WO2015129166A1 - 非水電解質二次電池 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery.
  • Metal materials that can be alloyed with lithium such as silicon, germanium, tin and zinc instead of carbonaceous materials such as graphite as negative electrode active materials, and these metals for higher energy density and higher output of lithium ion batteries
  • silicon, germanium, tin and zinc instead of carbonaceous materials such as graphite as negative electrode active materials, and these metals for higher energy density and higher output of lithium ion batteries
  • carbonaceous materials such as graphite
  • Patent Document 1 proposes a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery containing a composite of a material containing Si and O as constituent elements and a carbon material and a graphitic carbon material as a negative electrode active material.
  • the present inventors have found that in the non-aqueous electrolyte secondary battery of Patent Document 1, the safety at the time of internal short-circuiting of the battery is significantly reduced.
  • a non-aqueous electrolyte secondary battery is a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode.
  • the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is a battery using a negative electrode active material containing silicon as a negative electrode, and by using a metal foil with a roughened surface as a current collector for the positive electrode, The positive electrode current collector is easily melted, and the amount of heat generated when the battery is short-circuited can be suppressed.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view along the line AA in FIG. 1.
  • a nonaqueous electrolyte secondary battery which is an example of an embodiment includes a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte containing a nonaqueous solvent.
  • a separator is preferably provided between the positive electrode and the negative electrode.
  • As an example of the structure of the nonaqueous electrolyte secondary battery there is a structure in which an electrode body in which a positive electrode and a negative electrode are wound via a separator, and a nonaqueous electrolyte are housed in an exterior body.
  • other types of electrode bodies such as a stacked electrode body in which a positive electrode and a negative electrode are stacked via a separator may be applied.
  • the nonaqueous electrolyte secondary battery may have any form such as a cylindrical type, a square type, a coin type, a button type, and a laminate type.
  • the specific structure of the nonaqueous electrolyte secondary battery 11 is such that the positive electrode 1 and the negative electrode 2 are wound so as to face each other with a separator 3 therebetween.
  • a flat electrode body composed of the positive and negative electrodes 1 and 2 and the separator 3 is impregnated with a non-aqueous electrolyte.
  • a positive electrode current collecting tab 4 and a negative electrode current collecting tab 5 are connected to the positive electrode 1 and the negative electrode 2, respectively, so that a secondary battery can be charged and discharged.
  • the said electrode body is arrange
  • the positive electrode is preferably composed of a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer formed on the positive electrode current collector.
  • the positive electrode active material layer preferably contains a conductive agent and a binder in addition to the positive electrode active material.
  • a conductive agent carbon black such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black and thermal black, and various graphites may be used alone or in combination.
  • the binder polyvinylidene fluoride (PVdF), a modified polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene (PTFE), a rubber particle binder having an acrylate unit, and the like can be used. It is also possible to mix the acrylate monomer or acrylate oligomer into which the group has been introduced into the binder.
  • a metal foil having a roughened surface for the positive electrode current collector.
  • the temperature tends to be higher at the time of an internal short circuit of the battery than when only graphite is used as the negative electrode active material.
  • the positive electrode current collector melts due to high heat at the time of internal short-circuiting of the battery, causing a short circuit. Since the contact between the medium and the current collector is cut off and the current is cut off, the amount of heat generated when the battery is short-circuited can be suppressed.
  • the surface roughness Ra of the metal foil whose surface is roughened is preferably 0.1 ⁇ m to 2.0 ⁇ m, more preferably 0.1 ⁇ m to 1.0 ⁇ m. If the surface roughness is too small, the positive electrode current collector tends not to melt to such an extent that the amount of heat generated when the battery is short-circuited can be sufficiently suppressed. If the surface roughness is too large, the strength becomes insufficient and the current collector may be broken during charging and discharging of the battery.
  • the surface roughness Ra is defined by Japanese Industrial Standard (JIS B 0601-2013).
  • the metal foil having a roughened surface is preferably a metal foil containing aluminum.
  • examples thereof include an aluminum foil, an aluminum alloy foil, and a film having an aluminum surface layer whose surface is roughened.
  • the thickness of the roughened metal foil is preferably 10 ⁇ m to 20 ⁇ m. If the thickness is too large, the energy density of the battery decreases, and the metal foil is not sufficiently melted, so that the amount of heat generated when the battery is short-circuited tends to increase. On the other hand, if the thickness is too small, the strength becomes insufficient, and the current collector may be broken during charging and discharging of the battery.
  • the method for producing the metal foil having a roughened surface is not limited, but examples thereof include a method of rolling the metal foil using a roller having irregularities, a method of chemically etching, and the like.
  • the positive electrode active material includes an oxide including lithium and a metal element M, and the metal element M includes at least one selected from the group including cobalt and nickel.
  • Preferred is a lithium-containing transition metal oxide.
  • the lithium-containing transition metal oxide may contain non-transition metal elements such as Mg and Al. Specific examples include lithium-containing transition metal oxides such as lithium cobaltate, Ni—Co—Mn, Ni—Mn—Al, and Ni—Co—Al. These positive electrode active materials may be used alone or in combination of two or more.
  • the metal element M preferably contains nickel.
  • a battery using a negative electrode using a negative electrode active material containing silicon when a positive electrode active material containing nickel is used, the temperature tends to become even higher when the battery is internally short-circuited. Even when the internal temperature of the battery becomes high, the positive electrode current collector melts and interrupts the current, so that the effect of suppressing the amount of heat generated when the battery is short-circuited is further exhibited.
