JP2008034347A - Non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Abstract
【課題】非水電解液の流通が可能な経路が活物質層内に必要且つ十分に形成され、初期充電の過電圧を低くすることが可能な非水電解液二次電池用負極を提供すること。
【解決手段】非水電解液二次電池は、正極、負極及びこれらの間に介在配置されたセパレータを有する。負極は活物質の粒子12a及び導電性付与成分13を含む活物質層を備える。活物質層は、電池に対して電池容量の50%以上の充放電を少なくとも5回行った後、更に充放電を繰り返し行ったときに、活物質層に含まれる導電性付与成分13が、充放電の繰り返しにより漸次微粉化していく構造となっている。充放電の繰り返しによって活物質の粒子12aも微粉化してもよい。
【選択図】図1Provided is a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery in which a path through which a non-aqueous electrolyte can flow is necessary and sufficiently formed in an active material layer and an overvoltage during initial charging can be reduced. .
A non-aqueous electrolyte secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed therebetween. The negative electrode includes an active material layer including active material particles 12 a and a conductivity-imparting component 13. When the active material layer is charged and discharged at least 5% of the battery capacity to the battery at least five times and then repeatedly charged and discharged, the conductivity-imparting component 13 contained in the active material layer is charged and discharged. It has a structure that gradually becomes fine powder by repeated discharge. The active material particles 12a may be pulverized by repeated charge and discharge.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、リチウム二次電池などの非水電解液二次電池に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery such as a lithium secondary battery.
本出願人は先に、表面が電解液と接する一対の集電用表面層と、該表面層間に介在配置された、リチウム化合物の形成能の高い活物質の粒子を含む活物質層とを備えた非水電解液二次電池用負極を提案した(特許文献1参照)。この負極の活物質層には、リチウム化合物の形成能の低い金属材料が浸透しており、浸透した該金属材料中に活物質の粒子が存在している。活物質層がこのような構造になっているので、この負極においては、充放電によって該粒子が膨張収縮することに起因して微粉化しても、その脱落が起こりづらくなる。その結果、この負極を用いると、電池のサイクル寿命が長くなるという利点がある。 The present applicant previously includes a pair of current collecting surface layers whose surfaces are in contact with the electrolytic solution, and an active material layer including active material particles having a high ability to form a lithium compound interposed between the surface layers. In addition, a negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery was proposed (see Patent Document 1). A metal material having a low lithium compound forming ability is infiltrated into the active material layer of the negative electrode, and active material particles are present in the infiltrated metal material. Since the active material layer has such a structure, even if the particles are pulverized due to expansion and contraction of the particles due to charge and discharge, the active material layer is unlikely to fall off. As a result, when this negative electrode is used, there is an advantage that the cycle life of the battery becomes long.
前記の活物質層中の粒子がリチウムイオンを首尾良く吸蔵放出するためには、リチウムイオンを含む非水電解液が活物質層内を円滑に流通できることが必要である。しかし前記の金属材料が過度に活物質層内へ浸透すると、非水電解液が活物質層内を流通しづらくなり、活物質層の表面及びその近傍の部位しか電極反応に寄与しない場合がある。また活物質の粒子の微粉化に伴い、電気的に孤立した微粉化粒子が発生する場合もある。 In order for the particles in the active material layer to successfully occlude and release lithium ions, it is necessary that the non-aqueous electrolyte containing lithium ions can smoothly flow through the active material layer. However, if the metal material penetrates into the active material layer excessively, the non-aqueous electrolyte solution may not easily flow through the active material layer, and only the surface of the active material layer and the vicinity thereof may contribute to the electrode reaction. . In addition, as the active material particles are pulverized, electrically isolated pulverized particles may be generated.
従って本発明の目的は、前述した従来技術の電池よりも性能が一層向上した非水電解液二次電池を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having further improved performance as compared with the above-described prior art battery.
本発明は、正極、負極及びこれらの間に介在配置されたセパレータを有し、該負極が活物質の粒子及び導電性付与成分を含む活物質層を備えた非水電解液二次電池において、
前記活物質層は、前記電池に対して電池容量の50%以上の充放電を少なくとも5回行った後、更に充放電を繰り返し行ったときに、前記活物質層に含まれる前記導電性付与成分が、充放電の繰り返しにより漸次微粉化していく構造となっていることを特徴とする非水電解液二次電池を提供するものである。
The present invention provides a non-aqueous electrolyte secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between them, the negative electrode including an active material layer containing particles of an active material and a conductivity-imparting component.
The active material layer includes the conductivity-imparting component included in the active material layer when the battery is repeatedly charged and discharged after at least 5 times of charging and discharging at 50% or more of the battery capacity. However, the present invention provides a non-aqueous electrolyte secondary battery characterized by having a structure in which the powder is gradually pulverized by repeated charging and discharging.
本発明の電池においては、負極の活物質層に含まれる導電性付与成分が充放電の繰り返しによって次第に微粉化し、それによって活物質層が活物質と微粉化した導電性付与成分との混合状態となる。この混合状態においては、微粉化した導電性付与成分の粒子によって、活物質の粒子間の電気的接触が確保される。その結果、活物質が電気的に孤立しづらくなり、電池のサイクル特性が向上する。 In the battery of the present invention, the conductivity-imparting component contained in the active material layer of the negative electrode is gradually pulverized by repetition of charge and discharge, whereby the active material layer is in a mixed state of the active material and the pulverized conductivity-imparting component. Become. In this mixed state, the electrical contact between the particles of the active material is ensured by the finely divided particles of the conductivity-imparting component. As a result, the active material is not easily isolated electrically, and the cycle characteristics of the battery are improved.
以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき図面を参照しながら説明する。図1(a)〜(c)には、本発明の電池における負極活物質層の要部を拡大した模式図が示されている。これらの図のうち、図1(a)は、初回充電を行う前の状態である。充放電を行う前の状態の活物質層は、活物質の粒子12a及び導電性付与成分13を含んでいる。活物質としては、リチウムの吸蔵放出が可能な材料が用いられる。そのような材料としては、例えばシリコン系材料やスズ系材料、アルミニウム系材料、ゲルマニウム系材料が挙げられる。スズ系材料としては、例えばスズと、コバルトと、炭素と、ニッケル及びクロムのうちの少なくとも一方とを含む合金が好ましく用いられる。負極重量あたりの容量密度を向上させる上では、特にシリコン系材料が好ましい。 The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The schematic diagram which expanded the principal part of the negative electrode active material layer in the battery of this invention is shown by Fig.1 (a)-(c). Among these figures, FIG. 1A shows a state before the first charge. The active material layer in a state before charge / discharge includes active material particles 12 a and a conductivity-imparting component 13. As the active material, a material capable of occluding and releasing lithium is used. Examples of such materials include silicon-based materials, tin-based materials, aluminum-based materials, and germanium-based materials. As the tin-based material, for example, an alloy containing tin, cobalt, carbon, and at least one of nickel and chromium is preferably used. In order to improve the capacity density per weight of the negative electrode, a silicon-based material is particularly preferable.
シリコン系材料としては、リチウムの吸蔵が可能で且つシリコンを含有する材料、例えばシリコン単体、シリコンと金属との合金、シリコン酸化物などを用いることができる。これらの材料はそれぞれ単独で、或いはこれらを混合して用いることができる。前記の金属としては、例えばCu、Ni、Co、Cr、Fe、Ti、Pt、W、Mo及びAuからなる群から選択される1種類以上の元素が挙げられる。これらの金属のうち、Cu、Ni、Coが好ましく、特に電子伝導性に優れる点、及びリチウム化合物の形成能の低さの点から、Cu、Niを用いることが望ましい。また、負極を電池に組み込む前に、又は組み込んだ後に、シリコン系材料からなる活物質に対してリチウムを吸蔵させてもよい。特に好ましいシリコン系材料は、リチウムの吸蔵量の高さの点からシリコン又はシリコン酸化物である。 As the silicon-based material, a material that can occlude lithium and contains silicon, for example, silicon alone, an alloy of silicon and metal, silicon oxide, or the like can be used. These materials can be used alone or in combination. Examples of the metal include one or more elements selected from the group consisting of Cu, Ni, Co, Cr, Fe, Ti, Pt, W, Mo, and Au. Among these metals, Cu, Ni, and Co are preferable, and Cu and Ni are preferably used from the viewpoint of excellent electronic conductivity and a low ability to form a lithium compound. Further, lithium may be occluded in an active material made of a silicon-based material before or after the negative electrode is incorporated in the battery. A particularly preferable silicon-based material is silicon or silicon oxide in view of the high occlusion amount of lithium.
初回充電前の活物質層12においては、粒子12aの表面に導電性付与成分13の被覆が位置している。つまり粒子12aの表面の少なくとも一部が、導電性付与成分13で被覆されている。この導電性付与成分13は、粒子12aの構成材料と異なる材料である。導電性付与成分13は粒子12a間に介在し、主として、粒子12a間の電子伝導性を確保する目的で用いられる。導電性付与成分13としては、リチウム化合物の形成能の低い金属材料が好適に用いられる。その例としては銅、ニッケル、鉄、コバルト又はこれらの金属の合金などが挙げられる。特に金属材料は、活物質の粒子12aが膨張収縮しても該粒子12aの表面の被覆が破壊されにくい延性の高い材料であることが好ましい。そのような材料としては銅を用いることが好ましい。「リチウム化合物の形成能の低い」とは、リチウムと金属間化合物若しくは固溶体を形成しないか、又は形成したとしてもリチウムが微量であるか若しくは非常に不安定であることを意味する。 In the active material layer 12 before the first charge, the coating of the conductivity imparting component 13 is located on the surface of the particle 12a. That is, at least a part of the surface of the particle 12 a is covered with the conductivity imparting component 13. The conductivity imparting component 13 is a material different from the constituent material of the particles 12a. The conductivity-imparting component 13 is interposed between the particles 12a and is mainly used for the purpose of ensuring electronic conductivity between the particles 12a. As the conductivity imparting component 13, a metal material having a low ability to form a lithium compound is preferably used. Examples thereof include copper, nickel, iron, cobalt, and alloys of these metals. In particular, the metal material is preferably a highly ductile material in which even when the active material particles 12a expand and contract, the coating on the surface of the particles 12a is not easily broken. It is preferable to use copper as such a material. “Low lithium compound forming ability” means that lithium does not form an intermetallic compound or solid solution, or even if formed, lithium is in a very small amount or very unstable.
