JP7177921B2 - Composition used for negative electrode, and protective film, negative electrode and device containing the same - Google Patents

Composition used for negative electrode, and protective film, negative electrode and device containing the same Download PDF

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Description

本発明は、エネルギー貯蔵の技術分野に用いられる組成物及びこれを含む保護膜に関する。特に、本発明は、リチウム金属負極の保護膜を製造するための組成物、及び、それを用いて製造した保護膜に関する。また、本発明は、さらに、該リチウム金属負極を含む電気化学装置及び電子設備に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a composition used in the technical field of energy storage and a protective film containing the same. In particular, the present invention relates to compositions for producing protective films for lithium metal negative electrodes, and protective films produced therewith. In addition, the present invention further relates to electrochemical devices and electronic equipment comprising said lithium metal negative electrode.

リチウムイオン電池は、比エネルギーが大きく、動作電圧が高く、自己放電率が低く、体積が小さく、重量が軽いなどの利点を有し、電子設備の分野に幅広く適用されている。しかしながら、電気自動車と携帯電子設備が急速に発展しているにつれ、電池のエネルギー密度、安全性やサイクル性能などへの需要がますます高くなっている。その中、体積エネルギー密度と質量エネルギー密度は、電池性能を評価するための重要なパラメータである。 Lithium-ion batteries have advantages such as high specific energy, high operating voltage, low self-discharge rate, small volume and light weight, and are widely applied in the field of electronic equipment. However, with the rapid development of electric vehicles and portable electronic devices, the demands on battery energy density, safety and cycle performance are becoming higher and higher. Among them, volumetric energy density and mass energy density are important parameters for evaluating battery performance.

リチウム金属は、全部金属元素において相対原子質量が最小(6.94)であり、標準電極電位が最低(-3.045V)である金属であり、その理論容量が3860mAh/gに達する。従って、リチウム金属を電池の負極として用いると共に、若干の高エネルギー密度の正極材料を併用する場合には、電池のエネルギー密度及び電池の動作電圧を大幅に向上することができる。 Lithium metal is the metal with the lowest relative atomic mass (6.94) and the lowest standard electrode potential (−3.045 V) among all metallic elements, and its theoretical capacity reaches 3860 mAh/g. Therefore, when lithium metal is used as the negative electrode of the battery and some positive electrode material with high energy density is also used, the energy density of the battery and the operating voltage of the battery can be greatly improved.

しかしながら、リチウム金属を負極材料とする電池を本格的に商業化させるためには、以下の欠点がある。
1)リチウム金属自体は、活性度が極めて高く、標準水素電極に対する電位が-3.05Vである。生成したばかりのリチウム金属の表面には、パッシベーション膜がないため、電解液系と一連の副反応が極めて発生し易い。例えば、電解液における微量のフッ化水素と反応してフッ素化リチウムを生成したり、電解液に用いられる一般的な溶媒である炭酸プロピレンと反応してCOCOLiを生成したりすることにより、リチウム金属と電解液とが同時に消耗されてしまい、サイクルのクーロン効率が商用の黒鉛負極(99%-99.9%)に比べると遥かに低い。
2)リチウム金属電池は、充電時に、リチウムが負極の集電体の表面に堆積することがある。電流密度や電解液におけるリチウムイオンの濃度が均一ではないため、堆積過程中には、ある箇所での堆積速度が速すぎることがあり、そして、鋭利なデンドライトの構造を生成する恐れがある。リチウムデンドライトの存在により、堆積密度が大幅に低くなり、エネルギー密度が低くなる。幾つかのリチウム金属電池において、リチウム金属の実際の堆積密度が約0.2g/cmであり、その真の密度である0.534g/cmよりも遥かに小さい。エネルギー密度は、リチウム金属が疎らに堆積したため、100Wh/L超低下することがある。また、リチウムデンドライトがセパレータを突き通すと短絡が発生し、安全上の問題を招致することがある。
3)負極シートは、リチウム金属負極の充放電に伴い、厚さが急激に縮張することがある。そうすると、負極シートは、隣接する他の構造との界面から極めて剥離し易くなり、抵抗が急激に高まり、深刻な場合には、電池全体の変形を招くこともがある。
However, there are the following drawbacks for full-scale commercialization of batteries using lithium metal as a negative electrode material.
1) Lithium metal itself is extremely active, having a potential of −3.05 V versus a standard hydrogen electrode. Since there is no passivation film on the surface of lithium metal that has just been produced, a series of side reactions with the electrolyte system are extremely likely to occur. For example, it reacts with a trace amount of hydrogen fluoride in the electrolyte to generate lithium fluoride, or reacts with propylene carbonate, which is a common solvent used in the electrolyte, to generate C 3 H 6 OCO 2 Li. As a result, lithium metal and electrolyte are depleted at the same time, and the coulombic efficiency of the cycle is much lower than that of commercial graphite anodes (99%-99.9%).
2) In lithium metal batteries, lithium may deposit on the surface of the current collector of the negative electrode during charging. Due to non-uniform current density and concentration of lithium ions in the electrolyte, the deposition rate may be too fast at some points during the deposition process, and may produce sharp dendrite structures. The presence of lithium dendrites results in significantly lower deposition densities and lower energy densities. In some lithium metal batteries, the actual deposited density of lithium metal is about 0.2 g/cm 3 , much less than its true density of 0.534 g/cm 3 . Energy density can drop by more than 100 Wh/L due to sparse deposition of lithium metal. Also, if the lithium dendrite penetrates the separator, a short circuit may occur, posing a safety hazard.
3) The thickness of the negative electrode sheet may rapidly shrink as the lithium metal negative electrode is charged and discharged. As a result, the negative electrode sheet is very likely to be peeled off from the interface with other adjacent structures, the resistance rises sharply, and in serious cases, the deformation of the entire battery may occur.

上記状況から、リチウム金属と電解液との副反応を軽減し、リチウムデンドライトの成長を抑え、縮張時の界面剥離及び保護層の破壊を解決することは、リチウム金属負極の応用を商業化することを実現するのに必要な条件となる。 In view of the above situation, reducing the side reaction between lithium metal and electrolyte, suppressing the growth of lithium dendrites, and solving the problem of interfacial peeling and protective layer breakage during shrinkage will make the application of lithium metal anodes commercial. It is a necessary condition to make it happen.

シリコン薄膜は、リチウム金属の表面を保護し、電解液とリチウム金属との接触を減少し、副反応を軽減することができるだけではなく、高い機械強度を有し、リチウムデンドライトの成長を抑えることもできる。しかしながら、シリコン材料がリチウムと化学反応してLiSiを生成することがある。LiSiは、高い電気伝導性を有することから、電子がリチウム金属と保護膜とを通過しやすくなり、保護膜の表面に到達し、電解液におけるLiと結合し、最終的に、保護膜の表面にリチウム金属が堆積する。その結果、副反応を軽減してリチウムデンドライトを抑えるという保護膜の能力は、低くなる。 The silicon thin film can not only protect the surface of the lithium metal, reduce the contact between the electrolyte and the lithium metal, reduce side reactions, but also have high mechanical strength and suppress the growth of lithium dendrites. can. However, silicon materials can chemically react with lithium to form Li x Si. Since Li x Si has high electrical conductivity, electrons can easily pass through the lithium metal and the protective film, reach the surface of the protective film, combine with Li + in the electrolyte, and finally, protect Lithium metal deposits on the surface of the film. As a result, the ability of the overcoat to mitigate side reactions and suppress lithium dendrites is reduced.

本発明は、上記の課題を解決するために、シリコン材料と、低電子伝導率を有するリチウムイオン伝導体とを含み、負極の保護膜を製造することに用いられる組成物を提供する。幾つかの実施例では、リチウムイオン伝導体材料は、電子伝導率が1×10-5S/cm未満である。 In order to solve the above problems, the present invention provides a composition for manufacturing a negative electrode protective film, comprising a silicon material and a lithium ion conductor with low electronic conductivity. In some examples, the lithium ion conductor material has an electronic conductivity of less than 1×10 −5 S/cm.