  • the proportion of nickel contained in the metal element M is preferably 10 mol% to 95 mol%, more preferably 30 mol% to 95 mol%.
  • the proportion of nickel is small, the thermal stability of the active material is increased, so the short-circuit heat generation amount of the battery is small, and the effect of suppressing the short-circuit heat generation amount due to the roughening of the current collector is reduced.
  • the proportion of nickel is too large, the structure of the active material itself becomes unstable and the cycle characteristics may be deteriorated.
  • the metal element M When a lithium-containing transition metal oxide containing nickel is used as the metal element M, the metal element M further contains aluminum, and the proportion of aluminum in the metal element M is 0.01 mol% to 0.1 mol%. It is preferable.
  • the packing density of the positive electrode active material layer is preferably 3.5 g / cm 3 to 4.0 g / cm 3 , more preferably 3.6 g / cm 3 to 3.9 g / cm 3 .
  • the packing density is too low, not only the energy density of the battery is lowered, but also the heat generated at the time of short circuit is not transmitted well to the current collector, and it is difficult to obtain the effect of suppressing the heat generation amount by melting the current collector.
  • the packing density is too high, the active material particles are cracked, and the cycle characteristics may be deteriorated.
  • the negative electrode preferably includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer formed on the negative electrode current collector.
  • a negative electrode current collector for example, a conductive thin film, particularly a metal foil or alloy foil that is stable in the potential range of the negative electrode such as copper, or a film having a metal surface layer such as copper is used.
  • polytetrafluoroethylene or the like in addition to the negative electrode active material, polytetrafluoroethylene or the like can be used as a binder that preferably includes a thickener and a binder, but styrene-butadiene rubber (SBR) ) Or polyimide.
  • SBR styrene-butadiene rubber
  • the binder may be used in combination with a thickener such as carboxymethylcellulose.
  • the negative electrode active material preferably includes particles containing silicon.
  • the particles containing silicon preferably contain SiO X (preferably 0.5 ⁇ X ⁇ 1.5), Si or Si alloy.
  • Si alloys include solid solutions of silicon and one or more other elements, intermetallic compounds of silicon and one or more other elements, and eutectic alloys of silicon and one or more other elements. It is done.
  • SiO X which has a relatively small expansion / contraction associated with charge / discharge, is preferred.
  • the particles containing silicon preferably include a conductive carbon material layer covering at least a part of the surface.
  • SiO X particles When SiO X particles are used as the particles containing silicon, it is particularly preferable that the SiO X particles have a conductive carbon material layer covering at least a part of the surface.
  • the conductive carbon material is preferably composed of a carbon material having low crystallinity and high electrolyte permeability. Such a carbon material is formed from, for example, coal tar, tar pitch, naphthalene, anthracene, phenanthrolene, etc., preferably coal-based coal tar or petroleum-based tar pitch.
  • the surface of the SiO X particles is preferably 50% or more and 100% or less, preferably 100%, of carbon.
  • the SiO X surface is covered with carbon means that the surface of the SiO X particle is covered with a carbon film having a thickness of at least 1 nm when the particle cross section is observed by SEM. .
  • the SiO X surface is 100% coated with carbon.
  • the particle cross section is observed by SEM, almost 100% of the SiO X particle surface is covered with a carbon film having a thickness of at least 1 nm. That's what it means.
  • “approximately 100%” is intended to include not only 100% but also what is substantially recognized as 100%.
  • the carbon coating is preferably 1 to 200 nm, more preferably 5 to 100 nm. If the thickness of the carbon film becomes too thin, the conductivity decreases. On the other hand, if the thickness of the carbon film becomes too thick, the diffusion of Li + into SiO X tends to be inhibited and the capacity tends to decrease.
  • the negative electrode active material preferably includes silicon-containing particles and a carbon material.
  • Examples of the carbon material include graphite and hard carbon.
  • the mass ratio between the silicon-containing particles and the carbon material is 1:99 to 25:75, more preferably 3:97 to 20:80.
  • grains containing silicon with respect to the gross mass of a negative electrode active material is lower than 1 mass%, it is difficult to obtain the high capacity
  • grains containing a silicon with respect to the gross mass of a negative electrode active material is higher than 25 mass%, the expansion / contraction of the negative electrode accompanying charging / discharging becomes large, and there exists a possibility that cycling characteristics may fall.
  • the packing density of the negative electrode active material layer is preferably 1.4 g / cm 3 to 1.8 g / cm 3 , more preferably 1.5 g / cm 3 to 1.7 g / cm 3 .
  • the packing density of the negative electrode is too small, not only the energy density is lowered, but also the adhesion with the current collector is lowered and the cycle characteristics are lowered.
  • the filling density of the negative electrode is too high, the permeability of the electrolytic solution is deteriorated, and movement of lithium ions in the negative electrode active material layer is hindered.
  • Non-aqueous electrolyte examples include LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiAlCl 4 , LiSbF 6 , LiSCN, LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiB 10 Cl 10 , and lower aliphatic carboxylic acid.
  • Lithium, LiCl, LiBr, Lii, chloroborane lithium, borates, imide salts, and the like can be used.
  • LiPF 6 is preferably used from the viewpoint of ion conductivity and electrochemical stability.
  • One electrolyte salt may be used alone, or two or more electrolyte salts may be used in combination. These electrolyte salts are preferably contained at a ratio of 0.8 to 1.5 mol with respect to 1 L of the nonaqueous electrolyte.
  • non-aqueous electrolyte solvent for example, a cyclic carbonate, a chain carbonate, a cyclic carboxylic acid ester or the like is used.
