JP2004319390A - Non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Abstract
【課題】充放電時の電池の膨れを抑制し、かつ、高容量でサイクル特性に優れた非水電解質二次電池を提供する。
【解決手段】リチウムの吸蔵・放出が可能な正極12とリチウムの吸蔵・放出が可能な負極13とをセパレータ14を介して交互に積層させた極板群および非水電解質からなる非水電解質二次電池であって、正極12が正極活物質層およびこれを担持する芯材からなり、負極13が負極活物質層およびこれを担持する芯材からなり、前記負極活物質層は、4B族元素からなる単体金属および4B族元素を含む合金よりなる群から選ばれる少なくとも1種からなり、前記負極活物質層は、500mAh/cc以上の体積容量密度を有するものとした。
【選択図】 図1Provided is a non-aqueous electrolyte secondary battery which suppresses swelling of the battery during charge and discharge, and has a high capacity and excellent cycle characteristics.
A non-aqueous electrolyte comprising an electrode plate group and a non-aqueous electrolyte in which a positive electrode capable of inserting and extracting lithium and a negative electrode capable of inserting and extracting lithium are alternately laminated via a separator. In a secondary battery, the positive electrode 12 includes a positive electrode active material layer and a core material supporting the same, the negative electrode 13 includes a negative electrode active material layer and a core material supporting the same, and the negative electrode active material layer includes a group 4B element. And the negative electrode active material layer has a volume capacity density of 500 mAh / cc or more.
[Selection diagram] Fig. 1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改良された負極材料を有し、長寿命で、高い信頼性を有する角形の非水電解質二次電池に関する。本発明の非水電解質二次電池は、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、モーターを動力源とする自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などに好適である。
【0002】
【従来の技術】
近年、高起電力、高エネルギー密度などの特長を持つ非水電解質二次電池、特にリチウム二次電池が、移動体通信機器や携帯電子機器などの電源として利用されている。負極材料としてリチウム金属単体を用いた場合、最も高いエネルギー密度を有するリチウム二次電池を得ることができるが、充電時に、デンドライトが負極表面に成長しやすいという問題がある。充放電を繰り返すうちに、デンドライトがセパレータを突き破って正極側に達すると、内部短絡が起こる。また、負極表面に析出したデンドライトは、比表面積が大きいため、反応活性度が高く、電解液中の溶媒と反応して、電子伝導性を欠いた固体電解質状の界面皮膜をその表面に形成する。そのため、デンドライトは電池の充放電効率を低下させる原因にもなる。このように、負極材料としてリチウム金属単体を用いたリチウム二次電池は、信頼性およびサイクル寿命特性に問題を有する。
【0003】
現在では、リチウム金属に代わる負極材料として、リチウムイオンを吸蔵および放出可能な炭素材料が実用化されている。炭素材料は、通常、その内部にリチウムを吸蔵するため、デンドライトによる内部短絡などの問題は回避できる。しかし、炭素材料の理論容量は、リチウム金属単体の理論容量に比べるとかなり小さい。例えば、炭素材料の1種である黒鉛は理論容量が372mAh/gであり、リチウム金属単体に比べて約10分の1にすぎず、容量が十分でない。
【0004】
炭素材料よりも高容量が期待される負極材料として、例えば、リチウムとの化合物を形成する単体金属材料や単体非金属材料が知られている。例えば、ケイ素(Si)、スズ(Sn)は、それぞれ、Li22Si5、Li22Sn5で示される組成になるまでリチウムを吸蔵することが可能である。通常、上記組成の範囲内では金属リチウムは析出しないため、デンドライトによる内部短絡などの問題も回避することができる。また、上記材料の理論容量は、それぞれ、4199mAh/g、993mAh/gであり、黒鉛などの炭素材料の理論容量よりもはるかに大きい。
【0005】
また、リチウムとの化合物を形成する別の負極材料として、遷移元素からなる非鉄金属のケイ化物(例えば、特許文献1参照。)、4B族元素およびP、Sbよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含む金属間化合物からなり、その結晶構造がCaF2型、ZnS型またはAlLiSi型のいずれかである材料(例えば、特許文献2参照。)などが提案されている。これらは、放電サイクル特性の改善を目的として用いられている。
【0006】
上述の金属系材料を改良し、さらに優れたサイクル特性を実現する試みもなされている。例えば、2つの固相からなる固溶体または金属間化合物からなる負極材料が提案されている(例えば、特許文献3参照。)。このような負極材料を用いることにより、炭素材料を用いた場合よりも高容量で、かつ、充放電サイクルに優れた電池を得ることが可能である。
平坦な集電体上に、粒径が制御された粒子状の電極材料を担持させた負極も提案されている(例えば、特許文献4参照。)。この負極によれば、サイクル寿命が長く、高容量で、高エネルギー密度を有し、充放電時における体積の膨張・収縮がある程度抑制された電池を得ることが可能である。
【0007】
【特許文献1】
特開平7−240201号公報
【特許文献2】
特開平9−63651号公報
【特許文献3】
特開2000−30703号公報
【特許文献4】
特開平11−242954号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、携帯用機器の一層の高機能化や、電気自動車を始めとする電池の大型化の傾向が活発化しており、駆動用電源としての電池に対する長寿命化の要求が一層高まっている。このような要求に対し、従来の負極材料では十分に対処することが困難である。
【0009】
特許文献1〜3に記載の負極材料は、合金材料の組成、相構造および合金組織などが改良されているため、ある程度まではサイクル特性を向上させることができるが、充放電時の体積変化が大きいことに由来するサイクル特性の劣化については解決されていない。このような体積変化によるサイクル特性の劣化は、リチウムを吸蔵可能な金属や合金に共通の課題である。
【0010】
充電時の活物質の膨張率について、結晶学的な数値をもとに考えると、例えば、活物質がケイ素あるいはスズからなる場合、各活物質の1モルに対するリチウムの最大挿入量は、いずれも、4.4モルである。一方、結晶格子体積から計算される、リチウム挿入前に対する挿入後の理論体積膨張率は、ケイ素の場合には410%、スズの場合には358%となる。このように大きな膨張率を有する負極活物質を用いて、従来の構成やプロセスで電極や電池を製造した場合、充放電時の極板群の変形や電解液の分布の不均一化により、サイクル特性が劣化したり、最悪の場合には電池外観の変形をもたらす虞がある。
【0011】
特許文献4に記載の負極材料を用いれば、極板内部に微細な空孔が存在するため、充電時の金属活物質の体積膨張をある程度は抑制することができる。しかし、体積膨張を完全に吸収するには、空孔サイズの高度な設計技術などが必要となり、工業的に容易ではない。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の知見を背景とする。
断面が略楕円形の捲回型の極板群を有する角形電池の充放電サイクルが、長期に亘って繰り返される場合、極板の膨張による電池の膨れを抑制することは困難である。ここで捲回型の極板群は、長尺状の負極板と正極板との間にセパレータを介在させ、これらをスパイラル状に捲回した構造を有する。
【0013】
充電時に起こる負極板の体積膨張においては、負極板の厚さ方向への膨張率が大きいため、断面が略楕円形の捲回型極板群は、主に極板群断面の短軸方向に膨らみを生じる。一方、このような極板群のコーナー部(以下、R部と称する)では、極板に比較的強い張力がかかっているため、R部が強く固定された状態となっており、膨張に対する空間的余裕が少ない。このため、充電時に、極板群の中心方向へ過剰な力が発生し、群内部の極板を変形させてしまうことになる。この結果、充電時の捲回型極板群には、負極板の厚さ方向への膨張による膨れのみならず、極板の変形(以下、「挫屈」と称する)による膨れが加わり、電池の膨れが一層大きくなるものと考えられる。
【0014】
本発明においては、充放電時の電池の膨れを抑制し、かつ、高容量でサイクル特性に優れた非水電解質二次電池を提供するために、負極活物質を改良するとともに積層型の極板群を採用する。
【0015】
すなわち、本発明は、リチウムの吸蔵・放出が可能な正極とリチウムの吸蔵・放出が可能な負極とをセパレータを介して交互に積層させた極板群および非水電解質からなる非水電解質二次電池であって、前記正極が正極活物質層およびこれを担持する芯材からなり、前記負極が負極活物質層およびこれを担持する芯材からなり、前記負極活物質層は、4B族元素からなる単体金属および4B族元素を含む合金よりなる群から選ばれる少なくとも1種からなり、前記負極活物質層は、500mAh/cc以上の体積容量密度を有する非水電解質二次電池に関する。前記体積容量密度は、好ましくは600〜1000mAh/ccである。
【0016】
前記4B族元素は、SiおよびSnよりなる群から選ばれる少なくとも1種を用いることが好ましい。また、前記単体金属および合金よりなる群から選ばれる少なくとも1種は、非晶質相および低結晶相よりなる群から選ばれる少なくとも1種の状態、あるいは、5〜100nmの結晶子サイズを有することが好ましい。
【0017】
前記合金は、MαSnβSiγの組成を有することが好ましい。前記組成において、(a)Mは、Ti、Ni、CuおよびFeよりなる群から選ばれる少なくとも1種であり、(b)0.1≦α≦10、(c)0≦β≦10、および(d)0≦γ≦30が満たされ、βとγは同時に0ではない。
前記合金には、核粒子および前記核粒子表面の全部または一部を被覆する表面層からなる複合粒子を用いることもできる。前記核粒子は、SiおよびSnよりなる群から選ばれる少なくとも1種を含む。前記表面層は、Ti、Ni、CuおよびFeよりなる群から選ばれる少なくとも1種、ならびにSiおよびSnよりなる群から選ばれる少なくとも1種を含む固溶体もしくは金属間化合物であることが好ましい。
【0018】
前記極板群および前記非水電解質は、通常、電池ケース内に収容される。前記電池ケースの電極面に対向する面はケースの内側に凹んでいることが好ましい。ケースの端部の厚さ(A)と中央部の厚さ(B)との比:B/Aは、0.6<B/A<0.95を満たすことが好ましい。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明の非水電解質二次電池は、リチウムの吸蔵・放出が可能な正極とリチウムの吸蔵・放出が可能な負極とをセパレータを介して交互に積層させた極板群および非水電解質からなる。前記正極は、正極活物質層およびこれを担持する芯材からなり、前記負極は、負極活物質層およびこれを担持する芯材からなる。前記負極活物質層は、4B族元素からなる単体金属および4B族元素を含む合金よりなる群から選ばれる少なくとも1種からなり、かつ、500mAh/cc以上の体積容量密度を有する。500mAh/cc未満の体積容量密度では、挫屈は起こらないが、充放電サイクルが炭素材料と同程度の値なので、容量が十分でない。前記体積容量密度は、好ましくは600〜1000mAh/ccである。
【0020】
高容量密度の負極を用いる場合でも、積層構造の極板群を構成することにより、充電時に、内部の極板の変形(挫屈)が起こらない極板群を得ることが可能である。積層構造の極板群の場合、充電時に負極板の厚さ方向への膨張は起こるが、極板群の挫屈という要因は排除される。そのため、電池の膨れが必要以上に大きくなることがなく、優れたサイクル特性を有する角形の非水電解質二次電池が得られる。
【0021】
本発明の非水電解質二次電池において、前記4B族元素は、高容量が得られることから、SiおよびSnよりなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。また、前記単体金属および合金よりなる群から選ばれる少なくとも1種は、非晶質相および低結晶相よりなる群から選ばれる少なくとも1種からなることが好ましい。
【0022】
ここで、本発明において非晶質相とは、CuKα線を用いたX線回折法により、2θ値で20°〜40°の範囲に頂点を有するブロードな散乱帯を与える相をいう。また、低結晶相とは、結晶性の回折パターンを与える相であって、最も強い回折ピークの半価幅が0.6°以上の相をいう。回折ピークの半価幅が0.6°未満の場合、回折ピークが鋭くなり、結晶性が高くなる。前記合金が2種以上の相を有する複合合金である場合、少なくとも1つの相が非晶質相もしくは低結晶相であればよく、特に、全ての相が非晶質相であることが好ましい。
【0023】
非晶質相からなる単体金属や合金がリチウムを吸蔵する場合、生成するリチウム合金相あるいはリチウム挿入相は極微小である。さらに、それらを構成する結晶子を不規則に配向させることができるので、充電時にリチウムを吸蔵しても、活物質粒子全体としては、応力緩和が可能となる。
【0024】
これに対し、結晶相からなる単体金属や合金では、比較的大きなサイズの結晶子が規則的に配向しているので、リチウム挿入時に、結晶粒界に応力歪みを生じたり、組織の微細化を誘発したりする。このような相からなる活物質は、活性サイトの孤立化を促す原因となる体積変化の影響力をより強く受けることになる。つまり、結晶相からなる活物質の場合、結晶性の高さゆえに、リチウム挿入時には、結晶子内あるいは結晶子間での構造変化が大きくなり、結晶子同士を結ぶ粒界付近を中心に応力歪みを生じやすい。リチウム吸蔵量(充電深度)によっては、多結晶体を構成する結晶子がそれ自身の組織を維持できないほどの体積変化を起こし、粒界で電子伝導経路が断たれ、部分的な活性サイトの孤立を招く。この結果、充放電の可逆性の低下をもたらすものと考えられる。
【0025】
非晶質相や低結晶相からなる単体金属や合金を用いれば、このような活性サイトの孤立化を未然に抑止することができ、リチウムの吸蔵放出が円滑かつ均一に進行し、サイクル劣化を最小限に止めることが可能になると考えられる。
【0026】
本発明に用いられる正極および負極は、リチウムイオンを電気化学的かつ可逆的に吸蔵・放出できる正極活物質または負極活物質と、導電剤、結着剤などとを含む合剤層を芯材に担持させて活物質層を形成したものに限られず、物理的手法や化学的手法によって活物質層を形成した薄膜電極であってもよい。
低結晶相あるいは非晶質相からなる単体金属や合金を製造する方法としては、ガスアトマイズ法、液体急冷法、イオンビームスパッタリング法、真空蒸着法、メッキ法、気相化学反応法、メカニカルアロイ法などを適用することができる。特に、非晶質相からなる薄膜の活物質層を芯材上に形成する方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、CVD法、スパッタリング法、蒸着法、溶射法、またはメッキ法などが好ましい。これらの薄膜形成方法のうちでは、特に、CVD法、スパッタリング法、蒸着法を用いることが好ましい。
【0027】
前記単体金属あるいは合金が粒子状の場合、粒子径が45μmを超えると、実用電池の負極活物質層の厚さが80μm程度であることから、負極表面の凸凹が多くなり、電池特性が低くなる。このことから、好ましい粒子径は30μm以下である。
また、芯材に、シート状あるいは多孔質状の単体金属や合金をメッキして負極活物質を形成することもできる。このメッキ法としては、無電解メッキ法、電気メッキ法、溶融塩電解法などを適用することができる。
【0028】
本発明の非水電解質二次電池において、前記単体金属および合金よりなる群から選ばれる少なくとも一種は、5〜100nmの結晶子サイズを有することが好ましい。ここでは、結晶子サイズが5〜100nmの範囲にある結晶のことを微結晶とも称する。
【0029】
微結晶からなる単体金属や合金を負極活物質として用いることにより、リチウムを吸蔵した結晶子の膨張に伴う転位移動を結晶子間の粒界で進行を止めることができると考えられ、粒子割れの発生を抑制することができる。また、負極活物質の粒子割れを抑制することで、充放電サイクルによる劣化の少ない電池を得ることができる。
【0030】
結晶子サイズが100nmより大きい場合、結晶子間の粒界が減少するため、粒子割れを抑制する効果が減少してしまう。また、結晶子サイズが5nm未満の場合、結晶子間の粒界が多くなりすぎて、逆に、電子伝導性が低下する虞がある。電子伝導性が低下すると、過電圧が上昇し、電池容量の低下を招く原因となる。
【0031】
結晶子サイズは、例えば、広角X線回折(以下、WAXDと称する)測定により求めることができる。まず、単体金属や合金のWAXD測定を行い、得られた回折パターンにおける所定の結晶面に帰属するピークの半値幅β(rad)を、Scherrerの式:
D(nm)=0.9×λ/(β×cosθ) (1)
に代入することにより、結晶子サイズD(nm)を求めることができる。
ただし、式(1)において、λはX線波長(nm)(CuKα線の場合、1.5405nm)、θはピーク角度2θの半分の値(rad)である。
【0032】