初回充電前の活物質層においては、導電性付与成分13で被覆された粒子12aの間には空隙Sが形成されている。つまり導電性付与成分13は、リチウムイオンを含む非水電解液が粒子12aへ到達可能なような隙間を確保した状態で該粒子12aの表面を被覆している。 In the active material layer before the first charge, voids S are formed between the particles 12 a covered with the conductivity imparting component 13. That is, the conductivity-imparting component 13 covers the surface of the particle 12a in a state in which a gap is provided so that the non-aqueous electrolyte containing lithium ions can reach the particle 12a.
初回充電前の活物質層においては、導電性付与成分13は、活物質層12の厚み方向全域にわたって存在していることが好ましい。そして金属材料13のマトリックス中に活物質の粒子12aが存在していることが好ましい。これによって、後述するように、充放電によって該粒子12aが膨張収縮することに起因して導電性付与成分13が微粉化した場合、粒子12aと微粉化した導電性付与成分13との混合状態が良好になる。その結果、導電性付与成分13を通じて活物質層12全体の電子伝導性が確保されるので、電気的に孤立した活物質の粒子12aが生成すること、特に活物質層12の深部に電気的に孤立した活物質の粒子12aが生成することが効果的に防止される。このことは、活物質として半導体であり電子伝導性の乏しい材料、例えばシリコン系材料を用いる場合に特に有利である。導電性付与成分13が活物質層12の厚み方向全域にわたって活物質の粒子12aの表面に存在していることは、初回充電前の活物質層について、導電性付与成分13を測定対象とした電子顕微鏡マッピングによって確認できる。 In the active material layer before the first charge, the conductivity imparting component 13 is preferably present over the entire thickness direction of the active material layer 12. The active material particles 12 a are preferably present in the matrix of the metal material 13. Thus, as will be described later, when the conductivity imparting component 13 is pulverized due to expansion and contraction of the particles 12a due to charge and discharge, the mixed state of the particles 12a and the pulverized conductivity imparting component 13 is Become good. As a result, the electronic conductivity of the entire active material layer 12 is ensured through the conductivity-imparting component 13, so that electrically isolated active material particles 12 a are generated, particularly in the deep part of the active material layer 12. Generation of isolated active material particles 12a is effectively prevented. This is particularly advantageous when a material that is a semiconductor and has poor electron conductivity, such as a silicon-based material, is used as the active material. The presence of the conductivity-imparting component 13 on the surface of the active material particles 12a throughout the thickness direction of the active material layer 12 means that the conductivity-imparting component 13 is an electron to be measured for the active material layer before the first charge. It can be confirmed by microscopic mapping.
導電性付与成分13は、粒子12aの表面を連続に又は不連続に被覆している。導電性付与成分13が粒子12aの表面を連続に被覆している場合には、導電性付与成分13の被覆に、非水電解液の流通が可能な微細な空隙を形成することが好ましい。導電性付与成分13が粒子12aの表面を不連続に被覆している場合には、粒子12aの表面のうち、導電性付与成分13で被覆されていない部位を通じて該粒子12aへ非水電解液が供給される。このような構造の導電性付与成分13の被覆を形成するためには、例えば後述する条件に従う電解めっきによって導電性付与成分13を粒子12aの表面に析出させればよい。 The conductivity imparting component 13 coats the surface of the particle 12a continuously or discontinuously. When the conductivity-imparting component 13 covers the surfaces of the particles 12a continuously, it is preferable to form fine voids in the coating of the conductivity-imparting component 13 that allow the non-aqueous electrolyte to flow. When the conductivity-imparting component 13 covers the surface of the particle 12a discontinuously, the non-aqueous electrolyte is applied to the particle 12a through a portion of the surface of the particle 12a that is not coated with the conductivity-imparting component 13. Supplied. In order to form the coating of the conductivity-imparting component 13 having such a structure, the conductivity-imparting component 13 may be deposited on the surface of the particle 12a by, for example, electrolytic plating according to the conditions described later.
図1(b)には、図1に示す状態の電池に対して50%以上の充放電を少なくとも5回行った後の活物質層の状態が示されている。充放電を行うことによって活物質の粒子12aにリチウムが吸蔵放出される。この吸蔵放出に対応して、粒子12aは膨張収縮する。該粒子12aの表面に存在する導電性付与成分13の被覆は、この膨張収縮に起因して発生する応力に耐えきれずに分割される。また、粒子12aが、膨張収縮の程度が大きい材料から構成されている場合には、膨張収縮に起因して粒子12a自体に応力が加わりクラック等が生じることによって、粒子12aに割れが生じることもある。粒子12aに割れが生じると、導電性付与成分13の被覆の分割は一層顕著になる。 FIG. 1B shows the state of the active material layer after the battery in the state shown in FIG. 1 is charged and discharged at least 50% at least five times. Lithium is occluded and released from the active material particles 12a by charging and discharging. Corresponding to this occlusion release, the particles 12a expand and contract. The coating of the conductivity-imparting component 13 present on the surface of the particle 12a is divided without being able to withstand the stress generated due to the expansion and contraction. Further, when the particle 12a is made of a material having a large degree of expansion / contraction, the particle 12a itself may be cracked by applying stress to the particle 12a itself due to expansion / contraction to cause cracks. is there. When cracking occurs in the particles 12a, the division of the coating of the conductivity imparting component 13 becomes more prominent.
前記の充放電の条件に特に制限はないが、充電終止電圧4.2、放電終止電圧2.7にて電池容量の50%の充放電を充放電レート0.2Cで行うことが、測定の再現性が最も良好になることから好ましい。 The charging / discharging conditions are not particularly limited, but charging / discharging at 50% of the battery capacity at a charging end voltage of 4.2 and a discharging end voltage of 2.7 at a charge / discharge rate of 0.2 C is measured. This is preferable because the reproducibility is the best.
図1(b)に示す状態から更に充放電を繰り返すと、粒子12aの表面に存在する導電性付与成分13の被覆が、粒子12aの膨張収縮に追従して更に分割されて微粉化する。また、膨張収縮の程度が大きい材料から構成されている場合には、粒子12a自体の微粉化も進行しやすい。導電性付与成分13の微粉化が進行すると、活物質層が、粒子12aと微粉化した導電性付与成分13との混合状態になる。導電性付与成分13の微粉化に加えて粒子12aの微粉化も進行した場合には、図1(c)に示すように、活物質層が、微粉化した粒子12aと微粉化した導電性付与成分13との混合状態になる。これらの混合状態は、好適には活物質層の厚み方向全域において生じる。このときの充放電の条件に特に制限はない。一例として、電池の最大容量に対して50%に相当する電気量を5時間率(0.2Cレート)の電流密度にて充放電を行う条件を挙げることができる。 When charging / discharging is further repeated from the state shown in FIG. 1B, the coating of the conductivity-imparting component 13 existing on the surface of the particle 12a is further divided and pulverized following the expansion and contraction of the particle 12a. Further, when the material is made of a material having a large degree of expansion and contraction, the particles 12a themselves are easily pulverized. When the pulverization of the conductivity imparting component 13 proceeds, the active material layer becomes a mixed state of the particles 12a and the pulverized conductivity imparting component 13. When the pulverization of the particles 12a has progressed in addition to the pulverization of the conductivity-imparting component 13, as shown in FIG. 1 (c), the active material layer has the pulverized particles 12a and the pulverized conductivity. It becomes a mixed state with the component 13. These mixed states preferably occur in the entire thickness direction of the active material layer. There are no particular restrictions on the charge / discharge conditions at this time. As an example, there may be mentioned conditions for charging and discharging an amount of electricity corresponding to 50% of the maximum capacity of the battery at a current density of 5 hours (0.2 C rate).
本発明でいう微粉化とは、負極を断面観察したときに把握される活物質の粒子や導電性付与成分の粒子の平均長径が小さくなっていく現象をいう。導電性付与成分においては、電気的接触を有する結晶粒子群は1粒子として定義される。微粉化の程度としては、充放電5サイクル以降60サイクル以前における導電性付与成分の粒子の平均長径が1μm以上、活物質の粒子の平均長径が2μm以上であり、且つ少なくとも充放電100サイクル後における導電性付与成分の粒子の平均長径が1μm未満、活物質の粒子の平均長径が2μm未満であることが好ましい。 The pulverization referred to in the present invention refers to a phenomenon in which the average major axis of the active material particles and the conductivity-imparting component particles grasped when the negative electrode is observed in cross section is reduced. In the conductivity imparting component, the crystal particle group having electrical contact is defined as one particle. As the degree of pulverization, the average major axis of the conductivity-imparting component particles is 1 μm or more, the average major axis of the particles of the active material is 2 μm or more, and at least after 100 cycles of charge / discharge after 5 cycles after charge / discharge The average major axis of the conductivity imparting component particles is preferably less than 1 μm, and the average major axis of the active material particles is preferably less than 2 μm.