リチウムイオン伝導体材料は、LiF、LiPO、LiN、LiPON、LiO、LiSiO、LiAlO、リチウムチタンリン酸塩(Lix1Tiy1(PO、ただし、0<x1<2、且つ、0<y1<3)、リチウムアルミニウムチタン/ゲルマニウムリン酸塩(Lix2Aly2(Ti、Ge)z2(PO、ただし、0<x<2、0<y<1、且つ、0<z<3)、Li1+x3+y3 (Al、 Ga)x3 (Ti、 Ge)2-x3Si3-y312(ただし、0≦x3≦1、且つ、0≦y3≦1)、リチウムランタンチタン酸塩(Lix4Lay4TiO、ただし、0<x4<2、且つ、0<y4<3)、リチウムゲルマニウムチオリン酸塩(Lix5Gey5z5w5、ただし、0<x5<10、0<y5<1、0<z5<2、且つ、0<w5<12)、SiSガラス(Lix6Siy6z6、ただし、0≦x6<3、0<y6<2、且つ、0<z6<4)、Pガラス(Lix7y7z7、ただし、0≦x7<3、0<y7<3、且つ、0<z7<7)、LiO-Al-SiO-P-TiO-GeOセラミックス、又は、ガーネットセラミックス(Li3+x8La12、ただし、0≦x8≦5、且つ、Nは、Te、Nb、又はZrである。)。 Lithium ion conductor materials include LiF, Li3PO4 , Li3N , LiPON, Li2O, Li4SiO4, LiAlO2, lithium titanium phosphate (Lix1Tiy1 ( PO4 ) 3 , provided that 0<x1<2 and 0<y1<3), lithium aluminum titanium/germanium phosphate (Lix2Aly2 ( Ti,Ge) z2 (PO4) 3 , where 0<x< 2 , 0<y<1 and 0<z<3), Li 1+x3+y3 (Al, Ga) x3 (Ti, Ge) 2-x3 Si y P 3-y3 O 12 (where 0≦x3≦1 and 0≦ y3≦1), lithium lanthanum titanate (Li x4 La y4 TiO 3 , where 0<x4<2 and 0<y4<3), lithium germanium thiophosphate (Li x5 Ge y5 P z5 S w5 , However, 0<x5<10, 0<y5<1, 0<z5<2, and 0<w5<12), SiS2 glass (Li x6 Si y6 S z6 , where 0≤x6<3, 0<y6< 2 and 0<z6<4), P2S5 glass ( Lix7Py7Sz7 , where 0≤x7 <3, 0<y7<3 and 0<z7<7), Li 2O—Al 2 O 3 —SiO 2 —P 2 O 5 —TiO 2 —GeO 2 ceramics or garnet ceramics (Li 3 +x8 La 3 N 2 O 12 , where 0≦x8≦5, and N is Te, Nb, or Zr).

幾つかの実施例では、シリコン材料は、シリコン、式:SiM(ただし、y<0.05、Mは、B、Al、P、Fe、Co、Ni、Zn、Ge、Ga、As、Zr、In及びSnのうちの少なくとも一つを含む。)で示されるシリコン合金、又は、それらの組合せを含む。 In some embodiments, the silicon material is silicon, formula: SiM y where y<0.05 and M is B, Al, P, Fe, Co, Ni, Zn, Ge, Ga, As, Zr , including at least one of In and Sn), or combinations thereof.

幾つかの実施例では、リチウムイオン伝導体材料に対するシリコン材料のモル比は、1:5~20:1である。 In some embodiments, the molar ratio of silicon material to lithium ion conductor material is between 1:5 and 20:1.

さらに、本発明は、リチウム金属層を含む負極の保護膜であって、前記本発明に係る組成物を含み、前記リチウム金属層を被覆することを特徴とする負極の保護膜を提供する。本発明に係る保護膜は、LiSi(ただし、1.5<x<4.0である。)をさらに含む。LiSiは、リチウム拡散係数が10-14~10-10cm/Sである。幾つかの実施例では、LiSiは、10GPa超の強度を有する。 Further, the present invention provides a negative electrode protective film comprising a lithium metal layer, the negative electrode protective film comprising the composition according to the present invention and covering the lithium metal layer. The protective film according to the present invention further includes Li x Si (where 1.5<x<4.0). Li x Si has a lithium diffusion coefficient of 10 −14 to 10 −10 cm 2 /S. In some examples, the Li x Si has a strength greater than 10 GPa.

本発明に係る保護膜は、厚さが0.01μm~5μmである。 The protective film according to the present invention has a thickness of 0.01 μm to 5 μm.

本発明では、リチウム金属層は、リチウム金属、リチウム合金及びリチウム化合物のうちの少なくとも一つを含む。幾つかの実施例では、リチウム金属層は、薄膜層又は粉末層である。幾つかの実施例では、リチウム金属層及び前記保護膜には、ケイ素に対するリチウム素のモル比が10:1を超える。 In the present invention, the lithium metal layer includes at least one of lithium metal, lithium alloys and lithium compounds. In some examples, the lithium metal layer is a thin film layer or a powder layer. In some embodiments, the lithium metal layer and said overcoat have a molar ratio of lithium element to silicon greater than 10:1.

さらに、本発明は、前記本発明にかかる組成物又は保護膜を含む負極を提供する。 Furthermore, the present invention provides a negative electrode comprising the composition or protective film according to the present invention.

さらに、本発明は、前記本発明にかかる負極を含む電気化学装置を提供する。 Furthermore, the present invention provides an electrochemical device including the negative electrode according to the present invention.

さらに、本発明は、前記本発明にかかる電気化学装置を含む電子設備を提供する。 Furthermore, the present invention provides electronic equipment including the electrochemical device according to the present invention.

以下には、本発明の実施例を便宜に説明するために、本発明の実施例や従来技術を説明するのに必要な図面を簡単に説明する。もちろん、以下に説明する図面は、本発明の実施例の一部を示すものに過ぎない。当業者にとっては、創造的な労働を必要としない範囲で、これらの図面で示される構成に基づいて、他の実施例の図面を取得することも可能である。
は、本発明による保護膜を含む電極シート(側面図)である。図1に示すように、リチウム金属層2は集電体3を被覆しており、本発明に係る保護膜1はリチウム金属層2を被覆している。 は、本発明による保護膜を有する金属粉末を示す図である。図2に示すように、リチウム金属4の粒子の外部は、本発明による保護膜5で被覆されている。 は、リチウム金属に堆積された本発明による保護膜のSEMの横方向の断面図である。図3において、上から順次に、それぞれ、銅箔6、リチウム箔7、及び、本発明による保護膜8が示されている。
In the following, in order to explain the embodiments of the present invention for convenience, the drawings necessary for explaining the embodiments of the present invention and the prior art will be briefly described. Of course, the drawings described below represent only some of the embodiments of the present invention. Those skilled in the art can obtain drawings of other embodiments based on the configurations shown in these drawings to the extent that creative effort is not required.
1 is an electrode sheet (side view) comprising a protective film according to the invention; As shown in FIG. 1, a lithium metal layer 2 covers a current collector 3 and a protective film 1 according to the present invention covers the lithium metal layer 2 . 1 shows a metal powder with a protective film according to the invention; FIG. As shown in FIG. 2, the exterior of the particles of lithium metal 4 is coated with a protective coating 5 according to the invention. [0019] Figure 4 is a SEM lateral cross-section of a protective film according to the present invention deposited on lithium metal; In FIG. 3, a copper foil 6, a lithium foil 7 and a protective film 8 according to the present invention are shown in order from the top.

本発明に係る実施例については、以下に詳しく説明する。本発明の明細書の全文においては、同じ又は類似な部品、若しくは、同じ又は類似な機能を有する部品を、類似な符号で示す。ここで説明する図面に関連する実施例は、説明的なものや図解用のものであり、本発明に対する基本的な解釈を与えるものである。ここで記載される本発明にかかる実施例は、本発明の範囲を制限するものではないと理解すべきである。 Embodiments according to the invention are described in detail below. Throughout the description of the present invention, the same or similar parts or parts having the same or similar functions are indicated with similar reference numerals. The embodiments described herein with respect to the drawings are descriptive and illustrative and provide a basic interpretation of the invention. It should be understood that the embodiments in accordance with the invention described herein are not intended to limit the scope of the invention.