WAXD測定により得られた回折パターンに、結晶面に帰属するピークが複数存在する場合は、一番強度の大きいメインピークに対して、Scherrerの式を適用し、結晶子サイズを求めればよい。
【0033】
結晶子サイズの測定方法としては、上記以外にも、AFM(atomic force microscope;原子間力顕微鏡)、TEM(transmission electron microscope;透過電子顕微鏡)などを用いることができる。
【0034】
本発明の非水電解質二次電池において、前記合金には、MαSnβSiγの組成を有するものを用いることが好ましい。前記組成において、(a)Mは、Ti、Ni、CuおよびFeよりなる群から選ばれる少なくとも1種であり、(b)0.1≦α≦10、(c)0≦β≦10および(d)0≦γ≦30が満たされ、βとγは同時に0ではないことが好ましい。αが0.1未満になると、実質的にMが含まれない場合と同様な状態となって、組成Mの意味合いがなくなり、10を超えると、Mが過剰な状態となって、Liを吸蔵するSnやSi量が減少し、容量が小さいものとなる。βが10を超えると、比較的にMの含有量が低下し、容量は増えるものの、Mの存在の意味がない状態となってしまう。また、γが30を超えると、比較的にMの含有量が低下し、容量は増えるものの、Mの存在の意味がない状態となってしまう。
【0035】
前記合金は、核粒子および前記核粒子表面の全部または一部を被覆する表面層からなる複合粒子であってもよい。前記核粒子は、SiおよびSnよりなる群から選ばれる少なくとも1種を含み、前記表面層は、Ti、Ni、CuおよびFeよりなる群から選ばれる少なくとも1種、ならびにSiおよびSnよりなる群から選ばれる少なくとも1種を含む、固溶体もしくは金属間化合物であることが好ましい。核粒子および表面層の少なくとも一方は、結晶子サイズが5〜100nmの微結晶からなることが好ましい。
【0036】
前記核粒子は、リチウムを充放電する活物質本来の役割を果たす。この核粒子が非晶質相または低結晶相あるいは微細な結晶子サイズを有することにより、リチウムを吸蔵しても、活物質粒子全体としての応力緩和が可能である。しかし、前記核粒子は、リチウムの容量密度が高い割に、放電容量が低いという問題を有している。一方、表面層は、電気伝導度が黒鉛と同程度に高く、サイクル特性が優れているが、容量密度が低いという問題を有している。そこで、核粒子および表面層からなる複合粒子を負極活物質に用いることにより、双方の問題を補うことができ高容量密度を有し、かつ、サイクル特性に優れた非水電解質二次電池を提供することができる。
【0037】
以下に、複合粒子の製造方法の一例について説明する。
まず、核粒子および表面層を構成する各元素の粉体またはブロックを加熱溶解槽中で溶融し、溶融物を超高速で急冷、凝固させる。この方法によれば、溶融物を急冷、凝固するときに、核粒子が形成され、その表面の少なくとも一部に、表面相が析出して核粒子を被覆し、複合粒子を得ることができる。ただし、一般にこのような合成法では、複合粒子を完全に非晶質化することが困難であり、結晶相を多く含む場合がある。そこで、この複合粒子に、ボールミルを用いて機械的せん断力をかけることにより、非晶質相あるいは低結晶相からなる複合粒子を得ることができる。そして、必要に応じて粉砕、分級などにより粒子径を調節する。
複合粒子を熱処理することにより、核粒子および表面相のそれぞれの相の均一性を高めることができるが、熱処理は必ずしも行う必要はない。なお、急冷、凝固の方法は上述した方法に限られるものではない。
【0038】
上述とは異なる別の複合粒子の製造方法について説明する。核粒子を構成する元素の粉末の表面に、表面相を構成する元素であって核粒子を構成する元素とは異なる元素を付着させ、全体を熱処理することにより、複合粒子を得ることができる。この熱処理により、核粒子中の元素が、その表面に付着した元素からなる層に拡散し、表面層が形成される。核粒子の表面に表面層を構成する元素を付着させる方法としては、メッキ法またはメカニカルアロイング法などを行うことができるが、これらに限定されるものではない。メカニカルアロイング法においては、熱処理を行わずに複合粒子を得ることもできる。
【0039】
なお、上述した複合粒子の製造法では、結晶相を完全に取り除くことは困難である。複合粒子をさらに非晶質化させるためには、グラインディングやミリング法などを繰り返し行うことが有効である。これらの方法により、組織の微細化が可能であり、また、メカノケミカル反応により、微小部分での不定比組成の合金相を等方的に配置することができる。つまり、粒子内に合金相を均質に分散し、配置することができる。
なお、複合粒子を作製せず、所望の出発原料の金属粉末を所定の組成で、グラインディングやミリング法を用いて、処理することによっても、非晶質化した複合粒子を作製することが可能である。
【0040】
本発明の非水電解質二次電池においては、前記極板群および前記非水電解質を収容する電池ケースとして、電極面に対向する面がケースの内側に凹んでいるケースを用いることが好ましい。ケースの端部の厚さ(A)と中央部の厚さ(B)との比:B/Aは、0.6<B/A<0.95を満たすことが好ましい。B/Aが0.6未満になると、極板群へ大きな圧迫力がかかるため、電気化学的反応が円滑に行われず、サイクル特性が低下する。一方、B/Aが0.95を超えると、極板群への圧迫力は、非常に小さなものとなるが、極板群内部での粒子間接触が不十分となって、電子抵抗が大きくなり、電気化学的反応が円滑に行われなくなるため、サイクル特性が低下する。
【0041】
本発明において、正極活物質には、従来公知のものを用いることができる。例えば、LixCoO2、LixNiO2、LixMnO2、LixCoyNi1−yO2、LixCoyM1−yOz、LixNi1−yMyOz、LixMn2O4、LixMn2−yMyO4(M=Na、Mg、Sc、Y、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Cr、Pb、Sb、Bのうち少なくとも1種であり、x=0〜1.2、y=0〜0.9、z=2.0〜2.3)などのリチウム含有遷移金属酸化物が用いられる。上記のx値は、充放電開始前の値であり、充放電により増減する。これ以外にも、遷移金属カルコゲン化物、バナジウム酸化物およびそのリチウム化合物、ニオブ酸化物およびそのリチウム化合物、有機導電性物質を用いた共役系ポリマー、シェブレル相化合物などの正極活物質を用いることも可能である。また、複数の異なった正極活物質を混合して用いることも可能である。正極活物質粒子の平均粒径は、特に限定することなく用いることができるが、好ましくは1〜30μmである。
【0042】
正極または負極用導電剤としては、使用する正極または負極活物質の充放電電位において、化学変化を起こさない電子伝導性材料であれば何でもよい。例えば、天然黒鉛(鱗片状黒鉛など)、人造黒鉛などのグラファイト類、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、サーマルブラックなどのカーボンブラック類、炭素繊維、金属繊維などの導電性繊維類、フッ化カーボン、アルミニウムなどの金属粉末類、酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー類、酸化チタンなどの導電性金属酸化物あるいはポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料などを単独またはこれらの混合物として含ませることができる。これらの導電剤のうち、特に、人造黒鉛、アセチレンブラックが好ましい。導電剤の添加量は、特に限定されないが、正極活物質に対して1〜50重量%が好ましく、特に1〜30重量%が好ましい。カーボンやグラファイトでは、2〜15重量%が特に好ましい。
【0043】
正極または負極用結着剤には、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれかを用いることができる。例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE樹脂)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、フッ化ビニリデン−ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体または前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−メタクリル酸共重合体または前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−アクリル酸メチル共重合体または前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−メタクリル酸メチル共重合体または前記材料の(Na+)イオン架橋体などがあり、これらの材料を単独または混合物として用いることができる。これらの結着剤のうち、正極用結着剤としては、特に、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を用いることが好ましい。また、負極用結着剤としては、特に、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、エチレン−アクリル酸共重合体または前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−メタクリル酸共重合体または前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−アクリル酸メチル共重合体または前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−メタクリル酸メチル共重合体または前記材料の(Na+)イオン架橋体を用いることが好ましい。
【0044】
正極用芯材には、用いる正極活物質の充放電電位に応じて、化学変化を起こさない電子伝導性材料であれば何でもよい。例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、チタン、炭素、導電性樹脂など以外にも、アルミニウムまたはステンレス鋼の表面に、カーボンあるいはチタンを処理させたものがある。これらの芯材のうち、特に、アルミニウムあるいはアルミニウム合金が好ましい。これらの材料の表面を酸化して用いることもできる。また、表面処理により芯材表面に凹凸を形成することが望ましい。芯材の形状は、フォイルの他、フィルム、シート、ネット、パンチされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群、不織布体の成形体などが用いられる。芯材の厚みは、特に限定されないが、1〜500μmが好ましい。
【0045】
負極用芯材には、作製した電池において化学変化を起こさない電子伝導体であれば何でもよい。例えば、ステンレス鋼、ニッケル、銅、チタン、炭素、導電性樹脂など以外にも、銅やステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケルあるいはチタンを処理させたものなどがある。これらの芯材のうち、特に、銅あるいは銅合金が好ましい。これらの材料の表面を酸化させて用いることもできる。また、表面処理により芯材表面に凹凸を形成することが望ましい。芯材の形状は、フォイルの他、フィルム、シート、ネット、パンチングされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体などが用いられる。芯材の厚みは、特に限定されないが、1〜500μmの厚みが好ましい。
【0046】
非水電解質は、溶媒と、その溶媒に溶解するリチウム塩とから構成されている。非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)などの環状カーボネート類、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジプロピルカーボネート(DPC)などの鎖状カーボネート類、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルなどの脂肪族カルボン酸エステル類、γ−ブチロラクトンなどのγ−ラクトン類、1,2−ジメトキシエタン(DME)、1,2−ジエトキシエタン(DEE)、エトキシメトキシエタン(EME)などの鎖状エーテル類、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどの環状エーテル類、ジメチルスルホキシド、1,3−ジオキソラン、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、プロピルニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エチルエーテル、1,3−プロパンサルトン、アニソール、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドンなどの非プロトン性有機溶媒などを挙げることができ、これらを1種または2種以上を混合して使用することができる。これらの非水電解質のうち、特に、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合系または環状カーボネート、鎖状カーボネートおよび脂肪族カルボン酸エステルとの混合系が好ましい。
【0047】
リチウム塩としては、例えばLiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAlCl4、LiSbF6、LiSCN、LiCl、LiCF3SO3、LiCF3CO2、Li(CF3SO2)2、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2、LiB10Cl1 0、低級脂肪族カルボン酸リチウム、LiBr、LiI、クロロボランリチウム、四フェニルホウ酸リチウム、イミド類などを挙げることができ、これらを使用する電解液などに単独または2種以上を組み合わせて使用することができる。これらのリチウム塩のうち、特に、LiPF6が好ましい。
【0048】
非水電解質のうち、特に、エチレンカーボネート(EC)を少なくとも含み、支持塩としてLiPF6を含む電解液が好ましい。非水電解質を電池内に添加する量は、特に限定されないが、正極または負極活物質の量や電池のサイズによって必要量を用いることができる。支持電解質の非水溶媒に対する溶解量は、特に限定されないが、0.2〜2mol/lが好ましい。特に、0.5〜1.5mol/lとすることがより好ましい。
【0049】
さらに、放電や充放電特性を改良する目的で、他の化合物を電解質に添加することも有効である。例えば、トリエチルホスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、n−グライム、ピリジン、ヘキサリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、クラウンエーテル類、第四級アンモニウム塩、エチレングリコールジアルキルエーテル、リン酸エステルなどを用いることができる。
【0050】
電極合剤には、導電剤や結着剤以外にも、フィラー、分散剤、イオン伝導体、圧力増強剤およびその他の各種添加剤を用いることができる。フィラーは、構成された電池において、化学変化を起こさせない材料であれば限定なく用いることができる。例えば、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)などのオレフィン系ポリマー、ガラス、炭素などの繊維が用いられる。フィラーの添加量は特に限定されないが、電極合剤に対して30重量%以下が好ましい。
【0051】
セパレータには、大きなイオン透過度および所定の機械的強度を有する電子絶縁性の微多孔性薄膜が用いられる。この薄膜の材質として、耐有機溶剤性と疎水性の観点からポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂などがあり、さらには耐熱性の観点からアラミド樹脂などを単独で、またはこれらを積層したもの、もしくは複合したものを用いることができる。
セパレータの厚みは、5〜100μmのものを用いることができるが、特に、5〜20μmが好ましい。
【0052】
本発明における負極板と正極板の構成は、少なくとも正極合剤面の対向面に負極合剤面あるいは薄膜負極活物質面が存在していることが好ましい。
【0053】
電池の形状は、コイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型、あるいは電気自動車などに用いる大型のものなどがあり、本発明はいずれの形状にも適用できる。本発明の非水電解質二次電池は、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などに用いることができるが、特にこれらに限定されるわけではない。
【0054】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【0055】
《実施例1》
(1)負極板の作製
(1−1)負極活物質粉末を用いた負極板の作製
本実施例で用いた負極活物質を表1、2に示す。表1には、4B族元素からなる単体金属または4B族元素を含む合金の負極活物質を示し、表2には、核粒子と表面層からなる複合粒子の負極活物質を示す。複合粒子には、20wt%の核粒子および80wt%の表面層からなるものを用いた。
【0056】
【表1】
【0057】
【表2】
【0058】
負極活物質を構成する各元素の粉体またはブロックを、加熱溶解槽中で溶融し、その溶融物をロール急冷法で急冷、凝固させて、結晶相からなる凝固物を得た。その凝固物を遊星ボールミル容器中に投入した後、15Gが印加されるように駆動モータの回転数を3700rpmに設定し、直径15mmのステンレス鋼製ボールを用い、メカニカルグラインディング処理を30分間または40時間行った。未処理の凝固物およびメカニカルグラインディング処理後に得られた材料を、それぞれ篩で45μm以下に分級することにより、種々の負極活物質を得た。
【0059】
得られた負極活物質を電子顕微鏡を用いて観察した結果、表2に示す複合材料においては、核粒子表面の全面または一部が表面層によって被覆されていることを確認した。また、表1および表2に示すメカニカルグラインディングを行う前の凝固物について、X線回折測定を行い、その結晶構造を確認したところ、検出された各回折ピークがシャープであり、凝固物は良好な結晶相であった。一方、メカニカルグラインディング処理を30分間行った材料については、検出された各回折ピークがブロード化し始めていたことから、結晶状態が崩れ始めていることが確認できた。これらの材料には、結晶子サイズ5〜100nmの微結晶相が残存しており、低結晶相であった。また、このときのピークの半価幅は0.001〜0.1°であった。メカニカルグラインディング処理を40時間行った材料については、各回折ピークは完全に消失しており、結晶指数の帰属が不可能な非晶質相であった。