  • cyclic carbonate examples include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), and fluoroethylene carbonate (FEC).
  • chain carbonate examples include diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), and dimethyl carbonate (DMC).
  • examples of the cyclic carboxylic acid ester include ⁇ -butyrolactone (GBL) and ⁇ -valerolactone (GVL).
  • examples of the chain carboxylic acid ester examples include methyl propionate (MP) fluoromethyl propionate (FMP).
  • a non-aqueous solvent may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.
  • separator a porous sheet having ion permeability and insulating properties is used.
  • the porous sheet include a microporous thin film, a woven fabric, and a nonwoven fabric.
  • material of the separator polyolefin such as polyethylene and polypropylene is suitable.
  • Example 1> (Preparation of positive electrode) A mass ratio of lithium nickel manganese cobaltate (Li (Ni 0.5 Co 0.2 Mn 0.2 ) O 2 ), acetylene black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., HS100), and polyvinylidene fluoride (PVdF) was weighed and mixed so that the ratio was 97.0: 1.5: 1.5, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a dispersion medium was added. Next, this was stirred using a mixer (Primix Co., Ltd., TK Hibismix) to prepare a positive electrode slurry.
  • a mixer Principal Co., Ltd., TK Hibismix
  • a positive electrode current collector was obtained.
  • the positive electrode slurry was applied to both surfaces of the positive electrode current collector made of the roughened aluminum foil, dried, and then rolled with a rolling roller to form a positive electrode active material layer on both surfaces of the positive electrode current collector.
  • a positive electrode was produced.
  • the packing density in the positive electrode active material layer was 3.60 g / ml.
  • a negative electrode active material obtained by mixing SiO x (X 0.93, average primary particle size: 6.0 ⁇ m) and graphite (average primary particle size: 10 ⁇ m) coated with carbon at a mass ratio of 5:95 Used as.
  • the negative electrode active material, carboxymethylcellulose as a thickener, and SBR as a binder were mixed at a mass ratio of 98: 1: 1, and water as a diluent solvent was added. This was stirred using a mixer (manufactured by Primics, TK Hibismix) to prepare a negative electrode slurry.
  • the said negative electrode slurry was apply
  • a tab was attached to each of the electrodes, and the positive electrode and the negative electrode were wound in a spiral shape through a separator so that the tab was positioned on the outermost periphery, thereby preparing a wound electrode body.
  • the electrode body is inserted into an exterior body made of an aluminum laminate sheet and vacuum-dried at 105 ° C. for 2 hours, and then the non-aqueous electrolyte is injected, and the opening of the exterior body is sealed to prepare the battery A1.
  • the design capacity of the battery A1 is 800 mAh.
  • a battery A5 was produced in the same manner as in Experiment 1, except that lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) was used as the positive electrode active material.
  • LiCoO 2 lithium cobalt oxide
  • the battery A6 was prepared in the same manner as in Experiment 1, except that lithium nickel cobaltate (Li (Ni 0.8 Co 0.15 Al 0.05 )) containing aluminum was used as the positive electrode active material. Produced.
  • a battery B2 was produced in the same manner as in Experiment 6 except that an aluminum foil was usually used as the positive electrode current collector.
  • a battery B3 was produced in the same manner as in Experiment 7 except that a normal aluminum foil was used as the positive electrode current collector.
  • a battery B4 was produced in the same manner as in Experiment 8, except that a normal aluminum foil was used as the positive electrode current collector.
  • a battery R1 was produced in the same manner as the battery A1, except that only graphite was used as the negative electrode active material in the production of the negative electrode.
  • a battery R2 was produced in the same manner as in Experiment 12 except that a normal aluminum foil was used as the positive electrode current collector.
  • the charge capacity per unit weight of the negative electrode was 443 mAh / g for batteries A1 to A7 and B1 to B4, and 372 mAh / g for batteries R1 to R2.
  • V (0) open circuit voltage before short circuit
  • V (t) battery voltage at time t
  • R (0) internal resistance of battery before short circuit.
  • the short-circuit point is a point that is lowered by 50 mV or more compared to the previous sampling voltage.
  • the internal resistance of the battery before a short circuit is the alternating current resistance at 1 kHz of the battery in a fully charged state.
  • the use of the roughened aluminum foil as the positive electrode current collector greatly reduces the short-circuit heating value. I understand. This is considered to be due to the fact that the metal foil with the roughened surface was used as the positive electrode current collector, so that the positive electrode current collector was easily melted by the high heat at the time of internal short circuit of the battery. In the batteries A1 to A4, the positive electrode current collector is melted to form a gap between the positive electrode current collector and the nail (short circuit medium), the contact between the short circuit medium and the current collector is cut off, and the current is cut off. Therefore, it is considered that the amount of heat generated when the battery was short-circuited could be suppressed.
  • the effect of suppressing the amount of heat generated when the battery is short-circuited does not depend on the type of the positive electrode active material.
  • the batteries A5 and A6 containing nickel or aluminum as the positive electrode active material are more effective in reducing the amount of heat generated when the battery is short-circuited than the battery A2.
  • Example 2> ⁇ Experiment 14> A battery A8 was produced in the same manner as in Experiment 1 except that in the production of the negative electrode, a mixture of SiO 2 X and graphite at a mass ratio of 0.1: 99.9 was used as the negative electrode active material.
  • a battery A9 was produced in the same manner as in Experiment 1, except that in the production of the negative electrode, a mixture of SiO 2 X and graphite at a mass ratio of 1:99 was used as the negative electrode active material.