このように、本実施形態の電池における負極活物質層は、電池に対して50%以上の充放電を少なくとも5回行った後、更に充放電を繰り返し行ったときに、活物質層に含まれる導電性付与成分13が、充放電の繰り返しにより漸次微粉化していく構造となっている。このような構造となっている活物質層においては、微粉化した導電性付与成分の粒子によって、活物質の粒子12a間の電気的接触が確保される。その結果、活物質の粒子12aが電気的に孤立しづらくなる。それによって電池のサイクル特性が向上する。また、導電性付与成分の微粉化に加えて活物質の粒子12aの微粉化が進行した場合には、微粉化した活物質の粒子12a間の電気的接触が、同様に微粉化した導電性付与成分の粒子によって確保される。このように、活物質の粒子12aの微粉化の有無にかかわらず、微粉化した導電性付与成分の粒子によって、活物質の粒子12a間の電気的接触が確保され、電池のサイクル特性が向上する。即ち、導電性付与成分13が、充放電の繰り返しにより微粉化していく構造となっていることは、特に、活物質の粒子12aも、充放電の繰り返しにより漸次微粉化していく構造となっている場合に、活物質の粒子12a間の電気的接触が確保される点から極めて有利である。 As described above, the negative electrode active material layer in the battery according to the present embodiment is included in the active material layer when 50% or more of the battery is charged and discharged at least five times and then repeatedly charged and discharged. The conductivity-imparting component 13 has a structure that is gradually pulverized by repeated charge and discharge. In the active material layer having such a structure, electrical contact between the particles 12a of the active material is ensured by the finely divided particles of the conductivity imparting component. As a result, the active material particles 12a are not easily electrically isolated. Thereby, the cycle characteristics of the battery are improved. In addition, when the pulverization of the active material particles 12a proceeds in addition to the pulverization of the conductivity imparting component, the electrical contact between the pulverized active material particles 12a is similarly pulverized conductivity imparting. Secured by component particles. Thus, regardless of the presence or absence of pulverization of the active material particles 12a, the pulverized particles of the conductivity-imparting component ensure electrical contact between the active material particles 12a and improve the cycle characteristics of the battery. . That is, the conductivity imparting component 13 has a structure in which it is pulverized by repeated charging / discharging. In particular, the active material particles 12a are also gradually pulverized by repeated charging / discharging. In this case, it is extremely advantageous in that the electrical contact between the active material particles 12a is ensured.
これに対して従来の電池における負極活物質層、例えば活物質の粒子間が、リチウム化合物の形成能の低い金属材料で満たされている構造を有する活物質層においては、5回未満の充放電で活物質の粒子の微粉化がほぼ限界に達し、それ以降の充放電では微粉化は実質的に進行しなくなる。それに起因してリチウム化合物の形成能の低い金属材料の微粉化も実質的に進行しなくなる。この理由は、非水電解液の円滑な流通が可能な空隙が活物質の粒子間に十分に形成されていないことによって、活物質層の表面及びその近傍の部位に存在する粒子のみが集中的に電極反応に利用され、それによって加速度的に粒子の微粉化が進行するからである。従ってこのような構造の活物質層においては、表面から遠い部位に位置する活物質の粒子は電極反応に利用されず、初期充電前の状態を保ったままでいる。その結果、このような構造の活物質層を備えた負極を有する電池では、充放電サイクルの早期に容量劣化が生じてしまう。 On the other hand, in the negative electrode active material layer in the conventional battery, for example, in the active material layer having a structure in which the active material layer is filled with a metal material having a low lithium compound forming ability, the charge / discharge is less than 5 times. Therefore, the pulverization of the active material particles almost reaches the limit, and the subsequent pulverization does not substantially proceed in charge / discharge. As a result, the pulverization of the metal material having a low ability to form a lithium compound does not substantially proceed. The reason for this is that only the particles present on the surface of the active material layer and in the vicinity thereof are concentrated because the voids that allow smooth flow of the non-aqueous electrolyte are not sufficiently formed between the particles of the active material. This is because it is used for the electrode reaction, whereby the pulverization of the particles proceeds at an accelerated rate. Therefore, in the active material layer having such a structure, the particles of the active material located at a position far from the surface are not used for the electrode reaction and remain in the state before the initial charge. As a result, in a battery having a negative electrode including an active material layer having such a structure, capacity deterioration occurs at an early stage of the charge / discharge cycle.
ところで先行技術の負極のなかには、最初から負極活物質粒子と金属粉末とが混合されたスラリーを塗工して塗膜を形成し、該塗膜を焼結して得られるものがある(例えば特開2002−260637号公報)。かかる負極の活物質層は、活物質粒子と金属粉末とが混合状態になっている点において、本発明に係る負極の充放電後の活物質層の状態に似ているとも言える。しかし、先行技術に開示されているような負極において、超微粉末の活物質粒子や金属粉末を使用した場合には以下の不都合がある。
(1)それら超微粉末の活物質粒子や金属粉末の表面が著しく酸化され、電池内に多量の酸素が持ち込まれてしまう。
(2)多量の結合剤、例えばポリイミドやポリフッ化ビニリデンを必要とするため、充放電時のレート特性に劣る上、不可逆容量が著しいものとなってしまう。
(3)超微粉末の使用や多量のバインダの使用、及び活物質粒子の微細粒子化・高分散化は、経済的に不利である。
(4)活物質粒子や金属粉末間に形成される空隙の量が少ない。
By the way, some of the negative electrodes of the prior art are obtained by applying a slurry in which negative electrode active material particles and metal powder are mixed from the beginning to form a coating film, and sintering the coating film (for example, special features). No. 2002-260637). It can be said that the active material layer of the negative electrode is similar to the state of the active material layer after charging / discharging of the negative electrode according to the present invention in that the active material particles and the metal powder are in a mixed state. However, in the negative electrode as disclosed in the prior art, when ultrafine active material particles or metal powder is used, there are the following disadvantages.
(1) The surface of the active material particles and metal powder of these ultrafine powders are significantly oxidized, and a large amount of oxygen is brought into the battery.
(2) Since a large amount of binder, such as polyimide or polyvinylidene fluoride, is required, the rate characteristics during charge / discharge are inferior and the irreversible capacity becomes significant.
(3) The use of ultrafine powder, the use of a large amount of binder, and the refinement / high dispersion of active material particles are economically disadvantageous.
(4) The amount of voids formed between the active material particles and the metal powder is small.
本発明において、導電性付与成分13が充放電の繰り返しにより次第に微粉化していく基準を、充放電を少なくとも5回行った後とした理由は次の通りである。一般に市販されている二次電池では、1回以上の充放電による初期活性化を行い、電池を即使用可能な状態にして市場に出すことが通常である。従って前記の基準を、充放電を少なくとも5回行った後に設定すれば、即使用可能な状態を基準として、サイクル特性が良好であることを客観的に評価できる。このような理由によって、充放電を少なくとも5回行った後を基準としたものである。充放電の回数は少なくとも5回であれば上限値に特に制限はないが、あえて設定するとすれば10回が現実的な値である。充放電の程度を50%以上とした理由は、一般に市販されている二次電池では、充放電を行って電池を即使用可能な状態にして市場に出すときの充放電の程度が50%であることが通常であることによる。なお、ここでいう50%とは、電池の最大容量に対して50%の充放電を行ったという意味である。電池の最大容量は、正極及び負極の容量のうち、容量が小さい方の極の当該容量に依存する。充放電の程度は50%以上であれば上限値に特に制限はなく、100%でも構わない。なお、各回の充放電の程度は同じでもよく、或いは異なっていてもよいが、再現性の良好な結果を得る観点から、同じであることが好ましい。 In the present invention, the reason why the conductivity-imparting component 13 is gradually pulverized by repeated charge / discharge is as follows. In general, a commercially available secondary battery is usually activated by one or more charging / discharging operations, and the battery is usually ready for use and put on the market. Therefore, if the above criteria are set after at least 5 times of charging / discharging, it can be objectively evaluated that the cycle characteristics are good based on the ready-to-use state. For these reasons, the reference is after charging and discharging at least five times. The upper limit value is not particularly limited as long as the number of times of charging / discharging is at least 5, but if it is set intentionally, 10 times is a realistic value. The reason why the charge / discharge level is 50% or more is that, in the case of a commercially available secondary battery, the charge / discharge level is 50% when the battery is put into a ready-to-use state after being charged / discharged. By being normal. Here, 50% means that 50% charge / discharge was performed with respect to the maximum capacity of the battery. The maximum capacity of the battery depends on the capacity of the smaller capacity of the positive and negative electrodes. The upper limit is not particularly limited as long as the degree of charge / discharge is 50% or more, and may be 100%. In addition, although the degree of charging / discharging of each time may be the same or may differ, it is preferable that it is the same from a viewpoint of obtaining the result of favorable reproducibility.
充放電の繰り返しによる導電性付与成分13の微粉化、及び場合によっては活物質の粒子12aの微粉化は永続的なものではなく、或る程度の充放電を繰り返した時点でそれ以上進行しなくなる。この理由は、微粉化の最小単位は結晶子のサイズで決定され、結晶子のサイズ以上には微粉化が進行しないからである。本実施形態においては、サイクル特性の向上の観点からは、少なくとも200サイクル、特に少なくとも100サイクルの充放電までは導電性付与成分13の微粉化が進行することが好ましい。活物質の粒子12aも微粉化する場合には、前記と同様のサイクルまで微粉化が進行することが好ましい。微粉化が進行する充放電のサイクルを長くするためには、導電性付与成分13の結晶子のサイズを小さくすることが有利である。活物質の粒子12aが微粉化する場合も同様である。結晶子のサイズを小さくするための手段については後述する。 The pulverization of the conductivity-imparting component 13 and the pulverization of the particles 12a of the active material due to repeated charge / discharge are not permanent, and do not proceed further when a certain amount of charge / discharge is repeated. . This is because the minimum unit of pulverization is determined by the crystallite size, and pulverization does not proceed beyond the crystallite size. In the present embodiment, from the viewpoint of improving cycle characteristics, it is preferable that pulverization of the conductivity imparting component 13 proceeds until at least 200 cycles, particularly at least 100 cycles of charge / discharge. When the active material particles 12a are also pulverized, the pulverization preferably proceeds to the same cycle as described above. In order to lengthen the charge / discharge cycle in which pulverization proceeds, it is advantageous to reduce the crystallite size of the conductivity-imparting component 13. The same applies when the active material particles 12a are pulverized. Means for reducing the size of the crystallite will be described later.