本明細書に使用される「ほぼ」、「大体」、「実質」及び「約」という用語は、小さな変化を表して説明するためのものである。事情又は場合に合わせて使用する際に、前記用語は、事情又は場合が正確に発生する例、及び、極めて近似に発生する例を意味してもよい。例えば、数値に合わせて使用する場合には、前記各用語は、数値の±10%以内の変化範囲を意味してもよく、また、±5%以内、±4%以内、±3%以内、±2%以内、±1%以内、±0.5%以内、±0.1%以内、又は、±0.05%以内を意味してもよい。例えば、二つの数値間の差が二者の平均値の±10%以内(或いは、±5%以内、±4%以内、±3%以内、±2%以内、±1%以内、±0.5%以内、±0.1%以内、又は、±0.05%以内)である場合に、前記二つの数値が「大体」に同じであると理解してもよい。 The terms "approximately," "approximately," "substantially," and "about" as used herein are intended to describe and describe small changes. When used according to a circumstance or occasion, the term may refer to instances in which the circumstance or occurrence occur exactly as well as instances in which it occurs very closely. For example, when used in conjunction with numerical values, each of the above terms may mean a range of variation within ±10% of the numerical value, and within ±5%, within ±4%, within ±3%, It may mean within ±2%, within ±1%, within ±0.5%, within ±0.1%, or within ±0.05%. For example, if the difference between the two numerical values is within ±10% of the average value of the two (or within ±5%, within ±4%, within ±3%, within ±2%, within ±1%, within ±0. 5%, within ±0.1%, or within ±0.05%), the two numbers may be understood to be "approximately" the same.

また、本明細書には、範囲の形式により、数量、比率又は他の数値を表すこともある。なお、このような範囲の形式を採用するのは、便宜上及び簡潔のためであり、その意味について、その範囲で明確に限定される数値を含むだけではなく、前記範囲内に含まれているあらゆる個別の数値又はサブ範囲を含んでいると、柔軟に理解すべきであり、任意の数値又はサブ範囲を明確に指定することに相当する。 A range format may also be used herein to express quantities, ratios, or other numerical values. It is noted that this range format is employed for convenience and brevity and is intended to include only numerical values specifically limited in that range, as well as any values subsumed within that range. Inclusion of individual numerical values or subranges should be understood flexibly and is equivalent to explicitly specifying any numerical value or subrange.

具体的な実施形態及び特許請求の範囲には、複数の項目を含むリストに接続する「……のうちのいずれか一つ」、「……のうちの一つ」、「……のうちの一種」、又は他の類似な用語は、言及された項目のうちのいずれか一つを意味する。例えば、項目A及び項目Bが挙げられた場合には、「A及びBのうちの一つ」は、Aのみ又はBのみを意味する。他の例では、項目A、項目B及び項目Cが挙げられた場合に、「A、B及びCのうちの一つ」は、Aのみ、Bのみ、又は、Cのみを意味する。項目Aは、単一の素子又は複数の素子を含んでもよく、項目Bは、単一の素子又は複数の素子を含んでもよく、項目Cは、単一の素子又は複数の素子を含んでもよい。 Particular embodiments and claims include "any one of", "one of", "of" connecting to a list containing multiple items. "a" or other similar term means any one of the items referred to. For example, if items A and B are listed, "one of A and B" means only A or only B. In another example, "one of A, B, and C" means only A, only B, or only C, when item A, item B, and item C are listed. Item A may comprise a single element or multiple elements, Item B may comprise a single element or multiple elements, and Item C may comprise a single element or multiple elements. .

具体的な実施形態及び特許請求の範囲には、複数の項目を含むリストに接続する「……のうちの少なくとも一方」、「……のうちの少なくとも一つ」、「……のうちの少なくとも一種」、又は他の類似な用語は、言及されている項目の任意な組合せを意味する。例えば、項目A及び項目Bが挙げられた場合には、「A及びBのうちの少なくとも一方」は、Aのみ、Bのみ、又は、A及びBを意味する。他の例では、項目A、項目B及び項目Cが挙げられた場合に、「A、B及びCのうちの少なくとも一つ」は、Aのみ、Bのみ、Cのみ、A及びB(Cを除き)、A及びC(Bを除き)、B及びC(Aを除き)、又は、A、B及びCの全てを意味する。項目Aは、単一の素子又は複数の素子を含んでもよく、項目Bは、単一の素子又は複数の素子を含んでもよく、項目Cは、単一の素子又は複数の素子を含んでもよい。 Particular embodiments and claims include "at least one of", "at least one of", "at least one of" connecting to a list containing a plurality of items. "One" or other similar term means any combination of the items referred to. For example, if items A and B are listed, "at least one of A and B" means A only, B only, or A and B. In another example, given items A, B and C, "at least one of A, B and C" means A only, B only, C only, A and B (with C means A and C (except B), B and C (except A), or all of A, B and C. Item A may comprise a single element or multiple elements, Item B may comprise a single element or multiple elements, and Item C may comprise a single element or multiple elements. .

一、組成物
本発明の第一態様は、シリコン材料と、低電子伝導率を有するリチウムイオン伝導体材料とを含む組成物に関する。幾つかの実施例では、リチウムイオン伝導体材料は、電子伝導率が約1×10-5S/cm未満であり、特に、電子伝導率が約5×10-6S/cm未満、約1×10-6S/cm未満、約5×10-7S/cm未満、約1×10-7S/cm未満、約5×10-8S/cm未満、約1×10-8S/cm未満、約5×10-9S/cm未満、又は、約1×10-9S/cm未満である。また、イオン伝導体材料は、リチウムイオン伝導率が1×10-10S/cm超であり、例えば、約1×10-9S/cm超、約1×10-8S/cm超、約1×10-7S/cm超、約1×10-6S/cm超、約1×10-5S/cm超、又は、約1×10-4S/cm超であり、或いは、前記任意の2数値の間の範囲であってもよい。
1. Composition A first aspect of the present invention relates to a composition comprising a silicon material and a lithium ion conductor material having low electronic conductivity. In some embodiments, the lithium ion conductor material has an electronic conductivity of less than about 1×10 −5 S/cm, particularly an electronic conductivity of less than about 5×10 −6 S/cm, about 1 Less than ×10 −6 S/cm, less than approximately 5×10 −7 S/cm, less than approximately 1×10 −7 S/cm, less than approximately 5×10 −8 S/cm, approximately 1×10 −8 S/cm cm, less than about 5×10 −9 S/cm, or less than about 1×10 −9 S/cm. Also, the ion conductor material has a lithium ion conductivity of greater than 1×10 −10 S/cm, for example, greater than approximately 1×10 −9 S/cm, greater than approximately 1×10 −8 S/cm, approximately greater than 1×10 −7 S/cm, greater than about 1×10 −6 S/cm, greater than about 1×10 −5 S/cm, or greater than about 1×10 −4 S/cm; It may range between any two numbers.

本発明の実施例では、リチウムイオン伝導体材料は、LiF、LiPO、LiN、LiPON、LiO、LiSiO、LiAlO、リチウムチタンリン酸塩(Lix1Tiy1(PO、ただし、0<x1<2、且つ、0<y1<3。)、リチウムアルミニウムチタン/ゲルマニウムリン酸塩(Lix2Aly2(Ti、Ge)z2(PO、ただし、0<x<2、0<y<1、且つ、0<z<3。)、Li1+x3+y3(Al、Ga)x3(Ti、Ge)2-x3Si3-y312(ただし、0≦x3≦1、且つ、0≦y3≦1。)、リチウムランタンチタン酸塩(Lix4Lay4TiO、ただし、0<x4<2、且つ、0<y4<3。)、リチウムゲルマニウムチオリン酸塩(Lix5Gey5z5w5、ただし、0<x5<10、0<y5<1、0<z5<2、且つ、0<w5<12。)、SiSガラス(Lix6Siy6z6、ただし、0≦x6<3、0<y6<2、且つ、0<z6<4)、Pガラス(Lix7y7z7、ただし、0≦x7<3、0<y7<3、且つ、0<z7<7。)、LiO-Al-SiO-P-TiO-GeOセラミックス、又はガーネットセラミックス(Li3+x8La12、ただし、0≦x8≦5、且つ、Nは、Te、Nb、又はZrである。)からなる群から選ばれた少なくとも一つである。 In embodiments of the present invention, the lithium ion conductor materials include LiF, Li3PO4 , Li3N , LiPON, Li2O , Li4SiO4 , LiAlO2 , lithium titanium phosphate ( Lix1Tiy1 ( PO 4 ) 3 with 0<x1<2 and 0<y1<3.), lithium aluminum titanium/germanium phosphate (Li x2 Al y2 (Ti, Ge) z2 (PO 4 ) 3 with 0<x<2, 0<y<1, and 0<z<3.), Li 1+x3+y3 (Al, Ga) x3 (Ti, Ge) 2-x3 Si y P 3-y3 O 12 (where 0 ≤ x3 ≤ 1 and 0 ≤ y3 ≤ 1.), lithium lanthanum titanate (Li x4 La y4 TiO 3 , where 0 < x4 < 2 and 0 < y4 < 3.), lithium germanium thiophosphate salt (Li x5 Ge y5 P z5 S w5 where 0<x5<10, 0<y5<1, 0<z5<2, and 0<w5<12.), SiS2 glass (Li x6 Si y6 S z6 for 0≤x6<3, 0<y6< 2 and 0<z6<4), P2S5 glass (Li x7 Py7S z7 for 0≤x7 <3, 0<y7< 3, and 0<z7<7.), Li 2 O—Al 2 O 3 —SiO 2 —P 2 O 5 —TiO 2 —GeO 2 ceramics, or garnet ceramics (Li 3+x8 La 3 N 2 O 12 , provided that , 0≦x8≦5, and N is Te, Nb, or Zr.).