【0060】
このように作製した負極活物質粉末材料を用いて、負極板を作製した。負極活物質75重量部に対し、導電剤である炭素粉末20重量部と結着剤であるポリフッ化ビニリデン樹脂5重量部を混合し、これらを脱水N−メチル−2−ピロリドンに分散させて、スラリー状の負極合剤を調製した。この負極合剤を銅箔からなる芯材上に塗布し、乾燥後、圧延して、負極活物質層を形成した。こうして負極板を完成した。
【0061】
(1−2)薄膜の負極活物質を用いた負極板の作製
本実施例で用いた負極活物質を表3に示す。
ここでは、シリコン薄膜を例に挙げて説明するが、スズ薄膜も、一般的に知られた同様の方法で作製することができる。
【0062】
【表3】
【0063】
芯材には、厚みが18μmの電解銅箔を用いた。
電解銅箔上に、Arガス雰囲気中でのRFスパッタリング法により、厚さ5μmのシリコン薄膜を形成し、この薄膜を負極活物質層とした。薄膜作製条件は、単結晶シリコンをターゲットとし、RF電力:400W、Arガス流量:50sccm、チャンバー内圧力:0.2Paとした。基板は加熱しなかった。
【0064】
上記条件で作製したシリコン薄膜は、ラマン分光分析により、非晶質薄膜であることがわかった。薄膜の厚みを表面粗さ計で測定したところ、5μmであった。この値は、スズ薄膜の場合でも同様であった。
【0065】
このようにして得られた薄膜を不活性ガス中で熱処理することによって結晶子サイズが5〜100nmになるまで微結晶化させた。このときのX線回折パターンのピークの半価幅は0.6°以上であった。さらに、熱処理温度などを制御することによって結晶子サイズが100nmを超えるまで結晶化させた。それぞれの薄膜電極には、マスキング処理によって薄膜が形成されていない部分を設け、銅箔の露出部から負極リードを引き出して、負極板を完成させた。
【0066】
(2)積層型電池の作製
図1に示すような積層型リチウム二次電池を作製した。
正極板12は次のように作製した。コバルト酸リチウム粉末85重量部と、導電剤の炭素粉末10重量部と、結着剤のポリフッ化ビニリデン樹脂5重量部とを混合し、これらを脱水N−メチル−2−ピロリドンに分散させて、スラリー状の正極合剤を作製した。この正極合剤をアルミニウム箔からなる芯材上に塗布し、乾燥後、圧延して、正極活物質層を形成し、正極板を完成した。
非水電解質には、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとの混合溶媒(体積比1:1)に、1.5mol/lの濃度でLiPF6を溶解したものを用いた。
【0067】
上記作製した負極板13と正極板12とを、セパレータ14を介して交互に積層し、スタック型の極板群を作製した。負極板13の芯材から負極リード16を引き出し、正極板12の芯材から正極リード15を引き出した。負極板1枚、正極板2枚を用いて積層した。
スタック状に積層した極板群を、両面に樹脂シートを有するアルミニウム箔(Alラミネートシート)からなる電池ケース11の内部に挿入した後、電池ケース11内に非水電解質を注液し、リード部溶着シール17で電池ケース11の開口部を封口した。
【0068】
また、黒鉛を活物質とした負極を用いる以外は、上記実施例と同様にして、比較例の積層型電池を作製した。
【0069】
(3)捲回型電池の作製
積層型電池を作製したときに用いたものと同様の材料を用いて長尺状の正極板と負極板を作製し、これらを用いて積層型と同じ容量の、図2に示すような捲回型リチウム二次電池を作製した。
負極板23と正極板22とをセパレータ24を介してスパイラル状に捲回し、プレス加工によって扁平化した極板群を作製した。極板群は電池ケース21内に収納した。負極板23からリードを引き出して電池ケース21の底部に接続した。正極板22からリードを引き出して正極端子(図示せず)に接続した。そして、非水電解質を電池ケース21内に注液し、電池ケース21の開口部を封口板で密封した。
【0070】
また、黒鉛を活物質とした負極を用いる以外は、上記実施例と同様にして、比較例の捲回型電池を作製した。
【0071】
(4)電池の評価
電池を1Aの定電流で、4.1Vになるまで充電した後、1Aの定電流で2.5Vになるまで放電し、これを1サイクルとした。また、1サイクル目の放電容量(mAh)を測定した。この充放電サイクルを100回繰り返し、1サイクル目の放電容量に対する100サイクル目の放電容量の割合を百分率で求め、100サイクル後の容量維持率X(%)とした。また、100サイクル目の充電状態の電池の厚さY(mm)を測定した。充放電開始前の電池の厚さは5mmであった。試験は20℃の恒温槽中で行った。結果を表1〜3に示す。
【0072】
[単体金属または合金の負極活物質を用いた電池の評価]
表1の結果から分かるように、積層型または捲回型のいずれの電池の場合でも、1サイクル目の放電容量は900mAhであり、負極活物質を黒鉛としたときの放電容量(700mAh)よりも高かった。
積層型電池において、活物質が低結晶相の場合、容量維持率Xは80〜90%、電池の厚さYは5mmであった。また、活物質が非晶質相の場合、容量維持率Xは90〜95%、電池の厚さYは5mmであった。負極活物質が低結晶相または非晶質相の電池では、高い容量維持率を保持したまま、電池の厚さに変化は見られなかった。つまり、負極活物質を黒鉛とした場合と同様に、高サイクル特性を維持したまま、電池の膨れを抑制することができた。
これは、低結晶相または非晶質相においては、結晶子が不規則に配向されているため、リチウムが挿入されても粒子全体の体積変化があまり起こらないためと考えられる。また、非晶質相においては、より不規則に結晶子が配向されているため、低結晶相の負極活物質を用いた場合よりも高い容量維持率Xが得られた。
【0073】
活物質が結晶相の場合、すべての負極活物質において、電池の厚さYに変化が見られなかったものの、容量維持率Xが30〜50%まで低下した。
これは、結晶相においては、結晶子サイズが大きいため、リチウム挿入時に大きな体積変化が起こるためと考えられる。
【0074】
一方、捲回型電池の場合、活物質が結晶相または低結晶相、あるいは非晶質相のとき、すべての負極活物質において、容量維持率Xの値は、積層構造の場合とほぼ同様の値であった。しかし、電池の厚さYは6mmであり、電池の膨れが生じた。比較として、負極活物質を黒鉛とした捲回型電池では、電池の膨れは見られなかった。
これは、捲回型電池の極板群のR部が強く固定された状態となっているために、挫屈による膨れが加わって、電池の膨れをより大きなものにしていると考えられる。
【0075】
[複合粒子の負極活物質を用いた電池の評価]
表2の結果から分かるように、負極活物質を複合粒子とした場合でも表1と同様の傾向の測定結果を得た。負極活物質が低結晶相または非晶質相の積層型電池では、高い容量維持率を保持したまま、電池の厚さに変化は見られなかった。
これは、複合粒子を構成する核粒子および表面層のうち、少なくともいずれか一方が低結晶相または非晶質相を有することにより、リチウムが挿入されても粒子全体の応力緩和が可能となるためと考えられる。
活物質が結晶相の積層型電池においても、電池の厚さYに変化が見られなかったものの、容量維持率Xは50〜70%まで低下した。
一方、電池の構造を捲回型とした場合でも、表1と同様に全ての負極活物質において、電池の膨れが見られた。
【0076】
[薄膜の負極活物質を用いた電池の評価]
表3の結果から分かるように、負極活物質をSiまたはSnの薄膜とした場合でも、表1と同様の傾向の測定結果を得た。負極活物質が低結晶相または非晶質相の積層型電池では、高い容量維持率を保持したまま、電池の厚さに変化は見られなかった。
これは、低結晶相または非晶質相においては、結晶子が不規則に配向されているため、リチウムが挿入されても粒子全体の体積変化があまり起こらないためと考えられる。
活物質が結晶相の積層型電池においても、電池の厚さYに変化が見られなかったものの、容量維持率Xは50%まで低下した。
一方、電池の構造を捲回型とした場合でも、表1と同様に全ての負極活物質において、電池の膨れが見られた。
【0077】
《実施例2》
負極容量密度の範囲について詳細に検討するために、Siの薄膜の負極活物質を用いて、積層型および捲回型の電池を作製した。負極容量密度は、薄膜の成膜密度を変化させることにより、400〜1200mAh/ccの範囲で100mAh/cc毎に変化させて測定した。
【0078】
電池を1Aの定電流で、4.1Vになるまで充電した後、1Aの定電流で2.5Vになるまで放電し、これを1サイクルとした。また、1サイクル目の放電容量(mAh)を測定した。この充放電サイクルを100回繰り返し、1サイクル目の放電容量に対する100サイクル目の放電容量の割合を百分率で求め、100サイクル後の容量維持率X(%)とした。また、100サイクル目の充電状態の電池の厚さY(mm)を測定した。充放電開始前の電池の厚さは5mmであった。試験は20℃の恒温槽中で行った。その結果を表4に示す。
【0079】
【表4】
【0080】
表4の結果から分かるように、負極容量密度が400mAh/ccのとき、積層型電池では、すべての結晶構造において、実施例1と同様の値を得た。一方、捲回型電池では、すべての結晶構造において、実施例1の結果よりも電池の厚さY(5.5mm)を抑制することができた。しかし、いずれの電池においても、1サイクル目の放電容量は600mAhであり、負極活物質を黒鉛とした場合の放電容量(700mAh)の値よりも低かった。
これは、負極板の負極容量密度が小さいと、それにともなって活物質量も少なくなるため、吸蔵されるリチウムの量が黒鉛の場合よりも少なくなったためと考えられる。
【0081】
負極容量密度が500〜1000mAh/ccのとき、捲回型電池では、すべての負極活物質において、負極容量密度が高くなるほど、電池の厚さYも大きくなった。一方、積層型電池では、すべての負極活物質において、実施例1と同様の値を得た。また、いずれの電池においても1サイクル目の放電容量は、負極容量密度が高くなるほど高い値を得た。それらの値は、負極活物質を黒鉛とした場合の放電容量(700mAh)よりも高い値であった。
【0082】
負極容量密度が1200mAh/ccのとき、積層型および捲回型のいずれの電池においても、1サイクル目の放電容量は最も高い値を得た。しかし、容量維持率Xは急激に低下した。
これは、負極板が過剰に大きな負極容量密度を有すると、活物質量も過剰になり、極板中の空間部分が少なくなるため、そこに注入される電解液の量も少なくなる。そのため、リチウムイオンの輸送に必要な電解液の量が、活物質量に対して不十分となる。従って、負極板の電荷移動抵抗が大きくなり、サイクル特性が悪くなると考えられる。
【0083】
負極活物質を構成する元素の混合比率は、特に限定されるものではない。負極活物質が複合粒子の場合、核粒子がSn、Siを主な元素とした相であり、表面層が核粒子表面の全部または一部を被覆し、かつ少なくともいずれか一方の相が非晶質状態であればよく、仕込み組成を特に限定するものではない。さらに、核粒子は、Sn、Siのみからだけではなく、それ以外にも、例えば、O、C、N、S、Ca、Mg、Al、Fe、W、V、Ti、Cu、Cr、Co、Pなどの元素が微量に存在していてもよい。表面層は表2に示した合金のみからだけではなく、それ以外にも、例えば、O、C、N、S、Ca、Mg、Al、Fe、W、V、Ti、Cu、Cr、Co、Pなどの元素が微量に存在していてもよい。
【0084】
負極板の作製法は、上述した方法以外にも、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、化学気相反応法、電解メッキ法を用いてもよい。また、これらの方法により作製された電池についても、充放電サイクルによる容量維持率が高いことを確認した。
【0085】
なお本実施例では正極活物質としてLiCoO2を用いたが、LiMn2O4、LiNiO2などをはじめとする、充放電に対して可逆性を有する正極活物質と組み合わせた場合にも同様の効果を得ることができることはいうまでもない。
【0086】
《実施例3》
本発明の電池ケースの構造について検討を行った。
(1)正極板の作製
正極活物質、90重量部と、導電剤のアセチレンブラック、5重量部と、結着剤のポリフッ化ビニリデン樹脂、5重量部とを混合し、これらを脱水N−メチル−2−ピロリドンに分散させて、スラリー状の正極合剤を調製した。この正極合剤をアルミニウム箔からなる芯材上に塗布し、乾燥後、圧延して正極活物質層を形成して、正極板を完成した。
【0087】
(2)負極板の作製
TiSi2粉末、90重量部と、導電剤の黒鉛、5重量部と、結着剤のポリフッ化ビニリデン樹脂、5重量部とを混合し、これらを脱水N−メチル−2−ピロリドンに分散させて、スラリー状の負極合剤を調製した。この負極合剤を銅箔からなる芯材上に塗布し、乾燥後、圧延して負極活物質層を形成して、負極板を完成した。
【0088】
(3)積層型電池の作製
上記作製した正極板と負極板とを、セパレータを介して交互に積層しスタック型の極板群を作製した。負極板の芯材から負極リードを引き出し、正極板の芯材から正極リードを引き出した。負極板1枚、正極板2枚を用いて積層した。
スタック状に積層した極板群を、両面に樹脂シートを有するアルミニウム箔(Alラミネートシート)からなる電池ケースの内部に挿入した後、電池ケース11に非水電解質を注液し、リード部溶着シールで電池ケースの開口部を封口した。非水電解質には、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとの混合溶媒(体積比1:1)に、1.5mol/lの濃度でLiPF6を溶解したものを用いた。
【0089】
(4)捲回型電池の作製
積層型電池を作製したときに用いたものと同様の材料を用いて長尺状の正極板と負極板を作製し、これらを用いて積層型と同じ容量の捲回型リチウム二次電池を作製した。
負極板と正極板とをセパレータを介してスパイラル状に捲回し、プレス加工によって扁平化した極板群を作製した。極板群は電池ケース内に収納した。負極板からリードを引き出して電池ケースの底部に接続した。正極板からリードを引き出して正極端子に接続した。そして、非水電解質を電池ケース内に注液し、電池ケースの開口部を封口板で密封した。
【0090】
(5)電池ケースの成形
本実施例の電池ケースの原料には、純アルミニウム系(JIS−1000系)の組成材料を用い、多段プレス法によって、電池ケースの成形を行った。そして、ケースを最終的に封口する工程を行う前に、電池ケース内を減圧することにより、ケースの電極面に対向する面を電池ケースの内側に凹ませた。図3に電池ケースの一例の断面概略図を示す。電池ケースの端部の厚さA(mm)と中央部の厚さB(mm)との比(B/A)が、0.5≦B/A≦1.0の範囲について、実施例1と同様に、1サイクル目の放電容量(mAh)と、100サイクル後の容量維持率X(%)と電池の厚さY(mm)とを測定した。
【0091】
[電池の評価]
電池を1Cの放電電流で2.5Vまで放電し、電池の形状について測定した。その結果を表5に示す。
【0092】
【表5】
【0093】
表5の結果から分かるように、B/Aが0.5のとき、積層型および捲回型のいずれの電池においても、容量維持率Xがかなり小さい値であった。
これは、ケースの凹部が過剰な凹みを有しているため、極板群へ大きな圧迫力がかかるためと考えられる。特に、充電過程では、電解液が電極板やセパレータ内部から押し出される状態となり、電気化学的反応が円滑に行れなくなるため、サイクル特性が悪化するものと考えられる。
【0094】
B/Aが0.6〜0.95のとき、捲回型電池では、B/Aの値が大きくなるほど、電池の厚さYも大きくなった。積層型電池では、電池の厚さYに変化はなかった。
これは、電池の充放電サイクルにより生じる極板群の膨れを、電池ケースの凹部を外側へ押し出すことにより、緩和することができるためである。なお、極板群の膨れにより、電池ケースの端部の厚さAが変化することはない。
【0095】
B/Aが1.0のとき、積層型および捲回型のいずれの電池においても、容量維持率Xがかなり小さい値であった。
これは、極板群への圧迫力が非常に小さくなるため、B/Aが1.0より小さい場合よりも、極板群内部での粒子間接触が不十分となって、電子抵抗が大きくなり、電気化学的反応が円滑に行われなくなるため、サイクル特性が悪化するものと考えられる。
【0096】
なお、本実施例の電池ケースは、純アルミニウム系(JIS−1000系)組成材料を用いて作製したが、組成としてはこの他に鉄、ニッケル、銅、ステンレス、またはAl−Mn系などのアルミニウム合金、チタン、亜鉛などを用いても良い。
また、電池ケ−スの作製方法は、多段プレス法による以外にも、鋳造や熱間圧延、冷間圧延、焼鈍などの方法を用いても良い。また、一体成形でなく、溶接やカシメなどの製造方法によってもよい。
また、凹部の調整は上記のように、組み立ての最終工程で封口する前に、ケ−ス内を減圧することによって行ってもよく、これ以外にも、ケ−ス作製時に凹部の形状を作製してもよい。
【0097】
【発明の効果】
本発明によれば、負極活物質を改良するとともに積層型の極板群を採用することにより、充放電時の電池の膨れを抑制し、かつ、高容量でサイクル特性に優れた非水電解質二次電池を提供することができる。また、非水電解質二次電池を収容する電池ケースにおいて、電極面に対向する面がケースの内側に凹みを有することにより、充放電時に生じる極板群の膨れが凹部を外側に押し出すことにより、電池ケースの端部の厚みを変更させることがない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1による角形の積層型リチウム二次電池の一例の断面概略図である。
【図2】比較例による角形の捲回型リチウム二次電池の一例の断面概略図である。
【図3】本発明の実施例3による電池ケースの一例の断面概略図である。
【符号の説明】
11、21 電池ケース
12、22 正極板
13、23 負極板
14、24 セパレータ
15 正極リード
16 負極リード
17 リード部溶着シール[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a prismatic non-aqueous electrolyte secondary battery having improved negative electrode material, long life and high reliability. The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is suitable for a portable information terminal, a portable electronic device, a small household power storage device, a motorcycle powered by a motor, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, and the like.
