JP7304339B2 - Lithium ion secondary battery and operating method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、硫黄変性ポリアクリロニトリルを電極活物質とする、リチウムイオン二次電池、及びその作動方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a lithium ion secondary battery using sulfur-modified polyacrylonitrile as an electrode active material, and a method of operating the same.

リチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池は、小型で軽量、かつエネルギー密度が高く、さらに繰り返し充放電が可能であり、携帯用パソコン、ハンディビデオカメラ、情報端末等の携帯電子機器の電源として広く用いられている。また、環境問題の観点から、非水電解質二次電池を使用した電気自動車や、動力の一部に電力を利用したハイブリッド車の実用化が行われている。そのため、近年では、二次電池のさらなる性能向上が求められている。 Non-aqueous electrolyte secondary batteries such as lithium-ion secondary batteries are compact, lightweight, have high energy density, and can be repeatedly charged and discharged. Widely used as a power source. In addition, from the viewpoint of environmental problems, electric vehicles using non-aqueous electrolyte secondary batteries and hybrid vehicles using electric power as a part of power are being put to practical use. Therefore, in recent years, there has been a demand for further improvement in the performance of secondary batteries.

非水電解質二次電池の特性は、その構成部材である電極、セパレータ、電解質等に依存し、各構成部材の研究開発が盛んに行われている。電極においては、バインダー、集電材等と共に、電極活物質が重要であり、電極活物質の研究開発が盛んに行われている。 The characteristics of non-aqueous electrolyte secondary batteries depend on their constituent members such as electrodes, separators, electrolytes, and the like, and research and development of each constituent member is being actively carried out. In the electrode, the electrode active material is important as well as the binder, current collector, etc., and research and development of the electrode active material are actively carried out.

ポリアクリロニトリルと硫黄との混合物を非酸化性雰囲気下で熱処理することで得られる硫黄変性ポリアクリロニトリルは、大きな充放電容量を有し、充放電の繰り返しに伴う充放電容量の低下(以下、サイクル特性ということがある)が少ない電極活物質として知られている(例えば、特許文献1~3を参照)。硫黄変性ポリアクリロニトリルは正極の活物質として使用されているが、負極の活物質としても検討されている(例えば、特許文献3を参照)。 Sulfur-modified polyacrylonitrile obtained by heat-treating a mixture of polyacrylonitrile and sulfur in a non-oxidizing atmosphere has a large charge-discharge capacity, and the decrease in charge-discharge capacity with repeated charge-discharge (hereinafter referred to as cycle characteristics ) is known as an electrode active material (see, for example, Patent Documents 1 to 3). Sulfur-modified polyacrylonitrile is used as a positive electrode active material, and is also being studied as a negative electrode active material (see, for example, Patent Document 3).

US2011/200875A1US2011/200875A1 US2013/029222A1US2013/029222A1 US2014/134485A1US2014/134485A1

負極活物質への充電下限電位が低ければ、充放電容量が大きくできるが、あまりに充電下限電位が低い場合には、負極へのリチウム金属の析出の危険性がある。このため、例えば、特許文献3では、硫黄変性ポリアクリロニトリルのLi吸蔵時の平均電位を1.8V(Li基準)、即ち1.8V(vs.Li/Li+)としていることから、硫黄変性ポリアクリロニトリルを有する負極の充電下限電位は1.0V(vs.Li/Li+)程度と推定される(特許文献3を参照)。If the lower limit charging potential of the negative electrode active material is low, the charge/discharge capacity can be increased. For this reason, for example, in Patent Document 3, the average potential of sulfur-modified polyacrylonitrile during Li absorption is set to 1.8 V (based on Li), that is, 1.8 V (vs. Li/Li + ). The lower limit charging potential of a negative electrode containing acrylonitrile is estimated to be about 1.0 V (vs. Li/Li + ) (see Patent Document 3).

非水電解質二次電池、特に電気自動車やハイブリッド車に使用される非水電解質二次電池では、高出力でサイクル特性に優れ、更に軽量・小型化したリチウムイオン二次電池が求められている。 BACKGROUND ART Non-aqueous electrolyte secondary batteries, particularly non-aqueous electrolyte secondary batteries used in electric vehicles and hybrid vehicles, are required to have high output, excellent cycle characteristics, and lightweight and compact lithium-ion secondary batteries.

本発明者らは、鋭意検討を行なった結果、硫黄変性ポリアクリロニトリルを負極活物質とする非水電解質二次電池において、負極の充電下限電位を1.0V(vs.Li/Li+)より下げても、電池性能の低下が低く、安全に充放電が可能であり、サイクル特性の低下も低いことを見出し、本発明を完成させた。すなわち、本発明は、硫黄変性ポリアクリロニトリルを活物質とする負極を有する、リチウムイオン二次電池であって、負極の充電下限電位が0.1V(vs.Li/Li+)以上で、1.0V(vs.Li/Li+)未満である、リチウムイオン二次電池である。
また本発明は、硫黄変性ポリアクリロニトリルを活物質とする負極を有する、リチウムイオン二次電池の作動方法であって、負極の充電下限電位を0.1V(vs.Li/Li+)以上で、1.0V(vs.Li/Li+)未満とする、リチウムイオン二次電池の作動方法を提供するものである。
As a result of extensive studies, the present inventors have found that in a non-aqueous electrolyte secondary battery using sulfur-modified polyacrylonitrile as a negative electrode active material, the lower limit charging potential of the negative electrode is lowered below 1.0 V (vs. Li/Li + ). However, the inventors have found that the deterioration of battery performance is low, safe charging and discharging is possible, and the deterioration of cycle characteristics is also low, and the present invention has been completed. That is, the present invention provides a lithium ion secondary battery having a negative electrode using sulfur-modified polyacrylonitrile as an active material, wherein the negative electrode has a lower charging limit potential of 0.1 V (vs. Li/Li + ) or more, and 1. It is a lithium ion secondary battery that is less than 0 V (vs. Li/Li + ).
The present invention also provides a method for operating a lithium ion secondary battery having a negative electrode using sulfur-modified polyacrylonitrile as an active material, wherein the lower limit charging potential of the negative electrode is 0.1 V (vs. Li/Li + ) or more, A method for operating a lithium-ion secondary battery is provided, wherein the voltage is less than 1.0 V (vs. Li/Li + ).

本発明では、リチウムイオン二次電池の負極の充電下限電位を0.1V(vs.Li/Li+)以上で、1.0V(vs.Li/Li+)未満とすることに特徴の一つを有する。本発明において、単位V(vs.Li/Li+)は、リチウム金属基準の電位である。負極の充電下限電位は低いことが好ましいが0.1V(vs.Li/Li+)よりも低い場合には、電池のサイクル特性の低下が大きくなる。本発明における負極の充電下限電位は、0.15V(vs.Li/Li+)以上で、0.9V(vs.Li/Li+)以下が好ましく、0.17V(vs.Li/Li+)以上で、0.85V(vs.Li/Li+)以下が更に好ましく、0.25V(vs.Li/Li+)以上で、0.8V(vs.Li/Li+)以下が特に好ましい。負極の充電下限電位を上記の範囲とするためには、例えば正極と負極の単位面積当たりの活物質重量(mg/cm)の比率を、電極塗工厚みを変更するなどして調整すればよい。負極の単位面積当たりの活物質重量の比率が、正極に対して低くなるほど、負極の充電下限電位は低くなる。One of the characteristics of the present invention is that the lower limit charging potential of the negative electrode of the lithium ion secondary battery is 0.1 V (vs. Li/Li + ) or more and less than 1.0 V (vs. Li/Li + ). have In the present invention, the unit V (vs. Li/Li + ) is the potential relative to lithium metal. Although it is preferable that the lower limit charge potential of the negative electrode is low, if it is lower than 0.1 V (vs. Li/Li + ), the cycle characteristics of the battery are significantly deteriorated. The lower charging limit potential of the negative electrode in the present invention is 0.15 V (vs. Li/Li + ) or more, preferably 0.9 V (vs. Li/Li + ) or less, and 0.17 V (vs. Li/Li + ). Above, 0.85 V (vs. Li/Li + ) or less is more preferable, and 0.25 V (vs. Li/Li + ) or more and 0.8 V (vs. Li/Li + ) or less is particularly preferable. In order to set the lower charge potential of the negative electrode within the above range, for example, the ratio of the active material weight per unit area (mg/cm 2 ) of the positive electrode and the negative electrode can be adjusted by changing the electrode coating thickness. good. As the ratio of the weight of the active material per unit area of the negative electrode to that of the positive electrode decreases, the lower limit charging potential of the negative electrode decreases.