幾つかの実施例では、シリコン材料は、シリコン、式:SiM(ただし、y<0.05であり、Mは、B、Al、P、Fe、Co、Ni、Zn、Ge、Ga、As、Zr、In及びSnのうちの少なくとも一つを含み、例えば、In及びSnの組合せである。)で示されるシリコン合金、又は、それらの組合せを含む。幾つかの場合には、Mは、B、Al、P、Fe、Co、Ni、Zn、Ge、Ga、As、Zr、In及びSnのうちのいずれか一つを含んでもよい。 In some embodiments, the silicon material is silicon, formula: SiM y where y<0.05 and M is B, Al, P, Fe, Co, Ni, Zn, Ge, Ga, As , Zr, In and Sn, for example, a combination of In and Sn, or a combination thereof. In some cases, M may include any one of B, Al, P, Fe, Co, Ni, Zn, Ge, Ga, As, Zr, In and Sn.

本発明に係る組成物において、リチウムイオン伝導体材料に対するシリコン材料のモル比は、約1:5~約20:1である。幾つかの実施例では、リチウムイオン伝導体材料に対するシリコン材料のモル比は、約1:4、約1:3、約1:2、約1:1、約1.5:1、約2:1、約2.5:1、約3:1、約4:1、約5:1、約6:1、約7:1、約8:1、約9:1、約10:1、約15:1、又は、上記任意の二つの比率間の範囲であってもよい。 In compositions according to the present invention, the molar ratio of silicon material to lithium ion conductor material is from about 1:5 to about 20:1. In some embodiments, the molar ratio of silicon material to lithium ion conductor material is about 1:4, about 1:3, about 1:2, about 1:1, about 1.5:1, about 2: 1, about 2.5:1, about 3:1, about 4:1, about 5:1, about 6:1, about 7:1, about 8:1, about 9:1, about 10:1, about It may be 15:1, or a range between any two of the above ratios.

二、保護膜
本発明の第二態様は、リチウム金属層を有する負極の保護膜であって、上記に説明した組成物を含み、前記リチウム金属層を被覆する保護膜に関する。
2. Protective Film A second aspect of the present invention relates to a protective film for a negative electrode having a lithium metal layer, the protective film comprising the composition described above and covering the lithium metal layer.

本発明では、保護膜は、リチウム金属層を被覆しており、即ち、リチウム金属と電解液との間に介在している。サイクル過程中には、組成物におけるシリコン材料がリチウムシリコン合金を形成する。従って、本発明に係る保護膜には、LiSi(ただし、1.5<x<4.0であり、例えば、xが1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、又は上記任意の2つの数値の間の範囲であってもよい。 In the present invention, the protective film covers the lithium metal layer, ie is interposed between the lithium metal and the electrolyte. During the cycling process, the silicon material in the composition forms a lithium silicon alloy. Therefore, the protective film according to the present invention contains Li x Si (where 1.5<x<4.0, where x is 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3 .5, 4.0, or a range between any two numbers above.

本発明に係るリチウム金属層は、リチウム金属、リチウム合金又はリチウム化合物のうちの少なくとも一つを含んでもよい。幾つかの実施例では、リチウム金属層は、薄膜層の形式であってもよいし、粉末層の形式であってもよい。リチウム金属層が薄膜層である場合には、リチウム金属は、基材に均一で緻密な薄層を形成し、例えば、銅箔をリチウム金属層で被覆することになる。リチウム金属層が粉末層である場合には、リチウム金属が粉末の形で基材に塗布され、本発明に説明する保護膜は、粉末粒子の表面を被覆することになる。 A lithium metal layer according to the present invention may comprise at least one of lithium metal, a lithium alloy, or a lithium compound. In some embodiments, the lithium metal layer may be in the form of a thin film layer or a powder layer. When the lithium metal layer is a thin film layer, the lithium metal forms a uniform dense thin layer on the substrate, for example, coating a copper foil with the lithium metal layer. When the lithium metal layer is a powder layer, the lithium metal is applied to the substrate in powder form and the protective film described in the present invention will coat the surface of the powder particles.

本発明に係る保護膜は、厚さが約0.01μm~約5μmであり、例えば、厚さが約0.05μm、約0.1μm、約0.5μm、約1μm、約2μm、約3μm、約4μm、又は、上記任意の2数値の間の範囲であってもよい。 The protective film according to the present invention has a thickness of about 0.01 μm to about 5 μm, for example, a thickness of about 0.05 μm, about 0.1 μm, about 0.5 μm, about 1 μm, about 2 μm, about 3 μm, It may be about 4 microns, or a range between any two numbers above.

幾つかの実施例では、LiSiは、リチウム拡散係数が約10-14-10-10cm/Sである。好ましくは、LiSiは、リチウム拡散係数が約10-13 cm/S、約10-12 cm/S、約10-11 cm/、又は約10-10 cm/Sであってもよい。幾つかの実施例では、LiSiは、強度が約10GPa超であり、例えば、強度が約11GPa超、約12GPa超、又は、約13GPa超であってもよい。 In some embodiments, Li x Si has a lithium diffusion coefficient of about 10 −14 −10 −10 cm 2 /S. Preferably, Li x Si has a lithium diffusion coefficient of about 10 −13 cm 2 /S, about 10 −12 cm 2 /S, about 10 −11 cm 2 /, or about 10 −10 cm 2 /S. good too. In some examples, the Li x Si may have a strength greater than about 10 GPa, such as a strength greater than about 11 GPa, greater than about 12 GPa, or greater than about 13 GPa.

幾つかの実施例では、リチウム金属層及び保護薄膜には、ケイ素に対するリチウムのモル比は、約10:1超であり、例えば、約15:1超、約20:1超、約25:1超、又は、約30:1超えであってもよい。 In some embodiments, the lithium metal layer and protective film have a molar ratio of lithium to silicon greater than about 10:1, such as greater than about 15:1, greater than about 20:1, greater than about 25:1. greater than, or greater than about 30:1.