[0002]
[Prior art]
In recent years, non-aqueous electrolyte secondary batteries having features such as high electromotive force and high energy density, particularly lithium secondary batteries, have been used as power sources for mobile communication devices and portable electronic devices. When a single lithium metal is used as the negative electrode material, a lithium secondary battery having the highest energy density can be obtained, but there is a problem that dendrite easily grows on the negative electrode surface during charging. When the dendrite pierces the separator and reaches the positive electrode side during repeated charging and discharging, an internal short circuit occurs. In addition, the dendrite deposited on the negative electrode surface has a high specific surface area, so the reaction activity is high, and reacts with the solvent in the electrolytic solution to form a solid electrolyte-like interface film lacking electron conductivity on the surface. . Therefore, the dendrite also causes a reduction in the charge / discharge efficiency of the battery. As described above, the lithium secondary battery using the lithium metal alone as the negative electrode material has problems in reliability and cycle life characteristics.
[0003]
At present, a carbon material capable of occluding and releasing lithium ions has been put to practical use as a negative electrode material replacing lithium metal. Since the carbon material usually stores lithium therein, problems such as internal short circuit due to dendrite can be avoided. However, the theoretical capacity of a carbon material is considerably smaller than the theoretical capacity of lithium metal alone. For example, graphite, a kind of carbon material, has a theoretical capacity of 372 mAh / g, which is only about one tenth of that of lithium metal alone, and is not sufficient.
[0004]
As a negative electrode material expected to have a higher capacity than a carbon material, for example, a simple metal material or a simple nonmetal material that forms a compound with lithium is known. For example, silicon (Si) and tin (Sn) are respectively Li22Si5, Li22Sn5It is possible to occlude lithium until the composition shown by Normally, metallic lithium does not precipitate within the above composition range, so that problems such as internal short circuit due to dendrite can be avoided. The theoretical capacities of the above materials are 4199 mAh / g and 993 mAh / g, respectively, which are much larger than the theoretical capacities of carbon materials such as graphite.
[0005]
Further, as another anode material for forming a compound with lithium, at least one selected from the group consisting of a non-ferrous metal silicide composed of a transition element (for example, see Patent Document 1), a Group 4B element, and P and Sb Consisting of an intermetallic compound containing the element2For example, a material of any one of a mold type, a ZnS type, and an AlLiSi type (for example, see Patent Document 2) has been proposed. These are used for the purpose of improving discharge cycle characteristics.
[0006]
Attempts have also been made to improve the above-mentioned metal-based materials to achieve more excellent cycle characteristics. For example, a negative electrode material composed of a solid solution composed of two solid phases or an intermetallic compound has been proposed (for example, see Patent Document 3). By using such a negative electrode material, it is possible to obtain a battery having a higher capacity and an excellent charge / discharge cycle than when a carbon material is used.
There has also been proposed a negative electrode in which a particulate electrode material having a controlled particle diameter is supported on a flat current collector (for example, see Patent Document 4). According to this negative electrode, it is possible to obtain a battery having a long cycle life, a high capacity, a high energy density, and a somewhat suppressed volume expansion / contraction during charge / discharge.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-7-240201
[Patent Document 2]
JP-A-9-63651
[Patent Document 3]
JP 2000-30703 A
[Patent Document 4]
JP-A-11-242954
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in recent years, there has been an active trend toward higher functionality of portable devices and larger batteries such as electric vehicles, and the demand for longer life of batteries as power sources for driving has been further increased. . It is difficult for conventional negative electrode materials to sufficiently meet such demands.
[0009]
The negative electrode materials described in Patent Literatures 1 to 3 have improved composition, phase structure, and alloy structure of the alloy material, so that the cycle characteristics can be improved to a certain extent, but the volume change during charge and discharge is reduced. The deterioration of the cycle characteristics due to the large size has not been solved. Deterioration of cycle characteristics due to such a volume change is a common problem for metals and alloys capable of storing lithium.
[0010]
Considering the expansion coefficient of the active material during charging based on crystallographic values, for example, when the active material is made of silicon or tin, the maximum insertion amount of lithium per mole of each active material is , 4.4 moles. On the other hand, the theoretical volume expansion coefficients after the insertion before and after the lithium insertion calculated from the crystal lattice volume are 410% for silicon and 358% for tin. When a negative electrode active material having such a large expansion coefficient is used to manufacture an electrode or a battery by a conventional configuration or process, the cycle is caused by deformation of the electrode plate group during charging and discharging and uneven distribution of the electrolyte. The characteristics may be deteriorated, or in the worst case, the appearance of the battery may be deformed.
[0011]
If the negative electrode material described in Patent Document 4 is used, fine pores are present inside the electrode plate, so that volume expansion of the metal active material during charging can be suppressed to some extent. However, in order to completely absorb the volume expansion, an advanced design technique for the pore size is required, which is not industrially easy.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is based on the following findings.
When the charge / discharge cycle of a rectangular battery having a wound electrode group having a substantially elliptical cross section is repeated over a long period of time, it is difficult to suppress battery swelling due to electrode plate expansion. Here, the wound electrode plate group has a structure in which a separator is interposed between a long negative electrode plate and a long positive electrode plate, and these are spirally wound.
[0013]
In the volume expansion of the negative electrode plate occurring during charging, since the expansion rate in the thickness direction of the negative electrode plate is large, the wound electrode group having a substantially elliptical cross section is mainly in the short axis direction of the electrode group section. Causes swelling. On the other hand, at a corner portion (hereinafter, referred to as an R portion) of such an electrode plate group, since a relatively strong tension is applied to the electrode plate, the R portion is in a strongly fixed state, and a space for expansion is provided. There is not enough room. For this reason, during charging, an excessive force is generated in the direction of the center of the electrode group, and the electrode plates inside the group are deformed. As a result, not only swelling due to expansion of the negative electrode plate in the thickness direction but also swelling due to deformation of the electrode plate (hereinafter referred to as “buckling”) is applied to the wound electrode group during charging. It is considered that the bulging of the sphere becomes larger.