  • a battery A10 was produced in the same manner as in Experiment 1 except that in the production of the negative electrode, a mixture of SiO 2 X and graphite at a mass ratio of 10:90 was used as the negative electrode active material.
  • a battery A11 was produced in the same manner as in Experiment 1 except that in the production of the negative electrode, a mixture of SiO 2 X and graphite at a mass ratio of 20:80 was used as the negative electrode active material.
  • a battery A12 was produced in the same manner as in Experiment 1 except that, in the production of the negative electrode, a mixture of SiO 2 X and graphite at a mass ratio of 30:70 was used as the negative electrode active material.
  • Example 2 In the same manner as in Example 1, the charging capacity and the short-circuit heating value per unit weight of the negative electrode were examined for each battery. The charge capacity per unit weight of the negative electrode and the short-circuit heat generation are shown in Table 1 together with the results of the battery A1.
  • the short-circuit heating value increases as the ratio of SiO X to the total weight of the negative electrode active material increases.
  • the ratio of SiO X to the total weight of the negative electrode active material is preferably 1 to 25% by mass.

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Abstract

　非水電解質二次電池の内部短絡時の安全性を向上させることを目的とする。正極と、負極と、前記正極及び負極を介するセパレータとを備える非水電解質二次電池において、前記正極は、集電体と前記集電体上に形成された正極活物質層とを備え、前記集電体は、表面が粗化された金属箔を備え、前記負極は、シリコンを含む負極活物質を備える。前記金属箔は、アルミニウムを含む金属箔であることが好ましい。前記金属箔の表面粗さＲａは、０．１～２．０μｍであることが好ましい。

Description

非水電解質二次電池
　本発明は、非水電解質二次電池に関する。
　リチウムイオン電池の高エネルギー密度化、高出力化に向け、負極活物質として、黒鉛等の炭素質材料に替えてケイ素、ゲルマニウム、錫及び亜鉛などのリチウムと合金化する金属材料や、これらの金属の酸化物などを用いることが検討されている。
下記特許文献１には、ＳｉとＯとを構成元素に含む材料と炭素材料との複合体および黒鉛質炭素材料を負極活物質として含有する非水電解質二次電池用負極が提案されている。
特開２０１２－１６９３００号公報
　特許文献１の非水電解質二次電池では、電池の内部短絡時の安全性が著しく低下することを、本発明者らは見出だした。
　上記課題を解決すべく、本発明に係る非水電解質二次電池は、正極と、負極と、前記正極及び負極を介するセパレータとを備える非水電解質二次電池であって、前記正極は、集電体と前記集電体上に形成された正極活物質層とを備え、前記集電体は、表面が粗化された金属箔を備え、前記負極は、シリコンを含む負極活物質を備える、ことを特徴とする。
　本発明の非水電解質二次電池は、シリコンを含む負極活物質を負極に用いた電池において、表面を粗化させた金属箔を正極の集電体として用いることにより、電池短絡時の高熱で正極集電体が溶融しやすくなり、電池短絡時の発熱量を抑制することができる。
本発明の実施形態の一例である非水電解質二次電池を示す模式的正面図である。 図１のＡ－Ａ線に沿った模式的断面図である。
　［非水電解質二次電池］
　実施形態の一例である非水電解質二次電池は、正極と、負極と、非水溶媒を含む非水電解質とを備える。正極と負極との間には、セパレータを設けることが好適である。非水電解質二次電池の構造の一例としては、正極及び負極がセパレータを介して巻回されてなる電極体と、非水電解質とが外装体に収容された構造が挙げられる。或いは、巻回型の電極体の代わりに、正極及び負極がセパレータを介して積層されてなる積層型の電極体など、他の形態の電極体が適用されてもよい。非水電解質二次電池は、例えば円筒型、角型、コイン型、ボタン型、ラミネート型など、いずれの形態であってもよい。