本発明が提供する保護膜は、リチウム金属層の界面を保護でき、リチウム金属層と電解液との副反応を軽減し、クーロン効率を高め、リチウムデンドライトの成長を抑え、サイクル効果を改善することができる。具体的には、保護膜中のシリコン材料は、サイクル過程中に、リチウムと反応してLiSiを生成することにより、保護膜とリチウム金属層との間の結合強度を効果良く改善することができ、体積が急激に変化する際に保護膜の剥離を避けることができる。しかも、本発明が提供するLiSiは、より高いリチウム拡散係数(10-14-10-10cm/S)及び高い機械強度(>10GPa)を有し、リチウムイオンを転送するチャネルを提供することができる。また、本発明に係る保護膜には、導電性の低い材料、つまり、低電子伝導率を有するリチウムイオン伝導体を導入した。このような形態により、保護膜の電子伝導性を低くすることができ、充放電の過程中にリチウム金属がリチウム金属へ堆積することを軽減し、リチウムの堆積位置を制御し、リチウムの堆積形状を改善し、サイクル性能を高めることができる。以上より、本発明の提供する保護膜は、特定するシリコン材料とリチウムイオン伝導体との組合せにより、電解液を効果良く隔離し、イオンを転送するチャネルを提供すると共に、リチウムデンドライトの成長を顕著に抑えることができるという有益な効果を奏することができる。 The protective film provided by the present invention can protect the interface of the lithium metal layer, reduce the side reaction between the lithium metal layer and the electrolyte, increase the coulombic efficiency, suppress the growth of lithium dendrites, and improve the cycle effect. can be done. Specifically, the silicon material in the protective film reacts with lithium to produce Li x Si during the cycling process, thereby effectively improving the bonding strength between the protective film and the lithium metal layer. It is possible to avoid peeling of the protective film when the volume changes abruptly. Moreover, the Li x Si provided by the present invention has a higher lithium diffusion coefficient (10 −14 −10 −10 cm 2 /S) and high mechanical strength (>10 GPa), providing a channel for transferring lithium ions. can do. In addition, a low-conductivity material, that is, a lithium-ion conductor having low electronic conductivity, was introduced into the protective film according to the present invention. With such a form, the electronic conductivity of the protective film can be lowered, the deposition of lithium metal on lithium metal during the charging and discharging process can be reduced, the deposition position of lithium can be controlled, and the deposition shape of lithium can be reduced. can be improved and cycle performance can be enhanced. As described above, the protective film provided by the present invention effectively isolates the electrolytic solution, provides a channel for transferring ions, and significantly promotes the growth of lithium dendrites by combining the specified silicon material and the lithium ion conductor. It is possible to achieve the beneficial effect of being able to suppress the

三、その他
本発明のもう一つの態様は、前記した組成物又は保護膜を含む負極をさらに提供する。
本発明のさらにもう一つの態様は、前記した負極を含む電気化学装置に関する。
本発明のもう一つの態様は、前記した電気化学装置を含む電子設備を提供する。
3. Others Another aspect of the present invention further provides a negative electrode comprising the composition or protective film described above.
Yet another aspect of the invention relates to an electrochemical device comprising the negative electrode described above.
Another aspect of the present invention provides electronic equipment including the electrochemical device described above.

本発明に係る電気化学装置は、電気化学反応が発生するあらゆる装置であってもよく、具体的な例について、あらゆる種類の一次電池、二次電池、燃料電池、太陽電池又はキャパシターが挙げられる。特に、前記電気化学装置は、リチウム二次電池であり、例えば、リチウム金属二次電池、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池、又は、リチウムイオンポリマー二次電池が挙げられる。幾つかの実施例では、前記電気化学装置は、リチウムイオン電池である。 The electrochemical device according to the invention may be any device in which an electrochemical reaction occurs, specific examples being primary cells, secondary cells, fuel cells, solar cells or capacitors of any kind. In particular, the electrochemical device is a lithium secondary battery, such as a lithium metal secondary battery, a lithium ion secondary battery, a lithium polymer secondary battery, or a lithium ion polymer secondary battery. In some examples, the electrochemical device is a lithium ion battery.

幾つかの実施例では、本発明にかかる電気化学装置は、正極活性材料を含む正極シート、負極活性材料を負極シート、及び、セパレータを含む。 In some embodiments, an electrochemical device according to the present invention includes a positive electrode sheet including positive electrode active material, a negative electrode sheet including negative electrode active material, and a separator.

<正極>
本発明にかかる電気化学装置に含まれる正極シートは、集電体、及び、集電体に設置された正極活性材料層を含む。正極活性材料の具体的な種類は、具体的に特定されておらず、必要に応じて選択してもよい。
<Positive electrode>
A positive electrode sheet included in an electrochemical device according to the present invention includes a current collector and a positive electrode active material layer disposed on the current collector. A specific type of positive electrode active material is not specifically specified, and may be selected according to need.

幾つかの実施例では、正極活性材料は、リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出する化合物を含む。幾つかの実施例では、正極活性材料は、複合酸化物を含んでもよい、前記複合酸化物は、リチウムと、コバルト、マンガン及びニッケルのうち少なくとも一つとを含む。もう幾つかの実施例では、正極活性材料は、コバルト酸リチウム(LiCoO)、リチウムニッケルマンガンコバルト三元材料、マンガン酸リチウム(LiMn)、ニッケル・マンガン酸リチウム (LiNi0.5Mn1.5)、リン酸鉄リチウム(LiFePO)のうちの少なくとも一つを含む。 In some examples, the positive electrode active material includes a compound that reversibly absorbs and releases lithium ions. In some examples, the positive electrode active material may include a composite oxide, the composite oxide including lithium and at least one of cobalt, manganese, and nickel. In some more embodiments, the positive electrode active material is lithium cobaltate ( LiCoO2), lithium nickel manganese cobalt ternary material, lithium manganate ( LiMn2O4), lithium nickel manganate ( LiNi0.5Mn 1.5 O 4 ), lithium iron phosphate (LiFePO 4 ).

幾つかの実施例では、正極活性材料層は、表面にコーティング層を有してもよく、又は、コーティング層を有する他の化合物と混合してもよい。 In some embodiments, the positive electrode active material layer may have a coating layer on its surface or may be mixed with other compounds that have a coating layer.

前記コーティング層は、コーティング元素の酸化物、コーティング元素の水素酸化物、コーティング元素のヒドロキシ酸化物、コーティング元素のオキシ炭酸塩(oxycarbonate)又はコーティング元素のヒドロキシ炭酸塩(hydroxycarbonate)のうちの少なくとも一つコーティング元素化合物を含んでもよい。 The coating layer comprises at least one of a coating element oxide, a coating element hydrogen oxide, a coating element hydroxy oxide, a coating element oxycarbonate, or a coating element hydroxycarbonate. A coating element compound may also be included.

コーティング層に用いられる化合物は、非晶質であってもよく、結晶性であってもよい。 The compound used in the coating layer may be amorphous or crystalline.

コーティング層に含まれるコーティング元素は、Mg、Al、Co、K、Na、Ca、Si、Ti、V、Sn、Ge、Ga、B、As、Zr、F、又は、それらの混合物を含んでもよい。 Coating elements included in the coating layer may include Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr, F, or mixtures thereof. .

正極活性材料の性能に悪影響を与えない限り、如何なる方法によりコーティング層を施してもよい。例えば、前記方法は、スプレーや含浸など、当業者にとって周知される如何なるコーティング方法であってもよい。 Any method may be used to apply the coating layer as long as it does not adversely affect the performance of the positive electrode active material. For example, the method can be any coating method known to those skilled in the art, such as spraying or impregnation.

幾つかの実施例では、正極活性材料層は、さらに、結合剤を含み、さらに、必要に応じて導電材料を含んでもよい。 In some examples, the positive electrode active material layer further includes a binder and may optionally include a conductive material.

結合剤は、正極活性材料の粒子同士間の結合を強めると共に、正極活性材料と集電体との結合を強めることもできる。結合剤として、ポリビニルアルコール、ヒドロキシプロピルセルロース、ジアセチルセルロース、ポリ塩化ビニル、カルボキシル化ポリ塩化ビニル、ポリフッ化エチレン、エチレンオキシ含有ポリマー、ポリビニルピロリドン、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム、アクリル酸(エステル)化スチレンブタジエンゴム、エポキシ樹脂、ナイロンなどが挙げられるが、これらに限定されない。 The binder can strengthen the bonding between the particles of the positive electrode active material and also strengthen the bonding between the positive electrode active material and the current collector. Binders include polyvinyl alcohol, hydroxypropyl cellulose, diacetyl cellulose, polyvinyl chloride, carboxylated polyvinyl chloride, polyethylene fluoride, ethyleneoxy-containing polymers, polyvinylpyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene. , styrene-butadiene rubber, acrylated (esterified) styrene-butadiene rubber, epoxy resin, nylon, and the like, but are not limited to these.

正極活性材料層は、導電材料を含むことにより、電極に導電性を与えることができる。前記導電材料は、化学的変化を引き起こさない限り、如何なる導電材料を含んでもよい。導電材料として、炭素系材料(例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、コーチンブラック、炭素繊維など)、金属系材料(例えば、銅、ニッケル、アルミニウム、銀などを含む金属粉末や金属繊維など)、導電性ポリマー(例えば、ポリフェニレン誘導体)及びそれらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。 The positive electrode active material layer can provide electrical conductivity to the electrode by including a conductive material. Said conductive material may comprise any conductive material as long as it does not cause a chemical change. Examples of conductive materials include carbon-based materials (such as natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, cochin black, carbon fiber, etc.), metal-based materials (such as copper, nickel, aluminum, and silver containing metal powders and metals). fibers, etc.), conductive polymers (eg, polyphenylene derivatives), and mixtures thereof.