硫黄変性ポリアクリロニトリルを活物質とする負極の充放電容量は、硫黄変性ポリアクリロニトリルの硫黄含量により多少異なるが、充電下限電位が1.0V(vs.Li/Li+)の場合に対して、0.5V(vs.Li/Li+)で30~50%程度、0.2V(vs.Li/Li+)で60~80%程度、増加し、その増加分だけ、硫黄変性ポリアクリロニトリルの使用量を減らすことが可能である。充電下限電位を下げて負極の活物質を減らすことにより、リチウムイオン二次電池を軽量化、小型化することが可能になる。なお、充電下限電位の設定が1.0V(vs.Li/Li+)未満の設計のリチウムイオン二次電池を、充電下限電位が1.0V(vs.Li/Li+)以上で使用することは、十分な充放電容量が得られず好ましくない。The charge-discharge capacity of the negative electrode using sulfur-modified polyacrylonitrile as an active material varies slightly depending on the sulfur content of the sulfur-modified polyacrylonitrile, but when the lower limit charging potential is 1.0 V (vs. Li/Li + ), it is 0. .5 V (vs. Li/Li + ) increases by about 30 to 50%, and 0.2 V (vs. Li/Li + ) increases by about 60 to 80%, and the amount of sulfur-modified polyacrylonitrile used is equal to the increase. can be reduced. By lowering the lower limit charging potential and reducing the active material of the negative electrode, it becomes possible to reduce the weight and size of the lithium ion secondary battery. In addition, a lithium-ion secondary battery designed with a lower charging potential of less than 1.0 V (vs. Li/Li + ) should be used with a lower charging potential of 1.0 V (vs. Li/Li + ) or higher. is not preferable because sufficient charge/discharge capacity cannot be obtained.

硫黄変性ポリアクリロニトリルは、ポリアクリロニトリルと単体硫黄を非酸化性雰囲気中で加熱処理して得られる化合物である。ポリアクリロニトリルは、アクリロニトリルと他のモノマー、例えば、アクリル酸、酢酸ビニル、N-ビニルホルムアミド、N-N’メチレンビス(アクリルアミド)とのコポリマーでもよい。但し、アクリロニトリルの含量が低くなると電池性能が低くなることから、アクリロニトリルと他のモノマーとのコポリマーの場合、該コポリマー中のアクリロニトリルの含量は90質量%以上であることが好ましい。硫黄変性ポリアクリロニトリルの硫黄含量は、大きな充放電容量が得られ、本発明の作動方法におけるサイクル特性の低下が少ないことから、25質量%~60質量%が好ましく、27質量%~50質量%が更に好ましく、30質量%~45質量%が最も好ましい。なお、硫黄変性ポリアクリロニトリルの硫黄含量は、例えば、硫黄及び酸素が分析可能なCHN分析装置を用いて元素分析を行い、硫黄含有量を算出すればよい。 Sulfur-modified polyacrylonitrile is a compound obtained by heat-treating polyacrylonitrile and elemental sulfur in a non-oxidizing atmosphere. Polyacrylonitrile may be a copolymer of acrylonitrile with other monomers such as acrylic acid, vinyl acetate, N-vinylformamide, N—N' methylenebis(acrylamide). However, if the acrylonitrile content is low, the battery performance will be low, so in the case of copolymers of acrylonitrile and other monomers, the acrylonitrile content in the copolymer is preferably 90% by mass or more. The sulfur content of the sulfur-modified polyacrylonitrile is preferably 25% by mass to 60% by mass, and 27% by mass to 50% by mass, because a large charge-discharge capacity is obtained and the deterioration of cycle characteristics in the operating method of the present invention is small. More preferably, 30% by mass to 45% by mass is most preferable. The sulfur content of the sulfur-modified polyacrylonitrile may be calculated by performing elemental analysis using, for example, a CHN analyzer capable of analyzing sulfur and oxygen.

加熱処理におけるポリアクリロニトリルと単体硫黄の割合は、ポリアクリロニトリル100質量部に対して単体硫黄100質量部~1500質量部が好ましく、150質量部~1000質量部が更に好ましい。加熱処理の温度は250℃~550℃が好ましく、350℃~450℃が更に好ましい。未反応の単体硫黄は二次電池のサイクル特性を低下させる要因となるため、例えば、加熱、溶媒洗浄等により除去することが好ましい。 The ratio of polyacrylonitrile and elemental sulfur in the heat treatment is preferably 100 parts by mass to 1500 parts by mass, more preferably 150 parts by mass to 1000 parts by mass, per 100 parts by mass of polyacrylonitrile. The temperature of the heat treatment is preferably 250°C to 550°C, more preferably 350°C to 450°C. Since unreacted elemental sulfur causes deterioration of the cycle characteristics of the secondary battery, it is preferably removed by, for example, heating or solvent washing.

本発明の硫黄変性ポリアクリロニトリルは、使用する用途に合わせて、例えば、二次電池の電極の電極活物質として使用する場合には、平均粒子径が0.5μm~100μmであることが好ましい。平均粒子径とは、レーザー回折光散乱法により測定された50%粒子径をいう。粒子径は体積基準の直径であり、レーザー回折光散乱法では、二次粒子の直径が測定される。本発明の硫黄変性ポリアクリロニトリルの平均粒子径を0.5μmよりも小さくするには、粉砕等に多大な労力を要するが電池性能の更なる向上は望めず、100μm以下とすることで、平滑な電極合剤層が得やすい。本発明の硫黄変性ポリアクリロニトリルの平均粒子径は、0.5μm~100μmが好ましく、1μm~50μmがより好ましく、2μm~30μmがさらに好ましい。 The sulfur-modified polyacrylonitrile of the present invention preferably has an average particle size of 0.5 μm to 100 μm depending on the application, for example, when used as an electrode active material for electrodes of secondary batteries. The average particle size refers to a 50% particle size measured by a laser diffraction light scattering method. The particle size is a volume-based diameter, and the diameter of secondary particles is measured by a laser diffraction light scattering method. In order to reduce the average particle size of the sulfur-modified polyacrylonitrile of the present invention to less than 0.5 μm, a large amount of labor is required for pulverization, etc., but further improvement in battery performance cannot be expected. It is easy to obtain an electrode mixture layer. The average particle size of the sulfur-modified polyacrylonitrile of the present invention is preferably 0.5 μm to 100 μm, more preferably 1 μm to 50 μm, even more preferably 2 μm to 30 μm.

硫黄変性ポリアクリロニトリルを電極活物質とする電極の好適な構成及びその好適な製造方法について以下に説明する。電極は、集電体上に、硫黄変性ポリアクリロニトリルを有する電極合剤層を形成させる。電極合剤層は、例えば、硫黄変性ポリアクリロニトリル、バインダー及び導電助剤を溶媒に添加して調製したスラリーを集電体上に塗布し、乾燥することによって形成する。 A preferred configuration of an electrode using sulfur-modified polyacrylonitrile as an electrode active material and a preferred manufacturing method thereof will be described below. The electrode forms an electrode mixture layer having sulfur-modified polyacrylonitrile on a current collector. The electrode mixture layer is formed by, for example, applying a slurry prepared by adding a sulfur-modified polyacrylonitrile, a binder and a conductive aid to a solvent on a current collector and drying the slurry.