　ここで、図１及び図２に示すように、非水電解質二次電池１１の具体的な構造は、正極１と負極２とがセパレータ３を介して対向配置されて巻回されており、これら正負両極１、２とセパレータ３とからなる扁平型の電極体には非水電解液が含浸されている。上記正極１と負極２には、それぞれ、正極集電タブ４と負極集電タブ５が接続され、二次電池として充放電可能な構造となっている。尚、上記電極体は、周縁同士がヒートシールされたヒートシール部７を備えるアルミラミネート外装体６の収納空間内に配置されている。
〔正極〕
　正極は、正極集電体と、正極集電体上に形成された正極活物質層とで構成されることが好適である。正極活物質層は、正極活物質の他に、導電剤及び結着剤を含むことが好ましい。導電剤としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、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、サーマルブラック等のカーボンブラック、各種グラファイトを単独、あるいは組み合わせて用いても良い。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリフッ化ビニリデンの変性体、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、アクリレート単位を有するゴム粒子結着剤等を用いることができ、この際に反応性官能基を導入したアクリレートモノマー、またはアクリレートオリゴマーを結着剤中に混入させることも可能である。
　正極集電体には、表面が粗化された金属箔を用いることが好適である。シリコンを含む負極活物質を負極に用いた電池においては、負極活物質として黒鉛のみを用いた場合と比較して、電池の内部短絡時において高温になりやすい。シリコンを含む負極活物質を負極に用いた電池において、表面が粗化された金属箔を正極集電体として用いることにより、電池の内部短絡時の高熱で正極集電体が溶融して、短絡媒体と集電体との接触が断たれて電流が遮断されるので、電池短絡時の発熱量を抑制することができる。
　表面が粗化された金属箔の表面粗さＲａは、０．１μｍ～２．０μｍが好ましく、さらに好ましくは０．１μｍ～１．０μｍである。上記表面粗さが小さすぎると、電池短絡時の発熱量を十分に抑制できる程度に正極集電体が溶融しない傾向がある。上記表面粗さが大きすぎると、強度が不十分となり、電池の充放電中に集電体が破断する恐れがある。
　上記表面粗さＲａは、日本工業規格（ＪＩＳ　Ｂ　０６０１－２０１３）により定められている。
　表面が粗化された金属箔は、アルミニウムを含む金属箔であることが好ましい。アルミニウム箔やアルミニウム合金箔、表面が粗化されたアルミニウム表層を有するフィルム等が例示される。このうち、アルミニウム箔を用いることが好ましい。電池が短絡した場合、短絡点の温度は局所的にアルミニウム箔の融点を超えるが、この時、アルミニウム箔が溶融することによって短絡経路が遮断される。アルミニウム箔の表面が粗化されている場合、集電体には局所的に薄い部分が存在するため、同じ発熱量でも容易に溶融し、短絡経路が遮断されやすくなる。
　表面が粗化された金属箔の厚みは、１０μｍ～２０μｍであることが好ましい。厚みが大きすぎると、電池のエネルギー密度が低下するほか、金属箔の溶融が不十分となって電池短絡時の発熱量が大きくなりやすい傾向がある。一方、厚みが小さすぎると強度が不十分となり、電池の充放電中に集電体が破断する恐れがある。
　表面が粗化された金属箔の作製方法は限定されないが、凹凸を有するローラーを用いて金属箔を圧延する方法や化学エッチングする方法等が例示される。
　正極活物質は、リチウムと、金属元素Ｍとを含む酸化物を含み、前記金属元素Ｍは、コバルト、ニッケルを含む群より選択される少なくとも一種を含む。好ましくはリチウム含有遷移金属酸化物である。リチウム含有遷移金属酸化物は、Ｍｇ、Ａｌ等の非遷移金属元素を含有するものであってもよい。具体例としては、コバルト酸リチウム、Ｎｉ－Ｃｏ－Ｍｎ、Ｎｉ－Ｍｎ－Ａｌ、Ｎｉ－Ｃｏ－Ａｌ等のリチウム含有遷移金属酸化物が挙げられる。正極活物質は、これらを１種単独で用いてもよいし、複数種を混合して用いてもよい。
　上記金属元素Ｍは、ニッケルを含むことが好ましい。シリコンを含む負極活物質を用いた負極を用いた電池において、ニッケルが含まれる正極活物質を用いた場合、電池の内部短絡時においてより一層高温になりやすい。電池の内部短絡時において高温になった場合でも、正極集電体が溶融して電流を遮断するので、電池短絡時の発熱量を抑制することができる効果がより一層発揮される。
　上記金属元素Ｍとしてニッケルを含むリチウム含有遷移金属酸化物を用いる場合、金属元素Ｍ中に含まれるニッケルの割合は、１０ｍｏｌ％～９５ｍｏｌ％が好ましく、より好ましくは３０ｍｏｌ％～９５ｍｏｌ％である。ニッケルの割合が少ないと、活物質の熱安定性が高くなるため、電池の短絡発熱量が小さく、集電体の粗化によって短絡発熱量を抑制することができる効果が小さくなってしまう。一方、ニッケルの割合が多すぎると、活物質の構造自体が不安定となり、サイクル特性が低下する恐れがある。
　上記金属元素Ｍとしてニッケルを含むリチウム含有遷移金属酸化物を用いる場合、さらに、金属元素Ｍ中にアルミニウムが含まれ、金属元素Ｍ中のアルミニウムの割合が０．０１ｍｏｌ％～０．１ｍｏｌ％であることが好ましい。
　正極活物質層の充填密度は、３．５ｇ／ｃｍ３～４．０ｇ／ｃｍ３が好ましく、より好ましくは３．６ｇ／ｃｍ３～３．９ｇ／ｃｍ３である。充填密度が低すぎると、電池のエネルギー密度が低下するだけでなく、短絡時の発熱がうまく集電体に伝わらず、集電体が溶融して発熱量を抑制する効果が得られにくい。一方、充填密度が高すぎると、活物質粒子に割れが生じてしまい、サイクル特性が低下する恐れがある。
　〔負極〕
