. The solid electrolyte also serves as a buffer material of a material capable of reversibly storing and releasing alkali metal ions.

Xは、例えば、Si、Ti、Mg、Ca、Al、V、Ge、Zr、Mo、Niのいずれか一種以上であり、Yは、O、S、F、Cl、Br、I、P、B23、C24、CO3、PO4、S、CF3SO3、SO3のいずれか一種以上である。より具体的には、例えば、LiF、LiCl、LiBr、LiI、Li3N、LiPON、Li224、Li2CO3、LiAlCl4、Li2O、Li2S、LiSO4、Li2SO4、Li3PO4、Li3VO4、Li4GeO4、Li2Si25、Li2SiO3、Li4SiO4、Li4ZrO4、LiMoO4、LiAlF4、Li3Ni2、LiBF4、LiCF3SO3、NaF、NaCl、NaBr、NaI、Na3N、NaPON、Na224、Na2CO3、NaAlCl4、Na2O、Na2S、NaSO4、Na2SO4、Na3PO4、Na3VO4、Na4GeO4、Na2Si25、Na2SiO3、Na4SiO4、Na4ZrO4、NaMoO4、NaAlF4、Na3Ni2、NaBF4、NaCF3SO3、KF、KCl、KBr、KI、K3N、KPON、K224、K2CO3、KAlCl4、K2O、K2S、KSO4、K2SO4、K3PO4、K3VO4、K4GeO4、K2Si25、K2SiO3、K4SiO4、K4ZrO4、KMoO4、KAlF4、K3Ni2、KBF4、KCF3SO3等が挙げられ、これらの一種又は二種以上を使用することができる。 X is, for example, any one or more of Si, Ti, Mg, Ca, Al, V, Ge, Zr, Mo, and Ni, and Y is O, S, F, Cl, Br, I, P, B It is at least one of 2 O 3 , C 2 O 4 , CO 3 , PO 4 , S, CF 3 SO 3 , and SO 3 . More specifically, for example, LiF, LiCl, LiBr, LiI , Li 3 N, LiPON, Li 2 C 2 O 4, Li 2 CO 3, LiAlCl 4, Li 2 O, Li 2 S, LiSO 4, Li 2 SO 4 , Li 3 PO 4 , Li 3 VO 4 , Li 4 GeO 4 , Li 2 Si 2 O 5 , Li 2 SiO 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 ZrO 4 , LiMoO 4 , LiAlF 4 , Li 3 Ni 2 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , NaF, NaCl, NaBr, NaI, Na 3 N, NaPON, Na 2 C 2 O 4 , Na 2 CO 3 , NaAlCl 4 , Na 2 O, Na 2 S, NaSO 4 , Na 2 SO 4 , Na 3 PO 4 , Na 3 VO 4 , Na 4 GeO 4 , Na 2 Si 2 O 5 , Na 2 SiO 3 , Na 4 SiO 4 , Na 4 ZrO 4 , NaMoO 4 , NaAlF 4 , Na 3 Ni 2 , NaBF 4, NaCF 3 SO 3, KF , KCl, KBr, KI, K 3 N, KPON, K 2 C 2 O 4, K 2 CO 3, KAlCl 4, K 2 O, K 2 S, KSO 4, K 2 SO 4, K 3 PO 4, K 3 VO 4, K 4 GeO 4, K 2 Si 2 O 5, K 2 SiO 3, K 4 SiO 4, K 4 ZrO 4, KMoO 4, KAlF 4, K 3 Ni 2, Examples thereof include KBF 4 and KCF 3 SO 3 , and one or more of these can be used.

アルカリ金属イオンを吸蔵・放出することができる物質と固体電解質に分解する化合物としては、例えば、SiO、GeO、GeS、GeS2、SnO、SnO2、SnC24、SnO-P25、SnO-B23、SnS、SnS2、Sb23、SnF2、SnCl2、SnI2、SnI4等が挙げられ、これらを2種以上使用してもよい。但し、アルカリ金属イオンを吸蔵・放出することができる物質と固体電解質に分解する化合物は、電池を組む前に、予めプリドープ処理を行わないと電池容量が極端に低下するためプリドープ処理することが好ましい。 The decomposing compound material and a solid electrolyte capable of occluding and releasing an alkali metal ion, for example, SiO, GeO, GeS, GeS 2, SnO, SnO 2, SnC 2 O 4, SnO-P 2 O 5, SnO-B 2 O 3, SnS , SnS 2, Sb 2 S 3, SnF 2, SnCl 2, SnI 2, SnI 4 and the like, may be used two or more of these. However, it is preferable that the substance capable of inserting and extracting alkali metal ions and the compound decomposing into a solid electrolyte be pre-doped before the battery is assembled because if the pre-doping is not performed beforehand, the battery capacity is extremely reduced. .

プリドープの方法については、特許文献(特開2015−088437)や非特許文献(「リチウム二次電池部材の測定・分析データ集」第3章、第30節、pp.200−205、技術情報協会)にも記載されているように、電気化学的手法、アルカリ金属貼り付け法、メカニカル的手法などの公知の方法が使用できる。理由は定かではないが、本発明において、骨格形成を施す電極は、Si、Si合金、Si複合化物、Si酸化物、あるいは、これらいずれか一種以上を含む混合物であると特に顕著なサイクル寿命改善効果が発揮される。   Regarding the method of pre-doping, refer to Patent Literature (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-088437) and Non-Patent Literature (“Collection of Measurement and Analysis Data of Lithium Secondary Battery Members”, Chapter 3, Section 30, pp. 200-205, Technical Information Association As described in (1), known methods such as an electrochemical method, an alkali metal bonding method, and a mechanical method can be used. Although the reason is not clear, in the present invention, the cycle life improvement is particularly remarkable when the electrode on which the skeleton is formed is Si, a Si alloy, a Si compound, a Si oxide, or a mixture containing at least one of these. The effect is exhibited.

活物質の粒子径としては、粒径の小さな活物質粉末を用いると、粒子の崩壊が低減され、電極の寿命特性が改善される傾向にある。また、比表面積が増大して、出力特性が向上される傾向にある。例えば、非特許文献(レアメタルフリー二次電池の最新技術動向,第3章第1節第4項,PP.125−135,シーエムシー出版,2013年)によれば、活物質の粒径が小さくなると初期の放電容量が増加し、サイクル寿命も改善されることが記載されており、活物質粒径は、初期の充放電効率とサイクル寿命とに相関があることがわかる。   When the active material powder having a small particle diameter is used as the active material, the collapse of the particles is reduced, and the life characteristics of the electrode tend to be improved. In addition, the specific surface area tends to increase, and the output characteristics tend to be improved. For example, according to Non-Patent Document (Latest Technology Trend of Rare Metal Free Secondary Battery, Chapter 3, Section 1, Section 4, PP.125-135, CMC Publishing, 2013), the particle size of the active material is small. It is described that the initial discharge capacity increases and the cycle life also improves, indicating that the active material particle size has a correlation between the initial charge / discharge efficiency and the cycle life.

ただ、ナノオーダーの活物質は、取り扱いが難しいため、造粒して用いることが好ましい。例えば、特許第5525003号には、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾール、スチレンブタジエンゴム、ポリフッ化ビニリデン、カルボキシルメチルセルロース、ポリアクリル酸のいずれか一つ以上の造粒用結着剤を用いたナノ造粒体を用いた負極が示されている。ナノオーダーの活物質を造粒することで、負極活物質の膨張収縮により銅箔に付与される応力が緩和され、銅箔の変形を防ぐことができる。   However, nano-order active materials are difficult to handle, so it is preferable to use them after granulation. For example, Patent No. 55250003, polyimide, polybenzimidazole, styrene butadiene rubber, polyvinylidene fluoride, carboxymethylcellulose, nano-granules using one or more granulation binder of polyacrylic acid The negative electrode used is shown. By granulating the nano-order active material, the stress applied to the copper foil due to expansion and contraction of the negative electrode active material is reduced, and the deformation of the copper foil can be prevented.

一方、本発明の骨格形成剤を、上述した負極活物質の造粒用結着剤として用いることも考えられる。その場合、活物質の一次粒子は、メディアン径(D50)0.01μm〜10μmの範囲内であることが好ましく、造粒後の活物質粒子(二次粒子)は、メディアン径(D50)1μm〜100μmの範囲内であることが好ましい。 On the other hand, it is also conceivable to use the skeleton forming agent of the present invention as a binder for granulating the negative electrode active material described above. In that case, the primary particles of the active material preferably have a median diameter (D 50 ) in the range of 0.01 μm to 10 μm, and the granulated active material particles (secondary particles) have a median diameter (D 50 ). It is preferable to be within the range of 1 μm to 100 μm.

また、活物質の造粒方法としては、公知の造粒方法が適用可能であり、例えば、流動層造粒法、撹拌造粒法、転動式造粒法、スプレードライ法、押し出し造粒法、転動造粒法、及びコーティング造粒法が挙げられる。このうち、スプレードライ法と流動層造粒法が特に好ましい。   Further, as a method of granulating the active material, a known granulation method can be applied, for example, a fluidized bed granulation method, a stirring granulation method, a tumbling granulation method, a spray drying method, an extrusion granulation method. , A tumbling granulation method, and a coating granulation method. Of these, spray drying and fluidized bed granulation are particularly preferred.

スプレードライ法では、例えば、骨格形成剤に活物質を分散させた懸濁液を、50〜300℃に加温した温室に上方より、1〜30mL/min、空気圧0.01〜5MPaで噴霧することで、凝集粒をつくり、これを乾燥させることにより造粒物を得る。   In the spray drying method, for example, a suspension in which an active material is dispersed in a skeleton forming agent is sprayed from above into a greenhouse heated to 50 to 300 ° C. at 1 to 30 mL / min at an air pressure of 0.01 to 5 MPa. In this way, agglomerated particles are formed and dried to obtain granules.

流動層造粒法では、例えば、粉体原料を流動層造粒装置に入れ、下方から50〜300℃に加温した温風を送り込むことで、粉体原料(造粒物前駆体)を流動させて混合し、この混合粉体原料に骨格形成剤を溶解した水を上方よりノズル噴霧し、粉体表面に均一に骨格形成剤を1〜30mL/min、空気圧0.01〜5MPaで噴霧することで、凝集粒をつくり、これを乾燥させることにより造粒物を得る。   In the fluidized bed granulation method, for example, a powder raw material (granulated material precursor) is fluidized by putting a powder raw material into a fluidized bed granulator and sending warm air heated to 50 to 300 ° C. from below. And water mixed with the skeleton forming agent dissolved in the mixed powder material is sprayed from above with a nozzle, and the skeleton forming agent is sprayed uniformly on the powder surface at 1 to 30 mL / min at an air pressure of 0.01 to 5 MPa. In this way, agglomerated particles are formed and dried to obtain granules.

しかし、SiやSnなどの耐アルカリ性に乏しい活物質を用いる場合は、骨格形成剤と反応して水素ガスを発生させ、負極として成り立たない可能性が高い。そこで、本発明の骨格形成剤を用いる場合、予め造粒用有機バインダにより造粒した二次粒子に対して、骨格形成剤を噴霧し、造粒物に骨格を形成させることで水素ガスの発生を極力少なくすることができると思われる。   However, when an active material having poor alkali resistance, such as Si or Sn, is used, it is likely to react with a skeleton-forming agent to generate hydrogen gas and fail as a negative electrode. Therefore, when the skeleton-forming agent of the present invention is used, the skeleton-forming agent is sprayed on the secondary particles previously granulated with the organic binder for granulation, and the skeleton is formed on the granulated product to generate hydrogen gas. Seems to be as small as possible.

また、造粒用有機バインダとしては、公知のものが使用できる。例えば、正極や負極に用いられるバインダであってもよいが、造粒体の化学安定性、耐熱性、耐還元性などの観点から、ポリベンゾイミダゾール、スチレンブタジエンゴム、ポリフッ化ビニリデン、カルボキシルメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、セルロースナノファイバー、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミドが好ましい。   As the organic binder for granulation, a known organic binder can be used. For example, a binder used for the positive electrode and the negative electrode may be used, but from the viewpoints of chemical stability of the granulated material, heat resistance, reduction resistance, and the like, polybenzimidazole, styrene butadiene rubber, polyvinylidene fluoride, carboxymethyl cellulose, Polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, cellulose nanofiber, polyimide, polyamide, and polyamideimide are preferred.

造粒用バインダの量としては、活物質粒子を結着しうる量であれば特に限定されないが、造粒体に対して、0.1〜30質量%の範囲内であることが好ましい。造粒体は、活物質粒子と造粒用バインダの他に、必要に応じて電子伝導性を付与するための導電助剤を含有させてもよい。骨格形成剤は、造粒体に対して、0.2〜30質量%の範囲内で含まれていることが好ましい。このようにして得られた造粒体は、サイクル寿命特性が改善されるだけでなく、スラリーの塗工性が改善する。   The amount of the binder for granulation is not particularly limited as long as it can bind the active material particles, but is preferably in the range of 0.1 to 30% by mass based on the granulated material. The granulated body may contain a conductive additive for imparting electron conductivity, if necessary, in addition to the active material particles and the granulating binder. It is preferable that the skeleton-forming agent is contained in the range of 0.2 to 30% by mass based on the granule. The granules thus obtained have not only improved cycle life characteristics but also improved slurry coatability.

負極用導電助剤は、電子伝導性を有していれば、特に制限はなく、上述した金属、炭素材料、導電性高分子、導電性ガラス等を用いることができる。具体的にはアセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)、ファーネスブラック(FB)、サーマルブラック、ランプブラック、チェンネルブラック、ローラーブラック、ディスクブラック、カーボンブラック(CB)、カーボンファイバー(例えば、登録商標であるVGCFという名称の気相成長炭素繊維)、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンナノホーン、グラファイト、グラフェン、グラッシーカーボン、アモルファスカーボンなどが挙げられ、これらの一種又は二種以上を用いてもよい。   The conductive assistant for the negative electrode is not particularly limited as long as it has electron conductivity, and the above-described metals, carbon materials, conductive polymers, conductive glasses, and the like can be used. Specifically, acetylene black (AB), Ketjen black (KB), furnace black (FB), thermal black, lamp black, channel black, roller black, disk black, carbon black (CB), carbon fiber (for example, registered Vapor-grown carbon fibers named VGCF, a trademark), carbon nanotubes (CNT), carbon nanohorns, graphite, graphene, glassy carbon, amorphous carbon, and the like. One or more of these may be used.

負極に含有される活物質、バインダ、導電助剤の合計を100質量%とした場合、導電助剤が0〜20質量%含有されていることが好ましい。つまり、導電助剤は必要に応じて含有される。20質量%を超える場合は、電池としての活物質の割合が少ないため、電極容量密度が低くなりやすい。   When the total of the active material, the binder, and the conductive additive contained in the negative electrode is 100% by mass, the conductive additive is preferably contained in an amount of 0 to 20% by mass. That is, the conductive assistant is contained as needed. If it exceeds 20% by mass, the ratio of the active material in the battery is small, so that the electrode capacity density tends to be low.

負極用バインダは、通常用いられているもの、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリイミド(PI)、ポリアミド、ポリアミドイミド、アラミド、ポリアクリル、スチレンブタジエンゴム(SBR)、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン共重合体(SEBS)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、キタンサンガム、ポリビニルアルコール(PVA)、エチレンビニルアルコール、ポリビニルブチラール(PVB)、エチレンビニルアルコール、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸リチウム、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリル酸カリウム、ポリアクリル酸アンモニウム、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸アミン、ポリアクリル酸エステル、エポキシ樹脂、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ナイロン、塩化ビニール、シリコーンゴム、ニトリルゴム、シアノアクリレート、ユリア樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ラテックス、ポリウレタン、シリル化ウレタン、ニトロセルロース、デキストリン、ポリビニルピロリドン、酢酸ビニル、ポリスチレン、クロロプロピレン、レゾルシノール樹脂、ポリアロマティック、変性シリコーン、メタクリル樹脂、ポリブテン、ブチルゴム、2−プロペン酸、シアノアクリル酸、メチルメタクリレート、グリシジルメタクリレート、アクリルオリゴマー、2−ヒドロキシエチルアクリレート、アルギン酸、デンプン、うるし、ショ糖、にかわ、ガゼイン、セルロースナノファイバー等の有機材料を1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。   The binder for the negative electrode is a commonly used one, for example, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyimide (PI), polyamide, polyamideimide, aramid, polyacryl, styrene butadiene rubber (SBR) , Ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA), styrene-ethylene-butylene-styrene copolymer (SEBS), carboxymethyl cellulose (CMC), chitansan gum, polyvinyl alcohol (PVA), ethylene vinyl alcohol, polyvinyl butyral (PVB), Ethylene vinyl alcohol, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyacrylic acid, lithium polyacrylate, sodium polyacrylate, potassium polyacrylate, ammonium polyacrylate, Methyl acrylate, polyethyl acrylate, polyacrylate, polyacrylate, epoxy resin, polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), nylon, vinyl chloride, silicone rubber, nitrile rubber, cyanoacrylate, urea Resin, melamine resin, phenol resin, latex, polyurethane, silylated urethane, nitrocellulose, dextrin, polyvinylpyrrolidone, vinyl acetate, polystyrene, chloropropylene, resorcinol resin, polyaromatic, modified silicone, methacrylic resin, polybutene, butyl rubber, 2 -Propenoic acid, cyanoacrylic acid, methyl methacrylate, glycidyl methacrylate, acrylic oligomer, 2-hydroxyethyl acrylate , Alginic acid, starch, to sell, sucrose, glue, casein, may also be an organic material such as cellulose nanofibers alone or in combination of two or more thereof.

また、これらの有機バインダと無機バインダを混合したものでもよい。無機バインダは、ケイ酸塩系、リン酸塩系、ゾル系、セメント系などでよい。例えば、リチウムケイ酸塩、ナトリウムケイ酸塩、カリウムケイ酸塩、セシウムケイ酸塩、グアニジンケイ酸塩、アンモニウムケイ酸塩、ケイフッ化塩、ホウ酸塩、リチウムアルミン酸塩、ナトリウムアルミン酸塩、カリウムアルミン酸塩、アルミノケイ酸塩、アルミン酸リチウム、アルミン酸ナトリウム、アルミン酸カリウム、ポリ塩化アルミニウム、ポリ硫酸アルミニウム、ポリ硫酸ケイ酸アルミニウム、硫酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、アンモニウムミョウバン、リチウムミョウバン、ナトリウムミョウバン、カリウムミョウバン、クロムミョウバン、鉄ミョウバン、マンガンミョウバン、硫酸ニッケルアンモニウム、珪藻土、ポリジルコノキサン、ポリタンタロキサン、ムライト、ホワイトカーボン、シリカゾル、コロイダルシリカ、ヒュームドシリカ、アルミナゾル、コロイダルアルミナ、ヒュームドアルミナ、ジルコニアゾル、コロイダルジルコニア、ヒュームドジルコニア、マグネシアゾル、コロイダルマグネシア、ヒュームドマグネシア、カルシアゾル、コロイダルカルシア、ヒュームドカルシア、チタニアゾル、コロイダルチタニア、ヒュームドチタニア、ゼオライト、シリコアルミノフォスフェートゼオライト、セピオライト、モンモリナイト、カオリン、サポナイト、リン酸アルミニウム塩、リン酸マグネシウム塩、リン酸カルシウム塩、リン酸鉄塩、リン酸銅塩、リン酸亜鉛塩、リン酸チタン塩、リン酸マンガン塩、リン酸バリウム塩、リン酸スズ塩、低融点ガラス、しっくい、せっこう、マグネシウムセメント、リサージセメント、ポルトランドセメント、高炉セメント、フライアッシュセメント、シリカセメント、リン酸セメント、コンクリート、固体電解質等の無機材料を1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。   Further, a mixture of these organic binder and inorganic binder may be used. The inorganic binder may be a silicate type, a phosphate type, a sol type, a cement type or the like. For example, lithium silicate, sodium silicate, potassium silicate, cesium silicate, guanidine silicate, ammonium silicate, fluorosilicate, borate, lithium aluminate, sodium aluminate, potassium Aluminate, aluminosilicate, lithium aluminate, sodium aluminate, potassium aluminate, polyaluminum chloride, polyaluminum sulfate, polyaluminum silicate, aluminum sulfate, aluminum nitrate, ammonium alum, lithium alum, sodium alum, potassium Alum, chrome alum, iron alum, manganese alum, nickel ammonium sulfate, diatomaceous earth, polyzirconoxane, polytantaloxane, mullite, white carbon, silica sol, colloidal Rica, fumed silica, alumina sol, colloidal alumina, fumed alumina, zirconia sol, colloidal zirconia, fumed zirconia, magnesia sol, colloidal magnesia, fumed magnesia, calcia sol, colloidal calcia, fumed calcia, titania sol, colloidal titania, fume Dotitania, zeolite, silicoaluminophosphate zeolite, sepiolite, montmorillonite, kaolin, saponite, aluminum phosphate, magnesium phosphate, calcium phosphate, iron phosphate, copper phosphate, zinc phosphate, titanium phosphate Salt, manganese phosphate, barium phosphate, tin phosphate, low melting glass, plaster, gypsum, magnesium cement, litharge cement, Portland Instruments, blast furnace cement, fly ash cement, silica cement, phosphate cement, concrete, inorganic material of the solid electrolyte and the like may be used singly, and may be used in combination of two or more thereof.

このうち、結着性および耐電解液溶出性、耐酸化還元性、エネルギー密度などの観点から、リチウムケイ酸塩、ナトリウムケイ酸塩、カリウムケイ酸塩、グアニジンケイ酸塩、アンモニウムケイ酸塩、ケイフッ化塩、アルミノケイ酸塩、リン酸アルミニウム塩、リン酸マグネシウム塩、リン酸カルシウム塩の無機材料が好ましい。   Among these, lithium silicate, sodium silicate, potassium silicate, guanidine silicate, ammonium silicate, Inorganic materials such as fluorosilicates, aluminosilicates, aluminum phosphates, magnesium phosphates and calcium phosphates are preferred.

ただ、無機バインダで負極を製造すると、無機バインダの比重が大きいため、重さ当たりの電極エネルギー密度が低くなる傾向がある。また、酸やアルカリの強い無機バインダでは、SiやSnなどの耐薬品性に乏しい活物質が含まれるとスラリーの混合中に水素ガスが発生し、電極塗工が困難になるばかりか、加熱乾燥の工程で発泡し均一な電極が製造できない。また、耐薬品性に乏しい集電体を用いると集電体が劣化する。   However, when a negative electrode is manufactured using an inorganic binder, the specific energy of the inorganic binder is large, so that the electrode energy density per weight tends to be low. In addition, in the case of an inorganic binder having a strong acid or alkali, when an active material having poor chemical resistance such as Si or Sn is contained, hydrogen gas is generated during mixing of the slurry, which not only makes electrode coating difficult, but also heat-drys. Foaming in the step (1) and a uniform electrode cannot be produced. In addition, when a current collector having poor chemical resistance is used, the current collector deteriorates.