バインダーは、電極のバインダーとして公知のものを用いることができ、例えば、スチレン-ブタジエンゴム、ブタジエンゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリアクリロニトリル、ポリウレタン、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、エチレン-プロピレン-ジエンゴム、フッ素ゴム、スチレン-アクリル酸エステル共重合体、エチレン-ビニルアルコール共重合体、アクリロニトリルブタジエンゴム、スチレン-イソプレンゴム、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリレート、ポリビニルアルコール、ポリビニルエーテル、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロースナトリウム、メチルセルロース、セルロースナノファイバー、ポリエチレンオキサイド、デンプン、ポリビニルピロリドン、ポリ塩化ビニル、ポリアクリル酸等が挙げられる。 As the binder, one known as an electrode binder can be used, and examples thereof include styrene-butadiene rubber, butadiene rubber, polyethylene, polypropylene, polyamide, polyamideimide, polyimide, polyacrylonitrile, polyurethane, polyvinylidene fluoride, and polytetrafluoroethylene. , ethylene-propylene-diene rubber, fluorine rubber, styrene-acrylate copolymer, ethylene-vinyl alcohol copolymer, acrylonitrile-butadiene rubber, styrene-isoprene rubber, polymethyl methacrylate, polyacrylate, polyvinyl alcohol, polyvinyl ether, carboxy Methyl cellulose, carboxymethyl cellulose sodium, methyl cellulose, cellulose nanofiber, polyethylene oxide, starch, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl chloride, polyacrylic acid and the like.

バインダーとしては、環境負荷が低く、硫黄の溶出が起こりにくいため、水系バインダーが好ましく、スチレン-ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロースナトリウム、ポリアクリル酸が更に好ましい。バインダーは1種のみ使用することができ、或いは2種以上を組み合わせて使用することができる。スラリーにおけるバインダーの含有量は、本発明の硫黄変性ポリアクリロニトリル100質量部に対し、1質量部~30質量部であることが好ましく、1.5質量部~20質量部であることが更に好ましい。 As the binder, a water-based binder is preferable, and styrene-butadiene rubber, sodium carboxymethylcellulose, and polyacrylic acid are more preferable, since they have a low environmental load and are less likely to cause sulfur elution. Only one type of binder can be used, or two or more types can be used in combination. The content of the binder in the slurry is preferably 1 part by mass to 30 parts by mass, more preferably 1.5 parts by mass to 20 parts by mass, relative to 100 parts by mass of the sulfur-modified polyacrylonitrile of the present invention.

導電助剤としては、電極の導電助剤として公知のものを用いることができ、具体的には、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック、カーボンナノチューブ、気相法炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber:VGCF)、剥片化黒鉛、グラフェン、フラーレン、ニードルコークス等の炭素材料;アルミニウム粉、ニッケル粉、チタン粉等の金属粉末;酸化亜鉛、酸化チタン等の導電性金属酸化物;La、Sm、Ce、TiS等の硫化物が挙げられる。導電助剤の粒子径は、平均粒子径が0.0001μm~100μmが好ましく、0.01μm~50μmがより好ましい。スラリーにおける導電助剤の含有量は、本発明の硫黄変性ポリアクリロニトリル100質量部に対し、通常0.1質量部~50質量部であり、好ましくは1質量部~30質量部、より好ましくは2質量部~20質量部である。As the conductive aid, one known as a conductive aid for electrodes can be used. Specific examples include natural graphite, artificial graphite, carbon black, ketjen black, acetylene black, channel black, furnace black, and lamp black. , Thermal black, carbon nanotube, vapor grown carbon fiber (VGCF), exfoliated graphite, graphene, fullerene, carbon materials such as needle coke; metal powder such as aluminum powder, nickel powder, titanium powder; oxidation conductive metal oxides such as zinc and titanium oxide; and sulfides such as La2S3 , Sm2S3 , Ce2S3 and TiS2 . As for the particle size of the conductive aid, the average particle size is preferably 0.0001 μm to 100 μm, more preferably 0.01 μm to 50 μm. The content of the conductive aid in the slurry is usually 0.1 parts by mass to 50 parts by mass, preferably 1 part by mass to 30 parts by mass, more preferably 2 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the sulfur-modified polyacrylonitrile of the present invention. parts by mass to 20 parts by mass.

スラリーを調製するための溶媒としては、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、1,2-ジメトキシエタン、1,2-ジエトキシエタン、アセトニトリル、プロピオニトリル、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、1,3-ジオキソラン、ニトロメタン、N-メチルピロリドン、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N,N-ジメチルアミノプロピルアミン、ポリエチレンオキシド、テトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ-ブチロラクトン、水、アルコール等が挙げられる。溶媒の使用量は、スラリーの塗布方法にあわせて調整することができ、例えば、ドクターブレード法の場合は、硫黄変性ポリアクリロニトリル、バインダー及び導電助剤の合計量100質量部に対し、20質量部~300質量部が好ましく、30質量部~200質量部が更に好ましい。 Solvents for preparing the slurry include, for example, propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, acetonitrile, propionitrile, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dioxane, 1,3-dioxolane, nitromethane, N-methylpyrrolidone, N,N-dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethyltriamine, N,N-dimethylamino Propylamine, polyethylene oxide, tetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, sulfolane, γ-butyrolactone, water, alcohol and the like. The amount of the solvent used can be adjusted according to the slurry coating method. For example, in the case of the doctor blade method, 20 parts by mass per 100 parts by mass of the total amount of sulfur-modified polyacrylonitrile, binder and conductive aid. 300 parts by mass is preferable, and 30 parts by mass to 200 parts by mass is more preferable.

スラリーは、この他、他の成分を含んでいる場合がある。他の成分としては、例えば、粘度調整剤、補強材、酸化防止剤等が挙げられる。 The slurry may also contain other ingredients. Other components include, for example, viscosity modifiers, reinforcing agents, antioxidants, and the like.

スラリーを調製する方法としては特に制限されないが、例えば、通常のボールミル、サンドミル、ビーズミル、顔料分散機、らい潰機、超音波分散機、ホモジナイザー、自転・公転ミキサー、プラネタリーミキサー、フィルミックス、ジェットペースタ等を使用することができる。 The method for preparing the slurry is not particularly limited, but examples include ordinary ball mills, sand mills, bead mills, pigment dispersers, crushers, ultrasonic dispersers, homogenizers, rotation/revolution mixers, planetary mixers, film mixes, jet A paste or the like can be used.

集電体としては、チタン、チタン合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等の導電材料が用いられる。これらの導電材料は表面がカーボンでコートされている場合がある。集電体の形状としては、箔状、板状、メッシュ状等が挙げられる。これらの中でも、導電性や価格の観点からアルミニウム、銅、ステンレス鋼が好ましく、形状は箔状が好ましい。箔状の場合の箔の厚さは、通常1~100μmである。 Conductive materials such as titanium, titanium alloys, aluminum, aluminum alloys, copper, nickel, stainless steel, and nickel-plated steel are used as current collectors. The surfaces of these conductive materials are sometimes coated with carbon. Examples of the shape of the current collector include a foil shape, a plate shape, and a mesh shape. Among these, aluminum, copper, and stainless steel are preferred from the viewpoint of conductivity and price, and the shape is preferably foil-like. When in foil form, the thickness of the foil is usually 1 to 100 μm.

スラリーを集電体に塗布する方法は、特に限定されず、ダイコーター法、コンマコーター法、カーテンコーター法、スプレーコーター法、グラビアコーター法、フレキソコーター法、ナイフコーター法、ドクターブレード法、リバースロール法、ハケ塗り法、ディップ法等の各手法を用いることができる。スラリーの粘性等の物性及び乾燥性に合わせて、良好な塗布層の表面状態を得ることが可能となることから、ダイコーター法、ドクターブレード法、ナイフコーター法が好ましい。塗布は、集電体の片面に施しても、両面に施してもよく、集電体の両面に塗布する場合は、片面ずつ逐次塗布することができ、両面同時に塗布することができる。また、集電体の表面に連続に塗布することができ、又は間欠して塗布することができ、ストライプ状で塗布することができる。電極合剤層の厚さは、通常1~500μmであり、好ましくは1~300μmであり、より好ましくは1~150μmである。塗布層の厚さ、長さや幅は、電池の大きさに応じて、適宜、決定することができる。 The method of applying the slurry to the current collector is not particularly limited, and includes a die coater method, a comma coater method, a curtain coater method, a spray coater method, a gravure coater method, a flexo coater method, a knife coater method, a doctor blade method, and a reverse roll. method, brush coating method, dipping method, and the like can be used. A die coater method, a doctor blade method, and a knife coater method are preferable because they make it possible to obtain a good surface condition of the coating layer according to physical properties such as viscosity and drying property of the slurry. The coating may be applied to one side or both sides of the current collector, and when both sides of the current collector are to be coated, the coating can be applied one by one successively or can be applied to both sides at the same time. In addition, it can be applied continuously or intermittently on the surface of the current collector, and can be applied in a stripe pattern. The thickness of the electrode mixture layer is generally 1-500 μm, preferably 1-300 μm, more preferably 1-150 μm. The thickness, length and width of the coating layer can be appropriately determined according to the size of the battery.