　負極は、負極集電体と、負極集電体上に形成された負極活物質層とを備えることが好適である。負極集電体には、例えば、導電性を有する薄膜体、特に銅などの負極の電位範囲で安定な金属箔や合金箔、銅などの金属表層を有するフィルムが用いられる。負極活物質層は、負極活物質の他に、増粘剤及び結着剤を含むことが好適である結着剤としてはポリテトラフルオロエチレン等を用いることもできるが、スチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）やポリイミド等を用いることが好ましい。結着剤は、カルボキシメチルセルロース等の増粘剤と併用されてもよい。
　負極活物質は、シリコンを含む粒子を備えることが好ましい。シリコンを含む粒子は、ＳｉＯＸ（好ましくは０．５≦Ｘ≦１．５）、ＳｉまたはＳｉ合金を含有することが好ましい。Ｓｉ合金としては、ケイ素と他の１種以上の元素との固溶体、ケイ素と他の１種以上の元素との金属間化合物、ケイ素と他の１種以上の元素との共晶合金などが挙げられる。特に、充放電に伴う膨張収縮が比較的小さいＳｉＯＸが好ましい。
　シリコンを含む粒子は、表面の少なくとも一部を覆う導電性炭素材料層を備えることが好ましい。シリコンを含む粒子としてＳｉＯＸ粒子を用いる場合、ＳｉＯＸ粒子は、表面の少なくとも一部を覆う導電性炭素材料層を有することが特に好ましい。導電性炭素材料は、結晶性が低く電解液の浸透性が高い炭素材料から構成されることが好ましい。かかる炭素材料は、例えば、コールタール、タールピッチ、ナフタレン、アントラセン、フェナントロレン等、好ましくは石炭系コールタールや石油系タールピッチを原料として形成される。
　ＳｉＯＸ粒子は、表面が炭素で５０％以上１００％以下、好ましくは、１００％被覆されていることが好ましい。なお、本発明において、ＳｉＯＸ表面が炭素で被覆されているとは、粒子断面をＳＥＭ観察した場合に、ＳｉＯＸ粒子表面が、少なくとも１ｎｍ厚以上の炭素被膜で覆われているということである。本発明において、ＳｉＯＸ表面が炭素で１００％被覆されているとは、粒子断面をＳＥＭ観察した場合に、ＳｉＯＸ粒子表面の略１００％が、少なくとも１ｎｍ厚以上の炭素被膜で覆われているということである。なお、略１００％とは、１００％はもとより、実質的に１００％と認められるものを含む意図である。炭素被膜は１～２００ｎｍが好ましく、５～１００ｎｍがより好ましい。炭素被膜の厚みが薄くなり過ぎると、導電性が低下し、一方、炭素被膜の厚みが厚くなり過ぎると、ＳｉＯＸへのＬｉ+の拡散が阻害されて容量が低下する傾向にある。
　負極活物質は、シリコンを含む粒子と炭素材料を備えることが好ましい。炭素材料としては、黒鉛やハードカーボンが例示される。
　シリコンを含む粒子と炭素材料の質量比は、１：９９～２５：７５、さらに好ましくは３：９７～２０：８０である。負極活物質の総質量に対するシリコンを含む粒子の割合が１質量％よりも低い場合は、シリコンを含む粒子の高容量特性が得られにくい。負極活物質の総質量に対するシリコンを含む粒子の割合が２５質量％よりも高い場合は、充放電に伴う負極の膨張収縮が大きくなってしまい、サイクル特性が低下する恐れがある。
　負極極活物質層の充填密度は、１．４ｇ／ｃｍ３～１．８ｇ／ｃｍ３が好ましく、より好ましくは１．５ｇ／ｃｍ３～１．７ｇ／ｃｍ３である。負極の充填密度が小さすぎると、エネルギー密度が低下してしまうだけでなく、集電体との密着性が低下しサイクル特性が低下する。一方、負極の充填密度が高すぎると、電解液の浸透性が悪くなり、負極活物質層中におけるリチウムイオンの移動が妨げられてしまう。
〔非水電解質〕
　非水電解質の電解質塩としては、例えばＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢ１０Ｃｌ１０、低級脂肪族カルボン酸リチウム、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、Ｌｉｉ、クロロボランリチウム、ホウ酸塩類、イミド塩類などを用いることができる。この中でも、イオン伝導性と電気化学的安定性の観点から、ＬｉＰＦ６を用いることが好ましい。電解質塩は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。これら電解質塩は、非水電解質１Ｌに対し０．８～１．５ｍｏｌの割合で含まれていることが好ましい。
　非水電解質の溶媒としては、例えば、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、環状カルボン酸エステルなどが用いられる。環状炭酸エステルとしては、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）、などが挙げられる。鎖状炭酸エステルとしては、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）などが挙げられる。環状カルボン酸エステルとしては、γ－ブチロラクトン（ＧＢＬ）、γ－バレロラクトン（ＧＶＬ）などが挙げられる。鎖状カルボン酸エステルとしては、メチルプロピオネート（ＭＰ）フルオロメチルプロピオネート（ＦＭＰ）が挙げられる。非水溶媒は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
〔セパレータ〕
　セパレータには、イオン透過性及び絶縁性を有する多孔性シートが用いられる。多孔性シートの具体例としては、微多孔薄膜、織布、不織布等が挙げられる。セパレータの材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンが好適である。
　以下、実施例により本発明をさらに説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
　　　　　　　　　　　　　　　＜実施例１＞
＜実験１＞
（正極の作製）