導電性付与成分13が充放電の繰り返しにより次第に微粉化していく構造であるためには、活物質の粒子12aが、リチウムイオンの吸蔵放出によって体積変化を生じる材料からなることが有利である。この場合、大きな体積変化を生じる材料ほど導電性付与成分13の微粉化の程度が大きい。この観点から、粒子12aは、大きな体積変化を生じる材料であるシリコン系材料からなることが好ましい。かかる大きな体積変化を生じる材料からなる活物質の粒子12aは、それ自体も充放電の繰り返しにより漸次微粉化を生じやすい。 In order for the conductivity-imparting component 13 to have a structure in which the powder is gradually pulverized by repeated charge and discharge, it is advantageous that the active material particles 12a are made of a material that causes a volume change due to insertion and extraction of lithium ions. In this case, the degree of pulverization of the conductivity-imparting component 13 is larger as the material that causes a larger volume change. From this viewpoint, the particles 12a are preferably made of a silicon-based material that is a material that causes a large volume change. The active material particles 12a made of a material that causes such a large volume change are apt to be gradually pulverized by repeated charge and discharge.
導電性付与成分13が充放電の繰り返しにより次第に微粉化していく構造であるためには、導電性付与成分13が微粉化しやすい構造であることも好ましい。具体的には、粒子12aを被覆する導電性付与成分13は、前記の金属材料の結晶子の集合体からなることが好ましい。導電性付与成分13の被覆が、結晶子単位で分割されやすくなるからである。なお先に述べた通り、前記の金属材料はリチウム化合物の形成能の低い材料であることから、導電性付与成分13はリチウムイオンの吸蔵放出を行わず、従って該成分13には体積変化も生じない。 In order to have a structure in which the conductivity imparting component 13 is gradually pulverized by repetition of charge and discharge, it is also preferable that the conductivity imparting component 13 is easily pulverized. Specifically, the conductivity-imparting component 13 that covers the particles 12a is preferably composed of an aggregate of crystallites of the metal material. This is because the coating of the conductivity-imparting component 13 is easily divided in crystallite units. As described above, since the metal material is a material having a low ability to form a lithium compound, the conductivity-imparting component 13 does not occlude / release lithium ions, and therefore the component 13 does not change in volume. .
導電性付与成分13の被覆が、金属材料の結晶子の集合体から構成されている場合であっても、結晶子のサイズによっては、活物質の粒子12a間を該結晶子が埋めることができず、粒子12a間の電気的接触が確保されにくい場合がある。また結晶子のサイズによっては、活物質の粒子12aと微粉化した導電性付与成分13との混合状態が良好になりにくい場合もある。その結果、電気的に孤立した粒子12aが発生しやすくなり、サイクル特性を向上させづらくなることがある。活物質の粒子12aも微粉化する場合にも、同様のことが言える。これらの観点から、結晶子の平均粒径は0.01〜1μm、特に0.05〜0.25μmであることが好ましい。このような平均粒径を有する結晶子は、例えば後述する条件で電解めっきを行い導電性付与成分13の被覆を形成することで得ることができる。結晶子の平均粒径は活物質層の断面をSEM観察やSIM観察することで測定される。なお先に述べた通り、導電性付与成分13は、その構成材料の性質に起因して、充放電によって体積変化を生じるものではないので、その結晶子の大きさは、充放電サイクルの全体にわたって実質的に変化しない。 Even if the coating of the conductivity-imparting component 13 is composed of an aggregate of crystallites of a metal material, the crystallites can be filled between the active material particles 12a depending on the size of the crystallites. In some cases, it is difficult to ensure electrical contact between the particles 12a. Further, depending on the size of the crystallite, the mixed state of the active material particles 12a and the finely divided conductivity imparting component 13 may be difficult to be improved. As a result, electrically isolated particles 12a are likely to be generated, and it may be difficult to improve cycle characteristics. The same can be said when the active material particles 12a are also pulverized. From these viewpoints, the average particle size of the crystallites is preferably 0.01 to 1 μm, particularly 0.05 to 0.25 μm. A crystallite having such an average particle diameter can be obtained by, for example, performing electroplating under the conditions described later to form a coating of the conductivity imparting component 13. The average particle diameter of the crystallite is measured by observing the cross section of the active material layer with SEM observation or SIM observation. Note that, as described above, the conductivity imparting component 13 does not change in volume due to charge / discharge due to the properties of its constituent materials, so the size of the crystallite is substantially constant throughout the charge / discharge cycle. Does not change.
サイクル特性を一層向上させるためには、活物質層の厚み方向の全域にわたって、粒子12aと微粉化した導電性付与成分13との混合状態を実現させることが有利である。粒子12aも微粉化する場合には、活物質層の厚み方向の全域にわたって、微粉化した粒子12aと微粉化した導電性付与成分13との混合状態を実現させることが有利である。このためには、活物質層の厚み方向の全域にわたって均一にリチウムイオンの吸蔵放出が行われる必要がある。この観点から、活物質層は、厚み方向の全域にわたってリチウムイオンを含む非水電解液が円滑に流通可能な空隙を有していることが好ましい。非水電解液が活物質の粒子12aへ容易に到達することは、初期充電の過電圧を低くすることができるという点からも有利である。負極の表面でリチウムのデンドライトが発生することが防止されるからである。デンドライトの発生は両極の短絡の原因となる。過電圧を低くできることは、非水電解液の分解防止の点からも有利である。非水電解液が分解すると不可逆容量が増大するからである。更に、過電圧を低くできることは、正極がダメージを受けにくくなる点からも有利である。 In order to further improve the cycle characteristics, it is advantageous to realize a mixed state of the particles 12a and the pulverized conductivity imparting component 13 over the entire region in the thickness direction of the active material layer. When the particles 12a are also pulverized, it is advantageous to realize a mixed state of the pulverized particles 12a and the pulverized conductivity imparting component 13 over the entire thickness direction of the active material layer. For this purpose, it is necessary to uniformly occlude and release lithium ions throughout the thickness direction of the active material layer. From this viewpoint, it is preferable that the active material layer has voids through which the nonaqueous electrolytic solution containing lithium ions can smoothly flow over the entire region in the thickness direction. The fact that the non-aqueous electrolyte easily reaches the active material particles 12a is also advantageous in that the overcharge voltage during initial charging can be reduced. This is because lithium dendrite is prevented from being generated on the surface of the negative electrode. The generation of dendrite causes a short circuit between the two poles. The ability to reduce the overvoltage is also advantageous from the viewpoint of preventing decomposition of the non-aqueous electrolyte. This is because the irreversible capacity increases when the non-aqueous electrolyte is decomposed. Furthermore, the ability to reduce the overvoltage is advantageous in that the positive electrode is less susceptible to damage.
活物質層に空隙を首尾良く形成するためには、活物質の粒子12aの表面を被覆する導電性付与成分13の厚みが薄いことが好ましい。具体的には、活物質の粒子12aの表面を被覆している導電性付与成分13は、その厚みの平均が好ましくは0.05〜2μm、更に好ましくは0.1〜0.25μmという薄いものである。つまり導電性付与成分13は最低限の厚みで以て活物質の粒子12aの表面を被覆している。これによって、粒子12a間の電子伝導性を確保しつつ、必要且つ十分な程度の空隙が活物質層内に形成される。ここでいう「厚みの平均」とは、活物質の粒子12aの表面のうち、実際に金属材料13が被覆している部分に基づき計算された値である。従って活物質の粒子12aの表面のうち金属材料13で被覆されていない部分は、平均値の算出の基礎にはされない。 In order to successfully form voids in the active material layer, it is preferable that the conductivity-imparting component 13 covering the surfaces of the active material particles 12a is thin. Specifically, the conductivity imparting component 13 covering the surface of the active material particles 12a has an average thickness of preferably 0.05 to 2 μm, more preferably 0.1 to 0.25 μm. It is. That is, the conductivity imparting component 13 covers the surface of the active material particles 12a with a minimum thickness. Thus, a necessary and sufficient gap is formed in the active material layer while ensuring the electron conductivity between the particles 12a. Here, the “average thickness” is a value calculated based on a portion of the surface of the active material particle 12 a that is actually covered with the metal material 13. Accordingly, the portion of the surface of the active material particle 12a that is not covered with the metal material 13 is not used as a basis for calculating the average value.
先に説明した図1(a)に示す状態の活物質層12は、後述するように、好適には粒子12a及び結着剤を含むスラリーを集電体上に塗布し乾燥させて得られた塗膜に対し、所定のめっき浴を用いた電解めっきを行い、粒子12a間に金属材料13を析出させることで形成される。 As described later, the active material layer 12 in the state shown in FIG. 1A described above is preferably obtained by applying a slurry containing particles 12a and a binder onto a current collector and drying it. The coating film is formed by performing electrolytic plating using a predetermined plating bath and depositing a metal material 13 between the particles 12a.