負極用バインダは、従来、合金系の負極活物質を用いる場合、充放電に伴う活物質の体積変化を抑制し、電池のサイクル寿命特性を向上させる観点から、例えば、PIが好ましいとされていたが、本発明においては、骨格形成剤で体積変化を抑制することが可能であるため、上述した通常用いられているものすべてが使用可能となる。   For the binder for the negative electrode, conventionally, when an alloy-based negative electrode active material is used, for example, PI has been considered to be preferable from the viewpoint of suppressing the volume change of the active material due to charge and discharge and improving the cycle life characteristics of the battery. However, in the present invention, since the change in volume can be suppressed by the skeleton-forming agent, all of the above-mentioned commonly used compounds can be used.

負極に含有される活物質、バインダ、導電助剤の合計を100質量%とした場合、バインダが0.1〜60質量%含有されていることが好ましく、0.5〜30質量%がより好ましい。   When the total of the active material, the binder, and the conductive additive contained in the negative electrode is 100% by mass, the binder preferably contains 0.1 to 60% by mass, and more preferably 0.5 to 30% by mass. .

バインダが0.1質量%未満であると電極の機械強度が低いため、骨格形成する際に、活物質が脱落しやすく、電池のサイクル寿命特性が悪くなることがある。一方、60質量%を超える場合は、イオン伝導性が低く、また電気抵抗が高くなり、また、電池としての活物質の割合が少ないため、電極容量密度が低くなりやすい。   When the binder is less than 0.1% by mass, the mechanical strength of the electrode is low, so that the active material is likely to fall off when forming the skeleton, and the cycle life characteristics of the battery may be deteriorated. On the other hand, when it exceeds 60% by mass, the ion conductivity is low, the electric resistance is high, and the ratio of the active material as a battery is small, so that the electrode capacity density tends to be low.

負極に用いられる集電体は、電子伝導性を有し、保持した負極活物質に通電し得る材料であれば特に限定されない。例えば、C、Ti、Cr、Ni、Cu、Mo、Ru、Rh、Ta、W、Os、Ir、Pt、Al、Au等の導電性物質、これら導電性物質の二種類以上を含有する合金(例えば、ステンレス鋼)を使用し得る。上記の導電性物質以外のものを用いる場合、例えば、鉄にCuやNiを被覆したような異種金属の多層構造体であってもよい。   The current collector used for the negative electrode is not particularly limited as long as it has electronic conductivity and can conduct electricity to the held negative electrode active material. For example, conductive materials such as C, Ti, Cr, Ni, Cu, Mo, Ru, Rh, Ta, W, Os, Ir, Pt, Al, and Au, and alloys containing two or more of these conductive materials ( For example, stainless steel) may be used. When a material other than the above-mentioned conductive material is used, for example, a multilayer structure of a dissimilar metal such as iron coated with Cu or Ni may be used.

電気伝導性が高く、電解液中の安定性がよい観点から、集電体としてはC、Ti、Cr、Au、Fe、Cu、Ni、ステンレス鋼等が好ましく、さらに耐還元性と材料コストの観点からC、Cu、Ni、ステンレス鋼等が好ましい。なお、集電基材に鉄を用いる場合は、集電基材表面の酸化を防ぐため、NiやCuで被覆されたものであることが好ましい。また、従来の合金系負極は充放電に伴う負極材料の体積変化が大きいため、集電基材はステンレス鋼または鉄が好ましいとされていたが、本発明においては、骨格形成剤で集電体にかかる応力を緩和することが可能であるため、上述した通常用いられているものすべてが使用可能となる。   From the viewpoint of high electrical conductivity and good stability in the electrolyte, the current collector is preferably C, Ti, Cr, Au, Fe, Cu, Ni, stainless steel, or the like. From the viewpoint, C, Cu, Ni, stainless steel and the like are preferable. When iron is used as the current collecting base material, it is preferable that the current collecting base material be coated with Ni or Cu in order to prevent oxidation of the surface of the current collecting base material. In addition, since the conventional alloy-based negative electrode has a large change in the volume of the negative electrode material due to charge and discharge, it has been considered that the current collecting base material is preferably stainless steel or iron. Can be alleviated, so that all the above-mentioned commonly used ones can be used.

集電体の形状には、線状、棒状、板状、箔状、多孔状があり、このうち充填密度を高めることができることと、骨格形成剤が活物質層に浸透しやすいことから多孔状であってもよい。多孔状には、メッシュ、織布、不織布、エンボス体、パンチング体、エキスパンド、又は発泡体などが挙げられ、このうち、集電基材の形状は、出力特性が良好なことからエンボス体または発泡体が好ましい。   The current collector has a linear, rod, plate, foil, or porous shape.The porous material has a high packing density, and the skeleton-forming agent easily penetrates the active material layer. It may be. Examples of the porous shape include a mesh, a woven fabric, a nonwoven fabric, an embossed body, a punched body, an expanded body, a foamed body, and the like. The body is preferred.

次に、正極について正極に用いる活物質は、非水電解質二次電池で用いられる正極活物質であれば特に限定されない。アルカリ金属遷移金属酸化物系、バナジウム系、硫黄系、固溶体系(リチウム過剰系、ナトリウム過剰系、カリウム過剰系)、カーボン系、有機物系、等を含む公知の電極が用いられる。   Next, regarding the positive electrode, the active material used for the positive electrode is not particularly limited as long as it is a positive electrode active material used in a nonaqueous electrolyte secondary battery. Known electrodes including alkali metal transition metal oxides, vanadiums, sulfurs, solid solutions (lithium excess, sodium excess, potassium excess), carbons, organic materials and the like are used.

アルカリ金属遷移金属酸化物系には、例えば、LiCoO2、Li0.9Na0.1CoO2、LiNiO2、LiNi0.5Co0.52、LiNi0.33Mn0.33Co0.332、LiNi0.5Mn0.2Co0.32、LiNi0.6Mn0.2Co0.22、LiNi0.8Mn0.1Co0.12、Li(Ni,Co,Al)O2、LiMnO2、LiMn24、LiFePO4、LiFe0.5Mn0.5PO4、LiMnPO4、Li2MnSiO4、Li2FeSiO4、Li2(Mn,Fe)SiO4、Li2CoSiO4、Li2MgSiO4、Li2CaSiO4、Li2ZnSiO4、LiNb25、LiNbO2、LiFeO2、LiMgO2、LiCaO2、LiTiO2、LiTiS2、LiCrO2、LiRuO2、LiCuO2、LiZnO2、LiMoO2、LiMoS2、LiTaO2、LiWO2、NaCoO2、NaNiO2、NaNi0.33Mn0.33Co0.332、NaMnO2、NaMn24、NaFePO4、NaFe0.5Mn0.5PO4、NaMnPO4、Na2MnSiO4、Na2FeSiO4、Na2(Mn,Fe)SiO4、Na2CoSiO4、Na2MgSiO4、Na2CaSiO4、Na2ZnSiO4、NaNb25、NaNbO2、NaFeO2、NaMgO2、NaCaO2、NaTiO2、NaTiS2、NaCrO2、NaRuO2、NaCuO2、NaZnO2、NaMoO2、NaMoS2、NaTaO2、NaWO2、KCoO2、KNiO2、KNi0.33Mn0.33Co0.332、KMnO2、KMn24、KFePO4、KFe0.5Mn0.5PO4、KMnPO4、K2MnSiO4、K2FeSiO4、K2(Mn,Fe)SiO4、K2CoSiO4、K2MgSiO4、K2CaSiO4、K2ZnSiO4、KNb25、KNbO2、KFeO2、KMgO2、KCaO2、KTiO2、KTiS2、KCrO2、KRuO2、KCuO2、KZnO2、KMoO2、KMoS2、KTaO2、KWO2等が挙げられる。 The alkali metal transition metal oxides include, for example, LiCoO 2 , Li 0.9 Na 0.1 CoO 2 , LiNiO 2 , LiNi 0.5 Co 0.5 O 2 , LiNi 0.33 Mn 0.33 Co 0.33 O 2 , LiNi 0.5 Mn 0.2 Co 0.3 O 2 , LiNi 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 O 2 , LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 , Li (Ni, Co, Al) O 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , LiFePO 4 , LiFe 0.5 Mn 0.5 PO 4 , LiMnPO 4 , Li 2 MnSiO 4 , Li 2 FeSiO 4 , Li 2 (Mn, Fe) SiO 4 , Li 2 CoSiO 4 , Li 2 MgSiO 4 , Li 2 CaSiO 4 , Li 2 ZnSiO 4 , LiNb 2 O 5 , LiNbO 2 , LiFeO 2 , LiMgO 2, LiCaO 2, LiTiO 2, LiTiS 2, LiCrO 2, LiRuO 2, LiCuO 2, LiZ O 2, LiMoO 2, LiMoS 2 , LiTaO 2, LiWO 2, NaCoO 2, NaNiO 2, NaNi 0.33 Mn 0.33 Co 0.33 O 2, NaMnO 2, NaMn 2 O 4, NaFePO 4, NaFe 0.5 Mn 0.5 PO 4, NaMnPO 4 , Na 2 MnSiO 4, Na 2 FeSiO 4, Na 2 (Mn, Fe) SiO 4, Na 2 CoSiO 4, Na 2 MgSiO 4, Na 2 CaSiO 4, Na 2 ZnSiO 4, NaNb 2 O 5, NaNbO 2, NaFeO 2, NaMgO 2, NaCaO 2, NaTiO 2, NaTiS 2, NaCrO 2, NaRuO 2, NaCuO 2, NaZnO 2, NaMoO 2, NaMoS 2, NaTaO 2, NaWO 2, KCoO 2, KNiO 2, kNi 0.33 Mn 0.33 Co 0.33 O 2, KMnO 2, KMn 2 O 4, KFePO 4 KFe 0.5 Mn 0.5 PO 4, KMnPO 4, K 2 MnSiO 4, K 2 FeSiO 4, K 2 (Mn, Fe) SiO 4, K 2 CoSiO 4, K 2 MgSiO 4, K 2 CaSiO 4, K 2 ZnSiO 4, KNb 2 O 5 , KNbO 2 , KFeO 2 , KMgO 2 , KCaO 2 , KTiO 2 , KTiS 2 , KCrO 2 , KRuO 2 , KCuO 2 , KZnO 2 , KMoO 2 , KMoS 2 , KTaO 2 , KWO 2, etc. .

バナジウム系には、例えば、LiV25、LiVO2、Li3VO4、Li32(PO43、NaV25、NaVO2、Na3VO4、Na32(PO43、KV25、KVO2、K3VO4、K32(PO43等が挙げられる。硫黄系には、例えば、硫黄、硫化カーボン、ポリスルフィド、ポリ硫化カーボン、硫黄変性ポリアクリルニトリル、ジスルフィド化合物、硫黄変性ゴム、硫黄変性ピッチ、硫黄変性アントラセン、硫化金属等が挙げられる。固溶体系には、例えば、Li2MnO3−LiNiO2、Li2MnO3−LiMnO2、Li2MnO3−LiCoO2、Li2MnO3−Li(Ni,Mn)O2、Li2MnO3−Li(Ni,Co)O2、Li2MnO3−Li(Mn,Co)O2、Li2MnO3−Li(Ni,Mn,Co)O2、Na2MnO3−NaNiO2、Na2MnO3−NaMnO2、Na2MnO3−NaCoO2、Na2MnO3−Na(Ni,Mn)O2、Na2MnO3−Na(Ni,Co)O2、Na2MnO3−Na(Mn,Co)O2、Na2MnO3−Na(Ni,Mn,Co)O2、K2MnO3−KNiO2、K2MnO3−KMnO2、K2MnO3−KCoO2、K2MnO3−K(Ni,Mn)O2、K2MnO3−K(Ni,Co)O2、K2MnO3−K(Mn,Co)O2、K2MnO3−K(Ni,Mn,Co)O2、等が挙げられる。 The vanadium-based materials include, for example, LiV 2 O 5 , LiVO 2 , Li 3 VO 4 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , NaV 2 O 5 , NaVO 2 , Na 3 VO 4 , Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 , KV 2 O 5 , KVO 2 , K 3 VO 4 , K 3 V 2 (PO 4 ) 3 and the like. Examples of the sulfur type include sulfur, carbon sulfide, polysulfide, carbon polysulfide, sulfur-modified polyacrylonitrile, disulfide compounds, sulfur-modified rubber, sulfur-modified pitch, sulfur-modified anthracene, and metal sulfide. The solid solution system, for example, Li 2 MnO 3 -LiNiO 2, Li 2 MnO 3 -LiMnO 2, Li 2 MnO 3 -LiCoO 2, Li 2 MnO 3 -Li (Ni, Mn) O 2, Li 2 MnO 3 - Li (Ni, Co) O 2 , Li 2 MnO 3 -Li (Mn, Co) O 2, Li 2 MnO 3 -Li (Ni, Mn, Co) O 2, Na 2 MnO 3 -NaNiO 2, Na 2 MnO 3 -NaMnO 2, Na 2 MnO 3 -NaCoO 2, Na 2 MnO 3 -Na (Ni, Mn) O 2, Na 2 MnO 3 -Na (Ni, Co) O 2, Na 2 MnO 3 -Na (Mn, Co) O 2, Na 2 MnO 3 -Na (Ni, Mn, Co) O 2, K 2 MnO 3 -KNiO 2, K 2 MnO 3 -KMnO 2, K 2 MnO 3 -KCoO 2, K 2 MnO 3 - K (Ni, Mn) O 2 , K 2 MnO 3 -K ( i, Co) O 2, K 2 MnO 3 -K (Mn, Co) O 2, K 2 MnO 3 -K (Ni, Mn, Co) O 2, include like.

カーボン系には、例えば、グラファイト、ソフトカーボン、ハードカーボン、グラッシーカーボンなどが挙げられる。有機系には、ルベアン酸、テトラシアノキノジメタン、トリキノキサリニレン、フェナジンジオキシド、トリオキソトリアンギュレン、インディゴカルミン、ニトロニルニトロキシドラジカル化合物、ラジアレン系化合物、脂肪族環状ニトロキシルラジカル類、ベンゾキノン類等が挙げられる。   Examples of the carbon-based material include graphite, soft carbon, hard carbon, and glassy carbon. Organic compounds include rubeanic acid, tetracyanoquinodimethane, triquinoxalinylene, phenazine dioxide, trioxotriangulene, indigo carmine, nitronyl nitroxide radical compound, radialene compound, aliphatic cyclic nitroxyl radicals, And benzoquinones.

上記した正極活物質は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせてもよいが、エネルギー密度の観点から、例えば、LiCoO2、LiMn24、LiFePO4、LiFe0.5Mn0.5PO4、LiMnPO4、LiNi0.33Mn0.33Co0.332、LiNi0.5Mn0.2Co0.32、、LiNi0.6Mn0.2Co0.22、、LiNi0.8Mn0.1Co0.12、Li(Ni,Co,Al)O2、固溶体系、バナジウム系、硫黄系が好ましい。活物質粒子の形状は特に限定されず、球状、楕円状、切子状、帯状、ファイバー状、フレーク状、ドーナツ状、中空状であってもよい。 One of the above-described positive electrode active materials may be used alone, or two or more may be used in combination. However, from the viewpoint of energy density, for example, LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiFePO 4 , LiFe 0.5 Mn 0.5 PO 4, LiMnPO 4, LiNi 0.33 Mn 0.33 Co 0.33 O 2, LiNi 0.5 Mn 0.2 Co 0.3 O 2 ,, LiNi 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 O 2 ,, LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2, Li (Ni, Co, Al) O 2 , a solid solution system, a vanadium system, and a sulfur system are preferable. The shape of the active material particles is not particularly limited, and may be spherical, elliptical, faceted, strip-shaped, fiber-shaped, flake-shaped, donut-shaped, or hollow.

一方、負極の場合と同様、本発明の骨格形成剤を、上述した正極活物質の造粒用結着剤として用いることも考えられる。その場合、活物質の一次粒子は、メディアン径(D50)0.01μm〜10μmの範囲内であることが好ましく、造粒後の活物質粒子(二次粒子)は、メディアン径(D50)1μm〜100μmの範囲内であることが好ましい。活物質の造粒方法としては、負極活物質の造粒方法と実質同様であり、公知の造粒方法が適用可能である。 On the other hand, as in the case of the negative electrode, the skeleton forming agent of the present invention may be used as a binder for granulating the positive electrode active material described above. In that case, the primary particles of the active material preferably have a median diameter (D 50 ) in the range of 0.01 μm to 10 μm, and the granulated active material particles (secondary particles) have a median diameter (D 50 ). It is preferable to be within the range of 1 μm to 100 μm. The granulation method of the active material is substantially the same as the granulation method of the negative electrode active material, and a known granulation method can be applied.

また、導電助剤は、電子伝導性を有していれば特に制限はなく、例えば、金属、炭素材料、導電性高分子、導電性ガラス等が挙げられるが、高い電子伝導性と耐酸化性の観点から、炭素材料が好ましい。具体的にはアセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)、ファーネスブラック(FB)、サーマルブラック、ランプブラック、チェンネルブラック、ローラーブラック、ディスクブラック、カーボンブラック(CB)、カーボンファイバー(例えば、登録商標であるVGCFという名称の気相成長炭素繊維)、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンナノホーン、グラファイト、グラフェン、グラッシーカーボン、アモルファスカーボンなどが挙げられ、これらの一種又は二種以上を用いてもよい。   The conductive auxiliary agent is not particularly limited as long as it has electron conductivity, and examples thereof include a metal, a carbon material, a conductive polymer, and a conductive glass. In light of the above, a carbon material is preferable. Specifically, acetylene black (AB), Ketjen black (KB), furnace black (FB), thermal black, lamp black, channel black, roller black, disk black, carbon black (CB), carbon fiber (for example, registered Vapor-grown carbon fibers named VGCF, a trademark), carbon nanotubes (CNT), carbon nanohorns, graphite, graphene, glassy carbon, amorphous carbon, and the like. One or more of these may be used.

前記正極に含有される活物質、バインダ、導電助剤の合計を100質量%とした場合、導電助剤が0〜20質量%含有されていることが好ましい。つまり、導電助剤は必要に応じて含有される。20質量%を超える場合は、電池としての活物質の割合が少ないため、電極容量密度が低くなりやすい。   When the total of the active material, the binder, and the conductive additive contained in the positive electrode is 100% by mass, the conductive additive is preferably contained in an amount of 0 to 20% by mass. That is, the conductive assistant is contained as needed. If it exceeds 20% by mass, the ratio of the active material in the battery is small, so that the electrode capacity density tends to be low.

正極用バインダは、通常用いられているもの、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリイミド(PI)、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアクリル、スチレンブタジエンゴム(SBR)、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン共重合体(SEBS)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、キタンサンガム、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルブチラール(PVB)、エチレンビニルアルコール、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸リチウム、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリル酸カリウム、ポリアクリル酸アンモニウム、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸アミン、ポリアクリル酸エステル、エポキシ樹脂、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ナイロン、塩化ビニール、シリコーンゴム、ニトリルゴム、シアノアクリレート、ユリア樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ラテックス、ポリウレタン、シリル化ウレタン、ニトロセルロース、デキストリン、ポリビニルピロリドン、酢酸ビニル、ポリスチレン、クロロプロピレン、レゾルシノール樹脂、ポリアロマティック、変性シリコーン、メタクリル樹脂、ポリブテン、ブチルゴム、2−プロペン酸、シアノアクリル酸、メチルメタクリレート、グリシジルメタクリレート、アクリルオリゴマー、2−ヒドロキシエチルアクリレート、ポリアセタール、アルギン酸、デンプン、ショ糖、うるし、にかわ、ガゼイン、セルロースナノファイバー等の有機材料を1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。また、これらの有機バインダと無機バインダを混合したものでもよい。   As the binder for the positive electrode, those commonly used, for example, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyimide (PI), polyamide, polyamideimide, polyacryl, styrene butadiene rubber (SBR), ethylene -Vinyl acetate copolymer (EVA), styrene-ethylene-butylene-styrene copolymer (SEBS), carboxymethylcellulose (CMC), chitansan gum, polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl butyral (PVB), ethylene vinyl alcohol, polyethylene ( PE), polypropylene (PP), polyacrylic acid, lithium polyacrylate, sodium polyacrylate, potassium polyacrylate, ammonium polyacrylate, polymethyl acrylate, polyacrylic acid Chill, polyacrylic amine, polyacrylate, epoxy resin, polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), nylon, vinyl chloride, silicone rubber, nitrile rubber, cyanoacrylate, urea resin, melamine resin, phenol resin , Latex, polyurethane, silylated urethane, nitrocellulose, dextrin, polyvinylpyrrolidone, vinyl acetate, polystyrene, chloropropylene, resorcinol resin, polyaromatic, modified silicone, methacrylic resin, polybutene, butyl rubber, 2-propenoic acid, cyanoacrylic acid , Methyl methacrylate, glycidyl methacrylate, acrylic oligomer, 2-hydroxyethyl acrylate, polyacetal, alginic acid, den Emissions, sucrose, to sell, glue, casein, may also be an organic material such as cellulose nanofibers alone or in combination of two or more thereof. Further, a mixture of the organic binder and the inorganic binder may be used.

無機バインダは、例えば、ケイ酸塩系、リン酸塩系、ゾル系、セメント系などでよい。ただ、無機バインダだけで正極を製造すると、無機バインダの比重が大きいため、重さ当たりの電極エネルギー密度が低くなる傾向がある。   The inorganic binder may be, for example, a silicate type, a phosphate type, a sol type, a cement type, or the like. However, when a positive electrode is manufactured using only an inorganic binder, the specific gravity of the inorganic binder is large, and thus the electrode energy density per weight tends to be low.

正極用バインダは、従来、硫黄系やバナジウム系、固溶体系の正極活物質を用いる場合、充放電に伴う活物質の体積変化を抑制し、電池のサイクル寿命特性を向上させる観点から、高結着性のバインダが好ましいとされていたが、本発明においては、骨格形成剤で体積変化を抑制することが可能であるため、上述した通常用いられているものすべてが使用可能となる。   Conventionally, when a sulfur-based, vanadium-based, or solid-solution-based positive electrode active material is used as the positive electrode binder, high binding is required from the viewpoint of suppressing the volume change of the active material due to charge and discharge and improving the cycle life characteristics of the battery. Although a binder having an acidic property is considered to be preferable, in the present invention, since it is possible to suppress a change in volume with a skeleton-forming agent, all the above-mentioned commonly used substances can be used.