　ニッケルマンガンコバルト酸リチウム（Ｌｉ（Ｎｉ０．５Ｃｏ０．２Ｍｎ０．２）Ｏ２）と、アセチレンブラック（電気化学工業社製、ＨＳ１００）と、ポリフッ化ビニリデン(ＰＶｄＦ)とを、質量比が９７．０：１．５：１．５の割合になるように秤量、混合し、分散媒としてのＮ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）を添加した。次に、これを混合機（プライミクス社製、Ｔ．Ｋ．ハイビスミックス）を用いて攪拌し、正極スラリーを調製した。次に、アルミニウム箔を、凹凸を有するローラーで圧延して、表面の平均粗さＲａ＝０．２とした、厚さ１５μｍのアルミニウム箔（以下、粗化アルミニウム箔と呼ぶことがある）を準備し正極集電体とした。次に、上記正極スラリーを、上記粗化アルミニウム箔からなる正極集電体の両面に塗布、乾燥した後、圧延ローラにより圧延して、正極集電体の両面に正極活物質層が形成された正極を作製した。尚、正極活物質層における充填密度は３．６０ｇ／ｍｌとした。
（負極の作製）
　表面を炭素で被覆したＳｉＯＸ（Ｘ＝０．９３、平均一次粒子径：６.０μｍ）と黒鉛（平均一次粒子径：１０μｍ）とを、質量比５：９５で混合したものを負極活物質として用いた。上記負極活物質と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロースと、結着剤としてのＳＢＲとを、質量比で９８：１：１となるように混合し、希釈溶媒としての水を添加した。これを、混合機（プライミクス社製、Ｔ．Ｋ．ハイビスミックス）を用いて攪拌し、負極スラリーを調製した。次に、上記負極スラリーを、銅箔からなる負極集電体の両面に均一に塗布した。次いで、これを大気中１０５℃で乾燥させた後、圧延ローラーにより圧延して、負極集電体の両面に負極活物質層が形成された負極を作製した。尚、負極活物質層における充填密度は１．６０ｇ／ｍｌとした。
（非水電解液の調製）
　エチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）とを、体積比が３：７の割合となるように混合した混合溶媒に、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を、１．０モル／リットル添加して非水電解液を調製した。
（電池の組み立て）
　上記各電極にタブをそれぞれ取り付け、タブが最外周部に位置するようにセパレータを介して上記正極及び上記負極を渦巻き状に巻回して巻回電極体を作製した。当該電極体をアルミニウムラミネートシートで構成される外装体に挿入して、１０５℃で２時間真空乾燥した後、上記非水電解液を注入し、外装体の開口部を封止して電池Ａ１を作製した。電池Ａ１の設計容量は８００ｍＡｈである。
＜実験２＞
　正極の作製において、アルミニウム箔の平均粗さＲａ＝０．１とした以外は、実験１と同様にして、電池Ａ２を作製した。
＜実験３＞
　正極の作製において、アルミニウム箔の平均粗さＲａ＝０．５とした以外は、実験１と同様にして、電池Ａ３を作製した。
＜実験４＞
　正極の作製において、アルミニウム箔の平均粗さＲａ＝１．０とした以外は、実験１と同様にして、電池Ａ４を作製した。
＜実験５＞
　正極の作製において、正極集電体として、粗化処理をしていないアルミニウム箔（厚さ１５μｍ、以下、通常アルミニウム箔と呼ぶことがある）を用いたこと以外は、実験１と同様にして、電池Ｂ１を作製した。
＜実験６＞
　正極の作製において、正極活物質としてコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）を用いたこと以外は、実験１と同様にして、電池Ａ５を作製した。
＜実験７＞
　正極の作製において、正極活物質としてアルミニウムを含むニッケルコバルト酸リチウム（Ｌｉ（Ｎｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５））を用いたこと以外は、実験１と同様にして、電池Ａ６を作製した。
＜実験８＞
　正極の作製において、正極活物質として組成の異なるニッケルマンガンコバルト酸リチウム（Ｌｉ（Ｎｉ０．３３Ｃｏ０．３３Ｍｎ０．３３）Ｏ２）を用いたこと以外は、実験１と同様にして、電池Ａ７を作製した。
＜実験９＞
　正極の作製において、正極集電体として、通常アルミニウム箔を用いたこと以外は、実験６と同様にして、電池Ｂ２を作製した。
＜実験１０＞
　正極の作製において、正極集電体として、通常アルミニウム箔を用いたこと以外は、実験７と同様にして、電池Ｂ３を作製した。
＜実験１１＞
　正極の作製において、正極集電体として、通常アルミニウム箔を用いたこと以外は、実験８と同様にして、電池Ｂ４を作製した。
＜実験１２＞
　負極の作製において、負極活物質として黒鉛のみを用いたこと以外は、電池Ａ１と同様にして、電池Ｒ１を作製した。
＜実験１３＞
　正極の作製において、正極集電体として、通常アルミニウム箔を用いたこと以外は、実験１２と同様にして、電池Ｒ２を作製した。
（実験）
　上記の各電池を、以下の条件で充放電し、下記（１）式で示す負極単位重量あたりの充電容量を調べた。
〔充放電条件〕
　１．０Ｉｔ（８００ｍＡ）電流で電池電圧が４．３Ｖとなるまで定電流充電を行った後、４．３Ｖの電圧で電流値が０．０５Ｉｔ（４０ｍＡ）となるまで定電圧充電を行った。１０分間休止した後、１．０Ｉｔ（８００ｍＡ）電流で電池電圧が２．７５Ｖとなるまで定電流放電を行った。
〔負極単位重量あたりの充電容量の算出〕
　負極単位重量あたりの充電容量（ｍＡｈ／ｇ）
＝（１サイクル目の充電容量（ｍＡｈ）／電池内の負極活物質全重量（ｇ））
・・・（１）
負極単位重量あたりの充電容量は、電池Ａ１～Ａ７及びＢ１～Ｂ４は４４３ｍＡｈ／ｇであり、電池Ｒ１～Ｒ２は３７２ｍＡｈ／ｇであった。
　次に、下記（２）式で示す、短絡後０．５秒間の短絡発熱量を調べた。結果を表１に示す。