非水電解液の流通が可能な空隙を活物質層内に必要且つ十分に形成するためには、前記の塗膜内にめっき液を十分浸透させることが好ましい。これに加えて、該めっき液を用いた電解めっきによって金属材料13を析出させるための条件を適切なものとすることが好ましい。めっきの条件にはめっき浴の組成、めっき浴のpH、電解の電流密度などがある。めっき浴のpHに関しては、7.1〜11に調整することが好ましい。pHをこの範囲内とすることで、活物質の粒子12aの溶解が抑制されつつ、該粒子12aの表面が清浄化されて、粒子表面へのめっきが促進され、同時に粒子12a間に適度な空隙が形成される。pHの値は、めっき時の温度において測定されたものである。 In order to form necessary and sufficient voids in the active material layer through which the non-aqueous electrolyte can be circulated, it is preferable to sufficiently infiltrate the plating solution into the coating film. In addition to this, it is preferable to make conditions suitable for depositing the metal material 13 by electrolytic plating using the plating solution. The plating conditions include the composition of the plating bath, the pH of the plating bath, and the current density of electrolysis. The pH of the plating bath is preferably adjusted to 7.1-11. By controlling the pH within this range, the dissolution of the active material particles 12a is suppressed, the surface of the particles 12a is cleaned, and plating on the particle surface is promoted. Is formed. The value of pH is measured at the temperature at the time of plating.
先に述べた導電性付与成分13の結晶子のサイズを小さくするためには、めっき液中に光沢剤を所定量添加して、めっき核を多量に発生させることが好ましい。光沢剤としては電解めっきの技術分野において従来用いられているものと同様のものを用いることができる。例えばメルカプトチアゾールやメルカプトプロパンスルホン酸ナトリウム等のチオール系化合物や、アンモニアを用いることができる。光沢剤の添加量は、用いるめっき液の種類に応じて適宜調整すればよい。特にめっき液として、以下に述べるピロリン酸銅浴を用いる場合には、光沢剤としてアンモニアを用いると、アンモニアが光沢剤としての働きに加えてpH調整剤としても作用するので好ましい。 In order to reduce the crystallite size of the conductivity imparting component 13 described above, it is preferable to add a predetermined amount of brightener to the plating solution to generate a large amount of plating nuclei. As the brightening agent, those similar to those conventionally used in the technical field of electrolytic plating can be used. For example, thiol compounds such as mercaptothiazole and sodium mercaptopropane sulfonate, and ammonia can be used. What is necessary is just to adjust the addition amount of a brightener suitably according to the kind of plating solution to be used. In particular, when a copper pyrophosphate bath described below is used as the plating solution, it is preferable to use ammonia as a brightening agent because ammonia acts as a pH adjusting agent in addition to acting as a brightening agent.
導電性付与成分13として銅を用いる場合には、ピロリン酸銅浴を用いることが好ましい。ピロリン酸銅浴を用いると、活物質層12を厚くした場合であっても、該層の厚み方向全域にわたって、前記の空隙を容易に形成し得るので好ましい。また、活物質の粒子12aの表面には金属材料13が析出し、且つ該粒子12a間では金属材料13の析出が起こりづらくなるので、該粒子12a間の空隙が首尾良く形成されるという点でも好ましい。ピロリン酸銅浴を用いる場合、その浴組成、電解条件及びpHは次の通りであることが好ましい。
・ピロリン酸銅三水和物:85〜120g/l
・ピロリン酸カリウム:300〜600g/l
・硝酸カリウム:15〜65g/l
・浴温度:45〜60℃
・電流密度:1〜7A/dm2
・pH:7.1〜9.5
When copper is used as the conductivity-imparting component 13, it is preferable to use a copper pyrophosphate bath. It is preferable to use a copper pyrophosphate bath, even if the active material layer 12 is thick, because the voids can be easily formed over the entire thickness direction of the layer. Further, since the metal material 13 is deposited on the surface of the active material particles 12a and the metal material 13 is less likely to be deposited between the particles 12a, the voids between the particles 12a are also successfully formed. preferable. When using a copper pyrophosphate bath, the bath composition, electrolysis conditions and pH are preferably as follows.
Copper pyrophosphate trihydrate: 85-120 g / l
-Potassium pyrophosphate: 300-600 g / l
-Potassium nitrate: 15-65 g / l
-Bath temperature: 45-60 ° C
・ Current density: 1 to 7 A / dm 2
-PH: 7.1-9.5
なおピロリン酸銅浴に、先に述べた光沢剤としてアンモニアを添加する場合には、その添加量は25重量%水溶液の場合、5〜40g/l、特に10〜20g/l程度とすることが、所望の粒径を有する結晶子を得ることができる点で好ましい。この範囲のアンモニアを添加すると、ピロリン酸銅浴のpHが上述の範囲外となる場合があるが、その場合には、ポリリン酸等の酸を適量添加してpHを調整すればよい。 When ammonia is added to the copper pyrophosphate bath as the brightener described above, the amount added should be about 5 to 40 g / l, especially about 10 to 20 g / l in the case of a 25 wt% aqueous solution. This is preferable in that a crystallite having a desired particle diameter can be obtained. When ammonia in this range is added, the pH of the copper pyrophosphate bath may be outside the above range. In that case, an appropriate amount of acid such as polyphosphoric acid may be added to adjust the pH.
ピロリン酸銅浴を用いる場合には特に、P2O7の重量とCuの重量との比(P2O7/Cu)で定義されるP比が5〜12であるものを用いることが好ましい。P比が5未満のものを用いると、活物質の粒子12aを被覆する金属材料が厚くなる傾向となり、粒子12a間に所望の空隙を形成させづらい場合がある。また、P比が12を超えるものを用いると、電流効率が悪くなり、ガス発生などが生じやすくなることから生産安定性が低下する場合がある。更に好ましいピロリン酸銅浴として、P比が6.5〜10.5であるものを用いると、活物質の粒子12a間に形成される空隙のサイズ及び数が、活物質層12内での非水電解液の流通に非常に有利になる。 In particular, when a copper pyrophosphate bath is used, it is preferable to use one having a P ratio defined by a ratio of P 2 O 7 weight to Cu weight (P 2 O 7 / Cu) of 5 to 12. . When the P ratio is less than 5, the metal material covering the active material particles 12a tends to be thick, and it may be difficult to form desired voids between the particles 12a. Further, when a P ratio exceeding 12 is used, current efficiency is deteriorated, and gas generation is likely to occur, so that production stability may be lowered. When a copper pyrophosphate bath having a P ratio of 6.5 to 10.5 is used as a more preferable copper pyrophosphate bath, the size and number of voids formed between the active material particles 12a may be reduced. This is very advantageous for the flow of the water electrolyte.
前記のめっき浴に、タンパク質、活性硫黄化合物、セルロース等の銅箔製造用電解液に用いられる各種添加剤を加えることにより、金属材料13の特性を適宜調整することも可能である。 The characteristics of the metal material 13 can be appropriately adjusted by adding various additives used in the electrolytic solution for producing copper foil such as protein, active sulfur compound, and cellulose to the plating bath.
上述の各種方法によって形成される活物質層12における空隙の割合、つまり空隙率は、15〜45体積%程度、特に20〜40体積%程度であることが好ましい。空隙率をこの範囲内とすることで、非水電解液の流通が可能な空隙を活物質層12内に必要且つ十分に形成することが可能となる。空隙率は次の(1)〜(7)の手順で測定される。
(1)前記のスラリーの塗布によって形成された塗膜の単位面積当たりの重量を測定し、粒子12aの重量及び結着剤の重量を、スラリーの配合比から算出する。
(2)電解めっき後の単位面積当たりの重量変化から、析出しためっき金属種の重量を算出する。
(3)電解めっき後、負極の断面をSEM観察することで、活物質層12の厚さを求める。
(4)活物質層12の厚さから、単位面積当たりの活物質層12の体積を算出する。
(5)粒子12aの重量、結着剤の重量、めっき金属種の重量と、それぞれの配合比から、それぞれの体積を算出する。
(6)単位面積当たりの活物質層12の体積から、粒子12aの体積、結着剤の体積、めっき金属種の体積を減じて、空隙の体積を算出する。
(7)このようにして算出された空隙の体積を、単位面積当たりの活物質層12の体積で除し、それに100を乗じた値を空隙率(%)とする。
The void ratio in the active material layer 12 formed by the various methods described above, that is, the void ratio, is preferably about 15 to 45% by volume, and particularly preferably about 20 to 40% by volume. By setting the porosity within this range, it is possible to form necessary and sufficient voids in the active material layer 12 that allow the nonaqueous electrolyte to flow. The porosity is measured by the following procedures (1) to (7).
(1) The weight per unit area of the coating film formed by applying the slurry is measured, and the weight of the particles 12a and the weight of the binder are calculated from the blending ratio of the slurry.
(2) From the weight change per unit area after electrolytic plating, the weight of the plated metal species is calculated.
(3) After electrolytic plating, the thickness of the active material layer 12 is determined by SEM observation of the cross section of the negative electrode.
(4) The volume of the active material layer 12 per unit area is calculated from the thickness of the active material layer 12.
(5) The respective volumes are calculated from the weight of the particles 12a, the weight of the binder, the weight of the plating metal species, and the respective compounding ratios.
(6) From the volume of the active material layer 12 per unit area, the volume of the voids is calculated by subtracting the volume of the particles 12a, the volume of the binder, and the volume of the plating metal species.
(7) The void volume calculated in this way is divided by the volume of the active material layer 12 per unit area, and a value obtained by multiplying by 100 is defined as a void ratio (%).
活物質の粒子12aの粒径を適切に選択することによっても、前記の空隙率をコントロールすることができる。この観点から、粒子12aはその最大粒径が好ましくは30μm以下であり、更に好ましくは10μm以下である。また粒子の粒径をD50値で表すと0.1〜8μm、特に0.3〜4μmであることが好ましい。粒子の粒径は、レーザー回折散乱式粒度分布測定、電子顕微鏡観察(SEM観察)によって測定される。 The porosity can also be controlled by appropriately selecting the particle size of the active material particles 12a. From this viewpoint, the particle 12a has a maximum particle size of preferably 30 μm or less, more preferably 10 μm or less. Moreover, when the particle diameter of the particle is expressed by a D 50 value, it is preferably 0.1 to 8 μm, particularly preferably 0.3 to 4 μm. The particle size of the particles is measured by laser diffraction / scattering particle size distribution measurement and electron microscope observation (SEM observation).