[0014]
In the present invention, in order to suppress the swelling of the battery during charge and discharge, and to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery with high capacity and excellent cycle characteristics, the anode active material is improved and a laminated electrode plate is provided. Adopt a group.
[0015]
That is, the present invention provides a non-aqueous electrolyte secondary comprising an electrode group and a non-aqueous electrolyte in which a positive electrode capable of inserting and extracting lithium and a negative electrode capable of inserting and extracting lithium are alternately laminated via a separator. In the battery, the positive electrode includes a positive electrode active material layer and a core material supporting the same, the negative electrode includes a negative electrode active material layer and a core material supporting the same, and the negative electrode active material layer includes a group 4B element. The negative electrode active material layer is a nonaqueous electrolyte secondary battery having a volume capacity density of 500 mAh / cc or more, comprising at least one selected from the group consisting of a simple metal and an alloy containing a Group 4B element. The volume capacity density is preferably from 600 to 1000 mAh / cc.
[0016]
It is preferable to use at least one element selected from the group consisting of Si and Sn as the group 4B element. Further, at least one selected from the group consisting of the simple metals and alloys has at least one state selected from the group consisting of an amorphous phase and a low crystalline phase, or has a crystallite size of 5 to 100 nm. Is preferred.
[0017]
The alloy is MαSnβSiγIt is preferable to have the following composition. In the above composition, (a) M is at least one selected from the group consisting of Ti, Ni, Cu and Fe, (b) 0.1 ≦ α ≦ 10, (c) 0 ≦ β ≦ 10, and (D) 0 ≦ γ ≦ 30 is satisfied, and β and γ are not simultaneously 0.
As the alloy, composite particles composed of core particles and a surface layer covering all or a part of the surface of the core particles may be used. The core particles include at least one selected from the group consisting of Si and Sn. The surface layer is preferably a solid solution or an intermetallic compound containing at least one selected from the group consisting of Ti, Ni, Cu and Fe, and at least one selected from the group consisting of Si and Sn.
[0018]
The electrode group and the non-aqueous electrolyte are usually housed in a battery case. It is preferable that a surface of the battery case facing the electrode surface is recessed inside the case. It is preferable that the ratio B / A of the thickness (A) of the end portion of the case to the thickness (B) of the central portion satisfies 0.6 <B / A <0.95.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention includes an electrode group and a nonaqueous electrolyte in which a positive electrode capable of inserting and extracting lithium and a negative electrode capable of inserting and extracting lithium are alternately stacked via a separator. . The positive electrode includes a positive electrode active material layer and a core material supporting the same, and the negative electrode includes a negative electrode active material layer and a core material supporting the same. The negative electrode active material layer is made of at least one selected from the group consisting of a simple metal composed of a Group 4B element and an alloy containing a Group 4B element, and has a volume capacity density of 500 mAh / cc or more. If the volume capacity density is less than 500 mAh / cc, buckling does not occur, but the capacity is not sufficient because the charge / discharge cycle has a value similar to that of the carbon material. The volume capacity density is preferably from 600 to 1000 mAh / cc.
[0020]
Even when a negative electrode having a high capacity density is used, it is possible to obtain an electrode group in which deformation (buckling) of an internal electrode plate does not occur during charging by forming an electrode group having a laminated structure. In the case of a stacked electrode group, the negative electrode plate expands in the thickness direction during charging, but the factor of buckling of the electrode group is eliminated. Therefore, a square non-aqueous electrolyte secondary battery having excellent cycle characteristics can be obtained without swelling of the battery more than necessary.
[0021]
In the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the group 4B element is preferably at least one selected from the group consisting of Si and Sn, since a high capacity is obtained. Further, it is preferable that at least one selected from the group consisting of the simple metals and the alloy comprises at least one selected from the group consisting of an amorphous phase and a low crystalline phase.
[0022]
Here, in the present invention, the amorphous phase refers to a phase that gives a broad scattering band having a peak in the range of 20 ° to 40 ° in 2θ value by an X-ray diffraction method using CuKα radiation. The low crystalline phase is a phase that gives a crystalline diffraction pattern, and refers to a phase in which the half width of the strongest diffraction peak is 0.6 ° or more. When the half width of the diffraction peak is less than 0.6 °, the diffraction peak becomes sharp and the crystallinity increases. When the alloy is a composite alloy having two or more types of phases, at least one phase may be an amorphous phase or a low crystalline phase, and it is particularly preferable that all phases are amorphous phases.
[0023]
When a single metal or alloy composed of an amorphous phase absorbs lithium, the generated lithium alloy phase or lithium insertion phase is extremely small. Furthermore, since the crystallites constituting them can be oriented irregularly, stress can be relaxed as a whole of the active material particles even if lithium is inserted during charging.
[0024]
On the other hand, in a single metal or alloy composed of a crystalline phase, crystallites having a relatively large size are regularly oriented, so that when lithium is inserted, stress distortion occurs at the crystal grain boundaries or the structure becomes finer. Or trigger. An active material composed of such a phase is more strongly affected by a volume change which causes isolation of an active site. In other words, in the case of an active material composed of a crystalline phase, structural changes within crystallites or between crystallites increase when lithium is inserted due to the high crystallinity, and stress distortion occurs around a grain boundary connecting crystallites. Tends to occur. Depending on the amount of lithium absorbed (depth of charge), the crystallites that make up the polycrystal undergo a volume change that cannot maintain their own structure, cutting off the electron conduction path at the grain boundaries and partially isolating active sites. Invite. As a result, it is considered that the reversibility of charge and discharge is reduced.
[0025]
The use of a single metal or alloy composed of an amorphous phase or a low crystalline phase can prevent such isolation of active sites beforehand, and the occlusion and release of lithium can proceed smoothly and uniformly, and cycle deterioration can occur. It will be possible to minimize it.
[0026]
The positive electrode and the negative electrode used in the present invention have, as a core material, a mixture layer containing a positive electrode active material or a negative electrode active material capable of electrochemically and reversibly absorbing and releasing lithium ions, a conductive agent, a binder and the like. The active material layer is not limited to the one in which the active material layer is formed by being carried, but may be a thin film electrode in which the active material layer is formed by a physical method or a chemical method.
Methods for producing simple metals or alloys composed of a low crystalline phase or an amorphous phase include gas atomization, liquid quenching, ion beam sputtering, vacuum evaporation, plating, gas phase chemical reaction, mechanical alloying, etc. Can be applied. In particular, a method for forming a thin-film active material layer made of an amorphous phase on a core material is not particularly limited, and examples thereof include a CVD method, a sputtering method, a vapor deposition method, a thermal spray method, and a plating method. Are preferred. Among these thin film forming methods, it is particularly preferable to use a CVD method, a sputtering method, or an evaporation method.
[0027]
When the single metal or alloy is in the form of particles, if the particle diameter exceeds 45 μm, the thickness of the negative electrode active material layer of a practical battery is about 80 μm, so the number of irregularities on the negative electrode surface increases, and the battery characteristics decrease. . For this reason, the preferred particle size is 30 μm or less.
Further, the core material may be plated with a sheet-shaped or porous single metal or alloy to form the negative electrode active material. As the plating method, an electroless plating method, an electroplating method, a molten salt electrolytic method, or the like can be applied.
[0028]
In the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, it is preferable that at least one selected from the group consisting of the above-mentioned simple metals and alloys has a crystallite size of 5 to 100 nm. Here, a crystal having a crystallite size in the range of 5 to 100 nm is also referred to as a microcrystal.
[0029]
By using a single metal or alloy composed of microcrystals as the negative electrode active material, it is thought that the dislocation movement accompanying the expansion of the crystallites storing lithium can be stopped at the grain boundaries between the crystallites, and the generation of particle cracks is considered. Generation can be suppressed. Further, by suppressing the particle cracking of the negative electrode active material, a battery with less deterioration due to charge / discharge cycles can be obtained.
[0030]
When the crystallite size is larger than 100 nm, the grain boundary between crystallites decreases, and the effect of suppressing particle cracking decreases. When the crystallite size is less than 5 nm, the number of grain boundaries between crystallites becomes too large, and conversely, electron conductivity may be reduced. When the electron conductivity decreases, the overvoltage increases, which causes a reduction in battery capacity.
[0031]
The crystallite size can be determined, for example, by wide-angle X-ray diffraction (hereinafter, referred to as WAXD) measurement. First, WAXD measurement of a single metal or alloy is performed, and the half-value width β (rad) of a peak belonging to a predetermined crystal plane in the obtained diffraction pattern is calculated by Scherrer's formula:
D (nm) = 0.9 × λ / (β × cos θ) (1)
By substituting into the above, the crystallite size D (nm) can be obtained.
In Equation (1), λ is the X-ray wavelength (nm) (1.5405 nm in the case of CuKα radiation), and θ is half the value (rad) of the peak angle 2θ.
[0032]
When there are a plurality of peaks belonging to the crystal plane in the diffraction pattern obtained by the WAXD measurement, the crystallite size may be obtained by applying the Scherrer equation to the main peak having the largest intensity.
[0033]
As a method for measuring the crystallite size, in addition to the above methods, AFM (atomic force microscope; atomic force microscope), TEM (transmission electron microscope), or the like can be used.
[0034]
In the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the alloy includes MαSnβSiγIt is preferable to use one having the following composition: In the above composition, (a) M is at least one selected from the group consisting of Ti, Ni, Cu and Fe, (b) 0.1 ≦ α ≦ 10, (c) 0 ≦ β ≦ 10 and ( d) It is preferable that 0 ≦ γ ≦ 30 is satisfied, and β and γ are not simultaneously 0. When α is less than 0.1, the state is substantially the same as that when M is not contained, meaning of the composition M is lost, and when it exceeds 10, M becomes an excessive state and occludes Li. The amount of Sn or Si to be reduced decreases, and the capacitance becomes small. When β exceeds 10, the content of M is relatively reduced and the capacity is increased, but there is no meaning of the existence of M. On the other hand, if γ exceeds 30, the content of M is relatively reduced and the capacity is increased, but the presence of M is meaningless.
[0035]
The alloy may be a composite particle comprising a core particle and a surface layer covering all or a part of the surface of the core particle. The core particles include at least one member selected from the group consisting of Si and Sn, and the surface layer has at least one member selected from the group consisting of Ti, Ni, Cu, and Fe, and a group consisting of Si and Sn. It is preferably a solid solution or an intermetallic compound containing at least one selected from. At least one of the core particles and the surface layer is preferably composed of microcrystals having a crystallite size of 5 to 100 nm.
[0036]
The core particles play an essential role of an active material that charges and discharges lithium. When the core particles have an amorphous phase, a low crystal phase, or a fine crystallite size, stress relaxation of the entire active material particles can be achieved even if lithium is absorbed. However, the core particles have a problem that the discharge capacity is low in spite of the high capacity density of lithium. On the other hand, the surface layer has a problem that the electrical conductivity is as high as graphite and the cycle characteristics are excellent, but the capacity density is low. Therefore, by using a composite particle composed of a core particle and a surface layer as a negative electrode active material, a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high capacity density that can compensate for both problems and has excellent cycle characteristics is provided. can do.
[0037]
Hereinafter, an example of a method for producing a composite particle will be described.
First, the core particles and the powder or block of each element constituting the surface layer are melted in a heating and melting tank, and the melt is rapidly cooled and solidified at an ultra-high speed. According to this method, when the melt is quenched and solidified, core particles are formed, and a surface phase is deposited on at least a part of the surface to coat the core particles, thereby obtaining composite particles. However, it is generally difficult to completely amorphize the composite particles by such a synthesis method, and the composite particles may include a large amount of a crystalline phase. Then, by applying mechanical shearing force to the composite particles using a ball mill, composite particles composed of an amorphous phase or a low crystalline phase can be obtained. Then, the particle size is adjusted by pulverization, classification, and the like as necessary.
By heat-treating the composite particles, the homogeneity of each of the core particles and the surface phase can be increased, but the heat treatment is not necessarily performed. In addition, the method of rapid cooling and solidification is not limited to the method described above.
[0038]
A method for producing another composite particle different from the above will be described. Composite particles can be obtained by attaching an element constituting the surface phase, which is different from the element constituting the core particles, to the surface of the powder of the element constituting the core particles and subjecting the whole to a heat treatment. By this heat treatment, the elements in the core particles are diffused into a layer made of the elements attached to the surface, and a surface layer is formed. As a method of attaching the element constituting the surface layer to the surface of the core particles, a plating method, a mechanical alloying method, or the like can be performed, but is not limited thereto. In the mechanical alloying method, composite particles can be obtained without performing heat treatment.
[0039]
Note that it is difficult to completely remove the crystal phase by the above-described method for producing composite particles. In order to further amorphize the composite particles, it is effective to repeatedly perform grinding, milling, or the like. By these methods, the microstructure can be refined, and the alloy phase having a non-stoichiometric composition at the minute portion can be isotropically arranged by the mechanochemical reaction. That is, the alloy phase can be uniformly dispersed and arranged in the particles.
Amorphous composite particles can also be produced by processing metal powder of a desired starting material with a predetermined composition using a grinding or milling method without producing composite particles. It is.
[0040]
In the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, it is preferable to use a case in which the surface facing the electrode surface is recessed inside the case, as the battery case that houses the electrode group and the nonaqueous electrolyte. The ratio B / A of the thickness (A) at the end of the case to the thickness (B) at the center preferably satisfies 0.6 <B / A <0.95. When B / A is less than 0.6, a large pressing force is applied to the electrode plate group, so that the electrochemical reaction is not smoothly performed, and the cycle characteristics deteriorate. On the other hand, when B / A exceeds 0.95, the pressing force on the electrode group becomes very small, but the contact between particles inside the electrode group becomes insufficient and the electronic resistance becomes large. As a result, the electrochemical reaction is not performed smoothly, so that the cycle characteristics deteriorate.