集電体上に塗布されたスラリーを乾燥する方法としては、特に限定されず、温風、熱風、低湿風による乾燥、真空乾燥、加熱炉などに静置する、遠赤外線、赤外線、電子線などの照射等の各手法を用いることができる。この乾燥により、スラリーの塗膜から溶媒等の揮発成分が揮発し、集電体上に電極合剤層が形成される。この後、必要に応じて電極をプレス処理してもよい。プレス処理の方法としては、例えば、金型プレス法、ロールプレス法が挙げられる。 The method for drying the slurry applied on the current collector is not particularly limited, and includes drying with warm air, hot air, low humidity air, vacuum drying, standing still in a heating furnace, etc., far infrared rays, infrared rays, electron beams, etc. Each technique such as irradiation can be used. By this drying, volatile components such as a solvent volatilize from the coating film of the slurry, and an electrode mixture layer is formed on the current collector. After this, the electrodes may be pressed if necessary. The method of press treatment includes, for example, a mold press method and a roll press method.

負極の電極合剤層における硫黄変性ポリアクリロニトリルを一定量以上とする場合、十分な充放電容量が得やすく、硫黄変性ポリアクリロニトリルを一定量以下とすることで導電性や集電体との密着性を十分にしやすい。これらの点から、負極の電極合剤層における硫黄変性ポリアクリロニトリルの含有量は30質量%~99.5質量%であることが好ましく、40質量%~99質量%であることが更に好ましく、50質量%~98質量%であることが最も好ましい。 When the sulfur-modified polyacrylonitrile in the electrode mixture layer of the negative electrode is set to a certain amount or more, it is easy to obtain a sufficient charge-discharge capacity, and the sulfur-modified polyacrylonitrile is set to a certain amount or less to improve conductivity and adhesion with the current collector. easy enough. From these points, the content of the sulfur-modified polyacrylonitrile in the electrode mixture layer of the negative electrode is preferably 30% by mass to 99.5% by mass, more preferably 40% by mass to 99% by mass. Most preferably, it is between weight percent and 98 weight percent.

リチウムイオン二次電池は、硫黄変性ポリアクリロニトリルを活物質とする負極、正極、非水電解質で構成され、必要に応じて、正極と負極との間に、セパレータを有する。正極は、正極の活物質として公知の活物質を有する電極を使用すればよい。 A lithium ion secondary battery comprises a negative electrode using sulfur-modified polyacrylonitrile as an active material, a positive electrode, and a non-aqueous electrolyte, and optionally has a separator between the positive electrode and the negative electrode. For the positive electrode, an electrode having a known active material as a positive electrode active material may be used.

公知の正極活物質としては、例えば、リチウム遷移金属複合酸化物、リチウム含有遷移金属リン酸化合物、リチウム含有ケイ酸塩化合物等が挙げられる。前記リチウム遷移金属複合酸化物の遷移金属としてはバナジウム、チタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅等が好ましい。リチウム遷移金属複合酸化物の具体例としては、LiCoO2等のリチウムコバルト複合酸化物、LiNiO2等のリチウムニッケル複合酸化物、LiMnO2、LiMn24、Li2MnO3等のリチウムマンガン複合酸化物、これらのリチウム遷移金属複合酸化物の主体となる遷移金属原子の一部をアルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、リチウム、ニッケル、銅、亜鉛、マグネシウム、ガリウム、ジルコニウム等の他の金属で置換したもの等が挙げられる。置換されたものの具体例としては、例えば、Li1.1Mn1.8Mg0.14、Li1.1Mn1.85Al0.054、LiNi0.5Co0.2Mn0.32、LiNi0.8Co0.1Mn0.12、LiNi0.5Mn0.52、LiNi0.80Co0.17Al0.032、LiNi0.80Co0.15Al0.052、LiNi1/3Co1/3Mn1/32、LiNi0.6Co0.2Mn0.22、LiMn1.8Al0.24、LiMn1.5Ni0.54、Li2MnO3-LiMO2(M=Co,Ni,Mn)等が挙げられる。前記リチウム含有遷移金属リン酸化合物の遷移金属としては、バナジウム、チタン、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル等が好ましく、具体例としては、例えば、LiFePO4、LiMnxFe1-xPO4等のリン酸鉄化合物類、LiCoPO4等のリン酸コバルト化合物類、これらのリチウム遷移金属リン酸化合物の主体となる遷移金属原子の一部をアルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、リチウム、ニッケル、銅、亜鉛、マグネシウム、ガリウム、ジルコニウム、ニオブ等の他の金属で置換したもの、Li32(PO43等のリン酸バナジウム化合物類等が挙げられる。リチウム含有ケイ酸塩化合物としては、Li2FeSiO4等が挙げられる。これらは1種のみを使用しても良く、2種以上を組み合わせて使用しても良い。Examples of known positive electrode active materials include lithium-transition metal composite oxides, lithium-containing transition metal phosphate compounds, lithium-containing silicate compounds, and the like. Preferred transition metals for the lithium-transition metal composite oxide include vanadium, titanium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, and copper. Specific examples of lithium transition metal composite oxides include lithium cobalt composite oxides such as LiCoO 2 , lithium nickel composite oxides such as LiNiO 2 , and lithium manganese composite oxides such as LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 and Li 2 MnO 3 . Some of the transition metal atoms that are the main constituent of these lithium-transition metal composite oxides are aluminum, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, lithium, nickel, copper, zinc, magnesium, gallium, zirconium, etc. Examples include those substituted with other metals.置換されたものの具体例としては、例えば、Li 1.1 Mn 1.8 Mg 0.14 、Li 1.1 Mn 1.85 Al 0.054 、LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.32 、LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.12 、LiNi 0.5 Mn 0.5O2 , LiNi0.80Co0.17Al0.03O2 , LiNi0.80Co0.15Al0.05O2 , LiNi1 / 3Co1 / 3Mn1 / 3O2 , LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 , LiMn1.8 Al 0.2 _ O 4 , LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 , Li 2 MnO 3 --LiMO 2 (M=Co, Ni, Mn) and the like. As the transition metal of the lithium-containing transition metal phosphate compound , vanadium, titanium, manganese, iron , cobalt , nickel and the like are preferable. Acidic iron compounds, cobalt phosphate compounds such as LiCoPO4 , and some of the transition metal atoms that are the main component of these lithium transition metal phosphate compounds are aluminum, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, lithium, Examples thereof include nickel, copper, zinc , magnesium, gallium, zirconium, niobium and other metal-substituted compounds, and vanadium phosphate compounds such as Li3V2 ( PO4 ) 3 . Lithium-containing silicate compounds include Li 2 FeSiO 4 and the like. These may be used alone or in combination of two or more.

正極の構成及びその製造方法としては、前述した硫黄変性ポリアクリロニトリルを電極活物質とする電極の好適な構成及びその好適な製造方法において、硫黄変性ポリアクリロニトリルを、前記公知の正極の活物質に置き換えたものが挙げられる。 As the configuration of the positive electrode and the manufacturing method thereof, in the above-described suitable configuration of the electrode using the sulfur-modified polyacrylonitrile as the electrode active material and the preferable manufacturing method thereof, the sulfur-modified polyacrylonitrile is replaced with the known positive electrode active material. There are other things.

非水電解質としては、例えば、電解質を有機溶媒に溶解して得られる液体電解質、電解質を有機溶媒に溶解し高分子でゲル化した高分子ゲル電解質、有機溶媒を含まず、電解質が高分子に分散させた純正高分子電解質、水素化ホウ素化合物、無機固体電解質等が挙げられる。 Non-aqueous electrolytes include, for example, a liquid electrolyte obtained by dissolving an electrolyte in an organic solvent, a polymer gel electrolyte obtained by dissolving an electrolyte in an organic solvent and gelled with a polymer, and an electrolyte that does not contain an organic solvent and is a polymer. Dispersed pure polymer electrolytes, borohydride compounds, inorganic solid electrolytes and the like can be used.