本実施形態の電池においては、負極全体に対する活物質の量が少なすぎると電池のエネルギー密度を十分に向上させにくく、逆に多すぎると強度が低下し活物質の脱落が起こりやすくなる傾向にある。これらを勘案すると、活物質層12の厚みは、好ましくは10〜40μm、更に好ましくは15〜30μm、一層好ましくは18〜25μmである。 In the battery of this embodiment, if the amount of the active material with respect to the whole negative electrode is too small, it is difficult to sufficiently improve the energy density of the battery. Conversely, if the amount is too large, the strength decreases and the active material tends to fall off. . Considering these, the thickness of the active material layer 12 is preferably 10 to 40 μm, more preferably 15 to 30 μm, and still more preferably 18 to 25 μm.
本実施形態の電池における負極は、集電体と、その少なくとも一面に形成された活物質層を備えている。負極における集電体としては、非水電解液二次電池用負極の集電体として従来用いられているものと同様のものを用いることができる。集電体は、先に述べたリチウム化合物の形成能の低い金属材料から構成されていることが好ましい。そのような金属材料の例は既に述べた通りである。特に、銅、ニッケル、ステンレス等からなることが好ましい。また、コルソン合金箔に代表されるような銅合金箔の使用も可能である。更に集電体として、常態抗張力(JIS C 2318)が好ましくは500MPa以上である金属箔、例えば前記のコルソン合金箔の少なくとも一方の面に銅被膜層を形成したものを用いることもできる。更に集電体として常態伸度(JIS C 2318)が4%以上のものを用いることも好ましい。抗張力が低いと活物質が膨張した際の応力によりシワが生じ、伸び率が低いと該応力により集電体に亀裂が入ることがあるからである。集電体の厚みは本実施形態において臨界的ではない。負極の強度維持と、エネルギー密度向上とのバランスを考慮すると、9〜35μmであることが好ましい。なお、集電体11として銅箔を使用する場合には、クロメート処理や、トリアゾール系化合物及びイミダゾール系化合物などの有機化合物を用いた防錆処理を施しておくことが好ましい。 The negative electrode in the battery of this embodiment includes a current collector and an active material layer formed on at least one surface thereof. As the current collector in the negative electrode, the same current collector as that conventionally used as the negative electrode current collector for non-aqueous electrolyte secondary batteries can be used. The current collector is preferably composed of a metal material having a low lithium compound forming ability as described above. Examples of such metallic materials are as already described. In particular, it is preferably made of copper, nickel, stainless steel or the like. Also, it is possible to use a copper alloy foil represented by a Corson alloy foil. Further, as the current collector, a metal foil having a normal tensile strength (JIS C 2318) of preferably 500 MPa or more, for example, a copper film layer formed on at least one surface of the aforementioned Corson alloy foil can be used. Furthermore, it is preferable to use a current collector having a normal elongation (JIS C 2318) of 4% or more. This is because when the tensile strength is low, wrinkles are generated due to stress when the active material expands, and when the elongation is low, the current collector may crack. The thickness of the current collector is not critical in this embodiment. Considering the balance between maintaining the strength of the negative electrode and improving the energy density, it is preferably 9 to 35 μm. In addition, when using copper foil as the electrical power collector 11, it is preferable to give the rust prevention process using organic compounds, such as a chromate process and a triazole type compound and an imidazole type compound.
本実施形態の電池における正極は、正極活物質並びに必要により導電剤及び結着剤を適当な溶媒に懸濁し、正極合剤を作製し、これを集電体の少なくとも一方の面に塗布、乾燥した後、ロール圧延、プレスし、更に裁断、打ち抜きすることにより得られる。正極活物質としては、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物等の含リチウム金属複合酸化物を始めとする従来公知の正極活物質が用いられる。また、正極活物質として、LiCoO2に少なくともZrとMgの両方を含有させたリチウム遷移金属複合酸化物と、層状構造を有し、少なくともMnとNiの両方を含有するリチウム遷移金属複合酸化物と混合したものも好ましく用いることができる。かかる正極活物質を用いることで充放電サイクル特性及び熱安定性の低下を伴うことなく、充電終止電圧を高めることが期待できる。正極活物質の一次粒子径の平均値は5μm以上10μm以下であることが、充填密度と反応面積との兼ね合いから好ましく、正極に使用する結着剤の重量平均分子量は350,000 以上2,000,000以下のポリフッ化ビニリデンであることが好ましい。低温環境での放電特性を向上させることが期待できるからである。 The positive electrode in the battery of this embodiment is prepared by suspending a positive electrode active material and, if necessary, a conductive agent and a binder in an appropriate solvent to prepare a positive electrode mixture, and applying this to at least one surface of a current collector and drying. Then, it is obtained by roll rolling, pressing, further cutting and punching. As the positive electrode active material, conventionally known positive electrode active materials such as lithium-containing metal composite oxides such as lithium nickel composite oxide, lithium manganese composite oxide, and lithium cobalt composite oxide are used. Further, as the positive electrode active material, a lithium transition metal composite oxide in which LiCoO 2 contains at least both Zr and Mg, a lithium transition metal composite oxide having a layered structure and containing at least both Mn and Ni, A mixture thereof can also be preferably used. The use of such a positive electrode active material can be expected to increase the end-of-charge voltage without deteriorating charge / discharge cycle characteristics and thermal stability. The average value of the primary particle diameter of the positive electrode active material is preferably 5 μm or more and 10 μm or less in view of the packing density and the reaction area, and the weight average molecular weight of the binder used for the positive electrode is 350,000 or more and 2,000. It is preferable that the polyvinylidene fluoride is 1,000 or less. This is because it can be expected to improve discharge characteristics in a low temperature environment.
正極と負極との間にはセパレータが介在配置される。セパレータとしては、合成樹脂製不織布、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン、又はポリテトラフルオロエチレンの多孔質フィルム等が好ましく用いられる。特にセパレータとして、例えば多孔性ポリエチレンフィルム(旭化成ケミカルズ製;N9420G)が好ましく使用できる。電池の過充電時に生じる電極の発熱を抑制する観点からは、ポリオレフィン微多孔膜の片面又は両面にフェロセン誘導体の薄膜が形成されてなるセパレータを用いることが好ましい。セパレータは、突刺強度が0.2N/μm厚以上0.49N/μm厚以下であり、巻回軸方向の引張強度が40MPa以上150MPa以下であることが好ましい。充放電に伴い大きく膨張・収縮する負極活物質を用いても、セパレータの損傷を抑制することができ、内部短絡の発生を抑制することができるからである。 A separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode. As the separator, a synthetic resin nonwoven fabric, a polyolefin such as polyethylene or polypropylene, or a polytetrafluoroethylene porous film is preferably used. In particular, for example, a porous polyethylene film (manufactured by Asahi Kasei Chemicals; N9420G) can be preferably used as the separator. From the viewpoint of suppressing the heat generation of the electrode that occurs when the battery is overcharged, it is preferable to use a separator in which a thin film of a ferrocene derivative is formed on one side or both sides of a polyolefin microporous membrane. The separator preferably has a puncture strength of 0.2 N / μm thickness or more and 0.49 N / μm thickness or less, and a tensile strength in the winding axis direction of 40 MPa or more and 150 MPa or less. This is because even when a negative electrode active material that greatly expands and contracts with charge and discharge is used, damage to the separator can be suppressed, and occurrence of internal short circuits can be suppressed.
また、正極と負極との間は非水電解液で満たされる。非水電解液は、支持電解質であるリチウム塩を有機溶媒に溶解した溶液からなる。リチウム塩としては、LiClO4、LiA1Cl4、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LiBF4、LiSCN、LiCl、LiBr、LiI、LiCF3SO3、LiC4F9SO3等が例示される。有機溶媒としては、例えばエチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等が挙げられる。特に、非水電解液全体に対し0.5 〜5重量%のビニレンカーボネート及び0.1〜1重量%のジビニルスルホン、0.1〜1.5重量%の1,4−ブタンジオールジメタンスルホネートを含有させることが充放電サイクル特性を更に向上する観点から好ましい。その理由について詳細は明らかでないが、1,4−ブタンジオールジメタンスルホネートとジビニルスルホンが段階的に分解して、正極上に被膜を形成することにより、硫黄を含有する被膜がより緻密なものになるためであると考えられる。 The space between the positive electrode and the negative electrode is filled with a non-aqueous electrolyte. The nonaqueous electrolytic solution is a solution in which a lithium salt as a supporting electrolyte is dissolved in an organic solvent. Examples of the lithium salt include LiClO 4 , LiA1Cl 4 , LiPF 6 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiBF 4 , LiSCN, LiCl, LiBr, LiI, LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 and the like. Examples of the organic solvent include ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and the like. In particular, 0.5 to 5% by weight of vinylene carbonate and 0.1 to 1% by weight of divinyl sulfone and 0.1 to 1.5% by weight of 1,4-butanediol dimethanesulfonate with respect to the whole non-aqueous electrolyte. It is preferable from the viewpoint of further improving the charge / discharge cycle characteristics. The details are not clear, but 1,4-butanediol dimethanesulfonate and divinylsulfone are decomposed stepwise to form a film on the positive electrode, so that the film containing sulfur becomes denser. It is thought that it is to become.