[0041]
In the present invention, a conventionally known positive electrode active material can be used. For example, LixCoO2, LixNiO2, LixMnO2, LixCoyNi1-yO2, LixCoyM1-yOz, LixNi1-yMyOz, LixMn2O4, LixMn2-yMyO4(M = at least one of Na, Mg, Sc, Y, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, Cr, Pb, Sb and B, x = 0 to 1.2, y = A transition metal oxide containing lithium such as 0 to 0.9 and z = 2.0 to 2.3) is used. The above-mentioned x value is a value before the start of charging and discharging, and increases and decreases due to charging and discharging. In addition, positive electrode active materials such as transition metal chalcogenides, vanadium oxides and their lithium compounds, niobium oxides and their lithium compounds, conjugated polymers using organic conductive materials, and Chevrel phase compounds can also be used. It is. It is also possible to use a mixture of a plurality of different positive electrode active materials. The average particle size of the positive electrode active material particles can be used without any particular limitation, but is preferably 1 to 30 μm.
[0042]
As the conductive agent for the positive electrode or the negative electrode, any electronic conductive material that does not cause a chemical change at the charge / discharge potential of the positive electrode or the negative electrode active material to be used may be used. For example, graphite such as natural graphite (flaky graphite, etc.), artificial graphite, etc., carbon blacks such as acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black, and conductive materials such as carbon fiber and metal fiber Conductive powders such as conductive fibers, carbon fluoride, and aluminum; conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; and organic conductive materials such as polyphenylene derivatives. These can be included as a mixture. Among these conductive agents, artificial graphite and acetylene black are particularly preferred. The amount of the conductive agent is not particularly limited, but is preferably 1 to 50% by weight, more preferably 1 to 30% by weight, based on the positive electrode active material. For carbon and graphite, 2 to 15% by weight is particularly preferred.
[0043]
Either a thermoplastic resin or a thermosetting resin can be used as the binder for the positive electrode or the negative electrode. For example, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene butadiene rubber (SBR), tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexa Fluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetra Fluoroethylene copolymer (ETFE resin), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymer, propylene-tetrafluoroethylene copolymer , Ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluoromethylvinyl ether-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-acrylic acid copolymer The polymer or the (Na+) Ion crosslinked product, ethylene-methacrylic acid copolymer or (Na+) Ion crosslinked product, ethylene-methyl acrylate copolymer or (Na)+) Ion crosslinked product, ethylene-methyl methacrylate copolymer or (Na+And ionic cross-linked products, and these materials can be used alone or as a mixture. Among these binders, it is particularly preferable to use polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE) as the binder for the positive electrode. As the binder for the negative electrode, styrene-butadiene rubber (SBR), polyvinylidene fluoride (PVDF), ethylene-acrylic acid copolymer or (Na+) Ion crosslinked product, ethylene-methacrylic acid copolymer or (Na+) Ion crosslinked product, ethylene-methyl acrylate copolymer or (Na)+) Ion crosslinked product, ethylene-methyl methacrylate copolymer or (Na+) It is preferable to use an ion crosslinked product.
[0044]
As the positive electrode core material, any electron conductive material that does not cause a chemical change according to the charge / discharge potential of the positive electrode active material to be used may be used. For example, in addition to stainless steel, aluminum, titanium, carbon, conductive resin, and the like, there is a material obtained by treating the surface of aluminum or stainless steel with carbon or titanium. Among these core materials, aluminum or an aluminum alloy is particularly preferable. The surface of these materials can be oxidized and used. Also, it is desirable to form irregularities on the surface of the core material by surface treatment. As the shape of the core material, in addition to a foil, a film, a sheet, a net, a punched material, a lath body, a porous body, a foam, a group of fibers, a molded article of a nonwoven fabric, and the like are used. The thickness of the core material is not particularly limited, but is preferably 1 to 500 μm.
[0045]
The negative electrode core material may be any electronic conductor that does not cause a chemical change in the manufactured battery. For example, in addition to stainless steel, nickel, copper, titanium, carbon, a conductive resin, and the like, there are copper and stainless steel surfaces in which carbon, nickel, or titanium is treated. Among these core materials, copper or a copper alloy is particularly preferable. The surface of these materials can be oxidized and used. Also, it is desirable to form irregularities on the surface of the core material by surface treatment. As the shape of the core material, in addition to a foil, a film, a sheet, a net, a punched material, a lath body, a porous body, a foamed body, a molded body of a fiber group, and the like are used. The thickness of the core material is not particularly limited, but a thickness of 1 to 500 μm is preferable.
[0046]
The non-aqueous electrolyte is composed of a solvent and a lithium salt dissolved in the solvent. Examples of the non-aqueous solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), and vinylene carbonate (VC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and ethyl. Chain carbonates such as methyl carbonate (EMC) and dipropyl carbonate (DPC); aliphatic carboxylic esters such as methyl formate, methyl acetate, methyl propionate and ethyl propionate; and γ-lactones such as γ-butyrolactone Chain ethers such as 1,2-dimethoxyethane (DME), 1,2-diethoxyethane (DEE) and ethoxymethoxyethane (EME), cyclic ethers such as tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl Rusulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, acetamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, propyl nitrile, nitromethane, ethyl monoglyme, phosphoric acid triester, trimethoxymethane, dioxolane derivative, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3- Aprotic organic solvents such as dimethyl-2-imidazolidinone, 3-methyl-2-oxazolidinone, propylene carbonate derivative, tetrahydrofuran derivative, ethyl ether, 1,3-propanesultone, anisole, dimethylsulfoxide, N-methylpyrrolidone And the like, and these can be used alone or in combination of two or more. Among these non-aqueous electrolytes, a mixed system of a cyclic carbonate and a chain carbonate or a mixed system of a cyclic carbonate, a chain carbonate and an aliphatic carboxylic acid ester is particularly preferable.
[0047]
As the lithium salt, for example, LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiAlCl4, LiSbF6, LiSCN, LiCl, LiCF3SO3, LiCF3CO2, Li (CF3SO2)2, LiAsF6, LiN (CF3SO2)2, LiB10Cl1 0, Lithium lower aliphatic carboxylate, LiBr, LiI, lithium chloroborane, lithium tetraphenylborate, imides, and the like. These may be used alone or in combination of two or more in an electrolytic solution using them. it can. Among these lithium salts, in particular, LiPF6Is preferred.
[0048]
Among the non-aqueous electrolytes, in particular, at least ethylene carbonate (EC) is contained, and LiPF is used as a supporting salt.6An electrolytic solution containing The amount of the nonaqueous electrolyte added to the battery is not particularly limited, but a necessary amount can be used depending on the amount of the positive electrode or negative electrode active material and the size of the battery. The amount of the supporting electrolyte dissolved in the nonaqueous solvent is not particularly limited, but is preferably 0.2 to 2 mol / l. In particular, it is more preferably 0.5 to 1.5 mol / l.
[0049]
Further, it is effective to add another compound to the electrolyte for the purpose of improving the discharge and charge / discharge characteristics. For example, using triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, n-glyme, pyridine, hexaphosphoric triamide, nitrobenzene derivative, crown ethers, quaternary ammonium salt, ethylene glycol dialkyl ether, phosphate ester, etc. Can be.
[0050]
In addition to the conductive agent and the binder, fillers, dispersants, ionic conductors, pressure enhancers and other various additives can be used for the electrode mixture. The filler can be used without limitation as long as it does not cause a chemical change in the configured battery. For example, an olefin-based polymer such as polyethylene (PE) or polypropylene (PP), or a fiber such as glass or carbon is used. The amount of the filler added is not particularly limited, but is preferably 30% by weight or less based on the electrode mixture.
[0051]
As the separator, an electronically insulating microporous thin film having high ion permeability and predetermined mechanical strength is used. As the material of this thin film, there are polypropylene resin, polyethylene resin, etc. from the viewpoint of organic solvent resistance and hydrophobicity, and further, from the viewpoint of heat resistance, aramid resin alone or a laminate or composite of these. Can be used.
The separator may have a thickness of 5 to 100 μm, and particularly preferably 5 to 20 μm.
[0052]
In the configuration of the negative electrode plate and the positive electrode plate in the present invention, it is preferable that the negative electrode mixture surface or the thin film negative electrode active material surface is present at least on the surface facing the positive electrode mixture surface.
[0053]
The shape of the battery includes a coin type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, a square type, and a large type used for an electric vehicle and the like, and the present invention can be applied to any shape. The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention can be used for portable information terminals, portable electronic devices, household small power storage devices, motorcycles, electric vehicles, hybrid electric vehicles, etc., but is not particularly limited to these. is not.
[0054]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples, but the present invention is not limited to the following examples.
[0055]
<< Example 1 >>
(1) Preparation of negative electrode plate
(1-1) Production of negative electrode plate using negative electrode active material powder
Tables 1 and 2 show the negative electrode active materials used in this example. Table 1 shows a negative electrode active material of a simple metal composed of a Group 4B element or an alloy containing a Group 4B element, and Table 2 shows a composite particle composed of a core particle and a surface layer. As the composite particles, those composed of 20% by weight of core particles and 80% by weight of a surface layer were used.
[0056]
[Table 1]
[0057]
[Table 2]
[0058]
The powder or block of each element constituting the negative electrode active material was melted in a heating and melting tank, and the melt was quenched and solidified by a roll quenching method to obtain a solidified material comprising a crystal phase. After the solidified product was put into a planetary ball mill container, the rotation speed of the drive motor was set to 3700 rpm so that 15 G was applied, and mechanical grinding was performed for 30 minutes or 40 minutes using stainless steel balls having a diameter of 15 mm. Time went. The untreated coagulated material and the material obtained after the mechanical grinding treatment were each classified with a sieve to 45 μm or less to obtain various negative electrode active materials.
[0059]
As a result of observing the obtained negative electrode active material using an electron microscope, it was confirmed that in the composite material shown in Table 2, the entire surface or a part of the surface of the core particles was covered with a surface layer. In addition, X-ray diffraction measurement was performed on the solidified product before the mechanical grinding shown in Tables 1 and 2 to confirm the crystal structure. As a result, each of the detected diffraction peaks was sharp, and the solidified product was good. Crystalline phase. On the other hand, with respect to the material subjected to the mechanical grinding treatment for 30 minutes, each of the detected diffraction peaks began to broaden, so that it was confirmed that the crystalline state had begun to collapse. In these materials, a microcrystalline phase having a crystallite size of 5 to 100 nm remained, which was a low crystalline phase. The half width of the peak at this time was 0.001 to 0.1 °. For the material subjected to the mechanical grinding treatment for 40 hours, each diffraction peak completely disappeared, indicating that the material was an amorphous phase in which a crystal index could not be assigned.
[0060]
A negative electrode plate was manufactured using the negative electrode active material powder material thus manufactured. For 75 parts by weight of the negative electrode active material, 20 parts by weight of carbon powder as a conductive agent and 5 parts by weight of polyvinylidene fluoride resin as a binder were mixed, and these were dispersed in dehydrated N-methyl-2-pyrrolidone. A slurry negative electrode mixture was prepared. This negative electrode mixture was applied on a core material made of copper foil, dried, and then rolled to form a negative electrode active material layer. Thus, a negative electrode plate was completed.
[0061]
(1-2) Preparation of negative electrode plate using thin film negative electrode active material
Table 3 shows the negative electrode active materials used in this example.
Here, a silicon thin film will be described as an example, but a tin thin film can also be manufactured by a generally known method.
[0062]
[Table 3]
[0063]
An electrolytic copper foil having a thickness of 18 μm was used as the core material.
A 5 μm-thick silicon thin film was formed on the electrolytic copper foil by an RF sputtering method in an Ar gas atmosphere, and this thin film was used as a negative electrode active material layer. The thin film production conditions were as follows: single crystal silicon was used as a target, RF power: 400 W, Ar gas flow rate: 50 sccm, and chamber pressure: 0.2 Pa. The substrate was not heated.
[0064]
The silicon thin film produced under the above conditions was found to be an amorphous thin film by Raman spectroscopy. When the thickness of the thin film was measured with a surface roughness meter, it was 5 μm. This value was the same in the case of the tin thin film.
[0065]
The thin film thus obtained was heat-treated in an inert gas to be microcrystallized until the crystallite size became 5 to 100 nm. At this time, the half width of the peak of the X-ray diffraction pattern was 0.6 ° or more. Further, crystallization was performed until the crystallite size exceeded 100 nm by controlling the heat treatment temperature and the like. Each thin film electrode was provided with a portion where a thin film was not formed by a masking process, and a negative electrode lead was pulled out from an exposed portion of the copper foil to complete a negative electrode plate.
[0066]
(2) Production of stacked battery
A laminated lithium secondary battery as shown in FIG. 1 was produced.
The
The non-aqueous electrolyte was mixed with a mixed solvent of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate (volume ratio 1: 1) at a concentration of 1.5 mol / l LiPF.6Was used.
[0067]
The
After inserting the group of electrode plates laminated in a stack into a
[0068]
Further, a laminated battery of a comparative example was manufactured in the same manner as in the above example except that a negative electrode using graphite as an active material was used.
[0069]
(3) Production of wound type battery
A long positive electrode plate and a long negative electrode plate were manufactured using the same materials as those used when the stacked battery was manufactured, and these were used and wound into the same capacity as the stacked battery as shown in FIG. A lithium secondary battery was manufactured.