本発明による二次電池の正極シートに用いられる集電体は、アルミニウム(Al)であってもよいが、それに限定されない。 The current collector used in the positive electrode sheet of the secondary battery according to the present invention may be aluminum (Al), but is not limited thereto.

<セパレータ>
幾つかの実施例では、本発明に係る電気化学装置は、短絡を防ぐように、正極と負極との間に、セパレータを有する。本発明に係る電気化学装置に用いられセパレータは、材料や形状が特に限定されておらず、従来技術に開示された如何なる技術であってもよい。幾つかの実施例では、セパレータは、本発明に係る電解液に対して安定な材料により形成されたポリマー、又は、無機物などを含んでもよい。
<Separator>
In some embodiments, electrochemical devices of the present invention have a separator between the positive and negative electrodes to prevent short circuits. The material and shape of the separator used in the electrochemical device according to the present invention are not particularly limited, and any technique disclosed in the prior art may be used. In some embodiments, the separator may include a polymer, inorganic material, or the like formed of materials that are stable to the electrolyte of the present invention.

例えば、セパレータは、基材層、及び、表面処理層を含んでもよい。 For example, the separator may include a substrate layer and a surface treatment layer.

基材層は、多孔質構造を有する不織布、フィルム又は複合フィルムであり、基材層の材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、及び、ポリイミドのうちの少なくとも一つを含む。具体的には、ポリプロピレン多孔質膜、ポリエチレン多孔質膜、ポリプロピレン不織布、ポリエチレン不織布又はポリプロピレン-ポリエチレン-ポリプロピレン多孔質複合膜を選択してもよい。 The substrate layer is a non-woven fabric, film or composite film having a porous structure, and the material of the substrate layer includes at least one of polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate and polyimide. Specifically, a polypropylene porous membrane, a polyethylene porous membrane, a polypropylene non-woven fabric, a polyethylene non-woven fabric, or a polypropylene-polyethylene-polypropylene porous composite membrane may be selected.

基材層は、少なくとも一つの表面に表面処理層が設置される。表面処理層は、ポリマー層又は無機物層であってもよく、ポリマーと無機物とを混合して形成した層であってもよい。 A surface treatment layer is provided on at least one surface of the base material layer. The surface treatment layer may be a polymer layer, an inorganic layer, or a layer formed by mixing a polymer and an inorganic material.

無機物層は、無機粒子及び結合剤を含む。無機粒子は、アルミナ、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化チタン、二酸化ハフニウム、酸化スズ、二酸化セリウム、酸化ニッケル、酸化亜鉛、酸化カルシウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、炭化ケイ素、ベーマイト、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム及び硫酸バリウムのうちの一つ又は複数種の組合せを含んでもよい。結合剤は、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン‐ヘキサフルオロプロピレンの共重合体、ポリアミド、ポリアクリロニトリル、ポリアクリル酸エステル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸塩、ポリビニルピロリドン、ポリビニルエーテル、ポリメチルメタクリレート、ポリテトラフルオロエチレン、及びポリヘキサフルオロプロピレンのうちの一つ又は複数種の組合せを含んでもよい。 The inorganic layer contains inorganic particles and a binder. Inorganic particles include alumina, silicon oxide, magnesium oxide, titanium oxide, hafnium dioxide, tin oxide, cerium dioxide, nickel oxide, zinc oxide, calcium oxide, zirconium oxide, yttrium oxide, silicon carbide, boehmite, aluminum hydroxide, hydroxide It may also include one or a combination of more than one of magnesium, calcium hydroxide and barium sulfate. Binders include polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, polyamide, polyacrylonitrile, polyacrylate, polyacrylic acid, polyacrylate, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl ether, polymethyl methacrylate, poly It may also include one or a combination of tetrafluoroethylene and polyhexafluoropropylene.

ポリマー層には、ポリマーを含み、ポリマーの材料は、ポリアミド、ポリアクリロニトリル、アクリル酸エステルポリマー、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸塩、ポリビニルピロリドン、ポリビニルエーテル、ポリフッ化ビニリデン、ポリ(フッ化ビニリデン‐ヘキサフルオロプロピレン)のうちの少なくとも一つを含む。 The polymer layer includes a polymer, and the material of the polymer is polyamide, polyacrylonitrile, acrylate polymer, polyacrylic acid, polyacrylate, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl ether, polyvinylidene fluoride, poly(vinylidene fluoride-hexa fluoropropylene).

本発明の他の態様は、前記した電気化学装置を含む電子設備を提供する。 Another aspect of the present invention provides electronic equipment including the electrochemical device described above.

本発明による電気化学装置は、各分野の電子設備に適用可能である。本発明に係る電気化学装置は、その用途が特に限定されておらず、従来技術における既知した如何なる用途にも用いられる。一つの実施例では、本発明に係る電気化学装置は、ノートパソコン、ペン入力型コンピュータ、モバイルコンピューター、電子書籍プレーヤー、携帯電話、携帯FAX、携帯複写機、携帯コピー機、ヘッドマウントステレオヘッドフォン、ビデオレコーダー、液晶テレビ、ハンディクリーナー、携帯CDプレーヤー、ミニディスク、トランシーバ、電子手帳、電卓、メモリーカード、メモリーカード、携帯レコーダー、ラジオ、バックアップ電源、モーター、自動車、オートバイ、電動支援自転車、自転車、照明器具、玩具、ゲーム機、時計、電動工具、フラッシュ、カメラ、家庭用大型蓄電池及びリチウムイオンキャパシタなどの電子設備に適用されるが、それらに限定されない。 The electrochemical device according to the present invention can be applied to electronic equipment in various fields. The electrochemical device according to the present invention is not particularly limited in its application and can be used in any application known in the prior art. In one embodiment, the electrochemical device of the present invention is a notebook computer, a pen-based computer, a mobile computer, an e-book player, a mobile phone, a mobile facsimile, a mobile copier, a mobile copier, a head-mounted stereo headphone, a video Recorders, LCD TVs, handy cleaners, portable CD players, minidiscs, transceivers, electronic notebooks, calculators, memory cards, memory cards, portable recorders, radios, backup power supplies, motors, automobiles, motorcycles, electric assisted bicycles, bicycles, lighting equipment , toys, game machines, watches, power tools, flashes, cameras, large storage batteries for home use, and electronic equipment such as lithium-ion capacitors, but not limited thereto.

実施例
以下に実施例を参照しながら、本発明に係る実施例を説明する。これらの実施例は、本発明を説明するためのものに過ぎず、本発明の保護しようとする範囲を限定するものではないと理解すべきである。
EXAMPLES Examples according to the present invention will be described below with reference to examples. It should be understood that these examples are merely illustrative of the present invention and are not intended to limit the scope of protection of the present invention.

実施例1~13
1. 負極シートの製造
1.1 負極保護膜の製造
実施例1~11には、リチウム金属層が薄膜層である場合の技術方案を例示して説明した。マグネトロンスパッタにより、リチウム被覆銅箔におけるリチウム金属層の一側に堆積材料を堆積した。材料における各成分のモル比及び堆積して得た保護膜の厚さを、以下の表1に示す。
実施例12及び13には、リチウム金属層が粉末層である場合の技術方案を例示して説明した。マグネトロンスパッタにより、リチウム金属含有炭素粉末にシリコンとフッ素化リチウムとを同時に堆積し、ただし、リチウムに対するシリコンのモル比が2:1であった。実施例12及び13において、堆積された保護膜は、厚さがそれぞれ、0.1μm及び0.01μmである。
Examples 1-13
1. 1. Manufacture of Negative Electrode Sheet 1.1 Manufacture of Negative Electrode Protective Film In Examples 1 to 11, technical solutions in which the lithium metal layer is a thin film layer are illustrated and explained. The deposition material was deposited on one side of the lithium metal layer on the lithium coated copper foil by magnetron sputtering. The molar ratio of each component in the material and the thickness of the deposited protective film are shown in Table 1 below.
In Examples 12 and 13, the technical solution in which the lithium metal layer is a powder layer is illustrated and explained. Silicon and lithium fluoride were co-deposited on lithium metal-containing carbon powder by magnetron sputtering, where the molar ratio of silicon to lithium was 2:1. In Examples 12 and 13, the deposited protective films are 0.1 μm and 0.01 μm thick, respectively.