正極に含有される活物質、バインダ、導電助剤の合計を100質量%とした場合、バインダが0.1〜60質量%含有されていることが好ましい。バインダが0.1質量%未満であると電極の機械強度が低いため、骨格形成する際に、活物質が脱落しやすく、電池のサイクル寿命特性が悪くなることがある。一方、60質量%を超える場合は、イオン伝導性が低く、また電気抵抗が高くなり、また、電池としての活物質の割合が少ないため、電極容量密度が低くなりやすい。   Assuming that the total of the active material, the binder, and the conductive additive contained in the positive electrode is 100% by mass, the binder preferably contains 0.1 to 60% by mass. When the binder is less than 0.1% by mass, the mechanical strength of the electrode is low, so that the active material is likely to fall off when forming the skeleton, and the cycle life characteristics of the battery may be deteriorated. On the other hand, when it exceeds 60% by mass, the ion conductivity is low, the electric resistance is high, and the ratio of the active material as a battery is small, so that the electrode capacity density tends to be low.

正極に用いられる集電体は、電子伝導性を有し、保持した正極活物質に通電し得る材料であれば特に限定されない。例えば、C、Ti、Cr、Ni、Cu、Mo、Ru、Rh、Ta、W、Os、Ir、Pt、Au、Al等の導電性物質、これら導電性物質の二種類以上を含有する合金(例えば、ステンレス鋼)を使用し得る。上記の導電性物質以外のものを用いる場合、例えば、鉄にAlを被覆したような異種金属の多層構造体であってもよい。電気伝導性が高く、電解液中の安定性がよい観点から、集電体としてはC、Ti、Cr、Au、Al、ステンレス鋼等が好ましく、さらに耐酸化性と材料コストの観点からC、Al、ステンレス鋼等が好ましい。より好ましくは、炭素被覆されたAl、炭素被覆されたステンレス鋼が好ましい。   The current collector used for the positive electrode is not particularly limited as long as it has electron conductivity and can conduct electricity to the held positive electrode active material. For example, conductive materials such as C, Ti, Cr, Ni, Cu, Mo, Ru, Rh, Ta, W, Os, Ir, Pt, Au, Al, and alloys containing two or more of these conductive materials ( For example, stainless steel) may be used. When a material other than the above-described conductive material is used, for example, a multilayer structure of a different metal such as iron coated with Al may be used. From the viewpoint of high electric conductivity and good stability in the electrolytic solution, the current collector is preferably C, Ti, Cr, Au, Al, stainless steel, or the like. Further, from the viewpoint of oxidation resistance and material cost, C, Al, stainless steel, etc. are preferred. More preferably, carbon-coated Al and carbon-coated stainless steel are preferable.

集電体の形状には、線状、棒状、板状、箔状、多孔状があり、このうち充填密度を高めることができることと、骨格形成剤が活物質層に浸透しやすいことから多孔状であってもよい。多孔状には、メッシュ、織布、不織布、エンボス体、パンチング体、エキスパンド、又は発泡体などが挙げられ、このうち、集電基材の形状は、出力特性が良好なことからエンボス体、または発泡体が好ましい。   The current collector has a linear, rod, plate, foil, or porous shape.The porous material has a high packing density, and the skeleton-forming agent easily penetrates the active material layer. It may be. Porous, mesh, woven fabric, non-woven fabric, embossed body, punched body, expanded, or foam, etc., among them, the shape of the current-collecting base material, embossed body because of good output characteristics, or Foams are preferred.

また、この電極は、非水電解質二次電池用の電極であって、非水電解質二次電池の電極における活物質層の骨格形成に用いる骨格形成剤であって、成分にシロキサン結合を有するケイ酸塩又はリン酸結合を有するリン酸塩を含む骨格形成剤と、アルカリ金属と合金化が可能な活物質又はアルカリ金属イオンを吸蔵することが可能な活物質と、バインダと、を備え、前記骨格形成剤が少なくとも活物質層の表面に存在する。この構成によれば、電極に骨格形成剤を塗布等することによって、活物質層に骨格形成剤が浸透し、活物質層内に強固な骨格を形成する。これにより、電極の体積変化を緩和し、電極表面の絶縁性が向上する。   Further, this electrode is an electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, and is a skeleton forming agent used for forming a skeleton of an active material layer in an electrode of the non-aqueous electrolyte secondary battery. A skeleton forming agent containing a phosphate having a phosphate or a phosphate bond, an active material capable of alloying with an alkali metal or an active material capable of occluding an alkali metal ion, and a binder, The skeleton forming agent is present at least on the surface of the active material layer. According to this configuration, by applying a skeleton forming agent to the electrode, the skeleton forming agent permeates the active material layer, and forms a strong skeleton in the active material layer. Thereby, the volume change of the electrode is reduced, and the insulating property of the electrode surface is improved.

また、この電極は、骨格形成剤が活物質層内に存在し、前記活物質層内において、活物質同士の間に隙間が存在する。この構成によれば、電極に骨格形成剤を塗布等することによって、活物質層に骨格形成剤が浸透するため、活物質層内において活物質同士の隙間が完全に骨格形成剤で満たされず、活物質同士の隙間が残存する。これにより、充放電時の活物質の膨張収縮を許容し、電極の集電体のしわや亀裂等の発生を抑制する。   In this electrode, the skeleton forming agent exists in the active material layer, and a gap exists between the active materials in the active material layer. According to this configuration, by applying the skeleton forming agent to the electrode, etc., the skeleton forming agent permeates the active material layer, so that the gap between the active materials in the active material layer is not completely filled with the skeleton forming agent, Gaps between the active materials remain. This allows expansion and contraction of the active material during charge and discharge, and suppresses the occurrence of wrinkles and cracks in the current collector of the electrode.

また、この電極は、前記ケイ酸塩系骨格形成剤の層の表面に、前記耐アルカリ性の無機粒子を含む層を有する。この構成によれば、無機粒子の層を備えることで、強固な骨格を形成することができるとともに、乾燥時の剥離やクラックの発生を抑制することができる。また、無機粒子の層がセパレータの代わりとなり、別途セパレータを用いずに、電池を構成することも可能となる。なお、骨格形成剤がリン酸塩系である場合は、耐酸性の無機粒子を含む層とする。   This electrode has a layer containing the alkali-resistant inorganic particles on the surface of the layer of the silicate-based skeleton-forming agent. According to this configuration, by providing the layer of inorganic particles, a strong skeleton can be formed, and peeling and cracking during drying can be suppressed. In addition, the layer of inorganic particles replaces the separator, so that the battery can be configured without using a separate separator. When the skeleton-forming agent is a phosphate-based agent, the layer is a layer containing acid-resistant inorganic particles.

好ましくは、この電極は、片面塗工された電極の単位面積当たりの前記骨格形成剤が、0.01mg/cm2以上3mg/cm2以下である、あるいは、両面塗工された電極の単位面積当たりの前記骨格形成剤が、0.02mg/cm2以上6mg/cm2以下である。より好ましくは、片面塗工された電極の単位面積当たりの前記骨格形成剤が、0.05mg/cm2以上3mg/cm2以下である、あるいは、両面塗工された電極の単位面積当たりの前記骨格形成剤が、0.1mg/cm2以上6mg/cm2以下である。 Preferably, in this electrode, the skeleton-forming agent per unit area of the electrode coated on one side is 0.01 mg / cm 2 or more and 3 mg / cm 2 or less, or the unit area of the electrode coated on both sides is used. the skeleton-forming agent per are, at 0.02 mg / cm 2 or more 6 mg / cm 2 or less. More preferably, the skeleton forming agent per unit area of the electrode coated on one side is 0.05 mg / cm 2 or more and 3 mg / cm 2 or less, or the skeleton forming agent per unit area of the electrode coated on both sides is used. The skeletal forming agent is at least 0.1 mg / cm 2 and at most 6 mg / cm 2 .

また、この電極は、アルカリ金属と合金化が可能な活物質又はアルカリ金属イオンを吸蔵することが可能な活物質と、有機バインダ及び前記骨格形成剤を備える。   The electrode includes an active material capable of alloying with an alkali metal or an active material capable of absorbing alkali metal ions, an organic binder, and the skeleton forming agent.

好ましくは、この電極は、活物質、導電助剤、バインダおよび骨格形成剤の固形分合計を100質量%とした場合、骨格形成剤が0.1質量%以上30質量%以下が好ましく、より好ましくは、0.2質量%以上20質量%以下、さらに好ましくは、0.5質量%以上10質量%以下である。   Preferably, in this electrode, when the total solid content of the active material, the conductive auxiliary agent, the binder, and the skeleton-forming agent is 100% by mass, the skeleton-forming agent is preferably from 0.1% by mass to 30% by mass, and more preferably. Is from 0.2% by mass to 20% by mass, more preferably from 0.5% by mass to 10% by mass.

また、非水電解質二次電池用のセパレータとして、前記の骨格形成剤を少なくとも表面に存在している構成としてもよい。   Further, as a separator for a non-aqueous electrolyte secondary battery, a configuration in which the skeleton forming agent is present at least on the surface may be employed.

この構成によれば、高強度で耐熱性に優れ、サイクル寿命特性が向上したセパレータとなる。ここで、セパレータは、非水電解質二次電池に一般に用いられるものが使用できる。また、セパレータの材質としては、特に限定されない。短絡時の局所的な発熱で、メルトダウンしないようにセラミックス層がコートまたは充填されているセパレータであってもよい。また、セパレータの形状は、微多孔膜、織布、不織布、圧粉体が挙げられ、形状は特に限定されない。   According to this configuration, the separator has high strength, excellent heat resistance, and improved cycle life characteristics. Here, a separator generally used for a non-aqueous electrolyte secondary battery can be used. The material of the separator is not particularly limited. The separator may be coated or filled with a ceramic layer so as not to melt down due to local heat generation during a short circuit. The shape of the separator includes a microporous membrane, a woven fabric, a nonwoven fabric, and a compact, and the shape is not particularly limited.

セパレータに骨格形成剤を塗布することで、短絡時の局所的な発熱で、セパレータ基材がメルトダウンして電池の短絡を抑制することができる。また、電池を充電した際に、正極側のセパレータの酸化を抑制することができるため、電池の自己放電を抑制する。加えて、セパレータの耐熱性が向上するため、釘刺しや過充電の安全性が改善される。   By applying the skeleton forming agent to the separator, it is possible to suppress the short circuit of the battery due to the meltdown of the separator substrate due to local heat generation at the time of short circuit. In addition, when the battery is charged, oxidation of the separator on the positive electrode side can be suppressed, so that self-discharge of the battery is suppressed. In addition, since the heat resistance of the separator is improved, the safety of nail penetration and overcharge is improved.

また、ケイ酸塩系骨格形成剤には、耐アルカリ性を有するセラミックスなどの無機粒子が含まれていてもよい。その場合、セラミックスの粒径が、0.2〜20μmの範囲内であることが好ましく、より好ましくは、0.25〜10μmの範囲内である。ただし、リン酸塩系では、耐酸性を有するセラミックスなどの無機粒子が含まれていてもよい。その場合もケイ酸塩系と同様である。   Further, the silicate-based skeleton forming agent may contain inorganic particles such as ceramics having alkali resistance. In this case, the particle size of the ceramic is preferably in the range of 0.2 to 20 μm, and more preferably in the range of 0.25 to 10 μm. However, phosphate-based materials may contain inorganic particles such as acid-resistant ceramics. In that case, it is the same as the silicate type.

その他、既存のセラミックスコートセパレータのセラミックス層に対して、骨格形成剤を塗布・充填し、耐熱性を向上させたセパレータであってもよい。   Alternatively, a separator in which a skeleton forming agent is applied to and filled in a ceramic layer of an existing ceramic coat separator to improve heat resistance may be used.

セパレータの空隙率は、30%以上であるものが好ましく、アルカリ金属イオン伝導性と耐デンドライト特性の観点から、40%以上90%以下であることがより好ましい。また、ガーレー試験法によって得られる透気度が3000秒/100cc以下であることが好ましい。ここで、空隙率はセパレータの見掛け密度と構成材料の固形分の真密度から、空隙率(%)=100−(セパレータの見掛け密度/材料固形分の真密度)×100、の式により算出した値である。また、ガーレー透気度とは、JIS P 8117に規定されたガーレー試験機法による透気抵抗度である。   The porosity of the separator is preferably 30% or more, and more preferably 40% or more and 90% or less from the viewpoint of alkali metal ion conductivity and dendrite resistance. The air permeability obtained by the Gurley test method is preferably 3000 seconds / 100 cc or less. Here, the porosity was calculated from the apparent density of the separator and the true density of the solids of the constituent materials by the formula: porosity (%) = 100− (apparent density of separator / true density of material solids) × 100. Value. The Gurley air permeability is the air resistance measured by the Gurley tester method specified in JIS P8117.

好ましくは、このセパレータは、片面塗工されたセパレータの単位面積当たりの前記骨格形成剤が、0.01mg/cm2以上3mg/cm2以下である、あるいは、両面塗工されたセパレータの単位面積当たりの前記骨格形成剤が、0.02mg/cm2以上6mg/cm2以下である。 Preferably, the skeleton forming agent per unit area of the separator coated on one side is 0.01 mg / cm 2 or more and 3 mg / cm 2 or less, or the unit area of the separator coated on both sides is preferable. the skeleton-forming agent per are, at 0.02 mg / cm 2 or more 6 mg / cm 2 or less.

また、電極を製造する方法として、非水電解質二次電池の電極の製造方法であって、成分にシロキサン結合を有するケイ酸塩を含む骨格形成剤または、リン酸塩を含む骨格形成剤を、前記電極の活物質層の表面につける工程Aと、前記電極を乾燥する工程Bと、を備えることとしてもよい。この構成によれば、骨格形成剤を電極の製造に用いることで、耐熱性に優れ高強度で、サイクル寿命特性が向上した電極を製造できる。   Further, as a method of manufacturing an electrode, a method of manufacturing an electrode of a non-aqueous electrolyte secondary battery, a skeleton forming agent containing a silicate having a siloxane bond in the component, or a skeleton forming agent containing a phosphate, A step A of attaching the electrode to the surface of the active material layer and a step B of drying the electrode may be provided. According to this configuration, by using the skeleton-forming agent in the production of the electrode, an electrode having excellent heat resistance, high strength, and improved cycle life characteristics can be produced.

また、この電極の製造方法は、前記工程Aにおいて、前記活物質層の表面から内部に前記骨格形成剤が浸透する。   In the method for manufacturing an electrode, in the step A, the skeleton forming agent permeates from the surface of the active material layer to the inside.

また、この電極の製造方法は、前記工程Aは、前記骨格形成剤を入れた槽に、前記電極を含浸する工程である。   In the method for manufacturing an electrode, the step A is a step of impregnating the electrode in a tank containing the skeleton forming agent.

好ましくは、この電極の製造方法は、前記骨格形成剤におけるケイ酸塩またはリン酸塩、の固形分濃度が、0.1乃至30質量部であり、前記工程Bは、60℃以上の温度で熱処理する工程である。60℃未満で乾燥すると、電極やセパレータとの結着強度が低く、またこれらの水分を十分に除去できないため、電池を組んだ際に安定した寿命特性が得られにくくなる。   Preferably, in the method for producing an electrode, the solid content concentration of the silicate or the phosphate in the skeleton forming agent is 0.1 to 30 parts by mass, and the step B is performed at a temperature of 60 ° C. or more. This is the step of heat treatment. If the drying is performed at a temperature lower than 60 ° C., the bonding strength between the electrode and the separator is low, and the moisture cannot be sufficiently removed, so that it is difficult to obtain a stable life characteristic when the battery is assembled.

ここで、電極の製造方法は、例えば、活物質と、バインダと、必要に応じて添加される導電助剤とを混合しスラリー化したものを集電体に塗布し、仮乾燥させた後、骨格形成剤が溶解した水を活物質層に充填し、60℃以上で熱処理を行うことで電極を得る。すなわち、スラリー塗工法により得られた電極を骨格形成剤を活物質層に充填し、熱処理することで電極を得る。仮乾燥は、スラリー内の溶媒が揮発除去できる方法であれば特に限定されないが、例えば、大気中50〜200℃の温度雰囲気下で熱処理を行う方法を挙げることができる。   Here, the manufacturing method of the electrode is, for example, an active material, a binder, and a conductive auxiliary agent added as necessary, and a slurry is applied to the current collector, and then temporarily dried, The electrode is obtained by filling the active material layer with water in which the skeleton forming agent is dissolved, and performing heat treatment at 60 ° C. or higher. That is, the electrode obtained by the slurry coating method is filled with the skeleton forming agent in the active material layer and heat-treated to obtain the electrode. The temporary drying is not particularly limited as long as the solvent in the slurry can be volatilized and removed. For example, a method of performing heat treatment in a temperature atmosphere of 50 to 200 ° C. in the air can be used.

また、この熱処理は、温度が高温になれば、熱処理時間が短くすることができることと、骨格形成剤の強度が向上することから、好ましくは80℃以上、より好ましくは100℃以上、望ましくは110℃以上である。なお、熱処理の上限温度としては、集電体が溶融しなければ特に限定されず、例えば、銅の融点である約1000℃まで上昇させてもよい。従来の電極であれば、電極用バインダが炭化したり、集電体が軟化することがあったため、上限温度は1000℃よりもはるかに低く見積もられていたが、本発明においては、骨格形成剤が優れた耐熱性を示し、集電体の強度よりも強固であることから、温度の上限は1000℃である。   In addition, this heat treatment is preferably performed at a temperature of at least 80 ° C., more preferably at least 100 ° C., and preferably at least 110 ° C., since the heat treatment time can be shortened at a high temperature and the strength of the skeleton forming agent is improved. ° C or higher. The upper limit temperature of the heat treatment is not particularly limited as long as the current collector does not melt. For example, the temperature may be increased to about 1000 ° C., which is the melting point of copper. In the case of a conventional electrode, the upper limit temperature was estimated to be much lower than 1000 ° C. because the electrode binder was carbonized and the current collector was sometimes softened. Since the agent exhibits excellent heat resistance and is stronger than the strength of the current collector, the upper limit of the temperature is 1000 ° C.

また、熱処理の時間は、0.5〜100時間保持することによって行うことができる。熱処理の雰囲気は、大気中であってもかまわないが、集電体の酸化を防ぐため、非酸化雰囲気下で処理することが好ましい。非酸化雰囲気下とは、酸素ガスの存在量が空気中よりも少ない環境を意味する。例えば、減圧環境、真空環境、水素ガス雰囲気、チッ素ガス雰囲気、希ガス雰囲気などであってもよい。   Further, the heat treatment can be performed by maintaining the time for 0.5 to 100 hours. The atmosphere for the heat treatment may be in the air, but it is preferable to perform the treatment in a non-oxidizing atmosphere in order to prevent oxidation of the current collector. The non-oxidizing atmosphere means an environment in which the amount of oxygen gas is smaller than in air. For example, a reduced pressure environment, a vacuum environment, a hydrogen gas atmosphere, a nitrogen gas atmosphere, a rare gas atmosphere, or the like may be used.

また、不可逆容量のある材料を用いた電極の場合は、リチウムドープにより、不可逆容量をキャンセルしていることが好ましい。リチウムドープの方法としては、特に限定されないが、例えば、(i)電極集電体上の活物質層がない部分に金属リチウムを貼り付け、注液することでローカルセルを形成し、電極活物質中にリチウムをドープする方法、(ii)電極集電体上の活物質層上に金属リチウムを貼り付け、注液することで強制短絡させ、電極活物質中にリチウムをドープする方法、(iii)活物質層上に蒸着やスパッタにより金属リチウムを成膜し、固相反応で電極活物質中にリチウムをドープする方法、(iv)電池構成前の電極に、電解液中で電気化学的にリチウムをドープする方法、(v)活物質粉末に金属リチウムを加え混合処理することで、活物質中にリチウムをドープする方法等が挙げられる。   In the case of an electrode using a material having an irreversible capacity, it is preferable that the irreversible capacity be canceled by lithium doping. The method of lithium doping is not particularly limited. For example, (i) metal lithium is attached to a portion of the electrode current collector where no active material layer is provided, and a liquid is injected to form a local cell. A method of doping lithium into the active material layer; (ii) a method of applying metallic lithium on the active material layer on the electrode current collector and injecting and forcibly short-circuiting the active material layer to dope the active material layer with lithium; (iii) A) a method in which metallic lithium is deposited on the active material layer by vapor deposition or sputtering, and lithium is doped into the electrode active material by a solid-phase reaction. Examples include a method of doping lithium, and a method of (v) adding lithium metal to an active material powder and mixing the active material powder to dope lithium into the active material.

その他、電極の製造方法としては、例えば、活物質あるいは活物質前駆体を化学めっき法やスパッタリング法、蒸着法、ガスデポジション法などを用いて、集電体上に活物質層を形成して一体化する方法などとしてもよいが、骨格形成剤の親液性と電極製造コストの観点から、スラリー塗工法が好ましい。   In addition, as a method for manufacturing an electrode, for example, an active material or an active material precursor is formed by forming an active material layer on a current collector by using a chemical plating method, a sputtering method, an evaporation method, a gas deposition method, or the like. Although a method of integration may be used, a slurry coating method is preferred from the viewpoint of the lyophilicity of the skeleton forming agent and the electrode manufacturing cost.

また、この電極を電池に用いることで、サイクル寿命特性に優れ、安全性の良好な電池とすることができる。   Further, by using this electrode for a battery, a battery having excellent cycle life characteristics and good safety can be obtained.

例えば、上記の電極(正極又は負極)を用いた電池であれば、正極と負極とをセパレータを介して接合され、電解液内に浸漬した状態で密閉化された電池構造が考えられる。なお、電池の構造はこれに限られず、積層式電池、捲回式電池などの既存の電池形態や構造等に適用可能である。   For example, in the case of a battery using the above-mentioned electrode (positive electrode or negative electrode), a battery structure in which the positive electrode and the negative electrode are joined via a separator and sealed in a state of being immersed in an electrolytic solution can be considered. The structure of the battery is not limited to this, and can be applied to existing battery forms and structures such as a stacked battery and a wound battery.

また、この電池に用いる電解質は、正極から負極、または負極から正極にアルカリ金属イオンを移動させることのできる液体または固体であればよく、公知の非水電解質二次電池に用いられる電解質と同じものが使用可能である。例えば、電解液、ゲル電解質、固体電解質、イオン性液体、溶融塩があげられる。ここで、電解液とは、電解質が溶媒に溶けた状態のものをいう。   The electrolyte used in this battery may be any liquid or solid capable of moving alkali metal ions from the positive electrode to the negative electrode or from the negative electrode to the positive electrode, and may be the same as the electrolyte used in known nonaqueous electrolyte secondary batteries. Can be used. For example, there are an electrolyte, a gel electrolyte, a solid electrolyte, an ionic liquid, and a molten salt. Here, the electrolyte refers to a solution in which the electrolyte is dissolved in a solvent.