The
[0070]
Further, a wound type battery of a comparative example was produced in the same manner as in the above example except that a negative electrode using graphite as an active material was used.
[0071]
(4) Battery evaluation
The battery was charged at a constant current of 1 A until it reached 4.1 V, and then discharged at a constant current of 1 A until it reached 2.5 V, which was defined as one cycle. Further, the discharge capacity (mAh) at the first cycle was measured. This charge / discharge cycle was repeated 100 times, and the ratio of the discharge capacity at the 100th cycle to the discharge capacity at the first cycle was determined as a percentage, and was defined as a capacity retention rate X (%) after 100 cycles. Further, the thickness Y (mm) of the battery in the charged state at the 100th cycle was measured. The thickness of the battery before the start of charge / discharge was 5 mm. The test was performed in a thermostat at 20 ° C. The results are shown in Tables 1 to 3.
[0072]
[Evaluation of batteries using single metal or alloy negative electrode active materials]
As can be seen from the results in Table 1, the discharge capacity in the first cycle is 900 mAh in both the stacked type and the wound type batteries, which is higher than the discharge capacity (700 mAh) when graphite is used as the negative electrode active material. it was high.
In the stacked battery, when the active material was in a low crystalline phase, the capacity retention ratio X was 80 to 90%, and the battery thickness Y was 5 mm. When the active material was an amorphous phase, the capacity retention ratio X was 90 to 95%, and the thickness Y of the battery was 5 mm. In a battery in which the negative electrode active material had a low crystalline phase or an amorphous phase, no change was observed in the thickness of the battery while maintaining a high capacity retention ratio. That is, similar to the case where graphite was used as the negative electrode active material, it was possible to suppress swelling of the battery while maintaining high cycle characteristics.
This is presumably because in the low crystalline phase or the amorphous phase, the crystallites are irregularly oriented, so that even if lithium is inserted, the volume of the whole particle does not change much. In the amorphous phase, since the crystallites were more irregularly oriented, a higher capacity retention ratio X was obtained than in the case where the negative electrode active material having a low crystalline phase was used.
[0073]
In the case where the active material was in the crystalline phase, in all of the negative electrode active materials, no change was observed in the thickness Y of the battery, but the capacity retention ratio X was reduced to 30 to 50%.
This is considered to be because the crystal phase has a large crystallite size, and a large volume change occurs when lithium is inserted.
[0074]
On the other hand, in the case of a wound type battery, when the active material is in a crystalline phase, a low crystalline phase, or an amorphous phase, in all the negative electrode active materials, the value of the capacity retention ratio X is substantially the same as in the case of the laminated structure. Value. However, the thickness Y of the battery was 6 mm, and the battery swelled. For comparison, in the wound type battery in which the negative electrode active material was graphite, no swelling of the battery was observed.
This is considered to be due to the fact that the R portion of the electrode group of the wound battery is strongly fixed, so that swelling due to buckling is added, thereby increasing the swelling of the battery.
[0075]
[Evaluation of battery using composite particle negative electrode active material]
As can be seen from the results in Table 2, measurement results having the same tendency as in Table 1 were obtained even when the negative electrode active material was composite particles. In the stacked battery in which the negative electrode active material had a low crystalline phase or an amorphous phase, no change was observed in the thickness of the battery while maintaining a high capacity retention rate.
This is because, since at least one of the core particles and the surface layer constituting the composite particles has a low crystalline phase or an amorphous phase, even if lithium is inserted, stress relaxation of the entire particles becomes possible. it is conceivable that.
Even in a stacked battery in which the active material was a crystalline phase, the capacity retention ratio X was reduced to 50 to 70%, although no change was observed in the battery thickness Y.
On the other hand, even when the structure of the battery was a wound type, the swelling of the battery was observed in all the negative electrode active materials as in Table 1.
[0076]
[Evaluation of battery using thin film negative electrode active material]
As can be seen from the results in Table 3, even when the negative electrode active material was a thin film of Si or Sn, measurement results having the same tendency as in Table 1 were obtained. In the stacked battery in which the negative electrode active material had a low crystalline phase or an amorphous phase, no change was observed in the thickness of the battery while maintaining a high capacity retention rate.
This is presumably because in the low crystalline phase or the amorphous phase, the crystallites are irregularly oriented, so that even if lithium is inserted, the volume of the whole particle does not change much.
Even in a stacked battery in which the active material was a crystalline phase, the capacity retention ratio X was reduced to 50%, although no change was observed in the battery thickness Y.
On the other hand, even when the structure of the battery was a wound type, the swelling of the battery was observed in all the negative electrode active materials as in Table 1.
[0077]
<< Example 2 >>
In order to investigate the range of the negative electrode capacity density in detail, a stacked type and a wound type battery were manufactured using a Si thin film negative electrode active material. The negative electrode capacity density was measured by changing the film formation density of the thin film and changing the density every 400 mAh / cc in the range of 400 to 1200 mAh / cc.
[0078]
The battery was charged at a constant current of 1 A until it reached 4.1 V, and then discharged at a constant current of 1 A until it reached 2.5 V, which was defined as one cycle. Further, the discharge capacity (mAh) at the first cycle was measured. This charge / discharge cycle was repeated 100 times, and the ratio of the discharge capacity at the 100th cycle to the discharge capacity at the first cycle was determined as a percentage, and was defined as a capacity retention rate X (%) after 100 cycles. Further, the thickness Y (mm) of the battery in the charged state at the 100th cycle was measured. The thickness of the battery before the start of charge / discharge was 5 mm. The test was performed in a thermostat at 20 ° C. Table 4 shows the results.
[0079]
[Table 4]
[0080]
As can be seen from the results in Table 4, when the negative electrode capacity density was 400 mAh / cc, the same value as in Example 1 was obtained in all the crystal structures in the stacked battery. On the other hand, in the wound type battery, the thickness Y (5.5 mm) of the battery could be suppressed in all crystal structures as compared with the result of Example 1. However, in each of the batteries, the discharge capacity in the first cycle was 600 mAh, which was lower than the value of the discharge capacity (700 mAh) when graphite was used as the negative electrode active material.
This is presumably because the lower the negative electrode capacity density of the negative electrode plate, the smaller the amount of the active material, and the smaller the amount of stored lithium than in the case of graphite.
[0081]
When the negative electrode capacity density was 500 to 1000 mAh / cc, in the wound type battery, in all the negative electrode active materials, the higher the negative electrode capacity density was, the larger the battery thickness Y was. On the other hand, in the stacked battery, the same values as in Example 1 were obtained for all the negative electrode active materials. In each of the batteries, the discharge capacity in the first cycle was higher as the negative electrode capacity density was higher. These values were higher than the discharge capacity (700 mAh) when graphite was used as the negative electrode active material.
[0082]
When the negative electrode capacity density was 1200 mAh / cc, the discharge capacity at the first cycle obtained the highest value in both the stacked type and the wound type batteries. However, the capacity retention ratio X sharply decreased.
This is because, when the negative electrode plate has an excessively large negative electrode capacity density, the amount of the active material becomes excessive and the space in the electrode plate is reduced, so that the amount of the electrolyte injected into the electrode plate is also reduced. Therefore, the amount of the electrolyte required for transporting lithium ions becomes insufficient with respect to the amount of the active material. Therefore, it is considered that the charge transfer resistance of the negative electrode plate increases and the cycle characteristics deteriorate.
[0083]
The mixing ratio of the elements constituting the negative electrode active material is not particularly limited. When the negative electrode active material is a composite particle, the core particle is a phase containing Sn and Si as main elements, the surface layer covers all or a part of the core particle surface, and at least one of the phases is amorphous. As long as it is in a quality state, the charged composition is not particularly limited. Further, the core particles are formed not only from Sn and Si, but also from others, for example, O, C, N, S, Ca, Mg, Al, Fe, W, V, Ti, Cu, Cr, Co, Elements such as P may be present in trace amounts. The surface layer was formed not only from the alloys shown in Table 2 but also from other alloys such as O, C, N, S, Ca, Mg, Al, Fe, W, V, Ti, Cu, Cr, Co, Elements such as P may be present in trace amounts.
[0084]
As a method for manufacturing the negative electrode plate, a vacuum deposition method, an ion plating method, a sputtering method, a chemical vapor reaction method, or an electrolytic plating method may be used in addition to the above-described methods. In addition, it was confirmed that the batteries produced by these methods also had a high capacity retention ratio due to charge / discharge cycles.
[0085]
In this embodiment, LiCoO is used as the positive electrode active material.2Was used, but LiMn2O4, LiNiO2Needless to say, the same effect can be obtained also in the case of combining with a positive electrode active material having reversibility with respect to charge and discharge.
[0086]
<< Example 3 >>
The structure of the battery case of the present invention was studied.
(1) Production of positive electrode plate
90 parts by weight of the positive electrode active material, 5 parts by weight of acetylene black as a conductive agent, and 5 parts by weight of polyvinylidene fluoride resin as a binder were mixed, and these were dispersed in dehydrated N-methyl-2-pyrrolidone. Thus, a slurry-like positive electrode mixture was prepared. This positive electrode mixture was applied on a core material made of aluminum foil, dried, and then rolled to form a positive electrode active material layer, thereby completing a positive electrode plate.
[0087]
(2) Preparation of negative electrode plate
TiSi290 parts by weight of powder, 5 parts by weight of graphite as a conductive agent, and 5 parts by weight of polyvinylidene fluoride resin as a binder, and these were dispersed in dehydrated N-methyl-2-pyrrolidone to obtain a slurry. A negative electrode mixture was prepared. This negative electrode mixture was applied onto a core material made of copper foil, dried, and then rolled to form a negative electrode active material layer, thereby completing a negative electrode plate.
[0088]
(3) Production of stacked battery
The positive electrode plate and the negative electrode plate produced as described above were alternately laminated with a separator interposed therebetween, to produce a stack type electrode plate group. The negative electrode lead was pulled out from the core material of the negative electrode plate, and the positive electrode lead was drawn out from the core material of the positive electrode plate. Lamination was performed using one negative electrode plate and two positive electrode plates.
After inserting the stacked electrode group into a battery case made of aluminum foil (Al laminated sheet) having resin sheets on both sides, a non-aqueous electrolyte is injected into the
[0089]
(4) Production of wound type battery
A long positive electrode plate and a long negative electrode plate were manufactured using the same materials as those used when manufacturing the stacked battery, and a wound lithium secondary battery having the same capacity as the stacked battery was manufactured using these materials. did.
The negative electrode plate and the positive electrode plate were spirally wound with a separator interposed therebetween, and a flattened electrode plate group was produced by press working. The electrode group was housed in a battery case. The lead was pulled out from the negative electrode plate and connected to the bottom of the battery case. The lead was pulled out from the positive electrode plate and connected to the positive electrode terminal. Then, the nonaqueous electrolyte was injected into the battery case, and the opening of the battery case was sealed with a sealing plate.
[0090]
(5) Battery case molding
A battery case was formed by a multi-stage pressing method using a pure aluminum-based (JIS-1000) composition material as a raw material for the battery case of the present embodiment. Then, before performing the step of finally closing the case, the inside of the battery case was depressurized, so that the surface of the case facing the electrode surface was recessed inside the battery case. FIG. 3 shows a schematic sectional view of an example of the battery case. Example 1 The ratio (B / A) of the thickness A (mm) of the end portion of the battery case to the thickness B (mm) of the center portion was in the range of 0.5 ≦ B / A ≦ 1.0, and the first embodiment Similarly to the above, the discharge capacity (mAh) at the first cycle, the capacity retention X (%) after 100 cycles, and the thickness Y (mm) of the battery were measured.
[0091]
[Evaluation of battery]
The battery was discharged to 2.5 V at a discharge current of 1 C, and the shape of the battery was measured. Table 5 shows the results.
[0092]
[Table 5]
[0093]
As can be seen from the results in Table 5, when B / A was 0.5, the capacity retention ratio X was a fairly small value in both the stacked type and the wound type batteries.
This is considered to be because the concave portion of the case has an excessive concave portion, and a large pressing force is applied to the electrode plate group. In particular, in the charging process, the electrolyte is pushed out from the inside of the electrode plate or the separator, and the electrochemical reaction cannot be performed smoothly, so that the cycle characteristics are considered to be deteriorated.
[0094]
When B / A was 0.6 to 0.95, in the wound type battery, as the value of B / A increased, the thickness Y of the battery also increased. In the stacked battery, the thickness Y of the battery did not change.
This is because the swelling of the electrode group caused by the charge / discharge cycle of the battery can be reduced by pushing the concave portion of the battery case outward. The thickness A of the end of the battery case does not change due to the swelling of the electrode group.
[0095]
When B / A was 1.0, the capacity retention ratio X was a fairly small value in both the stacked type and the wound type batteries.
This is because the compressive force on the electrode group becomes extremely small, so that the particle-to-particle contact inside the electrode group becomes insufficient compared with the case where B / A is smaller than 1.0, and the electronic resistance becomes large. Therefore, it is considered that the electrochemical reaction is not smoothly performed, so that the cycle characteristics are deteriorated.
[0096]
The battery case of this example was manufactured using a pure aluminum-based (JIS-1000-based) composition material, but other compositions such as iron, nickel, copper, stainless steel, and Al-Mn-based aluminum An alloy, titanium, zinc, or the like may be used.
In addition, a method such as casting, hot rolling, cold rolling, or annealing may be used as a method for producing the battery case, instead of the multi-stage pressing method. Further, a manufacturing method such as welding or caulking may be used instead of integral molding.
Further, as described above, the recess may be adjusted by reducing the pressure inside the case before sealing in the final step of assembly. May be.