特に非水電解液としては、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン,4−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オン或いは4−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オンなどのハロゲン原子を有する環状の炭酸エステル誘導体のような比誘電率が30以上の高誘電率溶媒を用いることも好ましい。耐還元性が高く、分解されにくいからである。また、上記高誘電率溶媒と、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、或いはメチルエチルカーボネートなどの粘度が1mPa・s以下である低粘度溶媒を混合した電解液も好ましい。より高いイオン伝導性を得ることができるからである。更に、電解液中のフッ素イオンの含有量が14質量ppm以上1290質量ppm以下の範囲内であることも好ましい。電解液に適量なフッ素イオンが含まれていると、フッ素イオンに由来するフッ化リチウムなどの被膜が負極に形成され、負極における電解液の分解反応を抑制することができると考えられるからである。更に、酸無水物及びその誘導体からなる群のうちの少なくとも1種の添加物が0.001質量%〜10質量%含まれていることが好ましい。これにより負極の表面に被膜が形成され、電解液の分解反応を抑制することができるからである。この添加物としては、環に−C(=O)−O−C(=O)−基を含む環式化合物が好ましく、例えば無水コハク酸、無水グルタル酸、無水マレイン酸、無水フタル酸、無水2−スルホ安息香酸、無水シトラコン酸、無水イタコン酸、無水ジグリコール酸、無水ヘキサフルオログルタル酸、無水3−フルオロフタル酸、無水4−フルオロフタル酸などの無水フタル酸誘導体、又は無水3,6−エポキシ−1,2,3,6−テトラヒドロフタル酸、無水1,8−ナフタル酸、無水2,3−ナフタレンカルボン酸、無水1,2−シクロペンタンジカルボン酸、1,2−シクロヘキサンジカルボン酸などの無水1,2−シクロアルカンジカルボン酸、又はシス−1,2,3,6−テトラヒドロフタル酸無水物或いは3,4,5,6−テトラヒドロフタル酸無水物などのテトラヒドロフタル酸無水物、又はヘキサヒドロフタル酸無水物(シス異性体、トランス異性体)、3,4,5,6−テトラクロロフタル酸無水物、1,2,4−ベンゼントリカルボン酸無水物、二無水ピロメリット酸、又はこれらの誘導体などが挙げられる。 In particular, as the non-aqueous electrolyte, 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one, 4-chloro-1,3-dioxolan-2-one or 4-trifluoromethyl-1,3-dioxolane-2- It is also preferable to use a high dielectric constant solvent having a relative dielectric constant of 30 or more, such as a cyclic carbonate derivative having a halogen atom such as ON. This is because it has high resistance to reduction and is not easily decomposed. Further, an electrolytic solution obtained by mixing the high dielectric constant solvent and a low viscosity solvent having a viscosity of 1 mPa · s or less such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, or methyl ethyl carbonate is also preferable. This is because higher ionic conductivity can be obtained. Furthermore, it is also preferable that the content of fluorine ions in the electrolytic solution is in the range of 14 mass ppm to 1290 mass ppm. This is because, when an appropriate amount of fluorine ions is contained in the electrolytic solution, a coating film such as lithium fluoride derived from fluorine ions is formed on the negative electrode, and it is considered that the decomposition reaction of the electrolytic solution in the negative electrode can be suppressed. . Furthermore, it is preferable that 0.001 mass%-10 mass% of at least 1 sort (s) of additives from the group which consists of an acid anhydride and its derivative (s) are contained. This is because a film is formed on the surface of the negative electrode, and the decomposition reaction of the electrolytic solution can be suppressed. As this additive, a cyclic compound containing a —C (═O) —O—C (═O) — group in the ring is preferable. For example, succinic anhydride, glutaric anhydride, maleic anhydride, phthalic anhydride, anhydrous Phthalic anhydride derivatives such as 2-sulfobenzoic acid, citraconic anhydride, itaconic anhydride, diglycolic anhydride, hexafluoroglutaric anhydride, 3-fluorophthalic anhydride, 4-fluorophthalic anhydride, or anhydrous 3,6 -Epoxy-1,2,3,6-tetrahydrophthalic acid, 1,8-naphthalic anhydride, 2,3-naphthalene carboxylic acid anhydride, 1,2-cyclopentane dicarboxylic acid anhydride, 1,2-cyclohexane dicarboxylic acid, etc. 1,2-cycloalkanedicarboxylic anhydride, or cis-1,2,3,6-tetrahydrophthalic anhydride or 3,4,5,6-tetrahydrophthal Tetrahydrophthalic anhydride such as acid anhydride, or hexahydrophthalic anhydride (cis isomer, trans isomer), 3,4,5,6-tetrachlorophthalic anhydride, 1,2,4-benzene Examples thereof include tricarboxylic acid anhydride, dianhydropyromellitic acid, and derivatives thereof.
次に、本実施形態の電池における負極の好ましい製造方法について、図2を参照しながら説明する。本製造方法では、活物質の粒子及び結着剤を含むスラリーを用いて集電体上に塗膜を形成し、次いでその塗膜に対して電解めっきが行われる。 Next, the preferable manufacturing method of the negative electrode in the battery of this embodiment is demonstrated, referring FIG. In this production method, a coating film is formed on a current collector using a slurry containing particles of an active material and a binder, and then the electroplating is performed on the coating film.
先ず図2(a)に示すように集電体11を用意する。そして集電体11上に、活物質の粒子12aを含むスラリーを塗布して塗膜15を形成する。スラリーは、活物質の粒子の他に、結着剤及び希釈溶媒などを含んでいる。またスラリーはアセチレンブラックやグラファイトなどの導電性炭素材料の粒子を少量含んでいてもよい。特に、活物質の粒子12aがシリコン系材料から構成されている場合には、該活物質の粒子12aの重量に対して導電性炭素材料を1〜3重量%含有することが好ましい。導電性炭素材料の含有量が1重量%未満であると、スラリーの粘度が低下して活物質の粒子12aの沈降が促進されるため、良好な塗膜15及び均一な空隙を形成しにくくなる。また導電性炭素材料の含有量が3重量%を超えると、該導電性炭素材料の表面にめっき核が集中し、良好な被覆を形成しにくくなる。 First, a current collector 11 is prepared as shown in FIG. Then, a slurry containing active material particles 12 a is applied onto the current collector 11 to form a coating film 15. The slurry contains a binder and a diluting solvent in addition to the active material particles. The slurry may contain a small amount of conductive carbon material particles such as acetylene black and graphite. In particular, when the active material particles 12a are made of a silicon-based material, the conductive carbon material is preferably contained in an amount of 1 to 3% by weight based on the weight of the active material particles 12a. When the content of the conductive carbon material is less than 1% by weight, the viscosity of the slurry is lowered and the sedimentation of the active material particles 12a is promoted, so that it is difficult to form a good coating film 15 and uniform voids. . On the other hand, if the content of the conductive carbon material exceeds 3% by weight, plating nuclei concentrate on the surface of the conductive carbon material, and it becomes difficult to form a good coating.
結着剤としてはスチレンブタジエンラバー(SBR)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリエチレン(PE)、エチレンプロピレンジエンモノマー(EPDM)などが用いられる。希釈溶媒としてはN−メチルピロリドン、シクロヘキサンなどが用いられる。スラリー中における活物質の粒子12aの量は30〜70重量%程度とすることが好ましい。結着剤の量は0.4〜4重量%程度とすることが好ましい。これらに希釈溶媒を加えてスラリーとする。 As the binder, styrene butadiene rubber (SBR), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene (PE), ethylene propylene diene monomer (EPDM), or the like is used. As a diluting solvent, N-methylpyrrolidone, cyclohexane or the like is used. The amount of the active material particles 12a in the slurry is preferably about 30 to 70% by weight. The amount of the binder is preferably about 0.4 to 4% by weight. A dilution solvent is added to these to form a slurry.
形成された塗膜15は、粒子12a間に多数の微小空間を有する。塗膜15が形成された集電体11を、リチウム化合物の形成能の低い金属材料を含むめっき浴中に浸漬する。めっき浴への浸漬によって、めっき液が塗膜15内の前記微小空間に浸入して、塗膜15と集電体11との界面にまで達する。その状態下に電解めっきを行い、めっき金属種を粒子12aの表面に析出させる(以下、このめっきを浸透めっきともいう)。浸透めっきは、集電体11をカソードとして用い、めっき浴中にアノードとしての対極を浸漬し、両極を電源に接続して行う。 The formed coating film 15 has a large number of minute spaces between the particles 12a. The current collector 11 on which the coating film 15 is formed is immersed in a plating bath containing a metal material having a low lithium compound forming ability. By immersion in the plating bath, the plating solution enters the minute space in the coating film 15 and reaches the interface between the coating film 15 and the current collector 11. Under this condition, electrolytic plating is performed to deposit plating metal species on the surfaces of the particles 12a (hereinafter, this plating is also referred to as permeation plating). The osmotic plating is performed by using the current collector 11 as a cathode, immersing a counter electrode as an anode in a plating bath, and connecting both electrodes to a power source.
浸透めっきによる金属材料の析出は、塗膜15の一方の側から他方の側に向かって進行させることが好ましい。具体的には、図2(b)ないし(d)に示すように、塗膜15と集電体11との界面から塗膜の表面に向けて導電性付与成分13の析出が進行するように電解めっきを行う。図2(b)ないし(d)においては、導電性付与成分13が、粒子12aの周囲を取り囲む太線として便宜的に表されている。導電性付与成分13をこのように析出させることで、活物質の粒子12aの表面を導電性付与成分13で首尾よく被覆することができると共に、導電性付与成分13で被覆された粒子12a間に空隙を首尾よく形成することができる。しかも、該空隙の空隙率を前述した好ましい範囲にすることが容易となる。 The deposition of the metal material by the osmotic plating is preferably progressed from one side of the coating film 15 to the other side. Specifically, as shown in FIGS. 2B to 2D, the deposition of the conductivity imparting component 13 proceeds from the interface between the coating film 15 and the current collector 11 toward the surface of the coating film. Perform electrolytic plating. In FIGS. 2B to 2D, the conductivity imparting component 13 is conveniently represented as a thick line surrounding the periphery of the particle 12a. By precipitating the conductivity imparting component 13 in this way, the surface of the active material particles 12a can be successfully coated with the conductivity imparting component 13, and between the particles 12a coated with the conductivity imparting component 13. The void can be formed successfully. In addition, it becomes easy to set the void ratio of the voids to the above-described preferable range.