電解質としては、アルカリ金属イオンを含有する必要があることから、その電解質塩としては、非水電解質二次電池で用いられるものであれば特に限定されないが、リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩などのアルカリ金属塩が好適である。このアルカリ金属塩としては、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)、過塩素酸リチウム(LiClO4)、テトラフルオロホウ酸リチウム(LiBF4)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO4)、リチウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド(LiN(SO2CF32)、リチウムビスペンタフルオロエタンスルホニルイミド(LiN(SO2252)、リチウムビスオキサレートボレート(LiBC48)、、ヘキサフルオロリン酸ナトリウム、過塩素酸ナトリウム、テトラフルオロホウ酸ナトリウム、トリフルオロメタンスルホン酸ナトリウム及びトリフルオロメタンスルホン酸イミドナトリウム、ヘキサフルオロリン酸カリウム、過塩素酸カリウム、テトラフルオロホウ酸カリウム、トリフルオロメタンスルホン酸カリウム及びトリフルオロメタンスルホン酸イミドカリウムなどからなる群より選択される少なくとも1種以上を用いることができる。 As the electrolyte, since it is necessary to contain an alkali metal ion, the electrolyte salt is not particularly limited as long as it is used in a non-aqueous electrolyte secondary battery, such as a lithium salt, a sodium salt, and a potassium salt. Alkali metal salts are preferred. Examples of the alkali metal salt include lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF 3 SO 4 ), and lithium bistrioxide. trifluoromethanesulfonyl imide (LiN (SO 2 CF 3) 2), lithium bis pentafluoroethane imide (LiN (SO 2 C 2 F 5) 2), lithium bis (oxalato) borate (LiBC 4 O 8) ,, hexafluoro Sodium phosphate, sodium perchlorate, sodium tetrafluoroborate, sodium trifluoromethanesulfonate and sodium trifluoromethanesulfonimide, potassium hexafluorophosphate, potassium perchlorate, potassium tetrafluoroborate It is possible to use at least one or more selected from the group consisting of trifluoromethane sulfonic acid and potassium trifluoromethanesulfonate imide potassium.

電解質の溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、γ−ブチロラクトン(GBL)、メチル−γ−ブチロラクトン、メチルラクトン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン(DOL)、4−メチル−1,3−ジオキソラン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、ジエチルエーテル、フラン、ジメチルフラン、テトラヒドロフラン(T
HF)、メチルテトラハイドロフラン(MeTHF)、テトラヒドロプラン(THP)、ジオキサン(DIOX)、クラウンエーテル、ジメトキシメタン(DMM)、ジメトキシエタン(DME)、ジグライム、トリグライム、テトラグライム、酢酸メチル(MA)、酢酸エチル(EA)、酢酸プロピル、酢酸イソプロピル、酢酸ブチル、メチルフルオロアセテート、エチルトリフルオロアセテート、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸プロピル、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、酪酸エチル、酪酸プロピル、メチル酪酸プロピル、酢酸ビニル、シアノ酢酸メチル、γ−バレロラクトン、σ−バレロラクトン、ε-カプロラクトン、γ−ヘキサラクトン、γ−ウンデカラクトン、リン酸トリメチル(TMP)、リン酸トリエチル(TEP)、トリ−n−プロピルフォスフェート、トリオクチルホスファート、リン酸トリフェニル、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、エチレンジアミン、ピリジン、N−メチルイミダゾール、ジメチルサルフェート、ジメチルサルファイト、ジプロピルサルファイト、エチレンサルファイト、ジメチルスルホン、エチルメチルスルホン、ジフェニルスルホン、スルホラン、メチルスルホラン、メタンスルホン酸メチル、ベンゼンスルホン酸メチル、トリフルオロメタンスルホン酸メチル、プロパンスルホン、ブタンスルホン、ジメチルスルホキシド、ジフェニルジスルフィド、ジメチルスルフィド、ジエチルスルフィド、アセトニトリル、プロパンニトリル、アジポニトリル、バレロニトリル、グルタニトリル、マロノニトリル、スクシノニトリル、ピメロニトリル、スベロニトリル、イソブチロニトリル、ビフェニル、無水コハク酸、t−ブチルベンゼン、ナフタレン、シクロヘキシルベンゼン、ベンゾトリアゾール、チオフェン、トルエン、メチルエチルケトン、ベンゼン、フルオロベンゼン、ヘキサフルオロベンゼン、ニトロメタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート(EVC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、エチレンサルファイト(ES)よりなる群から選択される少なくとも1種を用いることができる。
Examples of the solvent for the electrolyte include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), γ-butyrolactone (GBL), and methyl-γ-. Butyrolactone, methyl lactone, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane (DOL), 4-methyl-1,3-dioxolane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, diethyl ether, furan, dimethyl Furan, tetrahydrofuran (T
HF), methyltetrahydrofuran (MeTHF), tetrahydroplan (THP), dioxane (DIOX), crown ether, dimethoxymethane (DMM), dimethoxyethane (DME), diglyme, triglyme, tetraglyme, methyl acetate (MA), Ethyl acetate (EA), propyl acetate, isopropyl acetate, butyl acetate, methyl fluoroacetate, ethyl trifluoroacetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, methyl formate, ethyl formate, propyl formate, ethyl butyrate, propyl butyrate , Methyl propylate, vinyl acetate, methyl cyanoacetate, γ-valerolactone, σ-valerolactone, ε-caprolactone, γ-hexalactone, γ-undecalactone, trimethyl phosphate (TMP), phosphorus Triethyl (TEP), tri-n-propyl phosphate, trioctyl phosphate, triphenyl phosphate, N, N-dimethylformamide (DMF), ethylenediamine, pyridine, N-methylimidazole, dimethyl sulfate, dimethyl sulfate, diphenyl Propyl sulfite, ethylene sulfite, dimethyl sulfone, ethyl methyl sulfone, diphenyl sulfone, sulfolane, methyl sulfolane, methyl methane sulfonate, methyl benzene sulfonate, methyl trifluoromethane sulfonate, propane sulfone, butane sulfone, dimethyl sulfoxide, diphenyl disulfide , Dimethyl sulfide, diethyl sulfide, acetonitrile, propanenitrile, adiponitrile, valeronitrile, glutanitrile, malo Nonitrile, succinonitrile, pimeronitrile, suberonitrile, isobutyronitrile, biphenyl, succinic anhydride, t-butylbenzene, naphthalene, cyclohexylbenzene, benzotriazole, thiophene, toluene, methyl ethyl ketone, benzene, fluorobenzene, hexafluorobenzene, nitromethane , N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, vinylene carbonate (VC), vinyl ethylene carbonate (EVC), fluoroethylene carbonate (FEC), and ethylene sulfite (ES). Can be.

イオン性液体や溶融塩は、カチオン(陽イオン)の種類でピリジン系、脂環族アミン系、脂肪族アミン系などに類別される。これに組み合わせるアニオン(陰イオン)の種類を選択することで、多様なイオン性液体又は溶融塩を合成できる。カチオンには、イミダゾリウム塩類・ピリジニウム塩類などのアンモニウム系、ホスホニウム系イオン、無機系イオンなど、アニオンの採用例としては、臭化物イオンやトリフラートなどのハロゲン系、テトラフェニルボレートなどのホウ素系、ヘキサフルオロホスフェートなどのリン系などがある。   Ionic liquids and molten salts are classified into pyridines, alicyclic amines, and aliphatic amines, depending on the type of cation (cation). By selecting the type of anion (anion) to be combined with this, various ionic liquids or molten salts can be synthesized. Examples of the cation include ammonium ions such as imidazolium salts and pyridinium salts, phosphonium ions, and inorganic ions. Examples of anions include halogen ions such as bromide ions and triflate, boron ions such as tetraphenylborate, and hexafluoro ions. Phosphorus such as phosphate.

イオン性液体や溶融塩は、例えば、イミダゾリニウム等のカチオンと、Br-、Cl-、BF4 -、PF6 -、(CF3SO22-、CF3SO3 -、FeCl4 -等のアニオンと組み合わせて構成するような公知の合成方法で得ることができる。イオン性液体や溶融塩であれば、電解質を加えなくても電解液として機能することができる。 Ionic liquids and molten salts include, for example, cations such as imidazolinium, and Br , Cl , BF 4 , PF 6 , (CF 3 SO 2 ) 2 N , CF 3 SO 3 , and FeCl 4. - in combination with anions such as it can be obtained by known synthetic methods, such as to configure. An ionic liquid or a molten salt can function as an electrolyte without adding an electrolyte.

また、この電極を用いた電池を具備する電気機器としてもよい。   Further, an electric device including a battery using the electrode may be used.

電気機器としては、例えば、アイロン、泡だて器、一体型パソコン、衣類乾燥機、医療機器、インターホン、ウェアラブル端末、映像機器、エアコン、エアサーキュレーター、園芸機械、オートバイ、オーブン、音楽プレーヤー、音楽レコーダー、温風ヒーター、おもちゃ類、カーコンポ、懐中電灯、拡声器、カーナビ、カセットコンロ、家庭用蓄電池、介護機械、加湿器、乾燥機、給油機、給水器、吸引機、金庫、グルーガン、携帯電話、携帯情報機器、空気清浄器、空調服、ゲーム機、蛍光灯、毛玉取り機、コードレス電話、コーヒーメーカー、コーヒーウォーマー、氷かき機、こたつ、コピー機、散髪器具、シェーバー、芝刈り機、自動車、照明器具、除湿器、シーラー、シュレッダー、自動体外式除細動器、炊飯器、ステレオ、ストーブ、スピーカー、ズボンプレッサー、スマートフォン、精米機、洗濯機、洗浄機能付便座、センサー、扇風機、潜水艦、送風機、掃除機、タブレット、体脂肪計、釣り具、デジタルカメラ、テレビ、テレビ受像機、テレビゲーム、ディスプレイ、ディスクチェンジャー、デスクトップ型パソコン、鉄道、テレビ、電気カーペット、電気スタンド、電気ストーブ、電気ポット、電気毛布、電卓、電動カート、電動車椅子、電動工具、電気自動車、電気うき、電動歯ブラシ、電話機、電動自転車、電撃殺虫器、電磁調理器、電子手帳、電子楽器、電子錠、電子カード、電子レンジ、電子蚊取り、電子たばこ、電話、トースター、ドライヤー、トランシーバー、時計、ドローン、生ごみ処理機、ノートパソコン、白熱電球、はんだごて、パネルヒーター、ハロゲンヒーター、発酵機、パン焼き機、ハイブリッド自動車、パソコン、パソコン周辺機器、バリカン、パネルヒーター、ビデオカメラ、ビデオデッキ、飛行機、非常用電灯、非常用蓄電池、船、美容機器、プリンター、複写機、粉砕機、噴霧器、ファクシミリ、フォークリフト、プラグインハイブリッド自動車、プロジェクタ、ヘアドライア、ヘアーアイロン、ヘッドホン、防災機器、防犯機器、ホームシアター、ホットサンドメーカー、ホットプレート、ポンプ、芳香機、マッサージ機、ミキサー、ミル、ムービープレーヤー、モニター、もちつき機、湯沸かし器、床暖房パネル、ラジオ、ラジオカセット、ランタン、ラジコン、ラミネーター、リモコン、レンジ、冷水器、冷蔵庫、冷風機、冷風扇、冷房機器、ロボット、ワープロ、GPS、などが挙げられる。   Examples of electrical equipment include irons, whisks, integrated personal computers, clothes dryers, medical equipment, intercoms, wearable terminals, video equipment, air conditioners, air circulators, horticultural machinery, motorcycles, ovens, music players, music recorders , Hot air heaters, toys, car components, flashlights, loudspeakers, car navigation systems, cassette stoves, home storage batteries, nursing care equipment, humidifiers, dryers, refuelers, water supplies, suction machines, safes, glue guns, mobile phones, Portable information devices, air purifiers, air conditioning clothes, game machines, fluorescent lights, pill removers, cordless phones, coffee makers, coffee warmers, ice scrapers, kotatsu, copiers, haircuts, shavers, lawn mowers, automobiles, Lighting equipment, dehumidifier, sealer, shredder, automatic external defibrillator, rice cooker, stereo, strike , Speaker, trouser press, smartphone, rice mill, washing machine, toilet seat with washing function, sensor, fan, submarine, blower, vacuum cleaner, tablet, body fat scale, fishing gear, digital camera, television, television receiver, television Games, displays, disc changers, desktop personal computers, railways, televisions, electric carpets, desk lamps, electric stoves, electric pots, electric blankets, calculators, electric carts, electric wheelchairs, electric tools, electric vehicles, electric brushes, electric toothbrushes, Telephone, electric bicycle, electric shock insect, electromagnetic cooker, electronic organizer, electronic musical instrument, electronic lock, electronic card, microwave oven, electronic mosquito catcher, electronic cigarette, telephone, toaster, dryer, transceiver, clock, drone, garbage disposal , Laptop, incandescent bulb, soldering iron, panel heater Heaters, halogen heaters, fermenters, baking machines, hybrid vehicles, personal computers, personal computer peripherals, clippers, panel heaters, video cameras, VCRs, airplanes, emergency lights, emergency storage batteries, ships, beauty equipment, printers, copiers , Crusher, sprayer, facsimile, forklift, plug-in hybrid vehicle, projector, hair dryer, hair iron, headphones, disaster prevention equipment, security equipment, home theater, hot sand maker, hot plate, pump, fragrance machine, massage machine, mixer, mill , Movie player, monitor, mochi, water heater, floor heating panel, radio, radio cassette, lantern, radio control, laminator, remote control, range, water cooler, refrigerator, cooler, cool fan, cooling device, robot, work Professional, GPS, and the like.

本発明に係る骨格形成剤は、これを電極に用いることで、バインダとして用いる場合と異なり、しわや亀裂等の発生を抑制できる。また、従来よりも良好な寿命特性が得られる。また、活物質層の電子伝導性が高い場合も、内部短絡による発熱を低くできる。   When the skeleton forming agent according to the present invention is used for an electrode, unlike the case where the skeleton forming agent is used as a binder, generation of wrinkles and cracks can be suppressed. Further, better life characteristics than in the past can be obtained. Further, even when the electron conductivity of the active material layer is high, heat generation due to an internal short circuit can be reduced.

本発明の一実施形態にかかる骨格形成剤を塗工した電極の断面を示す図である。It is a figure showing the section of the electrode which applied the skeleton formation agent concerning one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態にかかる骨格形成剤の塗工の一例を示す図である。It is a figure showing an example of application of a skeleton former concerning one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態にかかる電極の製造工程の一例を示す図である。It is a figure showing an example of a manufacturing process of an electrode concerning one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態にかかる電極のサイクル寿命特性を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing cycle life characteristics of an electrode according to one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態にかかる電極の骨格密度と放電容量の関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between a skeletal density and a discharge capacity of an electrode according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態にかかる電極のサイクル寿命特性を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing cycle life characteristics of an electrode according to one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態にかかる電極の骨格密度と放電容量の関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between a skeletal density and a discharge capacity of an electrode according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態にかかる電極のサイクル寿命特性を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing cycle life characteristics of an electrode according to one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態にかかる界面活性剤を含む骨格形成剤を適用した電極のサイクル寿命特性を示す図である。FIG. 3 is a view showing cycle life characteristics of an electrode to which a skeleton forming agent containing a surfactant according to one embodiment of the present invention is applied. 本発明の一実施形態にかかる骨格形成剤を塗工した電極と塗工していない電極のサイクル寿命特性を比較した図である。FIG. 4 is a diagram comparing cycle life characteristics of an electrode coated with a skeleton-forming agent according to an embodiment of the present invention and an electrode not coated with the skeleton forming agent. 本発明の一実施形態にかかる骨格形成剤を塗工した電極と塗工していない電極のサイクル寿命特性を比較した図である。FIG. 4 is a diagram comparing cycle life characteristics of an electrode coated with a skeleton-forming agent according to an embodiment of the present invention and an electrode not coated with the skeleton forming agent. 本発明の一実施形態にかかる無機粒子を含む骨格形成剤を塗工した電極の断面を示す図である。It is a figure showing the section of the electrode which applied the skeleton former containing inorganic particles concerning one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態にかかるセパレータを用いない電池の初期充放電曲線を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an initial charge / discharge curve of a battery without using a separator according to one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態にかかる骨格形成剤を適用したSi造粒体のSEM像を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an SEM image of a Si granule to which a skeleton forming agent according to one embodiment of the present invention has been applied. 本発明の一実施形態にかかる各レートにおける充放電曲線を示す図である。It is a figure showing the charge and discharge curve in each rate concerning one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態にかかる骨格形成剤を塗工した電極と塗工していない電極を比較した剥離試験の結果を示す図である。It is a figure showing the result of the exfoliation test which compared the electrode which applied the skeleton formation agent concerning one embodiment of the present invention, and the electrode which was not applied. ケイ酸塩(Na2O・nSiO2)粉末のX線回折(XRD)パターンを示す図である。Silicate (Na 2 O · nSiO 2) shows an X-ray diffraction (XRD) patterns of the powder. アルカリ金属ケイ酸塩(Li0.05Na1.95O・2.8SiO2)をバインダとして含む参考例の電極のサイクル寿命特性と200サイクル後の電極を示す図である。It is a diagram showing the cycle life characteristics and after 200 cycles of the electrodes of the electrode of reference example containing an alkali metal silicate (Li 0.05 Na 1.95 O · 2.8SiO 2) as a binder. 従来のSi負極における集電体を示す写真の写しである。It is a copy of the photograph which shows the current collector in the conventional Si negative electrode. 骨格形成剤を被覆含浸した電極と被覆含浸しない電極を比較したグロー放電発光分光分析結果を示す図である。It is a figure which shows the glow discharge optical emission spectroscopy analysis result which compared the electrode impregnated with the skeleton forming agent with the electrode which did not impregnate. ケイ酸塩系の分子式と、リン酸塩系の分子式を示す図である。It is a figure which shows a silicate type molecular formula and a phosphate type molecular formula.

以下、本発明に係る一実施形態を図面に基づき説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。特に、本実施形態においては、リチウム二次電池(リチウムイオン電池)の電極を例に説明するが、本発明はこれに限られない。また、骨格形成剤として、主に、Na2O・3SiO2を含むアルカリ金属ケイ酸塩水溶液を例に説明するが、これに限られない。 Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to this embodiment. Particularly, in the present embodiment, an electrode of a lithium secondary battery (lithium ion battery) will be described as an example, but the present invention is not limited to this. In addition, as an example of the skeleton forming agent, an alkali metal silicate aqueous solution containing Na 2 O.3SiO 2 will be described as an example, but is not limited thereto.

―第1実施形態―
[1.電極の製造方法]
まず、本実施形態の一例として、リチウム二次電池の電極の製造方法について説明する。なお、電極には負極と正極があるが、負極と正極は主に集電体及び活物質が異なるのみで製造方法は同様である。よって、負極の製造方法について説明し、正極の製造方法は適宜省略する。
-First Embodiment-
[1. Electrode manufacturing method]
First, as an example of the present embodiment, a method for manufacturing an electrode of a lithium secondary battery will be described. Note that the electrodes include a negative electrode and a positive electrode, and the negative electrode and the positive electrode have the same manufacturing method except that the current collector and the active material are different. Therefore, the method for manufacturing the negative electrode will be described, and the method for manufacturing the positive electrode will be appropriately omitted.

負極は、銅箔に電極材料を塗布して製造する。まず、例えば薄さ10μmの圧延銅箔を製造し、あらかじめロール状に巻き取られた銅箔を準備する。また、負極の電極材料は、炭素前駆体を焼成して黒鉛化した人造グラファイトをバインダや導電助剤などと混ぜ合わせてペースト状にする。本実施形態においては、一例としてバインダにPVdFを用い、導電助剤にアセチレンブラック(AB)を用いる。そして、銅箔の表面に電極材料を塗工し、乾燥後、調圧処理して負極本体が完成する。   The negative electrode is manufactured by applying an electrode material to a copper foil. First, a rolled copper foil having a thickness of, for example, 10 μm is manufactured, and a copper foil wound in a roll shape in advance is prepared. The electrode material of the negative electrode is prepared by baking a carbon precursor and graphitizing artificial graphite and mixing it with a binder, a conductive additive, and the like to form a paste. In the present embodiment, as an example, PVdF is used as a binder, and acetylene black (AB) is used as a conductive additive. Then, an electrode material is applied to the surface of the copper foil, dried, and then subjected to a pressure regulation process to complete a negative electrode body.

また、正極は、アルミニウム箔に電極材料を塗布して製造する。なお、正極の電極材料は、リチウム−遷移金属酸化物をバインダや導電助剤などと混ぜ合わせてペースト状にする。本実施形態においては、一例としてバインダにPVdFを用い、導電助剤にABを用いる。以下、正極本体と負極本体をあわせて電極本体と称し、銅箔とアルミニウム箔をあわせて集電体と称し、集電体に塗工された電極材料を活物質層と称する場合がある。   The positive electrode is manufactured by applying an electrode material to an aluminum foil. In addition, as the electrode material of the positive electrode, a lithium-transition metal oxide is mixed with a binder, a conductive additive, or the like to form a paste. In the present embodiment, as an example, PVdF is used as a binder and AB is used as a conductive additive. Hereinafter, the positive electrode body and the negative electrode body may be collectively referred to as an electrode body, the copper foil and the aluminum foil may be collectively referred to as a current collector, and the electrode material applied to the current collector may be referred to as an active material layer.