1.2 負極シートの製造、
実施例1~11においては、電極シートを、直径が18mmの仕様に切り出して次の工程に供した。
実施例12及び実施例13においては、複合負極保護層を有する粉末材料と、導電性カーボンブラック(Super P)と、ポリスチレンブタジエン(SBR)と、ポリスチレン(PS)とを、80:10:5:5の重量比で混合し、パラキシリレン(p-xylene)を溶媒として加えて、固形分が0.2であるスラリーを調製するように、均一に攪拌した。得られたスラリーを均一に負極の集電体としての銅箔に塗布し、70℃の条件で乾燥してから、負極シートを得た。次に、電極シートを、直径が18mmの仕様に切り出して次の工程に供した。
1.2 Production of negative electrode sheet,
In Examples 1 to 11, the electrode sheets were cut into specifications with a diameter of 18 mm and subjected to the next step.
In Examples 12 and 13, the powder material having a composite negative electrode protective layer, conductive carbon black (Super P), polystyrene butadiene (SBR), and polystyrene (PS) were mixed at 80:10:5: They were mixed at a weight ratio of 5, p-xylene was added as a solvent, and stirred uniformly so as to prepare a slurry with a solid content of 0.2. The resulting slurry was uniformly applied to a copper foil as a current collector for the negative electrode, and dried at 70° C. to obtain a negative electrode sheet. Next, the electrode sheet was cut to a specification with a diameter of 18 mm and subjected to the next step.

2.電解液の調製
乾燥したアルゴン雰囲気では、まず、有機溶媒であるエチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)及びジエチルカーボネート(DEC)を、EC:EMC:DEC=30:50:20の質量比で混合し、次に、有機溶媒にリチウム塩である六フッ化リン酸リチウム(LiPF)を加えて溶解、均一に混合することにより、リチウム塩の濃度が1.15Mとなる電解液を得た。
2. Preparation of Electrolyte In a dry argon atmosphere, first, organic solvents ethylene carbonate (EC), ethylmethyl carbonate (EMC) and diethyl carbonate (DEC) were dissolved in a mass ratio of EC:EMC:DEC = 30:50:20. Next, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), which is a lithium salt, is added to the organic solvent, dissolved, and uniformly mixed to obtain an electrolytic solution having a lithium salt concentration of 1.15M. rice field.

3.対称電池の製造
厚さが15μmのポリエチレン(PE)をセパレータにし、二つの負極シートを、それぞれ、セパレータの両側に、そのリチウム金属層の一側がセパレータに対向するように置いた。次に、電解液を75μl注ぎ、ボタン電池を組み立てた。
3. Fabrication of Symmetrical Battery Polyethylene (PE) with a thickness of 15 μm was used as the separator, and two negative electrode sheets were each placed on either side of the separator with one side of the lithium metal layer facing the separator. Next, 75 μl of electrolyte was poured to assemble a button battery.

対比例1~4
対比例1には、保護膜を使用せず、リチウム被覆銅箔を、直接に、直径が18mmの仕様に切り出して使用した。
対比例2には、リチウム被覆銅箔のリチウム金属層の一側にシリコンしかを堆積せず、つまり、保護膜がシリコンのみを含み、低電子伝導率のリチウムイオン伝導体を含まなかった。堆積した厚さが1μmであった。上記以外には、実施例1と同じ操作を行った。
対比例3には、リチウム被覆銅箔のリチウム金属層の一側にフッ素化リチウムしかを堆積せず、つまり、保護膜がフッ素化リチウムのみを含み、シリコン材料を含まなかった。堆積した厚さが1μmであった。上記以外には、実施例1と同じ操作を行った。
対比例4には、リチウム金属層が粉末層の形であるが、この粉末層は本発明に係る保護膜を有さなかった。如何なる表面処理も経ないリチウム金属含有炭素粉末と、導電性カーボンブラック(Super P)と、ポリスチレンブタジエン(SBR)と、ポリスチレン(PS)とを、80:10:5:5の重量比で混合し、パラキシリレン(p-xylene)を溶媒として加え、固形分が0.2のスラリーを調製するように、均一に攪拌した。得られたスラリーを均一に負極の集電体としての銅箔に塗布し、70℃の条件で乾燥してから、負極シートを得た。次に、電極シートを、直径が18mmの仕様に切り出して次の工程に供した。上記以外には、実施例1と同じ操作を行った。
Contrast 1-4
For Control 1, no protective film was used, and the lithium-coated copper foil was used directly cut to 18 mm diameter specifications.
In Control 2, only silicon was deposited on one side of the lithium metal layer of the lithium-coated copper foil, ie, the protective film contained only silicon and no low electronic conductivity lithium ion conductor. The deposited thickness was 1 μm. Other than the above, the same operations as in Example 1 were performed.
In Control 3, only lithium fluoride was deposited on one side of the lithium metal layer of the lithium-coated copper foil, ie, the protective film contained only lithium fluoride and no silicon material. The deposited thickness was 1 μm. Other than the above, the same operations as in Example 1 were performed.
In contrast 4, the lithium metal layer was in the form of a powder layer, but this powder layer did not have the protective coating according to the invention. Lithium metal-containing carbon powder without any surface treatment, conductive carbon black (Super P), polystyrene butadiene (SBR), and polystyrene (PS) were mixed in a weight ratio of 80:10:5:5. , p-xylene was added as a solvent and stirred uniformly so as to prepare a slurry with a solid content of 0.2. The resulting slurry was uniformly applied to a copper foil as a current collector for the negative electrode, and dried at 70° C. to obtain a negative electrode sheet. Next, the electrode sheet was cut to a specification with a diameter of 18 mm and subjected to the next step. Other than the above, the same operations as in Example 1 were performed.

<電池のサイクル回数の測定方法>
対称電池に対して、0.1mA/cmの電流密度で15時間の放電と15時間の充電を行うことによって、該対称電池を活性化させた。次に、0.6mA/cmの電流密度でサイクルし、放電及び充電の時間を、いずれも3時間とした。サイクル電圧が急激に低下して40mVよりも低くなった時のサイクル回数を、対称電池のサイクル回数とした。
表1:実施例1~13及び対比例1~4における関連パラメータ及び測定結果

Figure 0007177921000001
上記の表1には、LiF及びLiPOの電子伝導率が10-10S/cm未満であり、LiNの電子伝導率が10-12S/cm未満であり、LiLaZr12及びLi1.3Al0.3Ge1.7(POの電子伝導率が10-7S/cm未満である。 <Method for measuring the number of battery cycles>
Symmetric cells were activated by discharging for 15 hours and charging for 15 hours at a current density of 0.1 mA/cm 2 . It was then cycled at a current density of 0.6 mA/cm 2 with a discharge and charge time of 3 hours each. The number of cycles when the cycle voltage suddenly dropped below 40 mV was taken as the number of cycles for the symmetrical battery.
Table 1: Relevant parameters and measurement results for Examples 1-13 and Controls 1-4
Figure 0007177921000001
Table 1 above shows that the electronic conductivity of LiF and Li 3 PO 4 is less than 10 −10 S/cm, the electronic conductivity of Li 3 N is less than 10 −12 S/cm, and the electronic conductivity of Li 7 La 3 The electronic conductivity of Zr 2 O 12 and Li 1.3 Al 0.3 Ge 1.7 (PO 4 ) 3 is less than 10 −7 S/cm.

実施例1、実施例4及び実施例5には、Si及びLiFの比例が異なるため、対称電池のサイクル回数が変化した。その原因は、主に、Siの比例が高い場合(実施例4)に、Si自体の電子伝導性が高いため、リチウムが負極保護層の上に堆積し易くなり、リチウムにデンドライトが成長したことにより短絡が発生したからであると考えられる。また、Siの比例が低い場合(実施例5)に、保護層とリチウム金属との結合強度が低下したため、保護效果も低下してしまった。 Due to the different proportions of Si and LiF in Examples 1, 4 and 5, the cycle times of the symmetrical cells changed. The reason for this is mainly that when the ratio of Si is high (Example 4), the electronic conductivity of Si itself is high, so lithium tends to deposit on the negative electrode protective layer, and dendrites grow on lithium. This is thought to be because a short circuit occurred due to In addition, when the proportion of Si is low (Example 5), the bonding strength between the protective layer and lithium metal is low, resulting in a low protective effect.