液体電解質及び高分子ゲル電解質に用いる電解質としては、例えば、従来公知のリチウム塩が用いられ、例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiN(CF3SO22、LiN(C5SO22、LiN(SO2F)2、LiC(CF3SO23、LiB(CF3SO34、LiB(C242、LiBF2(C24)、LiSbF6、LiSiF5、LiSCN、LiClO4、LiCl、LiF、LiBr、LiI、LiAlF4、LiAlCl4、LiPO22及びこれらの誘導体等が挙げられ、これらの中でも、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO22、LiN(C25SO22、LiN(SO2F)2、及びLiC(CF3SO23並びにLiCF3SO3の誘導体、及びLiC(CF3SO23の誘導体からなる群から選ばれる1種以上を用いるのが好ましい。液体電解質及び高分子ゲル電解質における、電解質の含有量は、好ましくは0.5~7mol/L、より好ましくは0.8~1.8mol/Lである。As electrolytes used for liquid electrolytes and polymer gel electrolytes, conventionally known lithium salts are used, for example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , LiN( C2F5SO2 ) 2 , LiN( SO2F ) 2 , LiC( CF3SO2 ) 3 , LiB( CF3SO3 ) 4 , LiB ( C2O4 ) 2 , LiBF 2 (C 2 O 4 ), LiSbF 6 , LiSiF 5 , LiSCN, LiClO 4 , LiCl, LiF, LiBr, LiI, LiAlF 4 , LiAlCl 4 , LiPO 2 F 2 and derivatives thereof, among others. , LiPF6 , LiBF4 , LiClO4 , LiAsF6 , LiCF3SO3 , LiN ( CF3SO2 ) 2 , LiN( C2F5SO2 ) 2 , LiN ( SO2F ) 2 , and LiC(CF 3 SO 2 ) 3 , LiCF 3 SO 3 derivatives, and LiC(CF 3 SO 2 ) 3 derivatives are preferably used. The electrolyte content in the liquid electrolyte and polymer gel electrolyte is preferably 0.5 to 7 mol/L, more preferably 0.8 to 1.8 mol/L.

純正高分子電解質に用いる電解質としては、例えば、LiN(CF3SO22、LiN(C25SO22、LiN(SO2F)2、LiC(CF3SO23、LiB(CF3SO34、LiB(C242が挙げられる。水素化ホウ素化合物としては、LiBH‐LiI、LiBH‐Pが挙げられる。Examples of electrolytes used for pure polymer electrolytes include LiN( CF3SO2 ) 2 , LiN( C2F5SO2 ) 2 , LiN( SO2F ) 2 , LiC( CF3SO2 ) 3 , LiB ( CF3SO3 ) 4 , LiB ( C2O4 ) 2 . Borohydride compounds include LiBH 4 -LiI and LiBH 4 -P 2 S 5 .

無機固体電解質としては、Li1+xx2-y(PO43(x=Al,Ge,Sn,Hf,Zr,Sc,Y、B=Ti,Ge,Zn、0<x<0.5)、LiMPO4(M=Mn,Fe,Co,Ni)、Li3PO4等のリン酸系材料;Li3XO4(X=As,V)、Li3+xx1-x(A=Si,Ge,Ti、B=P,As,V、0<x<0.6)、Li4+xxSi1-x4(A=B,Al,Ga,Cr,Fe、0<x<0.4)(A=Ni,Co、0<x<0.1)、Li4-3yAlySiO4(0<y<0.06)、Li4-2yZnyGeO4(0<y<0.25)、LiAlO2、Li2BO4、Li4XO4(X=Si,Ge,Ti)、リチウムチタネート(LiTiO2、LiTi24、Li4TiO4、Li2TiO3、Li2Ti37、Li4Ti512)等のリチウム複合酸化物;LiBr,LiF,LiCl、LiPF6、LiBF4等のリチウムとハロゲンを含む化合物;LiPON,LiN(SO2CF32、LiN(SO2252、Li3N、LiN(SO2372等のリチウムと窒素を含む化合物;La0.55Li0.35TiO3等のリチウムイオン伝導性を有するペロブスカイト構造を有する結晶;Li7-La3Zr213等のガーネット型構造を有する結晶;50Li4SiO4・50Li3BO3、90LiBO・10LiSO等のガラス;70LiS・30P、75LiS・25P、LiPSCl、Li10GeP212、Li3.25Ge0.250.754等のリチウム・リン硫化物系の結晶、30Li2S・26B23・44LiI、63Li2S・36SiS2・1Li3PO4、57Li2S・38SiS2・5Li4SiO4、70Li2S・50GeS2、50Li2S・50GeS2等のリチウム・リン硫化物系のガラス;Li7311、Li3.250.954、Li10GeP12、Li9.612、Li9.54Si1.741.4411.7Cl0.3等のガラスセラミック等が挙げられる。As an inorganic solid electrolyte, Li1 + xAxB2 -y ( PO4 ) 3 (x=Al, Ge, Sn, Hf, Zr, Sc, Y, B=Ti, Ge, Zn, 0<x< 0.5), LiMPO4 ( M=Mn , Fe, Co, Ni), phosphoric acid materials such as Li3PO4; Li3XO4 ( X =As, V ), Li3 + xAxB1 -xO4 (A=Si, Ge, Ti, B=P, As, V, 0<x < 0.6), Li4 + xAxSi1 - xO4 (A=B, Al, Ga , Cr, Fe, 0<x<0.4) ( A=Ni, Co, 0 < x<0.1), Li4-3yAlySiO4 (0<y<0.06), Li4- 2y Zn y GeO 4 (0<y<0.25), LiAlO 2 , Li 2 BO 4 , Li 4 XO 4 (X=Si, Ge, Ti), lithium titanate (LiTiO 2 , LiTi 2 O 4 , Li 4 Lithium composite oxides such as TiO4 , Li2TiO3 , Li2Ti3O7 , Li4Ti5O12 ) ; compounds containing lithium and halogen such as LiBr , LiF , LiCl, LiPF6 and LiBF4 ; LiPON , LiN( SO2CF3 ) 2 , LiN( SO2C2F5 ) 2 , Li3N , LiN ( SO2C3F7 ) 2 and other compounds containing lithium and nitrogen ; La0.55Li0.35TiO3 crystals having a perovskite structure with lithium ion conductivity such as ; crystals having a garnet structure such as Li7 - La3Zr2O13 ; 50Li4SiO4.50Li3BO3 , 90Li3BO3.10Li2SO Glass such as 4 ; Lithium phosphorous sulfide such as 70Li 2 S.30P 2 S 5 , 75Li 2 S.25P 2 S 5 , Li 6 PS 5 Cl, Li 10 GeP 2 S 12 , Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 30Li2S.26B2S3.44LiI , 63Li2S.36SiS2.1Li3PO4 , 57Li2S.38SiS2.5Li4SiO4 , 70Li2S.50GeS2 , 50Li2S _ _ _ _ _ Lithium - phosphorus sulfide - based glass such as 50GeS2; Li7P3S11 , Li3.25P0.95S4 , Li10GeP2S12 , Li9.6P3S12 , Li9.54Si1 and glass ceramics such as .74 P 1.44 S 11.7 Cl 0.3 .

本発明に用いられる、液状非水電解質の調製に用いる有機溶媒としては、液状非水電解質に通常用いられているものを1種又は2種以上組み合わせて用いることができる。具体的には、例えば、飽和環状カーボネート化合物、飽和環状エステル化合物、スルホキシド化合物、スルホン化合物、アマイド化合物、飽和鎖状カーボネート化合物、鎖状エーテル化合物、環状エーテル化合物、飽和鎖状エステル化合物等が挙げられる。 As the organic solvent used in the preparation of the liquid non-aqueous electrolyte used in the present invention, one or a combination of two or more of those commonly used in liquid non-aqueous electrolytes can be used. Specific examples include saturated cyclic carbonate compounds, saturated cyclic ester compounds, sulfoxide compounds, sulfone compounds, amide compounds, saturated chain carbonate compounds, chain ether compounds, cyclic ether compounds, saturated chain ester compounds, and the like. .