一方、本実施形態においては、電極本体に用いる骨格形成剤をあらかじめ準備する。骨格形成剤は、シロキサン結合を有するアルカリ金属ケイ酸塩であるNa2O・3SiO2を乾式又は湿式により精製し、これを加水調整して製造する。例えば、乾式では下記の式4、湿式では下記の式5による。また、このとき、界面活性剤を混合する。本実施形態の骨格形成剤の一例として、骨格形成剤中のNa2O・3SiO2の固形分濃度が5質量%であり、界面活性剤が0.04質量%である。
Na2CO3+3SiO2→Na2O・3SiO2+CO2↑ ・・・・(式4)
2NaOH+3SiO2→Na2O・3SiO2+H2O ・・・・(式5)
On the other hand, in the present embodiment, a skeleton forming agent used for the electrode body is prepared in advance. The skeleton-forming agent is produced by purifying Na 2 O · 3SiO 2 , which is an alkali metal silicate having a siloxane bond, by a dry or wet method, and adjusting the water to prepare the skeleton-forming agent. For example, the following equation 4 is used for the dry type, and the following equation 5 is used for the wet type. At this time, a surfactant is mixed. As an example of the skeleton forming agent of the present embodiment, the solid content concentration of Na 2 O · 3SiO 2 in the skeleton forming agent is 5% by mass, and the surfactant is 0.04% by mass.
Na 2 CO 3 + 3SiO 2 → Na 2 O · 3SiO 2 + CO 2 ↑ (Formula 4)
2NaOH + 3SiO 2 → Na 2 O · 3SiO 2 + H 2 O (Equation 5)

そして、各電極本体の表面にそれぞれ骨格形成剤を塗工して、活物質層をコーティングする。骨格形成剤の塗工方法は、骨格形成剤を貯留した槽に電極本体を含浸する方法、電極本体の表面に骨格形成剤を滴下や塗布する方法、スプレー塗工、スクリーン印刷、カーテン法、スピンコート、グラビアコート、ダイコートなどにより行う。電極本体の表面に塗工された骨格形成剤は、活物質層の内部に浸透し、活物質や導電助剤の隙間などに入り込む。そして、電極本体を110℃〜160℃の温風、加熱等により乾燥し、骨格形成剤を硬化させる。これにより、骨格形成剤が活物質層の骨格を形成する。   Then, a skeleton-forming agent is applied to the surface of each electrode body to coat the active material layer. The method of applying the skeleton forming agent includes a method of impregnating the electrode body in a tank storing the skeleton forming agent, a method of dropping or applying the skeleton forming agent on the surface of the electrode body, spray coating, screen printing, a curtain method, a spin method. Coating, gravure coating, die coating and the like are performed. The skeleton-forming agent applied to the surface of the electrode body penetrates into the active material layer and enters a gap between the active material and the conductive assistant. Then, the electrode body is dried by hot air at 110 ° C. to 160 ° C., heating, or the like to cure the skeleton forming agent. Thereby, the skeleton forming agent forms the skeleton of the active material layer.

最後に、各電極本体、すなわち負極本体と正極本体をそれぞれ所望のサイズに切断して、骨格形成を施した電極が完成する。   Finally, each electrode body, that is, the negative electrode body and the positive electrode body are cut into desired sizes, respectively, to complete the skeleton-formed electrodes.

また、上記した電極の製造方法は、製造装置により実現することができる。ロール状に巻き取られた集電体を送出し、活物質層塗工装置において集電体に電極材料が塗工され、第1の乾燥装置において電極材料が温風により乾燥され、骨格形成剤塗工装置において骨格形成剤が電極本体の表面に塗工され、第2の乾燥装置において骨格形成剤が温風により乾燥され硬化され、再度ロール状に巻き取られる。最後に、ロール状に巻き取られた電極を所望のサイズに裁断する。   Further, the above-described electrode manufacturing method can be realized by a manufacturing apparatus. The current collector wound in a roll is sent out, the current collector is coated with an electrode material in an active material layer coating device, the electrode material is dried in a first drying device with warm air, and a skeleton forming agent is formed. The skeleton-forming agent is applied to the surface of the electrode body in the coating device, the skeleton-forming agent is dried and cured by warm air in the second drying device, and is wound up again in a roll. Finally, the electrode wound into a roll is cut into a desired size.

上記した電極の製造方法によれば、高強度で耐熱性に優れ、サイクル寿命特性が向上した電極を連続的に製造できる。また、シロキサン結合を有するケイ酸塩をバインダとして用いず、骨格形成剤として用いることで、銅箔にしわや亀裂等が発生せず、活物質層のひび割れや反り、発生したガスによる膨張も生じず、電極として用いることができる。   According to the above-described electrode manufacturing method, an electrode having high strength, excellent heat resistance, and improved cycle life characteristics can be continuously manufactured. In addition, by using a silicate having a siloxane bond as a binder and not as a skeleton forming agent, the copper foil does not generate wrinkles or cracks, and the active material layer cracks and warps, and expansion due to generated gas also occurs. Instead, it can be used as an electrode.

また、上記により得られた正極と負極を、セパレータを介してと接合し、電解液内に浸漬した状態で密閉化して、リチウム二次電池とできる。この構造のリチウム二次電池によれば、安全性の良好なリチウム二次電池として機能することができる。リチウム二次電池の構造としては、特に限定されず、積層式電池、捲回式電池などの既存の電池形態や構造に適用可能である。   Further, the positive electrode and the negative electrode obtained as described above are joined to each other with a separator interposed therebetween, and sealed in a state of being immersed in the electrolytic solution to obtain a lithium secondary battery. According to the lithium secondary battery having this structure, it can function as a lithium secondary battery having good safety. The structure of the lithium secondary battery is not particularly limited, and can be applied to existing battery forms and structures such as a stacked battery and a wound battery.

[2.電極の構成]
上記の製造工程により製造された非水電解質二次電池用の負極は、銅箔の集電体と、その表面に活物質、導電助剤、バインダを含む活物質層とを備える。また、活物質層の表面は硬化した骨格形成剤によりコーティングされ、活物質層の内部にも硬化した骨格形成剤が存在している。また、活物質層の内部の骨格形成剤は、活物質と導電助剤とバインダを覆うようにこれらの隙間に存在している。また、活物質層の骨格形成剤の密度は一例として0.7mg/cm2であり、0.1mg〜3mg/cm2の範囲内にすることが好ましい。
[2. Configuration of Electrodes]
The negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery manufactured by the above manufacturing process includes a current collector made of a copper foil, and an active material layer including an active material, a conductive additive, and a binder on the surface thereof. Further, the surface of the active material layer is coated with the cured skeleton forming agent, and the cured skeleton forming agent also exists inside the active material layer. The skeleton forming agent inside the active material layer is present in these gaps so as to cover the active material, the conductive additive, and the binder. The density of the skeleton-forming agent of the active material layer is 0.7 mg / cm 2 as an example, it is preferable in the range of 0.1mg~3mg / cm 2.

また、正極は、アルミニウム箔の集電体と、その表面に活物質、導電助剤、バインダを含む活物質層とを備える。また、活物質層の表面は硬化した骨格形成剤によりコーティングされ、活物質層の内部にも硬化した骨格形成剤が存在している。また、活物質層の内部の骨格形成剤は、活物質と導電助剤とバインダを覆うようにこれら隙間に存在している。また、活物質層の骨格形成剤の密度は一例として0.5mg/cm2であり、0.1mg〜3mg/cm2とすることが好ましい。 Further, the positive electrode includes a current collector made of an aluminum foil, and an active material layer including an active material, a conductive additive, and a binder on the surface thereof. Further, the surface of the active material layer is coated with the cured skeleton forming agent, and the cured skeleton forming agent also exists inside the active material layer. The skeleton forming agent inside the active material layer is present in these gaps so as to cover the active material, the conductive additive, and the binder. The density of the skeleton-forming agent of the active material layer is 0.5 mg / cm 2 as an example, it is preferable that the 0.1mg~3mg / cm 2.

本実施形態の電極は、高強度で耐熱性に優れ、サイクル寿命特性が向上する。また、後述する釘刺し試験結果に示すとおり、釘刺し安全性も向上する。また、骨格形成剤が塗布や含浸によって電極の表面から塗工されているので、活物質層の内部において骨格形成剤が活物質と導電助剤とバインダを覆うように隙間に存在することとなる。すなわち、骨格形成剤をバインダに混練して用いる場合は活物質層の内部に略隙間なく骨格形成剤が存在するところ、本実施形態の電極では、活物質層の内部に一定の隙間が存在することとなる。これにより、電極の膨張収縮を許容し、集電体のしわや亀裂等の発生を抑制できる。   The electrode of the present embodiment has high strength, excellent heat resistance, and improved cycle life characteristics. In addition, as shown in the results of a nail penetration test described later, nail penetration safety is also improved. In addition, since the skeleton forming agent is applied from the surface of the electrode by application or impregnation, the skeleton forming agent is present in the gap inside the active material layer so as to cover the active material, the conductive additive, and the binder. . That is, when the skeleton-forming agent is kneaded with the binder and used, the skeleton-forming agent exists in the active material layer with almost no gap, but in the electrode of the present embodiment, a certain gap exists in the active material layer. It will be. Thereby, expansion and contraction of the electrode is allowed, and generation of wrinkles and cracks of the current collector can be suppressed.

[3.骨格形成剤の構成]
上記したように本実施形態の骨格形成剤は、シロキサン結合を有するアルカリ金属ケイ酸塩であるNa2O・3SiO2の固形分濃度が7.5質量%であり、界面活性剤が0.09質量%で、残りは水である。なお、界面活性剤は必須ではないが、活物質層への親液性が向上し、骨格形成剤が活物質層に均一に浸透する。
[3. Structure of skeleton forming agent]
As described above, the skeleton forming agent of the present embodiment has a solid content concentration of Na 2 O · 3SiO 2 , which is an alkali metal silicate having a siloxane bond, of 7.5% by mass and a surfactant of 0.09%. In mass%, the balance is water. Although a surfactant is not essential, lyophilicity to the active material layer is improved, and the skeleton forming agent uniformly penetrates the active material layer.

また、本実施形態の骨格形成剤は、ケイ酸塩として、アルカリ金属ケイ酸ナトリウムNa2O・3SiO2を用いているが、これに限られず、Naにかえて、Li、K、トリエタノールアンモニウム基、テトラメタノールアンモニウム基、テトラエタノールアンモニウム基、グラニジン基としてもよい。 In addition, the skeleton forming agent of the present embodiment uses alkali metal sodium silicate Na 2 O · 3SiO 2 as a silicate, but is not limited thereto. Instead of Na, Li, K, triethanol ammonium And a tetramethanol ammonium group, a tetraethanol ammonium group, and a granidine group.

なお、Naを用いているのは、Naが高強度で、サイクル寿命特性に優れているためである。また、NaとLiを併用することも可能であり、Liを用いることで、イオン伝導性が向上する。この場合、Li<Naとすることが好ましく、このようにすれば、一定の強度を保持し、イオン伝導性が良好な骨格形成剤となる。より具体的には、NaとLiの合計を100モル%とした場合、Naが51〜99%、Liが1〜49%の範囲内であることが好ましく、Naが70〜98%、Liが2〜30%の範囲内であることがより好ましい。   The reason why Na is used is that Na has high strength and excellent cycle life characteristics. In addition, Na and Li can be used in combination, and the use of Li improves ionic conductivity. In this case, it is preferable to satisfy Li <Na. In this case, a skeleton forming agent that maintains a certain strength and has good ion conductivity is obtained. More specifically, when the total of Na and Li is 100 mol%, it is preferable that Na is within a range of 51 to 99% and Li is within a range of 1 to 49%. More preferably, it is in the range of 2 to 30%.

また、本実施形態の骨格形成剤は、SiO2の係数を3としているが、これに限られず、0.5以上5.0以下としてもよく、好ましくは、2.0以上4.5以下で、さらに好ましくは、2.2以上3.8以下ある。 Further, the skeleton forming agent of the present embodiment has a coefficient of SiO 2 of 3, but is not limited to this, and may be 0.5 to 5.0, preferably 2.0 to 4.5. More preferably, it is 2.2 or more and 3.8 or less.

また、本実施形態の骨格形成剤は、既存の電極のコーティングに用いることもできる。このようにすれば、高強度で耐熱性に優れ、サイクル寿命特性が向上した電極となる。   Further, the skeleton forming agent of the present embodiment can also be used for coating an existing electrode. In this case, an electrode having high strength, excellent heat resistance, and improved cycle life characteristics can be obtained.

また、本実施形態の骨格形成剤は、セパレータの表面にコーティングして用いることもできる。このようにすれば、高強度で耐熱性に優れ、サイクル寿命特性が向上したセパレータとなる。   Further, the skeleton forming agent of the present embodiment can be used by coating on the surface of the separator. By doing so, a separator having high strength, excellent heat resistance, and improved cycle life characteristics can be obtained.

[4.実施例]
以下、本実施形態において、骨格形成剤の固形分濃度や骨格密度など種々変更した実施例、それらの試験、結果及び効果について説明する。
[4. Example]
Hereinafter, in the present embodiment, examples in which the solid content concentration and the skeleton density of the skeleton forming agent are variously changed, and their tests, results, and effects will be described.

<Na2O・nSiO2におけるn数と骨格密度の検討>
(実施例1〜18および比較例1)
電極活物質にSi−C造粒体を用い、0.2C−rate、カットオフ電位0.01V〜1.2V(vs.Li+/Li)、30℃の条件のもと、骨格形成剤のNa2O・nSiO2の固形分濃度を0質量%〜20質量%、nの値を2.0、2.5、3.0に変化させた場合のサイクル寿命特性についての試験である。Si−C造粒体(D50=9.8μm)は、Si(D50=1.1μm)と人造黒鉛(D50=1μm)(Si:人造黒鉛=29:71質量%)および、造粒助剤からなる懸濁液を送液速度6g/min、噴霧圧0.1MPa、乾燥温度80〜180℃の条件でスプレードライすることで作製された。
<Study of n number and skeletal density in Na 2 O · nSiO 2 >
(Examples 1 to 18 and Comparative Example 1)
Using a Si—C granule as an electrode active material, under conditions of 0.2 C-rate, a cutoff potential of 0.01 V to 1.2 V (vs. Li + / Li), and 30 ° C., This is a test on cycle life characteristics when the solid content concentration of Na 2 O · nSiO 2 is changed from 0% by mass to 20% by mass and the value of n is changed to 2.0, 2.5, and 3.0. The Si—C granules (D 50 = 9.8 μm) are composed of Si (D 50 = 1.1 μm) and artificial graphite (D 50 = 1 μm) (Si: artificial graphite = 29: 71% by mass) and granulated It was prepared by spray-drying a suspension composed of an auxiliary agent under the conditions of a liquid sending rate of 6 g / min, a spray pressure of 0.1 MPa, and a drying temperature of 80 to 180 ° C.

造粒助剤は、ポリビニルアルコール(PVA、ポバール1400)を用いた。PVAは、Si、人造黒鉛、およびPVAからなる固形分100質量%に対して、1質量%含まれている。なお、D50の値は、レーザー回折・散乱式粒子径分布測定法によるメディアン径を示している。 As the granulation assistant, polyvinyl alcohol (PVA, Poval 1400) was used. PVA is contained in an amount of 1% by mass with respect to 100% by mass of a solid content of Si, artificial graphite, and PVA. Note that the value of D 50 indicates the median diameter by a laser diffraction-scattering particle size distribution measurement method.

試験電極(1.4mAh/cm2)は、Si−C造粒体、AB、気相成長炭素繊維(VGCF)、銅フレーク、PVdFからなるスラリー(固形分比:85:3:1:1:10質量%)を銅箔に塗工調圧し、所定の骨格形成剤が溶解した水溶液中に浸漬後、160℃で熱処理することで作製された。対極は、金属リチウム箔を用いた。セパレータは、ガラス不織布(東洋露紙株式会社製、GA−100)とポリエチレン(PE)微多孔膜(20μm)を用いた。電解液は、1.0M LiPF6/(EC:DEC=50:50vol%,+ビニレンカーボネート1質量%)を用いた。 The test electrode (1.4 mAh / cm 2 ) was a slurry (solid content ratio: 85: 3: 1: 1 :) of Si—C granules, AB, vapor grown carbon fiber (VGCF), copper flake, and PVdF. (10% by mass) was applied to a copper foil, pressure-adjusted, immersed in an aqueous solution in which a predetermined skeleton-forming agent was dissolved, and then heat-treated at 160 ° C. As a counter electrode, a metal lithium foil was used. As the separator, a glass non-woven fabric (manufactured by Toyo Rokko Co., Ltd., GA-100) and a microporous polyethylene (PE) film (20 μm) were used. As the electrolyte, 1.0 M LiPF 6 / (EC: DEC = 50: 50 vol%, +1 mass% of vinylene carbonate) was used.

表1に、実施例1〜18および比較例1の骨格形成剤の固形分濃度、Na2O・nSiO2のnの値をそれぞれ示す。なお、無機骨格形成剤は、Na2CO3、およびSiO2からなる混合体を下記表1に示す組成になるように調合し、1000℃以上に加熱溶融して冷却後、水に溶解させて作製した。 Table 1 shows the solid content concentrations of the skeleton-forming agents of Examples 1 to 18 and Comparative Example 1 and the value of n of Na 2 O · nSiO 2 . The inorganic skeleton-forming agent was prepared by mixing a mixture of Na 2 CO 3 and SiO 2 so as to have a composition shown in Table 1 below, heating and melting the mixture to 1000 ° C. or higher, cooling, and then dissolving in water. Produced.

図4は、実施例1〜18および比較例1のサイクル寿命特性を示すグラフである。図4から明らかなように、骨格形成剤を塗布した負極(実施例1〜18)は、塗布していない負極(比較例1)と比べて、寿命特性が大きく改善されている。このうち、Na2O・nSiO2の固形分濃度は、2〜10質量%の範囲内が特に優れたサイクル寿命特性を示した。Na2O・nSiO2におけるnの値は、3.0が特に優れたサイクル寿命特性を示した。 FIG. 4 is a graph showing cycle life characteristics of Examples 1 to 18 and Comparative Example 1. As is clear from FIG. 4, the negative electrode coated with the skeleton-forming agent (Examples 1 to 18) has significantly improved life characteristics as compared with the negative electrode not coated (Comparative Example 1). Among them, the solid content concentration of Na 2 O.nSiO 2 in the range of 2 to 10% by mass showed particularly excellent cycle life characteristics. As for the value of n in Na 2 O · nSiO 2 , 3.0 showed particularly excellent cycle life characteristics.

図5は、実施例1〜18および比較例1の骨格形成体の密度(骨格密度)と各サイクル時における放電容量の関係を示すグラフである。図5から明らかなように、活物質として、Si−C造粒体(Si:人造黒鉛=29:71質量%)を用いた電極においては、骨格密度が0.04〜3.15mg/cm2の場合に十分な放電容量を得られることがわかる。より好ましくは、骨格密度が0.1〜2.5mg/cm2である。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the density (skeleton density) of the skeleton forming bodies of Examples 1 to 18 and Comparative Example 1 and the discharge capacity at each cycle. As is clear from FIG. 5, in the electrode using the Si—C granules (Si: artificial graphite = 29: 71 mass%) as the active material, the skeleton density is 0.04 to 3.15 mg / cm 2. It can be seen that a sufficient discharge capacity can be obtained in the case of. More preferably, the skeleton density is 0.1 to 2.5 mg / cm 2 .

(実施例19〜36および比較例2)
実施例19〜36および比較例2は、活物質として、Si−C造粒体の組成が、Si:人造黒鉛=29:71質量%から、46:54質量%に代え、試験電極の容量密度を1.2mAh/cm2した他、先の試験(実施例1〜18および比較例1)と同様である。表2に、実施例19〜36および比較例2の骨格形成剤の固形分濃度、Na2O・nSiO2のnの値をそれぞれ示す。
(Examples 19 to 36 and Comparative Example 2)
In Examples 19 to 36 and Comparative Example 2, as active materials, the composition of the Si—C granules was changed from Si: artificial graphite = 29: 71 mass% to 46:54 mass%, and the capacity density of the test electrode was changed. Was changed to 1.2 mAh / cm 2, and the same as the previous tests (Examples 1 to 18 and Comparative Example 1). Table 2 shows the solid content concentrations of the skeleton forming agents of Examples 19 to 36 and Comparative Example 2, and the value of n of Na 2 O · nSiO 2 .

図6は、実施例19〜36および比較例2のサイクル寿命特性を示すグラフである。図6から明らかなように、骨格形成剤を塗布した負極(実施例19〜36)は、塗布していない負極(比較例2)と比べて、寿命特性が大きく改善されている。このうち、Na2O・nSiO2の固形分濃度は、2〜10質量%の範囲内が特に優れたサイクル寿命特性を示した。Na2O・nSiO2におけるnの値は、3.0が特に優れたサイクル寿命特性を示した。 FIG. 6 is a graph showing cycle life characteristics of Examples 19 to 36 and Comparative Example 2. As is clear from FIG. 6, the negative electrode (Examples 19 to 36) coated with the skeleton-forming agent has significantly improved life characteristics as compared with the negative electrode not coated (Comparative Example 2). Among them, the solid content concentration of Na 2 O.nSiO 2 in the range of 2 to 10% by mass showed particularly excellent cycle life characteristics. As for the value of n in Na 2 O · nSiO 2 , 3.0 showed particularly excellent cycle life characteristics.

図7は、実施例19〜36および比較例2の骨格形成体の密度(骨格密度)のと各サイクル時における放電容量の関係を示すグラフである。図7から明らかなように、活物質として、Si−C造粒体(Si:人造黒鉛=46:54質量%)を用いた電極においては、骨格密度が0.03〜3.45mg/cm2の場合に十分な放電容量を得られることがわかる。より好ましくは、骨格密度が0.1〜2.5mg/cm2である。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between the density (skeleton density) of the skeleton forming bodies of Examples 19 to 36 and Comparative Example 2 and the discharge capacity at each cycle. As is clear from FIG. 7, in the electrode using the Si—C granules (Si: artificial graphite = 46: 54 mass%) as the active material, the skeletal density is 0.03 to 3.45 mg / cm 2. It can be seen that a sufficient discharge capacity can be obtained in the case of. More preferably, the skeleton density is 0.1 to 2.5 mg / cm 2 .

(実施例37〜40および比較例3)
実施例37〜40は、活物質がSi(D50=1.1μm)、骨格形成剤がLi0.05Na1.95O・3SiO2、試験電極の容量密度が3.0mAh/cm2にし、充放電試験は、0.1C−rate、カットオフ電位0.01V〜1.4V(vs.Li+/Li)の条件にした他、先の試験(実施例1〜18および比較例1)と同様である。表3に、実施例37〜40および比較例3の骨格形成剤の固形分濃度、電極の骨格密度をそれぞれ示す。なお、無機骨格形成剤は、Li2CO3、Na2CO3、およびSiO2からなる混合体を表3に示す組成になるように調合し、1000℃以上に加熱溶融して冷却後、水に溶解させて作製した。
(Examples 37 to 40 and Comparative Example 3)
Examples 37-40, the active material is Si (D 50 = 1.1μm), skeleton-forming agent is Li 0.05 Na 1.95 O · 3SiO 2 , the capacity density of the test electrodes to 3.0 mAh / cm 2, charge-discharge test Is the same as in the previous tests (Examples 1 to 18 and Comparative Example 1) except that the conditions were 0.1 C-rate and a cutoff potential of 0.01 V to 1.4 V (vs. Li + / Li). . Table 3 shows the solid content concentrations of the skeleton-forming agents of Examples 37 to 40 and Comparative Example 3, and the skeleton density of the electrodes, respectively. The inorganic skeleton-forming agent was prepared by mixing a mixture of Li 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , and SiO 2 so as to have a composition shown in Table 3, heating and melting at 1000 ° C. or higher, cooling, and then adding water. Was prepared by dissolving the same.