明細書全文にわたって使用した「幾つかの実施例」、「一部の実施例」、「一つの実施例」、「他の一つの例示」、「例示」、「具体的な例示」又は「一部の例示」などの用語は、本発明における少なくとも一つの実施例又は例示に、該実施例又は例示に説明した特定の特徴、構造、材料又は特性を含むことを意味する。従って、例えば、明細書全文における多くの箇所で使用した「幾つかの実施例では」、「実施例では」、「一つの実施例では」、「他の例示では」、「一つの例示では」、「特定の例示では」又は「例示」などの用語は、必ずしも本発明による同一の実施例又は例示を指すわけではない。また、本明細書に開示の特定の特徴、構造、材料又は特性を、任意の適切な形態で一つ又は複数の実施例又は例示に組み合わせて実施してもよい。 "Some embodiments," "some embodiments," "one embodiment," "another example," "example," "specific example," or "one example," as used throughout the specification. Terms such as "exemplary part" mean that at least one embodiment or illustration in the invention includes the particular feature, structure, material or property described in that embodiment or illustration. Thus, for example, "in some embodiments", "in embodiments", "in one embodiment", "in other examples", "in one example" as used in many places throughout the specification. , “in a particular example” or “exemplary” do not necessarily refer to the same embodiment or illustration in accordance with the present invention. Also, any particular feature, structure, material or characteristic disclosed herein may be implemented in any suitable form in combination in one or more embodiments or illustrations.

以上で、説明するための実施例を例示して記載したが、当業者にとって、上記実施例は本発明を限定するものではなく、しかも、本発明の趣旨、原理や範囲を逸脱せずに、実施例を変更、置換、又は改良してもよい。 Although illustrative embodiments have been described above, it will be appreciated by those skilled in the art that the above embodiments are not intended to limit the present invention, and without departing from the spirit, principle or scope of the present invention, Embodiments may be modified, substituted or improved.

Claims (13)

リチウム金属層含有負極保護膜製組成物であって、
シリコン、及び式:SiM (ただし、y<0.05、Mは、B、Al、P、Fe、Co、Ni、Zn、Ge、Ga、As、Zr、In及びSnのうちの少なくとも一つを含む。)で示されるシリコン合金からなる群から選ばれた少なくとも1種のシリコン材料と、
電子伝導率が1×10 -5 S/cm未満のリチウムイオン伝導体材料と、
を含む、組成物。
A composition for producing a protective film for a negative electrode containing a lithium metal layer ,
Silicon, and formula: SiM y where y<0.05, M is at least one of B, Al, P, Fe, Co, Ni, Zn, Ge, Ga, As, Zr, In and Sn and at least one silicon material selected from the group consisting of silicon alloys represented by
a lithium ion conductor material having an electronic conductivity of less than 1×10 −5 S/cm ;
A composition comprising:
前記リチウムイオン伝導体材料に対する前記シリコン材料のモル比は、1:5~20:1である、請求項1に記載の組成物。 The composition of claim 1, wherein the molar ratio of said silicon material to said lithium ion conductor material is from 1:5 to 20:1. 前記リチウムイオン伝導体材料は、LiF、LiPO、LiN、LiPON、LiO、LiSiO、LiAlO、Lix1Tiy1(PO(ただし、0<x1<2、且つ、0<y1<3)、Lix2Aly2(Ti、Ge)z2(PO(ただし、0<x2<2、0<y2<1、且つ、0<z2<3)、Li1+x3+y3(Al、Ga)x3(Ti、Ge)2-x3Siy33-y312(ただし、0≦x3≦1、且つ、0≦y3≦1)、Lix4Lay4TiO(ただし、0<x4<2、且つ、0<y4<3)、Lix5Gey5z5w5(ただし、0<x5<10、0<y5<1、0<z5<2、且つ、0<w5<12)、Lix6Siy6z6(ただし、0≦x6<3、0<y6<2、且つ、0<z6<4)、Lix7y7z7(ただし、0≦x7<3、0<y7<3、且つ、0<z7<7)、LiO-Al-SiO-P-TiO-GeOセラミックス、及び、Li3+x8La12(ただし、0≦x8≦5、かつ、NがTe、Nb、又はZrである。)から選ばれた少なくとも一つを含む、請求項1又は2に記載の組成物。 The lithium ion conductor material includes LiF, Li3PO4 , Li3N , LiPON, Li2O, Li4SiO4 , LiAlO2 , Lix1Tiy1 ( PO4 ) 3 ( where 0< x1 < 2 , and 0<y1<3), Li x2 Al y2 (Ti, Ge) z2 (PO 4 ) 3 (where 0 < x2 < 2, 0 < y2 < 1, and 0 < z2 < 3), Li 1+x3+y3 (Al, Ga) x3 (Ti, Ge) 2-x3 Si y3 P 3-y3 O 12 (where 0 ≤ x3 ≤ 1 and 0 ≤ y3 ≤ 1), Li x4 La y4 TiO 3 (where 0<x4<2 and 0<y4<3), Li x5 Ge y5 P z5 S w5 (where 0<x5<10, 0<y5<1, 0<z5<2 and 0<w5< 12), Li x6 Si y6 S z6 (where 0 ≤ x6 < 3, 0 < y6 < 2, and 0 < z6 < 4), Li x7 P y7 S z7 (where 0 ≤ x7 < 3, 0 <y7<3 and 0<z7<7), Li 2 O—Al 2 O 3 —SiO 2 —P 2 O 5 —TiO 2 —GeO 2 ceramics, and Li 3+x8 La 3 N 2 O 12 (provided that 0≦x8≦5, and N is Te, Nb, or Zr.). リチウム金属層を有する負極の保護膜であって
請求項1~のいずれか1項に記載の組成物を含み、
前記負極のリチウム金属層を被覆する、保護膜。
A protective film for a negative electrode having a lithium metal layer, comprising the composition according to any one of claims 1 to 3 ,
A protective film covering the lithium metal layer of the negative electrode.
前記保護膜は、LiSi(ただし、1.5<x<4.0)をさらに含む、請求項に記載の保護膜。 5. The protective film of claim 4 , wherein the protective film further comprises LixSi (where 1.5< x <4.0). 厚さが0.01μm~5μmである、請求項4又は5に記載の保護膜。 The protective film according to claim 4 or 5 , having a thickness of 0.01 μm to 5 μm. 前記リチウム金属層は、リチウム金属、リチウム合金、及びリチウム化合物のうちの少なくとも一つを含む、請求項4~6のいずれか1項に記載の保護膜。 The protective film according to any one of claims 4 to 6, wherein the lithium metal layer comprises at least one of lithium metal, lithium alloys and lithium compounds. 前記リチウム金属層は、薄膜層又は粉末層である、請求項4~7のいずれか1項に記載の保護膜。 The protective film according to any one of claims 4 to 7, wherein said lithium metal layer is a thin film layer or a powder layer. 前記リチウム金属層及び前記保護膜には、ケイ素に対するリチウムのモル比が10:1超である、請求項4~8のいずれか1項に記載の保護膜。 The protective film of any one of claims 4-8, wherein the lithium metal layer and the protective film have a molar ratio of lithium to silicon greater than 10:1. 前記LiSiは、リチウム拡散係数が10-14~10-10cm/Sであり、強度が10GPa超である、請求項に記載の保護膜。 6. The protective film according to claim 5 , wherein the Li x Si has a lithium diffusion coefficient of 10 −14 to 10 −10 cm 2 /S and a strength of more than 10 GPa. 請求項4~10のいずれか1項に記載の保護膜と、前記保護膜で被覆されたリチウム金属層とを含む、負極。 A negative electrode comprising the protective film according to any one of claims 4 to 10 and a lithium metal layer coated with the protective film . 請求項11に記載の負極を含む、電気化学装置。 An electrochemical device comprising the negative electrode of claim 11 . 請求項12に記載の電気化学装置を含む、電子設備。
Electronic equipment comprising an electrochemical device according to claim 12 .
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