[0097]
【The invention's effect】
According to the present invention, by improving the negative electrode active material and employing a stacked electrode plate group, the battery is prevented from swelling during charging and discharging, and has a high capacity and excellent cycle characteristics. A secondary battery can be provided. Further, in the battery case that houses the non-aqueous electrolyte secondary battery, the surface facing the electrode surface has a recess inside the case, so that the swelling of the electrode plate group that occurs during charging and discharging pushes the recess outward. The thickness of the end of the battery case is not changed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an example of a prismatic stacked lithium secondary battery according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an example of a rectangular wound lithium secondary battery according to a comparative example.
FIG. 3 is a schematic sectional view of an example of a battery case according to Embodiment 3 of the present invention.
[Explanation of symbols]
11, 21 Battery case
12,22 Positive electrode plate
13,23 Negative electrode plate
14, 24 separator
15 Positive electrode lead
16 Negative electrode lead
17 Lead welding seal
Claims (8)
前記正極が正極活物質層およびこれを担持する芯材からなり、前記負極が負極活物質層およびこれを担持する芯材からなり、
前記負極活物質層は、4B族元素からなる単体金属および4B族元素を含む合金よりなる群から選ばれる少なくとも1種からなり、
前記負極活物質層は、500mAh/cc以上の体積容量密度を有する非水電解質二次電池。A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising an electrode group and a non-aqueous electrolyte in which a positive electrode capable of inserting and extracting lithium and a negative electrode capable of inserting and extracting lithium are alternately stacked via a separator,
The positive electrode comprises a positive electrode active material layer and a core material supporting the same, and the negative electrode includes a negative electrode active material layer and a core material supporting the same,
The negative electrode active material layer is made of at least one selected from the group consisting of a simple metal composed of a Group 4B element and an alloy containing a Group 4B element,
The non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the negative electrode active material layer has a volume capacity density of 500 mAh / cc or more.
前記組成において、
(a)Mは、Ti、Ni、CuおよびFeよりなる群から選ばれる少なくとも1種であり、
(b)0.1≦α≦10、
(c)0≦β≦10、および
(d)0≦γ≦30
が満たされ、βとγは同時に0ではない請求項1記載の非水電解質二次電池。The alloy has a composition of M α Sn β Si γ ,
In the above composition,
(A) M is at least one selected from the group consisting of Ti, Ni, Cu and Fe;
(B) 0.1 ≦ α ≦ 10,
(C) 0 ≦ β ≦ 10 and (d) 0 ≦ γ ≦ 30
Is satisfied, and β and γ are not simultaneously 0.
前記核粒子は、SiおよびSnよりなる群から選ばれる少なくとも1種を含み、
前記表面層は、Ti、Ni、CuおよびFeよりなる群から選ばれる少なくとも1種、ならびにSiおよびSnよりなる群から選ばれる少なくとも1種を含む、固溶体もしくは金属間化合物である請求項1記載の非水電解質二次電池。The alloy is a composite particle comprising a core layer and a surface layer covering all or a part of the core particle surface,
The core particles include at least one selected from the group consisting of Si and Sn,
The said surface layer is a solid solution or an intermetallic compound containing at least 1 sort (s) selected from the group consisting of Ti, Ni, Cu, and Fe, and at least 1 sort (s) selected from the group consisting of Si and Sn. Non-aqueous electrolyte secondary battery.
前記電池ケースの電極面に対向する面がケースの内側に凹んでおり、ケースの端部の厚さ(A)と中央部の厚さ(B)との比:B/Aが、0.6<B/A<0.95を満たす請求項1記載の非水電解質二次電池。Furthermore, it has a battery case for housing the electrode group and the non-aqueous electrolyte,
The surface facing the electrode surface of the battery case is recessed inside the case, and the ratio of the thickness (A) at the end of the case to the thickness (B) at the center: B / A is 0.6. The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein <B / A <0.95 is satisfied.
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Cited By (25)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006164960A (en) * | 2004-11-15 | 2006-06-22 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Nonaqueous electrolyte secondary battery |
| JP2006278123A (en) * | 2005-03-29 | 2006-10-12 | Sanyo Electric Co Ltd | Nonaqueous electrolyte secondary battery |
| JP2009252579A (en) * | 2008-04-08 | 2009-10-29 | Sony Corp | Negative electrode, secondary battery, and method of manufacturing them |
| JP2011108639A (en) * | 2009-10-22 | 2011-06-02 | Ronald Anthony Rojeski | Electrode including collar stop |
| JP2011249324A (en) * | 2010-04-28 | 2011-12-08 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | Positive electrode active material for power storage device, power storage device, electric propulsion vehicle, and method for manufacturing power storage device |
| JP2012178344A (en) * | 2011-02-02 | 2012-09-13 | Hitachi Chem Co Ltd | Compound material and method for manufacturing the same, negative electrode for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery |
| JP2013168328A (en) * | 2012-02-16 | 2013-08-29 | Hitachi Chemical Co Ltd | Anode material, method for producing the same, anode for lithium-ion secondary battery, and lithium-ion secondary battery |
| US20140234711A1 (en) * | 2009-02-25 | 2014-08-21 | Catalyst Power Technologies | Energy Storage Devices |
| US9263771B2 (en) | 2006-03-30 | 2016-02-16 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Lithium secondary battery and method of manufacturing the same |
| US9349544B2 (en) | 2009-02-25 | 2016-05-24 | Ronald A Rojeski | Hybrid energy storage devices including support filaments |
| US9362549B2 (en) | 2011-12-21 | 2016-06-07 | Cpt Ip Holdings, Llc | Lithium-ion battery anode including core-shell heterostructure of silicon coated vertically aligned carbon nanofibers |
| US9412998B2 (en) | 2009-02-25 | 2016-08-09 | Ronald A. Rojeski | Energy storage devices |
| US9431181B2 (en) | 2009-02-25 | 2016-08-30 | Catalyst Power Technologies | Energy storage devices including silicon and graphite |
| US9705136B2 (en) | 2008-02-25 | 2017-07-11 | Traverse Technologies Corp. | High capacity energy storage |
| WO2018029907A1 (en) * | 2016-08-08 | 2018-02-15 | 株式会社豊田自動織機 | Lithium ion secondary cell |
| US9917300B2 (en) | 2009-02-25 | 2018-03-13 | Cf Traverse Llc | Hybrid energy storage devices including surface effect dominant sites |
| US9941709B2 (en) | 2009-02-25 | 2018-04-10 | Cf Traverse Llc | Hybrid energy storage device charging |
| US9966197B2 (en) | 2009-02-25 | 2018-05-08 | Cf Traverse Llc | Energy storage devices including support filaments |
| US10056602B2 (en) | 2009-02-25 | 2018-08-21 | Cf Traverse Llc | Hybrid energy storage device production |
| US10193142B2 (en) | 2008-02-25 | 2019-01-29 | Cf Traverse Llc | Lithium-ion battery anode including preloaded lithium |
| US10553855B2 (en) | 2008-04-08 | 2020-02-04 | Murata Manufacturing Co., Ltd | Method for forming anode having silicon active material linked to current collector |
| US10665858B2 (en) | 2009-02-25 | 2020-05-26 | Cf Traverse Llc | Energy storage devices |
| US11075378B2 (en) | 2008-02-25 | 2021-07-27 | Cf Traverse Llc | Energy storage devices including stabilized silicon |
| US11233234B2 (en) | 2008-02-25 | 2022-01-25 | Cf Traverse Llc | Energy storage devices |
| WO2023116539A1 (en) * | 2021-12-23 | 2023-06-29 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | Battery and electrical apparatus |
-
2003
- 2003-04-18 JP JP2003114750A patent/JP2004319390A/en active Pending
Cited By (43)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006164960A (en) * | 2004-11-15 | 2006-06-22 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Nonaqueous electrolyte secondary battery |
| JP2006278123A (en) * | 2005-03-29 | 2006-10-12 | Sanyo Electric Co Ltd | Nonaqueous electrolyte secondary battery |
| US9263771B2 (en) | 2006-03-30 | 2016-02-16 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Lithium secondary battery and method of manufacturing the same |
| US11127948B2 (en) | 2008-02-25 | 2021-09-21 | Cf Traverse Llc | Energy storage devices |
| US11233234B2 (en) | 2008-02-25 | 2022-01-25 | Cf Traverse Llc | Energy storage devices |
| US11152612B2 (en) | 2008-02-25 | 2021-10-19 | Cf Traverse Llc | Energy storage devices |
| US9705136B2 (en) | 2008-02-25 | 2017-07-11 | Traverse Technologies Corp. | High capacity energy storage |
| US11075378B2 (en) | 2008-02-25 | 2021-07-27 | Cf Traverse Llc | Energy storage devices including stabilized silicon |
| US11502292B2 (en) | 2008-02-25 | 2022-11-15 | Cf Traverse Llc | Lithium-ion battery anode including preloaded lithium |
| US10978702B2 (en) | 2008-02-25 | 2021-04-13 | Cf Traverse Llc | Energy storage devices |
| US10964938B2 (en) | 2008-02-25 | 2021-03-30 | Cf Traverse Llc | Lithium-ion battery anode including preloaded lithium |
| US10193142B2 (en) | 2008-02-25 | 2019-01-29 | Cf Traverse Llc | Lithium-ion battery anode including preloaded lithium |
| US10553855B2 (en) | 2008-04-08 | 2020-02-04 | Murata Manufacturing Co., Ltd | Method for forming anode having silicon active material linked to current collector |
| JP2009252579A (en) * | 2008-04-08 | 2009-10-29 | Sony Corp | Negative electrode, secondary battery, and method of manufacturing them |
| US9979017B2 (en) * | 2009-02-25 | 2018-05-22 | Cf Traverse Llc | Energy storage devices |
| US10714267B2 (en) | 2009-02-25 | 2020-07-14 | Cf Traverse Llc | Energy storage devices including support filaments |
| US20140234711A1 (en) * | 2009-02-25 | 2014-08-21 | Catalyst Power Technologies | Energy Storage Devices |
| US9917300B2 (en) | 2009-02-25 | 2018-03-13 | Cf Traverse Llc | Hybrid energy storage devices including surface effect dominant sites |
| US9941709B2 (en) | 2009-02-25 | 2018-04-10 | Cf Traverse Llc | Hybrid energy storage device charging |
| US9966197B2 (en) | 2009-02-25 | 2018-05-08 | Cf Traverse Llc | Energy storage devices including support filaments |
| US9431181B2 (en) | 2009-02-25 | 2016-08-30 | Catalyst Power Technologies | Energy storage devices including silicon and graphite |
| US10056602B2 (en) | 2009-02-25 | 2018-08-21 | Cf Traverse Llc | Hybrid energy storage device production |
| US9412998B2 (en) | 2009-02-25 | 2016-08-09 | Ronald A. Rojeski | Energy storage devices |
| US9349544B2 (en) | 2009-02-25 | 2016-05-24 | Ronald A Rojeski | Hybrid energy storage devices including support filaments |
| US10461324B2 (en) | 2009-02-25 | 2019-10-29 | Cf Traverse Llc | Energy storage devices |
| US10741825B2 (en) | 2009-02-25 | 2020-08-11 | Cf Traverse Llc | Hybrid energy storage device production |
| US10622622B2 (en) | 2009-02-25 | 2020-04-14 | Cf Traverse Llc | Hybrid energy storage devices including surface effect dominant sites |
| US10665858B2 (en) | 2009-02-25 | 2020-05-26 | Cf Traverse Llc | Energy storage devices |
| US10673250B2 (en) | 2009-02-25 | 2020-06-02 | Cf Traverse Llc | Hybrid energy storage device charging |
| US10727482B2 (en) | 2009-02-25 | 2020-07-28 | Cf Traverse Llc | Energy storage devices |
| US10727481B2 (en) | 2009-02-25 | 2020-07-28 | Cf Traverse Llc | Energy storage devices |
| JP2011108639A (en) * | 2009-10-22 | 2011-06-02 | Ronald Anthony Rojeski | Electrode including collar stop |
| US10916774B2 (en) | 2010-04-28 | 2021-02-09 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Positive electrode active material of power storage device, power storage device, electrically propelled vehicle, and method for manufacturing power storage |
| US10224548B2 (en) | 2010-04-28 | 2019-03-05 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Positive electrode active material of power storage device, power storage device, electrically propelled vehicle, and method for manufacturing power storage |
| US9318741B2 (en) | 2010-04-28 | 2016-04-19 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Positive electrode active material of power storage device, power storage device, electrically propelled vehicle, and method for manufacturing power storage device |
| US9899678B2 (en) | 2010-04-28 | 2018-02-20 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Positive electrode active material of power storage device, power storage device, electrically propelled vehicle, and method for manufacturing power storage device |
| JP2011249324A (en) * | 2010-04-28 | 2011-12-08 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | Positive electrode active material for power storage device, power storage device, electric propulsion vehicle, and method for manufacturing power storage device |
| US12027702B2 (en) | 2010-04-28 | 2024-07-02 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Positive electrode active material of power storage device, power storage device, electrically propelled vehicle, and method for manufacturing power storage |
| JP2012178344A (en) * | 2011-02-02 | 2012-09-13 | Hitachi Chem Co Ltd | Compound material and method for manufacturing the same, negative electrode for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery |
| US9362549B2 (en) | 2011-12-21 | 2016-06-07 | Cpt Ip Holdings, Llc | Lithium-ion battery anode including core-shell heterostructure of silicon coated vertically aligned carbon nanofibers |
| JP2013168328A (en) * | 2012-02-16 | 2013-08-29 | Hitachi Chemical Co Ltd | Anode material, method for producing the same, anode for lithium-ion secondary battery, and lithium-ion secondary battery |
| WO2018029907A1 (en) * | 2016-08-08 | 2018-02-15 | 株式会社豊田自動織機 | Lithium ion secondary cell |
| WO2023116539A1 (en) * | 2021-12-23 | 2023-06-29 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | Battery and electrical apparatus |
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