前記有機溶媒のうち、飽和環状カーボネート化合物、飽和環状エステル化合物、スルホキシド化合物、スルホン化合物及びアマイド化合物は、比誘電率が高いため、非水電解質の誘電率を上げる役割を果たし、特に飽和環状カーボネート化合物が好ましい。斯かる飽和環状カーボネート化合物としては、例えば、エチレンカーボネート、1,2-プロピレンカーボネート、1,3-プロピレンカーボネート、1,2-ブチレンカーボネート、1,3-ブチレンカーボネート、1,1-ジメチルエチレンカーボネート等が挙げられる。前記飽和環状エステル化合物としては、例えば、γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン、γ-カプロラクトン、δ-ヘキサノラクトン、δ-オクタノラクトン等が挙げられる。前記スルホキシド化合物としては、例えば、ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド、ジプロピルスルホキシド、ジフェニルスルホキシド、チオフェン等が挙げられる。前記スルホン化合物としては、例えば、ジメチルスルホン、ジエチルスルホン、ジプロピルスルホン、ジフェニルスルホン、スルホラン(テトラメチレンスルホンともいう)、3-メチルスルホラン、3,4-ジメチルスルホラン、3,4-ジフェニメチルスルホラン、スルホレン、3-メチルスルホレン、3-エチルスルホレン、3-ブロモメチルスルホレン等が挙げられ、スルホラン、テトラメチルスルホランが好ましい。前記アマイド化合物としては、N-メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等が挙げられる。 Among the organic solvents, saturated cyclic carbonate compounds, saturated cyclic ester compounds, sulfoxide compounds, sulfone compounds, and amide compounds have high dielectric constants, and thus play a role in increasing the dielectric constant of the non-aqueous electrolyte. is preferred. Examples of such saturated cyclic carbonate compounds include ethylene carbonate, 1,2-propylene carbonate, 1,3-propylene carbonate, 1,2-butylene carbonate, 1,3-butylene carbonate, 1,1-dimethylethylene carbonate, and the like. are mentioned. Examples of the saturated cyclic ester compounds include γ-butyrolactone, γ-valerolactone, γ-caprolactone, δ-hexanolactone, δ-octanolactone and the like. Examples of the sulfoxide compounds include dimethylsulfoxide, diethylsulfoxide, dipropylsulfoxide, diphenylsulfoxide, thiophene, and the like. Examples of the sulfone compounds include dimethylsulfone, diethylsulfone, dipropylsulfone, diphenylsulfone, sulfolane (also referred to as tetramethylenesulfone), 3-methylsulfolane, 3,4-dimethylsulfolane, and 3,4-diphenylmethylsulfolane. , sulfolene, 3-methylsulfolene, 3-ethylsulfolene, 3-bromomethylsulfolene and the like, preferably sulfolane and tetramethylsulfolane. Examples of the amide compound include N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide and the like.

前記有機溶媒のうち、飽和鎖状カーボネート化合物、鎖状エーテル化合物、環状エーテル化合物及び飽和鎖状エステル化合物は、非水電解質の粘度を低くすることができ、電解質イオンの移動性を高くすることができる等、出力密度等の電池特性を優れたものにすることができる。また、低粘度であるため、低温での非水電解質の性能を高くすることができ、特に飽和鎖状カーボネート化合物が好ましい。飽和鎖状カーボネート化合物としては、例えば、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルブチルカーボネート、メチル-t-ブチルカーボネート、ジイソプロピルカーボネート、t-ブチルプロピルカーボネート等が挙げられる。前記の鎖状エーテル化合物又は環状エーテル化合物としては、例えば、ジメトキシエタン、エトキシメトキシエタン、ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、ジオキサン、1,2-ビス(メトキシカルボニルオキシ)エタン、1,2-ビス(エトキシカルボニルオキシ)エタン、1,2-ビス(エトキシカルボニルオキシ)プロパン、エチレングリコールビス(トリフルオロエチル)エーテル、プロピレングリコールビス(トリフルオロエチル)エーテル、エチレングリコールビス(トリフルオロメチル)エーテル、ジエチレングリコールビス(トリフルオロエチル)エーテル等が挙げられ、これらの中でも、ジオキソランが好ましい。 Among the organic solvents, the saturated chain carbonate compound, the chain ether compound, the cyclic ether compound, and the saturated chain ester compound can lower the viscosity of the non-aqueous electrolyte and increase the mobility of electrolyte ions. It is possible to improve battery characteristics such as output density. Moreover, since the viscosity is low, the performance of the non-aqueous electrolyte can be enhanced at low temperatures, and a saturated chain carbonate compound is particularly preferred. Examples of saturated chain carbonate compounds include dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylbutyl carbonate, methyl-t-butyl carbonate, diisopropyl carbonate, t-butylpropyl carbonate and the like. Examples of the chain ether compound or cyclic ether compound include dimethoxyethane, ethoxymethoxyethane, diethoxyethane, tetrahydrofuran, dioxolane, dioxane, 1,2-bis(methoxycarbonyloxy)ethane, 1,2-bis( ethoxycarbonyloxy)ethane, 1,2-bis(ethoxycarbonyloxy)propane, ethylene glycol bis(trifluoroethyl) ether, propylene glycol bis(trifluoroethyl) ether, ethylene glycol bis(trifluoromethyl) ether, diethylene glycol bis (trifluoroethyl) ether and the like, and among these, dioxolane is preferred.

前記飽和鎖状エステル化合物としては、分子中の炭素数の合計が2~8であるモノエステル化合物及びジエステル化合物が好ましく、具体的な化合物としては、例えば、ギ酸メチル、ギ酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸イソブチル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチル、トリメチル酢酸メチル、トリメチル酢酸エチル、マロン酸メチル、マロン酸エチル、コハク酸メチル、コハク酸エチル、3-メトキシプロピオン酸メチル、3-メトキシプロピオン酸エチル、エチレングリコールジアセチル、プロピレングリコールジアセチル等が挙げられ、ギ酸メチル、ギ酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸イソブチル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、及びプロピオン酸エチルが好ましい。 As the saturated chain ester compound, monoester compounds and diester compounds having a total number of carbon atoms in the molecule of 2 to 8 are preferable. Specific compounds include, for example, methyl formate, ethyl formate, methyl acetate, and acetic acid. ethyl, propyl acetate, isobutyl acetate, butyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, methyl butyrate, methyl isobutyrate, methyl trimethyl acetate, ethyl trimethyl acetate, methyl malonate, ethyl malonate, methyl succinate, ethyl succinate, methyl 3-methoxypropionate, ethyl 3-methoxypropionate, ethylene glycol diacetyl, propylene glycol diacetyl and the like, methyl formate, ethyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, isobutyl acetate, butyl acetate, methyl propionate; , and ethyl propionate are preferred.

その他、非水電解質の調製に用いる有機溶媒として、例えば、アセトニトリル、プロピオニトリル、ニトロメタンやこれらの誘導体、各種イオン液体を用いることもできる。 In addition, acetonitrile, propionitrile, nitromethane, derivatives thereof, and various ionic liquids can also be used as the organic solvent used for preparing the non-aqueous electrolyte.

高分子ゲル電解質に用いる高分子としては、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリビニルクロライド、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレン等が挙げられる。純正高分子電解質に用いる高分子としては、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリスチレンスルホン酸が挙げられる。ゲル電解質中の配合比率、複合化の方法については特に制限はなく、本技術分野で公知の配合比率、公知の複合化方法を採用すればよい。 Polymers used for polymer gel electrolytes include polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polyethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, and the like. Polymers used for pure polymer electrolytes include polyethylene oxide, polypropylene oxide, and polystyrene sulfonic acid. The mixing ratio in the gel electrolyte and the method of compositing are not particularly limited, and a known mixing ratio and a known compositing method in the technical field may be adopted.

非水電解質は、電池寿命の向上、安全性向上等のため、例えば、電極被膜形成剤、酸化防止剤、難燃剤、過充電防止剤等、公知の他の添加剤を含んでもよい。他の添加剤を用いる場合、非水電解質全体に対し、通常0.01質量部~10質量部であり、好ましくは、0.1質量部~5質量部である。 The non-aqueous electrolyte may contain other known additives such as electrode film-forming agents, antioxidants, flame retardants, overcharge inhibitors, etc., for the purpose of improving battery life and safety. When other additives are used, they are usually 0.01 to 10 parts by mass, preferably 0.1 to 5 parts by mass, based on the total non-aqueous electrolyte.