図8は、実施例37〜40および比較例3のサイクル寿命特性を示すグラフである。図8から明らかなように、骨格形成剤を塗布した負極(実施例37〜40)は、初回の放電容量が1800mAh/gを超えているが、塗布していない負極(比較例3)では、放電容量は56.7mAh/gであった。骨格形成剤を塗布した負極(実施例37〜40)と塗布していない負極(比較例3)を比較してわかるように、飛躍的なサイクル寿命特性の改善が示された。このうち、Li0.05Na1.95O・3SiO2の固形分濃度は、0.5〜2.5質量%の範囲内が特に優れたサイクル寿命特性を示した。活物質として、Siを用いた電極においては、骨格密度が0.12〜0.90mg/cm2の場合に2000mAh/gを超える放電容量が得られることがわかった。 FIG. 8 is a graph showing cycle life characteristics of Examples 37 to 40 and Comparative Example 3. As is clear from FIG. 8, the negative electrode coated with the skeleton forming agent (Examples 37 to 40) has an initial discharge capacity exceeding 1800 mAh / g, but the negative electrode not coated (Comparative Example 3) The discharge capacity was 56.7 mAh / g. As can be seen by comparing the negative electrode coated with the skeleton-forming agent (Examples 37 to 40) and the negative electrode not coated (Comparative Example 3), a dramatic improvement in cycle life characteristics was shown. Among them, Li 0.05 Na 1.95 O.3SiO 2 showed particularly excellent cycle life characteristics when the solid concentration was in the range of 0.5 to 2.5% by mass. It was found that in the electrode using Si as the active material, a discharge capacity exceeding 2000 mAh / g was obtained when the skeleton density was 0.12 to 0.90 mg / cm 2 .

次に、実施例37〜40と比較例3の充放電後(20サイクル後)の電池を解体し、試験電極を観察したところ、比較例3は活物質層が集電体から剥離しているのに対して、実施例37〜40は集電体から剥離しておらず、また集電体にシワや亀裂はみられなかった。この結果から、骨格形成剤を被覆充填した電極は、活物質層と集電体との密着性が改善され電極性能が向上したことが明らかになった。   Next, the batteries after charge and discharge (after 20 cycles) of Examples 37 to 40 and Comparative Example 3 were disassembled, and the test electrodes were observed. In Comparative Example 3, the active material layer was peeled off from the current collector. On the other hand, in Examples 37 to 40, the current collector did not peel off, and no wrinkles or cracks were found in the current collector. From this result, it was revealed that the electrode coated and filled with the skeleton-forming agent had improved adhesion between the active material layer and the current collector, and improved electrode performance.

<界面活性剤の検討>
(実施例41および実施例42)
実施例41は、電極活物質として、Si−C造粒体(Si:人造黒鉛=29:71質量%)を用い、骨格形成剤として、Na2O・nSiO2の固形分濃度を6質量%、nの値を2.5、骨格密度を0.84mg/cm2に調整した他の条件は実施例10と同様である。
<Examination of surfactant>
(Example 41 and Example 42)
In Example 41, an Si—C granule (Si: artificial graphite = 29: 71 mass%) was used as an electrode active material, and the solid content concentration of Na 2 O · nSiO 2 was 6 mass% as a skeleton forming agent. , N were adjusted to 2.5, and the skeleton density was adjusted to 0.84 mg / cm 2 , and other conditions were the same as in Example 10.

実施例42は、骨格形成剤として、非イオン系界面活性剤(登録商標:トリトンX−100)を0.05質量%加えた他の条件は実施例41と同様である。   Example 42 is the same as Example 41 except that 0.05% by mass of a nonionic surfactant (registered trademark: Triton X-100) was added as a skeleton-forming agent.

図9は、骨格形成剤に界面活性剤が添加されていない電極(実施例41)および骨格形成剤に界面活性剤が添加された電極(実施例42)のサイクル寿命特性を比較して示すグラフである。図9から明らかなように、界面活性剤を加えることでサイクル寿命特性が向上することがわかる。これは、界面活性剤により骨格形成剤の活物質層への親液性が向上し、活物質層に均一な骨格が形成されるためである。また、本実施形態の界面活性剤は、非イオン系界面活性剤を用いているが、これに限られず、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、ノニオン界面活性剤としてもよい。   FIG. 9 is a graph comparing the cycle life characteristics of an electrode in which a surfactant was not added to the skeleton-forming agent (Example 41) and an electrode in which a surfactant was added to the skeleton-forming agent (Example 42). It is. As is apparent from FIG. 9, the cycle life characteristics are improved by adding the surfactant. This is because the surfactant improves the lyophilicity of the skeleton forming agent to the active material layer, and forms a uniform skeleton in the active material layer. In addition, the surfactant of the present embodiment uses a nonionic surfactant, but is not limited thereto, and may be an anionic surfactant, a cationic surfactant, an amphoteric surfactant, or a nonionic surfactant. .

<釘刺し安全性>
(実施例43および比較例4)
骨格形成剤を用いた負極を適用した電池の安全性について試験を行った。試験方法は、電池モデルに釘を刺して、電池モデルの発煙や発火の状態について検討する釘刺し試験による。試験には、アルミラミネートケーシングに、負極、セパレータ、正極を複数積層して、電解液を封入した1.1Ahの電池モデルを用いた。正極(4.2mAh/cm2)は、LiNi0.33Co0.33Mn0.332とAB、PVdFからなるスラリーをアルミニウム箔(20μm)に塗工調圧後、160℃で熱処理することで作製された。負極(4.6mAh/cm2)は、人造黒鉛(D50=20μm)とAB、アクリル系バインダからなるスラリーを銅箔(10μm)に塗工調圧後、160℃で熱処理することで作製された。
<Safety for nail penetration>
(Example 43 and Comparative Example 4)
A test was conducted on the safety of the battery to which the negative electrode using the skeleton forming agent was applied. The test method is based on a nail piercing test in which a battery model is pierced with a nail and the state of smoke and ignition of the battery model is examined. For the test, a 1.1 Ah battery model in which a plurality of negative electrodes, separators, and positive electrodes were laminated on an aluminum laminate casing and an electrolyte was sealed was used. The positive electrode (4.2 mAh / cm 2 ) was produced by applying a slurry composed of LiNi 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 O 2 , AB, and PVdF to an aluminum foil (20 μm), adjusting the pressure, and then performing a heat treatment at 160 ° C. The negative electrode (4.6 mAh / cm 2 ) is produced by applying a slurry composed of artificial graphite (D 50 = 20 μm), AB, and an acrylic binder to a copper foil (10 μm), adjusting the pressure, and then performing a heat treatment at 160 ° C. Was.

実施例43は、図2に示すように、負極を骨格形成剤が溶解した水溶液に浸漬後、150℃で熱処理することで作製された。骨格形成剤は、Na2O・3SiO2、非イオン系界面活性剤(登録商標:トリトンX−100)からなる水溶液で、Na2O・3SiO2の固形分濃度が6質量%、界面活性剤の固形分濃度が0.05質量%のものを用いた。電極の骨格密度は、片面当たり0.9mg/cm2である。本試験においては、正極と負極は、両面塗工して作製されているため、両面の骨格密度は、1.8mg/cm2となる。また、骨格形成剤を塗布しなかった負極を用いた電池を比較例4とした。 Example 43 was produced by immersing the negative electrode in an aqueous solution in which a skeleton forming agent was dissolved and then performing a heat treatment at 150 ° C., as shown in FIG. The skeleton forming agent is an aqueous solution comprising Na 2 O · 3SiO 2 and a nonionic surfactant (registered trademark: Triton X-100). The solid content concentration of Na 2 O · 3SiO 2 is 6% by mass, and the surfactant is used. Used had a solid content of 0.05% by mass. The skeletal density of the electrode is 0.9 mg / cm 2 per side. In this test, since the positive electrode and the negative electrode were prepared by coating on both sides, the skeletal density on both sides is 1.8 mg / cm 2 . A battery using the negative electrode to which the skeleton forming agent was not applied was referred to as Comparative Example 4.

電解液は、1M LiPF6/エチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネート(DEC)=50:50vol%,+ビニレンカーボネート1質量%を用いた。セパレータは、ポリプロピレン(PP)微多孔膜(23μm)を用いた。釘刺試験は、この電池モデルを0.1C−rateで4.2Vまで充電した後、25℃環境下で電池の中央に鉄釘(φ3mm、丸型)を速度1mm/secで貫通するまで突き刺し、電池電圧と釘温度、ケーシングの温度を測定した。 The electrolyte used was 1 M LiPF 6 / ethylene carbonate (EC): diethyl carbonate (DEC) = 50: 50 vol%, and 1 mass% of vinylene carbonate. As the separator, a microporous polypropylene (PP) film (23 μm) was used. In the nail penetration test, the battery model was charged to 4.2 V at 0.1 C-rate, and then pierced into the center of the battery under a 25 ° C. environment at a speed of 1 mm / sec at a speed of 1 mm / sec. The battery voltage, nail temperature, and casing temperature were measured.

骨格形成剤のない負極を用いた従来の電池モデル(比較例4)は、釘刺しを行った時、電池電圧が0Vまで低下し、大量の煙が発生した。これは、電池モデルの内部で短絡が起こった際の発熱で、セパレータがメルトダウンしたためである。   In the conventional battery model using the negative electrode without the skeleton-forming agent (Comparative Example 4), when nailing was performed, the battery voltage was reduced to 0 V, and a large amount of smoke was generated. This is because the separator was melted down due to heat generated when a short circuit occurred inside the battery model.

一方、骨格形成剤を使用した人造黒鉛負極を用いた電池モデル(実施例43)は、釘刺しを行った時も、3V以上の電圧を維持し、煙の発生はなく、ケーシングや釘の温度も50℃以下で、短絡による発熱がほとんど生じなかった。これは、負極の活物質層の内部に存在する骨格が、活物質等をコーティングして電子の移動を遮り、短絡を抑制するためだと思われる。   On the other hand, the battery model using the artificial graphite negative electrode using the skeleton-forming agent (Example 43) maintains a voltage of 3 V or more even when nailing is performed, does not generate smoke, and has a temperature of the casing and nails. The temperature was also 50 ° C. or less, and heat generation due to a short circuit hardly occurred. This is presumably because the skeleton existing inside the active material layer of the negative electrode coats the active material and the like to block the movement of electrons and suppress a short circuit.

<電極剥離試験>
(実施例43および比較例4)
実施例43および比較例4の電池で使用した負極の剥離試験を行った。剥離試験は、JIS K685に準拠し、負極の活物質層に粘着テープ(Scotch,No.845,Book Tape)を1kgローラーで圧着し、25℃環境下で引張り速度300mm/min、角度180°の条件で評価した。図16に、剥離試験後の実施例43および比較例4の負極および粘着テープの写真を示す。図16から明らかなように、骨格形成剤を使用しなかった比較例4の負極は、粘着テープに剥離した活物質層が付着しているが、骨格形成剤を使用した実施例43の負極は、粘着テープに活物質層がほぼ付着していない。剥離強度が向上することが示された。
<Electrode peel test>
(Example 43 and Comparative Example 4)
A peel test of the negative electrode used in the batteries of Example 43 and Comparative Example 4 was performed. The peeling test is based on JIS K685, and pressure-sensitive adhesive tape (Scotch, No. 845, Book Tape) is pressure-bonded to the negative electrode active material layer with a 1 kg roller, and under a 25 ° C. environment, a tensile speed of 300 mm / min and an angle of 180 °. The condition was evaluated. FIG. 16 shows photographs of the negative electrode and the pressure-sensitive adhesive tape of Example 43 and Comparative Example 4 after the peel test. As is clear from FIG. 16, the negative electrode of Comparative Example 4 in which the skeleton forming agent was not used had the peeled active material layer adhered to the pressure-sensitive adhesive tape. The active material layer is hardly adhered to the adhesive tape. It was shown that the peel strength was improved.

<負極活物質の検討>
(実施例44〜59および比較例5〜20)
表4に示した各種の負極活物質を用いて、骨格形成剤の有無における効果を比較した。実施例44〜59は、表4に示した負極活物質、AB、PVdFからなるスラリーを銅箔(10μm)に塗工調圧後、スプレーガンを用いて骨格形成剤を活物質層に被覆含浸し、160℃で熱処理することで作製された。電極スラリーの固形分比は、電極活物質が88質量%、ABが4質量%、PVdFが8質量%とした。
<Examination of negative electrode active material>
(Examples 44 to 59 and Comparative Examples 5 to 20)
Using the various negative electrode active materials shown in Table 4, the effect in the presence or absence of the skeleton forming agent was compared. In Examples 44 to 59, a slurry composed of the negative electrode active material, AB, and PVdF shown in Table 4 was applied to a copper foil (10 μm), pressure-adjusted, and the active material layer was impregnated with the skeleton forming agent using a spray gun. Then, it was produced by heat treatment at 160 ° C. The solid content ratio of the electrode slurry was 88% by mass of the electrode active material, 4% by mass of AB, and 8% by mass of PVdF.

骨格形成剤は、Li0.05Na1.95O・3SiO2と非イオン系界面活性剤(登録商標:トリトンX−100)からなる水溶液で、Li0.05Na1.95O・3SiO2の固形分濃度が7.5質量%、界面活性剤の固形分濃度が0.03質量%のものを用いた。本試験においては、試験極は、片面塗工して作製されている。 The skeleton forming agent is an aqueous solution comprising Li 0.05 Na 1.95 O.3SiO 2 and a nonionic surfactant (registered trademark: Triton X-100), and the solid content concentration of Li 0.05 Na 1.95 O.3SiO 2 is 7.5. %, And a surfactant having a solid content of 0.03% by mass. In this test, the test electrode is manufactured by one-side coating.

試験電池は、対極としてリチウム金属、電解液として、1M LiPF6/エチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネート(DEC)=50:50vol%,+ビニレンカーボネート1質量%を用いた。セパレータは、ポリプロピレン(PP/PE/PP)三層微多孔膜(25μm)を用いた。充放電試験は、電流密度0.1mA/cm2、試験環境温度30℃とし、カットオフ電位、電極の活物質密度(片面)、電極厚み、骨格密度(片面)については、表4の通りである。 The test battery used lithium metal as a counter electrode, and 1M LiPF 6 / ethylene carbonate (EC): diethyl carbonate (DEC) = 50: 50 vol%, and 1 mass% of vinylene carbonate as an electrolytic solution. As the separator, a polypropylene (PP / PE / PP) three-layer microporous membrane (25 μm) was used. In the charge / discharge test, the current density was 0.1 mA / cm 2 , the test environment temperature was 30 ° C., and the cutoff potential, the active material density of the electrode (one side), the electrode thickness, and the skeleton density (one side) were as shown in Table 4. is there.

表5は、骨格形成を有する各電極(実施例44〜59)のサイクル寿命特性試験結果を示す表である。表6は、比較として骨格形成しなかった各電極(比較例5〜20)のサイクル寿命特性試験結果を示す表である。表5と表6を比較して明らかなように、活物質としてSi、SiO、Ge、In、Fe23を用いた電極は、骨格形成剤を用いることで、優れたサイクル寿命特性を示した。このうち、活物質としてSiを用いた電極(実施例56および比較例17)は、特に顕著な差が示された。これは、強固な骨格形成剤が活物質層に構築されたことで、体積変化に伴う電子導電ネットワークの破壊を抑制したものと思われる。 Table 5 is a table showing the cycle life characteristic test results of each electrode having the skeleton formation (Examples 44 to 59). Table 6 is a table showing the cycle life characteristic test results of each electrode (Comparative Examples 5 to 20) in which a skeleton was not formed as a comparison. As is clear from comparison of Tables 5 and 6, the electrodes using Si, SiO, Ge, In, and Fe 2 O 3 as the active materials show excellent cycle life characteristics by using the skeleton forming agent. Was. Among them, the electrodes using Si as the active material (Example 56 and Comparative Example 17) showed a particularly remarkable difference. This seems to be due to the fact that a strong skeleton forming agent was built in the active material layer, thereby suppressing the destruction of the electron conductive network due to the volume change.

一方、Ag、Ag2O、Sb、Sb23、SnO2、CuO、NiO、人造黒鉛、Hard carbonでは、骨格形成剤の有無でサイクル寿命特性に大きな差は見られなかった。これらの活物質は、Si、SiO、Ge、In、Fe23と比べると、体積変化が小さいため、本試験条件においては明確な差が示されなかったものと思われる。 On the other hand, in the case of Ag, Ag 2 O, Sb, Sb 2 S 3 , SnO 2 , CuO, NiO, artificial graphite, and hard carbon, there was no significant difference in cycle life characteristics depending on the presence or absence of the skeleton forming agent. Since these active materials have smaller volume changes than Si, SiO, Ge, In, and Fe 2 O 3 , it is considered that no clear difference was shown under the present test conditions.

ただし、Snでは、骨格形成剤を用いるとサイクル寿命特性が悪化した。これは、Snが、骨格形成剤に足して溶解速度が速く、活物質の形状を維持できなかったため、容量劣化したものと思われる。   However, in the case of Sn, the cycle life characteristics deteriorated when the skeleton forming agent was used. This is presumably because Sn had a higher dissolution rate than the skeleton-forming agent and could not maintain the shape of the active material, so that the capacity was deteriorated.

<Siとグラファイト混合比率の検討>
(実施例60〜63および比較例21〜24)
Si(1μm)と人造黒鉛(19μm)の混合物を負極活物質として用いた電極において、骨格形成の効果の有無を比較した。実施例60〜63は、表7に示した負極活物質、AB、PVdFからなるスラリーを銅箔(10μm)に塗工調圧後、スプレーガンを用いて骨格形成剤を活物質層に被覆含浸し、160℃で熱処理することで作製された。
<Study of Si and graphite mixing ratio>
(Examples 60 to 63 and Comparative Examples 21 to 24)
Electrodes using a mixture of Si (1 μm) and artificial graphite (19 μm) as a negative electrode active material were compared for the effect of skeleton formation. In Examples 60 to 63, a slurry composed of the negative electrode active material, AB, and PVdF shown in Table 7 was applied to a copper foil (10 μm), pressure-adjusted, and the active material layer was impregnated with the skeleton forming agent using a spray gun. Then, it was produced by heat treatment at 160 ° C.

また、比較として、骨格形成剤を被覆含浸しなかった電極を作製した(比較例21〜24)。電極スラリーの固形分比は、電極活物質が88質量%、ABが4質量%、PVdFが8質量%とした。骨格形成剤は、Li0.05Na1.95O・3SiO2と非イオン系界面活性剤(登録商標:トリトンX−100)からなる水溶液で、Li0.05Na1.95O・3SiO2の固形分濃度が7.5質量%、界面活性剤の固形分濃度が0.03質量%のものを用いた。本試験においては、試験極は、片面塗工して作製されている。 In addition, for comparison, electrodes that were not coated and impregnated with the skeleton-forming agent were produced (Comparative Examples 21 to 24). The solid content ratio of the electrode slurry was 88% by mass of the electrode active material, 4% by mass of AB, and 8% by mass of PVdF. The skeleton forming agent is an aqueous solution comprising Li 0.05 Na 1.95 O.3SiO 2 and a nonionic surfactant (registered trademark: Triton X-100), and the solid content concentration of Li 0.05 Na 1.95 O.3SiO 2 is 7.5. %, And a surfactant having a solid content of 0.03% by mass. In this test, the test electrode is manufactured by one-side coating.

試験電池は、対極としてリチウム金属、電解液として、1M LiPF6/エチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネート(DEC)=50:50vol%,+ビニレンカーボネート1質量%を用いた。セパレータは、ポリプロピレン(PP/PE/PP)三層微多孔膜(25μm)を用いた。充放電試験は、電流密度0.1C−rate、試験環境温度30℃とし、カットオフ電位0.0〜1.4V(vs.Li+/Li)とした。骨格密度(片面)については、表8の通りである。試験電極の容量密度は3.0mAh/cm2とした。 The test battery used lithium metal as a counter electrode, and 1M LiPF 6 / ethylene carbonate (EC): diethyl carbonate (DEC) = 50: 50 vol%, and 1 mass% of vinylene carbonate as an electrolytic solution. As the separator, a polypropylene (PP / PE / PP) three-layer microporous membrane (25 μm) was used. In the charge / discharge test, the current density was 0.1 C-rate, the test environment temperature was 30 ° C., and the cutoff potential was 0.0 to 1.4 V (vs. Li + / Li). Table 8 shows the skeleton density (one side). The capacity density of the test electrode was 3.0 mAh / cm 2 .

図10は、骨格形成剤を塗布した実施例60〜63および骨格形成剤に塗布しなかった比較例21〜24のサイクル寿命特性を比較して示すグラフである。図10から明らかなように、負極中に含まれる活物質の総量を100質量%とした場合、Siが10質量%以下の電極(実施例60、実施例61、比較例21、比較例22)では、あまり大きな変化が見られなかったが、Si量が20質量%以上の電極(実施例62、実施例63、比較例23、比較例24)は、明らかに寿命特性が改善していることがわかる。特にSi量が50質量%の電極(実施例63と比較例24)では、骨格形成することで圧倒的な寿命特性の改善効果が示された。   FIG. 10 is a graph comparing cycle life characteristics of Examples 60 to 63 where the skeleton forming agent was applied and Comparative Examples 21 to 24 where the skeleton forming agent was not applied. As is clear from FIG. 10, when the total amount of the active material contained in the negative electrode is 100% by mass, an electrode containing 10% by mass or less of Si (Example 60, Example 61, Comparative Example 21, Comparative Example 22). No significant change was observed, but the electrodes (Example 62, Example 63, Comparative Example 23, Comparative Example 24) in which the amount of Si was 20% by mass or more had clearly improved life characteristics. I understand. In particular, in the case of the electrode having an Si content of 50% by mass (Example 63 and Comparative Example 24), the overwhelming improvement of the life characteristics was exhibited by forming the skeleton.