〔短絡発熱量の算出〕
　初回充放電後の電池を１．０Ｉｔ（８００ｍＡ）電流で電池電圧が４．３Ｖとなるまで定電流充電を行った後、４．３Ｖの電圧で電流値が０．０５Ｉｔ（４０ｍＡ）となるまで定電圧充電を行い、完全充電状態とした。完全充電状態の電池に対して、１ｍｍ径の釘を０．１ｍｍ／ｓの速度で貫通させ、下記数１より短絡発熱量を算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ただし、ｔ：短絡点からの時間（ｓ）、Ｖ（０）：短絡前の開回路電圧、Ｖ（ｔ）：時間ｔにおける電池電圧、Ｒ（０）：短絡前の電池の内部抵抗である。ここで、短絡点とは０．００１秒間隔で電池電圧をサンプリングした際に、１つ前のサンプリング電圧と比較して５０ｍＶ以上下がった点である。短絡前の電池の内部抵抗とは、完全充電状態である電池の１ｋＨｚにおける交流抵抗である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　電池Ａ１～Ａ４と電池Ｂ１とを比較すると、負極活物質としてシリコンを含む負極活物質を用いた電池において、正極集電体として粗化アルミニウム箔を用いると、短絡発熱量が大きく低減されることがわかる。これは、表面が粗化された金属箔を正極集電体として用いたことで、電池の内部短絡時の高熱で正極集電体が溶融しやすくなったことが要因であると考えられる。電池Ａ１～Ａ４においては、正極集電体が溶融されて、正極集電体と釘（短絡媒体）との間に空隙が生じ、短絡媒体と集電体との接触が断たれ電流が遮断されたので、電池短絡時の発熱量を抑制することができたと考えられる。
　一方、負極活物質として黒鉛のみを用いた電池Ｒ１～Ｒ２においては、正極集電体として粗化アルミニウム箔を用いた場合と通常アルミニウム箔を用いた場合とで、短絡発熱量は共に低く、また、ほぼ同じ値であった。これは、負極活物質として黒鉛のみを用いた場合は、シリコンを含む負極活物質を用いた場合と比較して、電池の内部短絡時において、高温になりにくかったことが要因であると考えられる。つまり、負極活物質として黒鉛のみを用いた電池においては、電池の内部短絡時において、高温になりにくいため短絡発熱量は小さく、また、あまり高温にならないので正極集電体が溶融されず、短絡発熱量に差が表れなかったと考えれる。
　電池Ａ２、Ａ５、Ａ６及びＡ７と、電池Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３及びＢ４とを比較すると、上記の、電池短絡時の発熱量を抑制する効果は、正極活物質種には依存しないことがわかる。ただし、正極活物質としてニッケルやアルミニウムが含有されている電池Ａ５及びＡ６の方が、電池Ａ２よりも、電池短絡時の発熱量低減効果は大きい。
　　　　　　　　　　　　　　　＜実施例２＞
＜実験１４＞
　負極の作製において、ＳｉＯＸと黒鉛とを、質量比０．１：９９.９で混合したものを負極活物質として用いたこと以外は、実験１と同様にして電池Ａ８を作製した。
＜実験１５＞
　負極の作製において、ＳｉＯＸと黒鉛とを、質量比１：９９で混合したものを負極活物質として用いたこと以外は、実験１と同様にして電池Ａ９を作製した。
＜実験１６＞
　負極の作製において、ＳｉＯＸと黒鉛とを、質量比１０：９０で混合したものを負極活物質として用いたこと以外は、実験１と同様にして電池Ａ１０を作製した。
＜実験１７＞
　負極の作製において、ＳｉＯＸと黒鉛とを、質量比２０：８０で混合したものを負極活物質として用いたこと以外は、実験１と同様にして電池Ａ１１を作製した。
＜実験１８＞
　負極の作製において、ＳｉＯＸと黒鉛とを、質量比３０：７０で混合したものを負極活物質として用いたこと以外は、実験１と同様にして電池Ａ１２を作製した。
（実験）
　上記実施例１と同様にして、各電池について、負極単位重量あたりの充電容量及び短絡発熱量を調べた。負極単位重量あたりの充電容量及び短絡発熱量について、電池Ａ１の結果とともに表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　負極活物質の総重量に対するＳｉＯＸの割合が増加するにつれて、短絡発熱量は増加することがわかる。粗化アルミニウム箔を用いた場合の発熱量抑制効果と、充電容量を両立させるには、負極活物質の総重量に対するＳｉＯＸの割合は１～２５質量％が好ましい。
　１　正極、２　負極、３　セパレータ、４　正極集電タブ、５　負極集電タブ、６　アルミラミネート外装体、７　ヒートシール部７、１１　非水電解質二次電池。

Claims (6)

  1. 　正極と、負極と、前記正極及び負極を介するセパレータとを備える非水電解質二次電池において、
    　前記正極は、集電体と前記集電体上に形成された正極活物質層とを備え、
    前記集電体は、表面が粗化された金属箔を備え、
    前記負極は、シリコンを含む負極活物質を備える、非水電解質二次電池。
  2. 　前記金属箔は、アルミニウムを含む金属箔である、請求項１に記載の非水電解質二次電池。
  3. 　前記金属箔の表面粗さＲａは、０．１～２．０μｍである、請求項１または請求項２に記載の非水電解質二次電池。
  4. 　前記正極活物質層は、リチウムと金属元素Ｍとを含むリチウム含有遷移金属酸化物を備え、
    　前記金属元素Ｍ中におけるニッケルの割合は、０．３ｍｏｌ％～０．９５ｍｏｌ％である、請求項１から請求項３の何れかに記載の非水電解質二次電池。
  5. 　前記金属元素Ｍ中におけるアルミニウムの割合は、０．０１ｍｏｌ％～０．１ｍｏｌ％である、請求項４に記載の非水電解質二次電池。
  6. 　前記シリコンを含む負極活物質は、ＳｉＯＸ（０．５≦Ｘ≦１．５）粒子を備える、請求項１～５の何れかに記載の非水電解質二次電池。
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