本発明のリチウムイオン二次電池及び作動方法を適用することにより、硫黄変性ポリアクリロニトリルを活物質とする負極の充放電容量が大きくでき、硫黄変性ポリアクリロニトリルの使用量を減らすことができる。さらに、電池電圧を向上させることもでき、リチウムイオン二次電池を軽量化、小型化することが可能となる。 By applying the lithium ion secondary battery and operating method of the present invention, the charge/discharge capacity of the negative electrode using sulfur-modified polyacrylonitrile as an active material can be increased, and the amount of sulfur-modified polyacrylonitrile used can be reduced. Furthermore, the battery voltage can be improved, and the weight and size of the lithium ion secondary battery can be reduced.

以下に、実施例及び比較例により本発明を更に詳細に説明する。ただし、以下の実施例等により本発明は何等制限されるものではない。なお、実施例中の「部」や「%」は、特にことわらない限り質量によるものである。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples and comparative examples. However, the present invention is not limited in any way by the following examples and the like. "Parts" and "%" in the examples are by mass unless otherwise specified.

〔製造例1〕
ポリアクリロニトリル粉末(シグマアルドリッチ製、平均粒径200μm)10質量部及び硫黄粉末(シグマアルドリッチ製、平均粒径200μm)30質量部を、乳鉢を用いて混合した。ポリアクリロニトリルの硫黄変性には特開2013-054957号公報の実施例に準じた反応装置を用いた。この混合物を特開2013-054957号公報の実施例に記載されたものと同様の円筒状ガラスビンに入れ、ガラスビンの下部をルツボ型電気炉に入れ、窒素気流下に発生する硫化水素を除去しながら400℃で1時間加熱した。冷却後、生成物をガラスチューブオーブンに入れ、真空吸引しつつ250℃で3時間加熱することにより単体硫黄を除去した。得られた硫黄変性ポリアクリロニトリルを、乳鉢を用いて、平均粒子径が10μmになるまで粉砕し硫黄変性ポリアクリロニトリル粉末PANS1を得た。PANS1の硫黄含量は38質量%である。
[Production Example 1]
10 parts by mass of polyacrylonitrile powder (manufactured by Sigma-Aldrich, average particle size 200 μm) and 30 parts by mass of sulfur powder (manufactured by Sigma-Aldrich, average particle size 200 μm) were mixed using a mortar. For the sulfur modification of polyacrylonitrile, a reactor according to the examples of JP-A-2013-054957 was used. This mixture is placed in a cylindrical glass bottle similar to that described in the example of JP 2013-054957 A, the lower part of the glass bottle is placed in a crucible type electric furnace, and hydrogen sulfide generated under a nitrogen stream is removed. Heated at 400° C. for 1 hour. After cooling, the product was placed in a glass tube oven and heated at 250° C. for 3 hours under vacuum to remove elemental sulfur. The resulting sulfur-modified polyacrylonitrile was pulverized using a mortar to an average particle size of 10 μm to obtain sulfur-modified polyacrylonitrile powder PANS1. The sulfur content of PANS1 is 38% by weight.

〔製造例2〕
単体硫黄の除去温度を250℃から200℃に変更した以外は製造例1と同様の操作を行い硫黄変性ポリアクリロニトリル粉末PANS2を得た。PANS2の硫黄含量は55質量%である。なお、製造例2の単体硫黄の除去条件は特許文献3に記載の条件と同様であり、PANS2の硫黄含量は特許文献3記載の硫黄変性ポリアクリロニトリルと同等であるものと考えられる。
[Production Example 2]
A sulfur-modified polyacrylonitrile powder PANS2 was obtained in the same manner as in Production Example 1, except that the temperature for removing elemental sulfur was changed from 250°C to 200°C. The sulfur content of PANS2 is 55% by weight. The conditions for removing elemental sulfur in Production Example 2 are the same as those described in Patent Document 3, and the sulfur content of PANS2 is considered to be equivalent to that of sulfur-modified polyacrylonitrile described in Patent Document 3.

〔実施例1~6、比較例1~4〕
〔負極1~10の製造〕
電極活物質として、PANS1又はPANS2(表1参照)を92.0質量部、導電助剤として3.5質量部のアセチレンブラック(電気化学工業製)、1.5質量部のカーボンナノチューブ(昭和電工製、商品名 VGCF)、バインダーとして1.5質量部のスチレン-ブタジエンゴム(40質量%水分散液、日本ゼオン製)、1.5質量部のカルボキシメチルセルロースナトリウム(ダイセルファインケム製)、及び100質量部の水を、自転・公転ミキサーを用いて分散しスラリーを調製した。このスラリー組成物を、ドクターブレード法によりステンレス箔(厚さ10μm)の集電材に電極合剤層の厚さが下記表1の値となるように塗布し、90℃で3時間乾燥した。その後、この電極を所定の大きさにカットし、120℃で2時間真空乾燥を行い、円盤状電極を作製した。
[Examples 1 to 6, Comparative Examples 1 to 4]
[Production of negative electrodes 1 to 10]
As an electrode active material, 92.0 parts by mass of PANS1 or PANS2 (see Table 1), 3.5 parts by mass of acetylene black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo) as a conductive agent, 1.5 parts by mass of carbon nanotubes (Showa Denko (product name: VGCF), 1.5 parts by mass of styrene-butadiene rubber (40% by mass aqueous dispersion, manufactured by Nippon Zeon) as a binder, 1.5 parts by mass of carboxymethylcellulose sodium (manufactured by Daicel Finechem), and 100 parts by mass. A portion of the water was dispersed using a rotation/revolution mixer to prepare a slurry. This slurry composition was applied to a current collector made of stainless steel foil (thickness 10 μm) by a doctor blade method so that the thickness of the electrode mixture layer would be the value shown in Table 1 below, and dried at 90° C. for 3 hours. After that, this electrode was cut into a predetermined size and vacuum-dried at 120° C. for 2 hours to prepare a disk-shaped electrode.

Figure 0007304339000001
Figure 0007304339000001

〔正極の製造〕
正極活物質として、LiNi1/3Co1/3Mn1/32(日本化学産業製、以下、NCMと略記)を90質量部、導電助剤として5質量部のアセチレンブラック(電気化学工業製)、バインダーとして5質量部のポリフッ化ビニリデン(クレハ製)、及び溶媒として100質量部のN-メチルピロリドンを、自転・公転ミキサーを用いて分散しスラリーを調製した。このスラリー組成物を、ドクターブレード法によりアルミニウム箔(厚さ20μm)の集電材に電極合剤層の厚さが62μmとなるように塗布し、90℃で3時間乾燥した。その後、この電極を所定の大きさにカットし、120℃で2時間真空乾燥を行い、円盤状の正極を作製した。正極容量は、負極の充電下限電位がいずれの場合においても、正極の充電上限電位が4.2V(vs.Li/Li+)になるようにした。
[Manufacturing of positive electrode]
90 parts by mass of LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (manufactured by Nippon Kagaku Sangyo, hereinafter abbreviated as NCM) as a positive electrode active material, and 5 parts by mass of acetylene black (Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) as a conductive aid. ), 5 parts by mass of polyvinylidene fluoride (manufactured by Kureha) as a binder, and 100 parts by mass of N-methylpyrrolidone as a solvent were dispersed using a rotation/revolution mixer to prepare a slurry. This slurry composition was applied to an aluminum foil (thickness: 20 μm) current collector by a doctor blade method so that the electrode mixture layer had a thickness of 62 μm, and dried at 90° C. for 3 hours. Thereafter, this electrode was cut into a predetermined size and vacuum-dried at 120° C. for 2 hours to prepare a disk-shaped positive electrode. The positive electrode capacity was set so that the upper limit charge potential of the positive electrode was 4.2 V (vs. Li/Li + ) regardless of the lower limit charge potential of the negative electrode.

〔非水電解質の調製〕
エチレンカーボネート50体積%、ジエチルカーボネート50体積%からなる混合溶媒に、LiPF6を1.0mol/Lの濃度で溶解し電解質溶液を調製した。
[Preparation of non-aqueous electrolyte]
An electrolyte solution was prepared by dissolving LiPF 6 at a concentration of 1.0 mol/L in a mixed solvent consisting of 50% by volume of ethylene carbonate and 50% by volume of diethyl carbonate.