<各種正極材料の検討>
各正極活物質を用いて、骨格形成剤の塗布量における効果を比較した。試験電極は、表9に示した正極活物質、AB、PVdFからなるスラリーをアルミニウム箔(20μm)に塗工調圧後、スプレーガンを用いて骨格形成剤を活物質層に含浸し、170℃で熱処理することで作製された。電極スラリーの固形分比は、電極活物質が90質量%、ABが5質量%、PVdFが5質量%とした。
<Examination of various cathode materials>
Using each positive electrode active material, the effect on the application amount of the skeleton forming agent was compared. The test electrode was prepared by applying a slurry composed of the positive electrode active material, AB, and PVdF shown in Table 9 to an aluminum foil (20 μm), adjusting the pressure, and impregnating the active material layer with a skeleton forming agent using a spray gun. It was produced by heat treatment with. The electrode slurry had a solid content ratio of 90% by mass of the electrode active material, 5% by mass of AB, and 5% by mass of PVdF.

実施例64〜72で用いた骨格形成剤は、Na2O・2.8SiO2と非イオン系界面活性剤(登録商標:トリトンX−100)からなる水溶液で、Na2O・3SiO2の固形分濃度が5.5質量%、界面活性剤の固形分濃度が0.03質量%のものを用いた。
実施例73〜81で用いた骨格形成剤は、Na2O・2.8SiO2と非イオン系界面活性剤(登録商標:トリトンX−100)からなる水溶液で、Na2O・3SiO2の固形分濃度が1.1質量%、界面活性剤の固形分濃度が0.03質量%のものを用いた。
The skeleton forming agent used in Examples 64 to 72 is an aqueous solution composed of Na 2 O · 2.8 SiO 2 and a nonionic surfactant (registered trademark: Triton X-100), and is a solid solution of Na 2 O · 3SiO 2 . A surfactant having a concentration of 5.5% by mass and a surfactant having a solid concentration of 0.03% by mass was used.
The skeleton forming agent used in Examples 73 to 81 was an aqueous solution composed of Na 2 O · 2.8 SiO 2 and a nonionic surfactant (registered trademark: Triton X-100), and was a solid solution of Na 2 O · 3SiO 2 . A surfactant having a concentration of 1.1% by mass and a solid content of a surfactant of 0.03% by mass was used.

表9に、実施例64〜81の電極片面当たりの骨格密度、カットオフ電位をそれぞれ示す。ただし、実施例72および実施例81については、初回の充電のみ、4.6Vまで充電した。   Table 9 shows the skeleton density per one surface of the electrode and the cutoff potential of Examples 64 to 81. However, in Example 72 and Example 81, only the first charging was performed up to 4.6V.

本試験においては、試験極は、電極容量が2.0mAh/cm2となるように片面塗工して作製されている。試験電池は、対極としてリチウム金属、電解液として、1M LiPF6/エチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネート(DEC)=50:50vol%を用いた。セパレータは、ポリプロピレン(PP/PE/PP)三層微多孔膜(25μm)を用いた。充放電試験は、試験環境温度30℃、1〜10サイクルまで充放電レート0.1C−rateとした。 In this test, the test electrode was prepared by one-side coating so that the electrode capacity was 2.0 mAh / cm 2 . In the test battery, lithium metal was used as a counter electrode, and 1M LiPF 6 / ethylene carbonate (EC): diethyl carbonate (DEC) = 50: 50 vol% was used as an electrolyte. As the separator, a polypropylene (PP / PE / PP) three-layer microporous membrane (25 μm) was used. The charge / discharge test was performed at a test environment temperature of 30 ° C. and a charge / discharge rate of 0.1 C-rate from 1 to 10 cycles.

表10は、実施例64〜81のサイクル寿命特性試験結果を示す表である。表10から明らかなように、0.5mg/cm2を超える骨格密度を有する正極(実施例64〜72)は、0.5mg/cm2以下の骨格密度を有する正極(実施例73〜81)と比べて、放電容量が少ないことがわかる。正極においては、骨格密度(片面)は、0.5mg/cm2以下であることが好ましいことがわかった。 Table 10 is a table showing the cycle life characteristic test results of Examples 64 to 81. As apparent from Table 10, the positive electrode (Examples 64 to 72) having a skeletal density of greater than 0.5 mg / cm 2, the positive electrode having a skeleton density of 0.5 mg / cm 2 or less (Examples 73 to 81) It can be seen that the discharge capacity is smaller than that of. In the positive electrode, it was found that the skeleton density (one side) was preferably 0.5 mg / cm 2 or less.

<正極の高温耐久性>
(実施例82〜84および比較例21〜23)
実施例82は、電極容量を1.0mAh/cm2、骨格密度が0.06mg/cm2に変更した他、実施例74と同様である。実施例83は、電極容量を1.0mAh/cm2、骨格密度が0.07mg/cm2に変更した他、実施例76と同様である。実施例84は、電極容量を1.0mAh/cm2、骨格密度が0.11mg/cm2に変更した他、実施例81と同様である。比較例21は、電極容量を1.0mAh/cm2、骨格形成体を設けなかった他、実施例74と同様である。比較例22は、電極容量を1.0mAh/cm2、骨格形成体を設けなかった他、実施例76と同様である。比較例23は、電極容量を1.0mAh/cm2、骨格形成体を設けなかった他、実施例81と同様である。
<High temperature durability of positive electrode>
(Examples 82 to 84 and Comparative Examples 21 to 23)
Example 82 is the same as Example 74, except that the electrode capacity was changed to 1.0 mAh / cm 2 and the skeleton density was changed to 0.06 mg / cm 2 . Example 83 is the same as Example 76 except that the electrode capacity was changed to 1.0 mAh / cm 2 and the skeleton density was changed to 0.07 mg / cm 2 . Example 84 is the same as Example 81, except that the electrode capacity was changed to 1.0 mAh / cm 2 and the skeleton density was changed to 0.11 mg / cm 2 . Comparative Example 21 is the same as Example 74, except that the electrode capacity was 1.0 mAh / cm 2 and the skeleton forming body was not provided. Comparative Example 22 was the same as Example 76 except that the electrode capacity was 1.0 mAh / cm 2 and the skeleton forming body was not provided. Comparative Example 23 is the same as Example 81 except that the electrode capacity was 1.0 mAh / cm 2 and the skeleton forming body was not provided.

実施例82〜84および比較例21〜23の各正極を用いて、全電池を作製した。負極(2mAh/cm2)は、SiO、AB、ポリイミド(PI)からなるスラリーを銅箔(40μm)に塗工調圧後、300℃で熱処理することで作製された。負極スラリーの固形分比は、電極活物質が79質量%、ABが3質量%、PIが18質量%とした。なお、負極は、電池に組む前に、不可逆容量分のLiを電気化学的に補填している。 All the batteries were manufactured using the positive electrodes of Examples 82 to 84 and Comparative Examples 21 to 23. The negative electrode ( 2 mAh / cm 2 ) was produced by applying a slurry composed of SiO, AB, and polyimide (PI) to a copper foil (40 μm), adjusting the pressure, and then performing a heat treatment at 300 ° C. The solid content ratio of the negative electrode slurry was 79% by mass of the electrode active material, 3% by mass of AB, and 18% by mass of PI. The negative electrode is electrochemically supplemented with Li for an irreversible capacity before assembling the battery.

試験電池は、電解液として、1M LiPF6/エチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネート(DEC)=50:50vol%,+ビニレンカーボネート1質量%を用いた。セパレータは、ガラス不織布(東洋露紙株式会社製、GA−100)を用いた。充放電試験は、試験環境温度80℃とし、電流密度0.1C−rateで10サイクル充放電を繰り返した後、1C−rateで30サイクル充放電した。カットオフ電位は、実施例82および比較例21が4.15V〜2.0V、実施例83および比較例22が4.15〜2.0V、実施例84および比較例23が4.25V〜2.0Vとした。 The test battery used 1 M LiPF 6 / ethylene carbonate (EC): diethyl carbonate (DEC) = 50: 50 vol%, and 1 mass% of vinylene carbonate as an electrolytic solution. As the separator, a glass nonwoven fabric (GA-100, manufactured by Toyo Rokko Co., Ltd.) was used. In the charge / discharge test, the test environment temperature was set to 80 ° C., and charge / discharge was repeated for 10 cycles at a current density of 0.1 C-rate, and thereafter, charge / discharge was performed for 30 cycles at 1 C-rate. The cut-off potential was 4.15 V to 2.0 V for Example 82 and Comparative Example 21, 4.15 to 2.0 V for Example 83 and Comparative Example 22, and 4.25 V to 2 for Example 84 and Comparative Example 23. 0.0V.

図11は、骨格形成剤を塗布した実施例82〜84および骨格形成剤を塗布しなかった比較例21〜23のサイクル寿命特性を比較して示すグラフである。図11から明らかなように、骨格形成剤を塗布した実施例82〜84は、比較例21〜23よりもサイクル寿命特性が改善されていることがわかる。PVdFバインダが、高温の電解液に曝されると電解液を吸って膨潤し、電極抵抗を増大させるが、耐膨潤性に優れる骨格形成剤を塗布した電極(実施例82〜84)にすることで、80℃もの高温の電解液中においてもバインダの膨潤を抑制したものと思われる。また、骨格形成剤が正極活物質層に塗布されたことで、電解液の分解も抑制され、サイクル寿命特性の改善効果に寄与したものと思われる。   FIG. 11 is a graph comparing cycle life characteristics of Examples 82 to 84 in which the skeleton forming agent was applied and Comparative Examples 21 to 23 in which the skeleton forming agent was not applied. As is clear from FIG. 11, the cycle life characteristics of Examples 82 to 84 to which the skeleton forming agent was applied were improved as compared with Comparative Examples 21 to 23. When the PVdF binder is exposed to a high-temperature electrolytic solution, it absorbs the electrolytic solution and swells to increase the electrode resistance. However, an electrode coated with a skeleton forming agent having excellent swelling resistance (Examples 82 to 84). Thus, it is considered that the swelling of the binder was suppressed even in the electrolytic solution as high as 80 ° C. In addition, it is considered that the application of the skeleton-forming agent to the positive electrode active material layer suppressed the decomposition of the electrolytic solution and contributed to the effect of improving the cycle life characteristics.

[5.本実施形態の効果]
以上の本実施形態によれば、次の効果を奏する。
2O・3SiO2(A=Na、Li)を含む骨格形成剤を電極に用いることで、耐熱性に優れ高強度で、サイクル寿命特性が向上した電極となる。また、強靱な集電体を必須とせず、集電体にしわや亀裂等の発生を抑制できる。また、不可逆容量の大きなバインダを用いる必要がない。また、活物質層の電子伝導性が高くても、内部短絡による発熱を低くできる。また、1000℃を超える耐熱性を有し、骨格形成剤が炭化しない。体積変化の激しい合金系材料と接着強度の低いバインダを用いた電極であっても、良好な寿命特性が得られる。また、高温の電解液と接触しても活物質層の膨潤が少ない。
[5. Effects of the present embodiment]
According to the above-described embodiment, the following effects can be obtained.
By using a skeleton forming agent containing A 2 O.3SiO 2 (A = Na, Li) for the electrode, an electrode having excellent heat resistance, high strength, and improved cycle life characteristics can be obtained. In addition, a tough current collector is not essential, and generation of wrinkles, cracks, and the like in the current collector can be suppressed. Further, it is not necessary to use a binder having a large irreversible capacity. Further, even when the electron conductivity of the active material layer is high, heat generation due to an internal short circuit can be reduced. In addition, it has heat resistance exceeding 1000 ° C., and the skeleton forming agent does not carbonize. Good life characteristics can be obtained even with an electrode using an alloy material whose volume changes drastically and a binder having low adhesive strength. Further, the swelling of the active material layer is small even when the active material layer comes into contact with a high-temperature electrolytic solution.

―第2実施形態―
[1.骨格形成剤と電極の構成]
次に、本発明の第2実施形態について説明する。第2実施形態と第1実施形態の違いは、主として骨格形成剤にセラミックスが含まれる点である。図12に、第2実施形態の電極断面イメージを示すが、第2実施形態の骨格形成剤は、耐アルカリ性に優れたセラミックス粉末あるいは固体電解質の粉末が含まれる。
-Second Embodiment-
[1. Structure of skeleton forming agent and electrode]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The difference between the second embodiment and the first embodiment is that ceramics are mainly contained in the skeleton forming agent. FIG. 12 shows an image of an electrode cross section of the second embodiment. The skeleton forming agent of the second embodiment includes a ceramic powder or a solid electrolyte powder having excellent alkali resistance.

図3に、製造工程の一例を示すが、第2実施形態の骨格形成剤を電極本体の表面に塗工することで、活物質層の表面に骨格形成剤中のアルミナが積層して電気的に絶縁のセラミックス層または固体電解質層が形成されるとともに、活物質層内に骨格形成剤が浸透する。   FIG. 3 shows an example of the manufacturing process. By applying the skeleton forming agent of the second embodiment to the surface of the electrode main body, alumina in the skeleton forming agent is laminated on the surface of the active material layer, and the electrical conduction is performed. An insulating ceramic layer or a solid electrolyte layer is formed on the substrate, and a skeleton forming agent permeates into the active material layer.

これにより、強固な骨格を形成することができるとともに、乾燥時の剥離やクラックの発生を抑制することができ、また、無機粒子同士の間隙により空孔が形成されて良好な電解液との親液性が得られる。また、セラミックス層がセパレータの代わりとなり、別途セパレータを用いずに、電池を構成することも可能となる。   As a result, a strong skeleton can be formed, peeling and cracking during drying can be suppressed, and pores are formed due to gaps between the inorganic particles, and good affinity with the electrolytic solution can be obtained. A liquid property is obtained. In addition, the ceramic layer serves as a separator, and a battery can be configured without using a separate separator.

[2.実施例]
次に、第2実施形態において、骨格形成剤の組成等、種々変更した実施例について説明する。
[2. Example]
Next, examples in which the composition of the skeleton forming agent and the like are variously changed in the second embodiment will be described.

<Na2O・3SiO2とα−Al23の割合の検討>
(実施例85〜87および比較例23)
表11に、実施例85〜87で用いた骨格形成剤の固形分組成を示す。また、骨格形成剤としてポリイミド(PI)を用いた電極を作製した(比較例23)。α−Al23は、レーザー回折・散乱式粒子径分布測定法によるメディアン径(D50)が0.95μmの粉末を用いた。骨格形成剤の固形分濃度は、Na2O・3SiO2とα−Al23の固形分を100質量%とした場合、10質量%とした。
<Examination of the ratio of Na 2 O · 3SiO 2 and α-Al 2 O 3 >
(Examples 85 to 87 and Comparative Example 23)
Table 11 shows the solid content composition of the skeleton-forming agent used in Examples 85 to 87. Further, an electrode using polyimide (PI) as a skeleton forming agent was produced (Comparative Example 23). As α-Al 2 O 3 , a powder having a median diameter (D 50 ) of 0.95 μm as measured by a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring method was used. The solid content of the skeleton forming agent, when the solid content of Na 2 O · 3SiO 2 and α-Al 2 O 3 is 100 mass%, and 10 mass%.

負極(4.0mAh/cm2)は、SiO、カーボンブラック(CB)、アクリル系バインダからなるスラリーを銅箔(10μm)に塗工調圧後、スプレーガンを用いて表11に示す骨格形成剤を活物質層に被覆含浸し、160℃で熱処理することで作製された。電極の骨格密度は、片面当たり3.0mg/cm2である。負極スラリーの固形分比は、SiOが90質量%、CBが5質量%、アクリル系バインダが5質量%とした。なお、負極は、電池に組む前に、不可逆容量分のLiを電気化学的に補填している。 The negative electrode (4.0 mAh / cm 2 ) was prepared by applying a slurry composed of SiO, carbon black (CB), and an acrylic binder to a copper foil (10 μm), adjusting the pressure, and then using a spray gun to form a skeleton forming agent as shown in Table 11. To an active material layer, and heat-treated at 160 ° C. The skeleton density of the electrode is 3.0 mg / cm 2 per side. The solid content ratio of the negative electrode slurry was 90% by mass of SiO, 5% by mass of CB, and 5% by mass of an acrylic binder. The negative electrode is electrochemically supplemented with Li for an irreversible capacity before assembling the battery.

正極(2.0mAh/cm2)は、LiFePO4、CB、アクリル系バインダからなるスラリーをアルミニウム箔(20μm)に塗工調圧後、160℃で熱処理することで作製された。正極スラリーの固形分比は、LiFePO4が91質量%、CBが5質量%、アクリル系バインダが4質量%とした。試験電池は、電解液として、1M LiPF6/エチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネート(DEC)=50:50vol%,+ビニレンカーボネート1質量%を用いた。 The positive electrode (2.0 mAh / cm 2 ) was produced by applying a slurry composed of LiFePO 4 , CB, and an acrylic binder to an aluminum foil (20 μm), adjusting the pressure, and then performing a heat treatment at 160 ° C. The solid content ratio of the positive electrode slurry was 91% by mass of LiFePO 4 , 5% by mass of CB, and 4% by mass of an acrylic binder. The test battery used 1 M LiPF 6 / ethylene carbonate (EC): diethyl carbonate (DEC) = 50: 50 vol%, and 1 mass% of vinylene carbonate as an electrolytic solution.

なお、本試験においては、セパレータを使用していない。充放電試験は、試験環境温度60℃とし、電流密度0.1C−rateで充放電した。カットオフ電位は、4.0V〜2.5Vとした。   In this test, no separator was used. In the charge / discharge test, the test environment temperature was 60 ° C., and the charge / discharge was performed at a current density of 0.1 C-rate. The cut-off potential was 4.0 V to 2.5 V.

図13に、実施例85〜87の試験電池の初期充放電曲線を示す。セパレータを用いずに電池として機能することがわかる。なお、比較例23は、電池試験は行っていない。その理由は、活物質層にPIをコーティングしたことで、電極抵抗が増大し、電気化学的にLiイオンをドープすることができなかったためである。   FIG. 13 shows initial charge / discharge curves of the test batteries of Examples 85 to 87. It turns out that it functions as a battery without using a separator. In Comparative Example 23, a battery test was not performed. The reason is that the coating of the active material layer with PI increases the electrode resistance, making it impossible to electrochemically dope Li ions.

<耐アルカリ性セラミック粒子径の検討>
表12に示すように、α−Al23の粒子径を変えて、骨格形成剤を電極本体の表面に塗工乾燥し、塗工性、親液性、結着性、発泡状態、凝集状態、沈降状態を観察した。骨格形成剤としては、Li0.05Na1.95O・3SiO2とα−Al23からなる水溶液である。骨格形成剤の固形分濃度は、Li0.05Na1.95O・3SiO2とα−Al23の固形分を100質量%とした場合、25質量%含まれている。なお、表12に示した無機粒子の粒径は、レーザー回折・散乱式粒子径分布測定法によるメディアン径(D50)を意味する。表12に示したように、第2実施形態において、セラミックスの粒子径は、0.2〜20μmの範囲内であることが好ましいことがわかる。
<Examination of alkali-resistant ceramic particle size>
As shown in Table 12, the skeleton forming agent was applied to the surface of the electrode body and dried by changing the particle diameter of α-Al 2 O 3 , and the coating property, lyophilic property, binding property, foaming state, and aggregation The state and the sedimentation state were observed. The skeleton-forming agent is an aqueous solution composed of Li 0.05 Na 1.95 O · 3SiO 2 and α-Al 2 O 3 . The solid content concentration of the skeleton forming agent is 25% by mass when the solid content of Li 0.05 Na 1.95 O.3SiO 2 and α-Al 2 O 3 is 100% by mass. The particle diameter of the inorganic particles shown in Table 12 means a median diameter (D 50 ) measured by a laser diffraction / scattering particle diameter distribution measuring method. As shown in Table 12, in the second embodiment, it is understood that the particle diameter of the ceramic is preferably in the range of 0.2 to 20 μm.

[3.本実施形態の効果]
以上の本実施形態によれば、次の効果を奏する。第1実施形態で用いた骨格形成剤と耐アルカリ性に優れた粉末(D50=0.2〜20μm)を電極表面に塗布することで、活物質層に強固な骨格を形成することができるとともに、乾燥時の剥離やクラックの発生を抑制することができ、また、無機粒子同士の間隙により空孔が形成されて良好な電解液との親液性が得られる。また、セラミックス層がセパレータの代わりとなり、別途セパレータを用いずに、電池を構成することが可能となる。
[3. Effects of the present embodiment]
According to the above-described embodiment, the following effects can be obtained. A strong skeleton can be formed in the active material layer by applying the skeleton forming agent used in the first embodiment and the powder having excellent alkali resistance (D 50 = 0.2 to 20 μm) to the electrode surface. In addition, the occurrence of peeling and cracking during drying can be suppressed, and pores are formed by the gaps between the inorganic particles, so that good lyophilicity with the electrolytic solution can be obtained. In addition, the ceramic layer serves as a separator, and a battery can be configured without using a separate separator.

―その他の実施形態―
<活物質造粒体の骨格形成>
(実施例88〜93)
骨格形成剤を適用したSi造粒体の製造方法についての試験である。
Si造粒体は、Si(D50=1μm)とABおよびVGCFおよびPIからなるからなる懸濁液を送液速度5g/min、噴霧圧0.1MPa、乾燥温度80〜180℃の条件でスプレードライし、D50=5〜8μmとなるように作製した。懸濁液の固形分比は、表13に示す通りである。
-Other embodiments-
<Skeleton formation of active material granules>
(Examples 88 to 93)
It is a test about the manufacturing method of the Si granule which applied the skeleton forming agent.
The Si granules are sprayed with a suspension composed of Si (D 50 = 1 μm), AB, VGCF and PI at a liquid sending rate of 5 g / min, a spray pressure of 0.1 MPa, and a drying temperature of 80 to 180 ° C. It was dried and prepared so that D 50 = 5 to 8 μm. The solid content ratio of the suspension is as shown in Table 13.

次いで、骨格形成剤を適用したSi造粒体は、スプレードライで得られた造粒体を流動層内に移し、固形分濃度0.5質量%となるように調整した骨格形成剤(Li0.2Na1.8O・nSiO2)を用いて粒子コートして作製した。骨格形成剤は、スプレードライで得られた造粒体と骨格形成剤を100質量%とした場合、1質量%となるように調整した。 Next, as for the Si granules to which the skeleton forming agent was applied, the granules obtained by spray drying were transferred into a fluidized bed, and the skeleton forming agent (Li 0.2 Na 1.8 O · nSiO 2 ). The skeleton-forming agent was adjusted to be 1% by mass when the mass of the granules obtained by spray drying and the skeleton-forming agent was 100% by mass.