〔電池の組み立て〕
PANS1又は2を活物質とする負極1~10、及び、NCMを活物質とする正極を、セパレータ(セルガード社製、商品名:セルガード2325)を挟んでケース内に保持した。その後、先に調製した非水電解質をケース内に注入し、ケースを密閉、封止して、非水電解質二次電池(φ20mm、厚さ3.2mmのコイン型)である電池1~10を製作した。また、負極1~10の初回充電時の下位電位の確認を行うため、三極セルキット(東洋システム社製)を用いて、負極1~10、NCM正極、ガラスフィルターセパレータ、リチウム金属参照極、及び、先に調製した非水電解質から構成された三極セルを作製した。
[Battery assembly]
Negative electrodes 1 to 10 using PANS 1 or 2 as an active material and a positive electrode using NCM as an active material were held in a case with a separator (manufactured by Celgard, trade name: Celgard 2325) sandwiched therebetween. After that, the previously prepared non-aqueous electrolyte is injected into the case, and the case is hermetically sealed to obtain Batteries 1 to 10 which are non-aqueous electrolyte secondary batteries (φ20 mm, 3.2 mm thick coin type). made. In addition, in order to confirm the lower potential of the negative electrodes 1 to 10 during the initial charge, a triode cell kit (manufactured by Toyo System Co., Ltd.) was used to prepare the negative electrodes 1 to 10, the NCM positive electrode, the glass filter separator, the lithium metal reference electrode, and the , a three-electrode cell composed of the previously prepared non-aqueous electrolyte was fabricated.

(充放電試験方法)
三極セルを25℃の恒温槽にいれ、充電レート0.1CでNCM正極の電位が4.2V(vs.Li/Li+)になるまで充電し、その際の負極1~10の電位が表2の値であることを確認した。
また、非水電解質二次電池を25℃の恒温槽に入れ、充電レート0.1Cで負極の充電下限電位が表2の値になるまで充電し、放電レート0.1Cで、電池電圧が0.8Vまで放電する充放電サイクルを50回行った。充放電サイクル10回目のPANS負極重量当たりの放電容量、及び充放電サイクル10回目のPANS負極重量当たりの放電容量に対する50回目の放電容量の比を表2に示す。この比の値が大きいほどサイクル特性に優れることを示す。
(Charging and discharging test method)
The three-electrode cell is placed in a constant temperature bath at 25° C. and charged at a charge rate of 0.1 C until the potential of the NCM positive electrode reaches 4.2 V (vs. Li/Li + ). The values in Table 2 were confirmed.
In addition, the non-aqueous electrolyte secondary battery was placed in a constant temperature bath at 25° C., charged at a charge rate of 0.1 C until the lower limit of charge potential of the negative electrode reached the value shown in Table 2, and discharged at a discharge rate of 0.1 C so that the battery voltage was 0. 50 charge/discharge cycles discharging to 0.8V were performed. Table 2 shows the discharge capacity per PANS negative electrode weight after the 10th charge/discharge cycle and the ratio of the discharge capacity after the 50th charge/discharge cycle to the discharge capacity per PANS negative electrode weight after the 10th charge/discharge cycle. A larger value of this ratio indicates better cycle characteristics.

Figure 0007304339000002
Figure 0007304339000002

表2から、負極の充電下限電位が0.1V(vs.Li/Li+)以上で、1.0V(vs.Li/Li+)未満の各実施例のリチウムイオン二次電池によれば、リチウムイオン二次電池の放電容量の大きさと、サイクル特性との両方が優れている。これに対し、負極の充電下限電位を1.0V(vs.Li/Li+)とした比較例1は、同じ硫黄含量のPANSを用いた実施例1、3及び5に比して、放電容量に劣り、また、負極の充電下限電位を0.1V未満とした比較例3は、実施例1、3及び5に比してサイクル特性が下がっている。比較例2及び4についても実施例2、4及び6に対して同様のことが言える。From Table 2, according to the lithium ion secondary battery of each example in which the lower limit potential for charging of the negative electrode is 0.1 V (vs. Li/Li + ) or more and less than 1.0 V (vs. Li/Li + ), Both the magnitude of the discharge capacity of the lithium ion secondary battery and the cycle characteristics are excellent. On the other hand, in Comparative Example 1 in which the lower limit potential for charging of the negative electrode was 1.0 V (vs. Li/Li + ), compared to Examples 1, 3 and 5 in which PANS with the same sulfur content was used, the discharge capacity was Comparative Example 3, in which the negative electrode charge lower limit potential was less than 0.1 V, had lower cycle characteristics than Examples 1, 3, and 5. The same can be said for Examples 2, 4 and 6 for Comparative Examples 2 and 4 as well.

本発明によれば、硫黄変性ポリアクリロニトリルを活物質とする負極を有する、リチウムイオン二次電池において、負極の充電下限電位を0.1V(vs.Li/Li+)以上で、1.0V(vs.Li/Li+)未満とすることにより、活物質あたりの充放電容量及び電池電圧が大きくなり、活物質の使用量を減らすことが可能になる。これにより、リチウムイオン二次電池の軽量・小型化が可能になる。According to the present invention, in a lithium ion secondary battery having a negative electrode using sulfur-modified polyacrylonitrile as an active material, the lower limit charging potential of the negative electrode is 0.1 V (vs. Li/Li + ) or more and 1.0 V ( vs. Li/Li + ), the charge/discharge capacity and battery voltage per active material increase, and the amount of active material used can be reduced. This makes it possible to reduce the weight and size of the lithium-ion secondary battery.

Claims (8)

硫黄変性ポリアクリロニトリルを活物質とする負極を有する、リチウムイオン二次電池であって、負極の充電下限電位が0.1V(vs.Li/Li)以上で、1.0V(vs.Li/Li)未満である、リチウムイオン二次電池。 A lithium ion secondary battery having a negative electrode using sulfur-modified polyacrylonitrile as an active material, wherein the lower limit charging potential of the negative electrode is 0.17 V (vs. Li/Li + ) or more and 1.0 V (vs. Li/Li + ), a lithium ion secondary battery. 負極の充電下限電位が0.2V(vs.Li/LiThe charge lower limit potential of the negative electrode is 0.2 V (vs. Li/Li + )以上である、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。) above, the lithium ion secondary battery according to claim 1 . 負極の充電下限電位が0.85(vs.Li/LiThe charge lower limit potential of the negative electrode is 0.85 (vs. Li/Li + )以下である、請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池。) The lithium ion secondary battery according to claim 1 or 2, wherein: 硫黄変性ポリアクリロニトリルの硫黄含有量が、25質量%~60質量%である請求項1~3の何れか1項に記載のリチウムイオン二次電池。 The lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the sulfur content of the sulfur-modified polyacrylonitrile is 25% by mass to 60% by mass. 硫黄変性ポリアクリロニトリルを活物質とする負極を有する、リチウムイオン二次電池の作動方法であって、負極の充電下限電位を0.1V(vs.Li/Li)以上で、1.0V(vs.Li/Li)未満とする、リチウムイオン二次電池の作動方法。 A method for operating a lithium ion secondary battery having a negative electrode using sulfur-modified polyacrylonitrile as an active material, wherein the lower limit charging potential of the negative electrode is 0.17 V (vs. Li/Li + ) or more and 1.0 V (vs. Li/Li + ), a method of operating a lithium ion secondary battery. 負極の充電下限電位が0.2V(vs.Li/LiThe charge lower limit potential of the negative electrode is 0.2 V (vs. Li/Li + )以上である、請求項5に記載のリチウムイオン二次電池の作動方法。). 負極の充電下限電位が0.85(vs.Li/LiThe charge lower limit potential of the negative electrode is 0.85 (vs. Li/Li + )以下である、請求項5又は6に記載のリチウムイオン二次電池の作動方法。) The method for operating a lithium ion secondary battery according to claim 5 or 6, wherein: 硫黄変性ポリアクリロニトリルの硫黄含有量が、25質量%~60質量%である請求項5~7の何れか1項に記載のリチウムイオン二次電池の作動方法。 The method for operating a lithium ion secondary battery according to any one of claims 5 to 7, wherein the sulfur content of the sulfur-modified polyacrylonitrile is 25% by mass to 60% by mass.
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