図14に、得られた骨格形成剤を適用したSi造粒体(実施例88〜93)のSEM像を示す。実施例88では、懸濁に含まれるPI量が少なく、球状に成形された造粒体が得られにくいが、PI量が増加するに従い球状の造粒体が得られやすいことがわかった。また、VGCFのようなファイバー状の粒子を加えるとウニ状の造粒体が形成されやすいことがわかった。   FIG. 14 shows SEM images of Si granules (Examples 88 to 93) to which the obtained skeleton forming agent was applied. In Example 88, the amount of PI contained in the suspension was small, and it was difficult to obtain spherical granules, but it was found that spherical granules were more likely to be obtained as the amount of PI increased. It was also found that the addition of fibrous particles such as VGCF easily formed sea urchin-like granules.

<リン酸アルミニウム系の骨格形成剤(実施例94)>
試験電極(4.0mAh/cm2)は、Si(1μm)、CB、PVdFバインダからなるスラリーを銅箔(40μm)に塗工調圧後、スプレーガンを用いて骨格形成剤を活物質層に被覆含浸し、300℃で熱処理することで作製された。骨格形成剤としては、リン酸アルミニウム(Al23・3P25)を水に溶解させ、固形分5質量%となるように調整した。電極の骨格密度は、片面当たり2.0mg/cm2である。負極スラリーの固形分比は、Siが90質量%、CBが4質量%、PVdFバインダが8質量%とした。
<Aluminum phosphate skeleton forming agent (Example 94)>
The test electrode (4.0 mAh / cm 2 ) is prepared by applying a slurry composed of Si (1 μm), CB, and PVdF binder to a copper foil (40 μm), adjusting the pressure, and then using a spray gun to apply a skeleton forming agent to the active material layer. It was prepared by impregnating the coating and heat-treating at 300 ° C. As a skeleton forming agent, aluminum phosphate (Al 2 O 3 .3P 2 O 5 ) was dissolved in water and adjusted to have a solid content of 5% by mass. The skeleton density of the electrode is 2.0 mg / cm 2 per side. Regarding the solid content ratio of the negative electrode slurry, Si was 90% by mass, CB was 4% by mass, and PVdF binder was 8% by mass.

試験電池は、金属Liを対極とし、電解液として、1M LiPF6/エチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネート(DEC)=50:50vol%,+ビニレンカーボネート1質量%を用いた。セパレータとしては、ガラス不織布(東洋露紙株式会社製、GA−100)を用いた。充放電試験は、試験環境温度30℃とし、電流密度0.1C−rate、0.5C−rate、1.0C−rateで充放電した。カットオフ電位は、1.0V〜0.01Vとした。図15に、実施例94の各レートにおける充放電曲線を示す。骨格形成剤にリン酸アルミニウム(Al23・3P25)を用いても、安定した可逆容量を示すことがわかった。 The test battery used metal Li as a counter electrode, and used 1 M LiPF 6 / ethylene carbonate (EC): diethyl carbonate (DEC) = 50: 50 vol% and 1 mass% of vinylene carbonate as an electrolytic solution. As the separator, a glass non-woven fabric (GA-100, manufactured by Toyo Rokko Co., Ltd.) was used. In the charge / discharge test, the test environment temperature was 30 ° C., and charge / discharge was performed at current densities of 0.1 C-rate, 0.5 C-rate, and 1.0 C-rate. The cut-off potential was 1.0 V to 0.01 V. FIG. 15 shows a charge / discharge curve at each rate in Example 94. It was found that even when aluminum phosphate (Al 2 O 3 .3P 2 O 5 ) was used as the skeleton-forming agent, a stable reversible capacity was exhibited.

<バインダとしての評価>
(比較例24)
骨格形成剤をバインダとして用いた試験である。
バインダとしては、アルカリ金属ケイ酸塩(Li0.05Na1.95O・2.8SiO2)の固形分濃度が40質量%となるように水を加えて調整した。試験負極(2mAh/cm2)は、Si(D50=1μm)とカーボンブラック、無機バインダからなるスラリーを銅箔(10 μm)に塗工し、150℃で熱処理した。電極スラリーの固形分比は、Siが19質量%、CBが4質量%、バインダが76質量%とした。
<Evaluation as a binder>
(Comparative Example 24)
This is a test using a skeleton-forming agent as a binder.
The binder was adjusted by adding water so that the solid concentration of the alkali metal silicate (Li 0.05 Na 1.95 O · 2.8 SiO 2 ) was 40% by mass. For the test negative electrode ( 2 mAh / cm 2 ), a slurry composed of Si (D 50 = 1 μm), carbon black, and an inorganic binder was applied to a copper foil (10 μm) and heat-treated at 150 ° C. The solid content ratio of the electrode slurry was 19% by mass of Si, 4% by mass of CB, and 76% by mass of a binder.

(比較例25)
比較例25は、バインダとして、アルカリ金属ケイ酸塩から、第一リン酸アルミニウム塩(Al23・3P25)に変えた他、比較例24と同様である。なお、リン酸アルミニウム塩は、市販試薬(Aesar製)を用いた。
(Comparative Example 25)
Comparative Example 25 is the same as Comparative Example 24, except that the binder was changed from an alkali metal silicate to an aluminum phosphate monobasic salt (Al 2 O 3 .3P 2 O 5 ). As the aluminum phosphate, a commercially available reagent (manufactured by Aesar) was used.

(参考例1)
バインダとして、アルカリ金属ケイ酸塩(Li0.05Na1.95O・2.8SiO2)とα−Al23(D50=3μm)を50:50質量%となるように混合し、この混合体の固形分濃度が40質量%となるように水を加えて調整した。その他の条件としては、比較例24と同様である。
(Reference Example 1)
As a binder, an alkali metal silicate (Li 0.05 Na 1.95 O · 2.8 SiO 2 ) and α-Al 2 O 3 (D 50 = 3 μm) were mixed so as to be 50:50 mass%, and the mixture was mixed. Water was added to adjust the solid content to 40% by mass. Other conditions are the same as in Comparative Example 24.

(参考例2)
バインダとして、リン酸アルミニウム塩(Al23・3P25)とα−Al23(D50=3μm)を50:50質量%となるように混合し、この混合体の固形分濃度が40質量%となるように水を加えて調整した。その他の条件としては、比較例25と同様である。
(Reference Example 2)
As a binder, aluminum phosphate salt (Al 2 O 3 .3P 2 O 5 ) and α-Al 2 O 3 (D 50 = 3 μm) were mixed so as to be 50:50 mass%, and the solid content of the mixture was determined. Water was added to adjust the concentration to 40% by mass. Other conditions are the same as in Comparative Example 25.

比較例25は、スラリーの混合時にSiとアルカリ金属ケイ酸塩が反応して、水素ガスを発生しスラリーが発泡した。また、比較例25および比較例26は、80℃で仮乾燥を行うと、活物質層が膨張し、均一な電極が得られなかった。さらに、比較例25および比較例26の電極を150℃で熱処理したところ、活物質層が大きく体積収縮し、活物質層に亀裂が生じ、集電体から脱落した。   In Comparative Example 25, when the slurry was mixed, Si and the alkali metal silicate reacted, generating hydrogen gas and foaming the slurry. In Comparative Examples 25 and 26, when the preliminary drying was performed at 80 ° C., the active material layer expanded, and a uniform electrode could not be obtained. Further, when the electrodes of Comparative Examples 25 and 26 were heat-treated at 150 ° C., the active material layer contracted significantly, cracking occurred in the active material layer, and dropped off from the current collector.

一方、参考例1は、スラリーの混合時にSiとアルカリ金属ケイ酸塩が反応して、水素ガスを発生しスラリーが発泡したが、80℃の仮乾燥で、活物質層が膨張することがなかった。さらに、この電極を150℃で熱処理したところ、比較例25と比べて、体積収縮が抑制され、活物質層の亀裂や集電体からの脱落現象がなくなった。   On the other hand, in Reference Example 1, when the slurry was mixed, Si and the alkali metal silicate reacted to generate hydrogen gas and foamed the slurry, but the active material layer did not expand due to temporary drying at 80 ° C. Was. Further, when this electrode was heat-treated at 150 ° C., the volume shrinkage was suppressed and the crack of the active material layer and the phenomenon of falling off from the current collector were eliminated as compared with Comparative Example 25.

参考例2においては、スラリーの混合時に水素ガスを発生しないためスラリーが発泡することはなく,80℃の仮乾燥でも、活物質層が膨張することがなかった。さらに、この電極を150℃で熱処理したところ、比較例25と比べて、活物質層の亀裂や集電体からの脱落現象がなくなった。   In Reference Example 2, since no hydrogen gas was generated during the mixing of the slurry, the slurry did not foam, and the active material layer did not expand even when it was temporarily dried at 80 ° C. Further, when this electrode was heat-treated at 150 ° C., cracks in the active material layer and a phenomenon of falling off from the current collector were eliminated as compared with Comparative Example 25.

比較例25および比較例26が、80℃で活物質層が膨張した理由は、スラリーを乾燥する際に、気化したガス(水蒸気)が活物質層内に閉じ込められ、活物質層が膨らんだからと思われる。さらに、150℃では、アルカリ金属ケイ酸塩やリン酸アルミニウム塩に由来する大きな体積収縮で、活物質層に亀裂が生じ、活物質層が集電体から脱落したものと思われる。   In Comparative Examples 25 and 26, the reason why the active material layer expanded at 80 ° C. was that when the slurry was dried, the vaporized gas (water vapor) was confined in the active material layer and the active material layer expanded. Seem. Further, at 150 ° C., it is considered that the active material layer was cracked due to a large volume shrinkage derived from the alkali metal silicate or the aluminum phosphate salt, and the active material layer was dropped from the current collector.

一方、参考例1と参考例2は、バインダとして、結着性のないAl23が含まれており、電極乾燥時においてAl23とAl23の粒子間からガスを排出し、活物質層が膨らまなかったものと思われる。さらに、150℃では、Al23がアルカリ金属ケイ酸塩やリン酸アルミニウム塩の体積収縮を抑制し、活物質層の亀裂や集電体からの脱落を防止したものと思われる。 On the other hand, in Reference Example 1 and Reference Example 2, Al 2 O 3 having no binding property was contained as a binder, and gas was discharged from between the particles of Al 2 O 3 and Al 2 O 3 when the electrode was dried. It is considered that the active material layer did not expand. Furthermore, at 150 ° C., it is considered that Al 2 O 3 suppressed the volume shrinkage of the alkali metal silicate and the aluminum phosphate, and prevented the active material layer from cracking and falling off the current collector.

これら現象は、例えば、餅を熱すると、中の水蒸気がお餅内に閉じ込められて膨張するが、小麦粉が主成分であるクッキーでは、小麦粉の隙間から水蒸気が離脱できるので、お餅のような膨張が起こりにくくなることと同じである。   These phenomena, for example, when the rice cake is heated, the water vapor inside is trapped in the rice cake and expands, but in the cookie where flour is the main component, the water vapor can be released from the gap of the flour, so that it is like rice cake This is the same as making expansion less likely.

参考例1および参考例2の電極を用いて、充放電試験を行った。電池は、電解液として、1M LiPF6/EC:DEC=50:50vol.%、+VC1質量%)、セパレータとして、ポリオレフィン微多孔膜(20μm)とガラス不織布(GA−100)を重ね合わせたもの、対極として金属Liを用いた半電池を作製した。充放電試験は、環境温度30℃、電流密度0.25C−rate、カットトオフ電位1.5V〜0.01Vとした。 A charge / discharge test was performed using the electrodes of Reference Examples 1 and 2. The battery was manufactured using 1 M LiPF 6 / EC: DEC = 50: 50 vol. %, + VC1% by mass), a separator in which a polyolefin microporous membrane (20 μm) and a glass nonwoven fabric (GA-100) were stacked as a separator, and a half cell using metal Li as a counter electrode were produced. The charge / discharge test was performed at an environmental temperature of 30 ° C., a current density of 0.25 C-rate, and a cutoff potential of 1.5 V to 0.01 V.

初期充放電効率を比較すると、アルカリ金属ケイ酸塩系(参考例1)が71%、リン酸アルミニウム塩系(参考例2)が67%であり、アルカリ金属ケイ酸塩系の方が、初期充放電効率が良い結果となった。これは、アルカリ金属ケイ酸塩がリン酸アルミニウムよりも不可逆容量が小さいことを意味している。   Comparing the initial charge and discharge efficiencies, the alkali metal silicate type (Reference Example 1) was 71%, the aluminum phosphate salt type (Reference Example 2) was 67%, and the alkali metal silicate type had a lower initial charge / discharge efficiency. The result was good charge / discharge efficiency. This means that the alkali metal silicate has a smaller irreversible capacity than aluminum phosphate.

図18に、参考例1のサイクル寿命特性と、200サイクル後の電極写真(集電体側)を示す。初期放電容量2609mAh/gに対して、100サイクル後の容量維持率は78%であった。活物質層中に強固な無機バインダ(アルカリ金属ケイ酸塩)の骨格が形成されたことで、Siの膨張収縮による導電ネットワークが破壊されにくくなり、優れた容量維持率を示したものと考えられる。薄い銅箔でも歪みを生じさせずに使用できた理由としては、無機バインダ(アルカリ金属ケイ酸塩)の強度が、銅よりも高いためと思われる。   FIG. 18 shows the cycle life characteristics of Reference Example 1 and an electrode photograph (current collector side) after 200 cycles. The capacity retention after 100 cycles was 78% with respect to the initial discharge capacity of 2609 mAh / g. It is considered that the formation of the strong inorganic binder (alkali metal silicate) skeleton in the active material layer made it difficult for the conductive network to be broken by the expansion and contraction of Si, and exhibited an excellent capacity retention rate. . The reason why the thin copper foil could be used without causing distortion is considered to be that the strength of the inorganic binder (alkali metal silicate) is higher than that of copper.

<無機骨格形成剤の確認分析>
(参考例3)
骨格形成剤が電極に浸透しているかを確認した試験である。模擬電極は、Al23(D50=9μm)、AB、PVdFバインダからなるスラリーを銅箔(10μm)に塗工調圧後、スプレーガンを用いて骨格形成剤を活物質層に被覆含浸し、150℃で熱処理することで作製された。骨格形成剤としては、アルカリ金属ケイ酸塩(Na2O・3SiO)を水に溶解させ、固形分8質量%となるように調整した。なお、界面活性剤は加えていない。模擬電極スラリーの固形分比は、α−Al23が85質量%、CBが5質量%、PVdFバインダが10質量%とした。
<Confirmation analysis of inorganic skeleton forming agent>
(Reference Example 3)
This is a test for confirming whether the skeleton-forming agent has penetrated the electrode. The simulated electrode was prepared by applying a slurry composed of Al 2 O 3 (D 50 = 9 μm), AB and PVdF binder to a copper foil (10 μm), adjusting the pressure, and then impregnating the active material layer with a skeleton forming agent using a spray gun. Then, it was produced by heat treatment at 150 ° C. As a skeleton forming agent, an alkali metal silicate (Na 2 O · 3SiO) was dissolved in water and adjusted to have a solid content of 8% by mass. No surfactant was added. The solid content ratio of the simulated electrode slurry was such that α-Al 2 O 3 was 85% by mass, CB was 5% by mass, and PVdF binder was 10% by mass.

(参考例4)
参考例4は、比較として、骨格形成剤を被覆含浸しなかった電極である他、参考例3と同じである。図20に、参考例3と参考例4のグロー放電発光分光分析(GDS)結果を示す。GDS測定条件としては、測定径4mmφ、Neガス圧力2000Paとした。測定波長はHでは121nm、Fでは685nm、Oでは130nm、Cでは156nm、Alでは396nm、Siでは251nmとした。横軸の時間は、スパッタ処理した時間で、活物質層の深さ方向(電極表面から集電体への方向)に相当する指標である。縦軸の強度は、発光強度で、元素の含有率に相当する指標である。図20から明らかなように、参考例4ではSiの存在が確認できないのに対して、参考例3は、Siの存在が表面から内部まで一定ではないものの、深層にSiが存在していることが確認できた。この結果から、骨格形成剤を電極表面に塗布することで、骨格形成剤が活物質層内部まで浸透しうることが証明された。
(Reference Example 4)
Reference Example 4 is the same as Reference Example 3 except that an electrode was not impregnated with a skeleton-forming agent for comparison. FIG. 20 shows the results of glow discharge emission spectroscopy (GDS) of Reference Examples 3 and 4. The GDS measurement conditions were a measurement diameter of 4 mmφ and a Ne gas pressure of 2000 Pa. The measurement wavelength was 121 nm for H, 685 nm for F, 130 nm for O, 156 nm for C, 396 nm for Al, and 251 nm for Si. The time on the horizontal axis is the time of the sputter treatment and is an index corresponding to the depth direction of the active material layer (the direction from the electrode surface to the current collector). The intensity on the vertical axis is the emission intensity, which is an index corresponding to the content of the element. As is clear from FIG. 20, the presence of Si cannot be confirmed in Reference Example 4, whereas in Reference Example 3, although the presence of Si is not constant from the surface to the inside, Si exists in a deep layer. Was confirmed. From this result, it was proved that the skeleton-forming agent could penetrate into the active material layer by applying the skeleton-forming agent to the electrode surface.

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。例えば、骨格形成剤のアルカリ金属ケイ酸塩の固形分濃度などの各種濃度や割合は、上記した実施形態の数値に限られない。また、上記した実施形態では、アルカリ金属ケイ酸塩としてA2O・3SiO2(A=Li、Na)LiやNaに限られず、またSiO2の係数も2〜3に限られない。また、骨格形成剤は、リン酸塩として第一リン酸アルミニウム(Al23・3P25)に限られず、またP25の係数も3に限られない。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。 As described above, the preferred embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings. However, various additions, changes, or deletions can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, various concentrations and ratios such as the solid concentration of the alkali metal silicate as the skeleton forming agent are not limited to the numerical values of the above-described embodiment. Further, in the above-described embodiment is not limited to an alkali metal silicate A 2 O · 3SiO 2 (A = Li, Na) Li or Na, also factor of SiO 2 is not limited to two or three. Further, the skeleton forming agent is not limited to aluminum phosphate monobasic (Al 2 O 3 · 3P 2 O 5 ) as a phosphate, and the coefficient of P 2 O 5 is not limited to 3. Therefore, such is also included in the scope of the present invention.

Claims (11)

非水電解質二次電池の電極における活物質層の骨格形成に用いる骨格形成剤であって、成分にシロキサン結合を有するケイ酸塩又はリン酸結合を有するリン酸塩を含む骨格形成剤と、アルカリ金属と合金化が可能な活物質又はアルカリ金属イオンを吸蔵することが可能な活物質と、バインダと、を備え、
前記骨格形成剤が少なくとも活物質層の表面に存在する、非水電解質二次電池用の正極。
A skeleton forming agent used for forming a skeleton of an active material layer in an electrode of a nonaqueous electrolyte secondary battery, the skeleton forming agent including a silicate having a siloxane bond or a phosphate having a phosphate bond as a component, and an alkali. An active material capable of absorbing an alkali metal ion or an active material capable of being alloyed with a metal, and a binder,
A positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the skeleton forming agent is present at least on the surface of the active material layer.
非水電解質二次電池の電極における活物質層の骨格形成に用いる骨格形成剤であって成分にシロキサン結合を有するケイ酸塩又はリン酸結合を有するリン酸塩を含む骨格形成剤と、アルカリ金属と合金化が可能な活物質又はアルカリ金属イオンを吸蔵することが可能な活物質と、バインダと、を備え、
前記骨格形成剤が少なくとも活物質層内に存在する、非水電解質二次電池用の正極。
A skeleton-forming agent used for forming a skeleton of an active material layer in an electrode of a nonaqueous electrolyte secondary battery, the skeleton-forming agent including a silicate having a siloxane bond or a phosphate having a phosphate bond as a component, and an alkali metal And an active material capable of alloying and an active material capable of absorbing alkali metal ions, and a binder,
A positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the skeleton forming agent is present at least in an active material layer.
前記活物質が硫黄系材料である、
請求項1又は請求項2に記載の非水電解質二次電池用の正極。
The active material is a sulfur-based material,
The positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1.
前記硫黄系材料は、硫黄、硫化カーボン、ポリスルフィド、ポリ硫化カーボン、硫黄変性ポリアクリルニトリル、ジスルフィド化合物、硫黄変性ゴム、硫黄変性ピッチ、硫黄変性アントラセン、硫化金属の少なくともいずれか1である、
請求項3に記載の非水電解質二次電池用の正極。
The sulfur-based material is at least one of sulfur, carbon sulfide, polysulfide, carbon polysulfide, sulfur-modified polyacrylonitrile, disulfide compound, sulfur-modified rubber, sulfur-modified pitch, sulfur-modified anthracene, and metal sulfide.
A positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 3.
前記骨格形成剤が、活物質層内に存在し、
前記活物質層内において、活物質同士の間に隙間が存在する、
請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用の正極。
The skeleton forming agent is present in the active material layer,
In the active material layer, there is a gap between the active materials,
The positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1.
前記骨格形成剤の層の表面に、耐アルカリ性の無機粒子を含む層を有する、
請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用の正極。
On the surface of the layer of the skeleton forming agent, having a layer containing alkali-resistant inorganic particles,
The positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1.
片面塗工された電極の単位面積当たりの前記骨格形成剤が、0.01mg/cm2以上3mg/cm2以下である、あるいは、両面塗工された電極の単位面積当たりの前記骨格形成剤が、0.02mg/cm2以上6mg/cm2以下である、
請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用の正極。
The skeleton forming agent per unit area of the electrode coated on one side is 0.01 mg / cm 2 or more and 3 mg / cm 2 or less, or the skeleton forming agent per unit area of the electrode coated on both sides is is 0.02 mg / cm 2 or more 6 mg / cm 2 or less,
The positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1.
活物質、導電助剤、バインダ、骨格形成剤の固形分合計を100質量%とした場合、骨格形成剤が0.1質量%以上30質量%以下である、
請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用の正極。
When the total solid content of the active material, the conductive auxiliary agent, the binder, and the skeleton forming agent is 100% by mass, the skeleton forming agent is 0.1% by mass or more and 30% by mass or less.
The positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1.
前記ケイ酸塩は、
一般式A2O・nSiO2で表される結晶または非晶質構造であり、
Aは、Li、Na、K、トリエタノールアンモニウム基、テトラメタノールアンモニウム基、テトラエタノールアンモニウム基、グラニジン基の少なくともいずれか1種であり、nが、1.6以上3.9以下である、
請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用の正極。
The silicate is
A crystalline or amorphous structure represented by the general formula A 2 O.nSiO 2 ,
A is at least one of Li, Na, K, a triethanolammonium group, a tetramethanolammonium group, a tetraethanolammonium group, and a granidine group, and n is 1.6 to 3.9.
A positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1.
請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の正極を備える非水電解質二次電池。   A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising the positive electrode according to claim 1. 請求項10に記載の非水電解質二次電池を備える、電気機器。   An electric device comprising the nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 10.
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