前述のように導電性付与成分13を析出させるための浸透めっきの条件には、めっき浴の組成、めっき浴のpH、電解の電流密度などがある。このような条件については既に述べた通りである。特に、導電性付与成分の結晶子のサイズを先に述べた好ましい範囲にするために、めっき浴中に先に述べた各種光沢剤を添加することが好ましい。 As described above, the conditions of the osmotic plating for depositing the conductivity imparting component 13 include the composition of the plating bath, the pH of the plating bath, the current density of electrolysis, and the like. Such conditions are as already described. In particular, it is preferable to add the various brighteners described above to the plating bath in order to make the size of the crystallites of the conductivity imparting component within the preferable range described above.
図2(b)ないし(d)に示されているように、塗膜15と集電体11との界面から塗膜の表面に向けて金属材料13の析出が進行するようにめっきを行うと、析出反応の最前面部においては、ほぼ一定の厚みで金属材料13のめっき核からなる微小粒子13aが層状に存在している。金属材料13の析出が進行すると、隣り合う微小粒子13aどうしが結合して更に大きな粒子となり、更に析出が進行すると、該粒子どうしが結合して活物質の粒子12aの表面を連続的に被覆するようになる。 As shown in FIGS. 2B to 2D, when plating is performed such that the deposition of the metal material 13 proceeds from the interface between the coating film 15 and the current collector 11 toward the surface of the coating film. In the forefront portion of the precipitation reaction, fine particles 13a made of plating nuclei of the metal material 13 are present in layers with a substantially constant thickness. As the deposition of the metal material 13 proceeds, adjacent microparticles 13a combine to form larger particles, and when the deposition proceeds further, the particles combine to continuously cover the surface of the active material particles 12a. It becomes like this.
浸透めっきは、塗膜15の厚み方向全域に金属材料13が析出した時点で終了させる。このようにして、図2(d)に示すように、目的とする負極が得られる。 The permeation plating is terminated when the metal material 13 is deposited on the entire thickness direction of the coating film 15. In this way, the target negative electrode is obtained as shown in FIG.
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲はかかる実施例に制限されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the scope of the present invention is not limited to such examples.
〔実施例1〕
厚さ18μmの電解銅箔からなる集電体を室温で30秒間酸洗浄した。処理後、15秒間純水洗浄した。集電体上にSiの粒子を含むスラリーを膜厚15μmになるように塗布し塗膜を形成した。スラリーの組成は、粒子:スチレンブタジエンラバー(結着剤):アセチレンブラック=100:1.7:2(重量比)であった。Siの粒子の平均粒径D50は2μmであった。平均粒径D50は、日機装(株)製のマイクロトラック粒度分布測定装置(No.9320−X100)を使用して測定した。
[Example 1]
A current collector made of an electrolytic copper foil having a thickness of 18 μm was acid washed at room temperature for 30 seconds. After the treatment, it was washed with pure water for 15 seconds. A slurry containing Si particles was applied on the current collector to a thickness of 15 μm to form a coating film. The composition of the slurry was particles: styrene butadiene rubber (binder): acetylene black = 100: 1.7: 2 (weight ratio). The average particle diameter D 50 of the Si particles was 2 μm. The average particle diameter D 50 was measured using a Microtrac particle size distribution measuring device (No. 9320-X100) manufactured by Nikkiso Co., Ltd.
塗膜が形成された集電体を、以下の浴組成を有するピロリン酸銅浴に浸漬させ、電解により、塗膜に対して銅の浸透めっきを行い、活物質層を形成した。電解の条件は以下の通りとした。陽極にはDSEを用いた。電源は直流電源を用いた。
・ピロリン酸銅三水和物:105g/l
・ピロリン酸カリウム:450g/l
・硝酸カリウム:30g/l
・P比:7.7
・浴温度:50℃
・電流密度:3A/dm2
・pH:25重量%アンモニア水15g/lと、10重量%ポリリン酸を添加してpH8.2になるように調整した。
The current collector on which the coating film was formed was immersed in a copper pyrophosphate bath having the following bath composition, and copper was permeated to the coating film by electrolysis to form an active material layer. The electrolysis conditions were as follows. DSE was used for the anode. A DC power source was used as the power source.
Copper pyrophosphate trihydrate: 105 g / l
-Potassium pyrophosphate: 450 g / l
・ Potassium nitrate: 30 g / l
-P ratio: 7.7
・ Bath temperature: 50 ° C
・ Current density: 3 A / dm 2
PH: 25 wt% aqueous ammonia 15 g / l and 10 wt% polyphosphoric acid were added to adjust the pH to 8.2.
浸透めっきは、塗膜の厚み方向全域にわたって銅が析出した時点で終了させた。このようにして目的とする負極を得た。活物質層の縦断面のSEM観察によって、該活物質層においては、活物質の粒子は平均厚み300nmの銅の被膜で被覆されていたことを確認した。また銅の結晶子の大きさは平均で150nmであることを確認した。更に、上述の方法で測定した活物質層の空隙率は28%であった。 The permeation plating was terminated when copper was deposited over the entire thickness direction of the coating film. In this way, a target negative electrode was obtained. SEM observation of the longitudinal section of the active material layer confirmed that the active material particles were covered with a copper film having an average thickness of 300 nm in the active material layer. Moreover, it confirmed that the magnitude | size of the crystallite of copper was 150 nm on average. Furthermore, the porosity of the active material layer measured by the above method was 28%.
得られた負極を用いてリチウム二次電池を製造した。正極としてはLiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2を用いた。電解液としては、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートの1:1体積%混合溶媒に1mol/lのLiPF6を溶解した溶液に対して、ビニレンカーボネートを2体積%外添したものを用いた。セパレータとしては、20μm厚のポリプロピレン製多孔質フィルムを用いた。 A lithium secondary battery was manufactured using the obtained negative electrode. LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 was used as the positive electrode. As the electrolytic solution, a solution obtained by adding 2% by volume of vinylene carbonate to a solution of 1 mol / l LiPF 6 dissolved in a 1: 1 volume% mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate was used. As the separator, a 20 μm thick polypropylene porous film was used.
〔比較例1〕
浸透めっきの浴としてピロリン酸銅浴を用いることに代えて、以下の組成を有する硫酸銅の浴を用いた。電流密度は5A/dm2、浴温は40℃であった。陽極にはDSE電極を用いた。電源は直流電源を用いた。これ以外は実施例1と同様にして二次電池を得た。
・CuSO4・5H2O 250g/l
・H2SO4 70g/l
[Comparative Example 1]
Instead of using a copper pyrophosphate bath as the osmotic plating bath, a copper sulfate bath having the following composition was used. The current density was 5 A / dm 2 and the bath temperature was 40 ° C. A DSE electrode was used as the anode. A DC power source was used as the power source. A secondary battery was obtained in the same manner as in Example 1 except for the above.
・ CuSO 4・ 5H 2 O 250g / l
・ H 2 SO 4 70 g / l
〔評価〕
実施例及び比較例で得られた電池について、100サイクルまでの容量維持率を測定した。容量維持率は、各サイクル目の放電容量を測定し、それらの値を初期放電容量で除し、100を乗じて算出した。充電条件は0.5C、4.2Vで、定電流・定電圧とした。放電条件は0.5C、2.7Vで、定電流とした。但し、1サイクル目は0.05Cとし、2〜4サイクル目は0.1C、5〜7サイクル目は0.5C、8〜10サイクル目は1Cとした。その結果、実施例の電池の容量維持率は90%であったのに対し、比較例の電池の容量維持率は68%であった。
[Evaluation]
About the battery obtained by the Example and the comparative example, the capacity maintenance rate to 100 cycles was measured. The capacity retention rate was calculated by measuring the discharge capacity at each cycle, dividing those values by the initial discharge capacity, and multiplying by 100. The charging conditions were 0.5 C, 4.2 V, and constant current / constant voltage. The discharge condition was 0.5 C, 2.7 V, and a constant current. However, the first cycle was 0.05 C, the second to fourth cycles were 0.1 C, the fifth to seventh cycles were 0.5 C, and the eighth to tenth cycles were 1 C. As a result, the capacity retention rate of the battery of the example was 90%, whereas the capacity retention rate of the battery of the comparative example was 68%.
これとは別に、実施例で得られた電池について、50%の充放電を繰り返し行ったときの負極活物質層の状態をSEM観察した。充放電の条件は、充電終止電圧4.2V、放電終止電圧2.7V、充放電レート0.2Cとした。観察は、5サイクル目、50サイクル目及び150サイクル目とした。その結果を図3に示す。また、比較例で得られた電池について、初回充電前及び30サイクル目の負極活物質層の状態をSEM観察した。その結果を図4に示す。 Separately from this, the state of the negative electrode active material layer when the battery obtained in the example was repeatedly charged and discharged by 50% was observed by SEM. The charge / discharge conditions were a charge end voltage of 4.2 V, a discharge end voltage of 2.7 V, and a charge / discharge rate of 0.2 C. Observations were made at the 5th, 50th and 150th cycles. The result is shown in FIG. Moreover, about the battery obtained by the comparative example, the state of the negative electrode active material layer before the first charge and the 30th cycle was observed by SEM. The result is shown in FIG.
図3に示すSEM像から明らかなように、実施例の電池は、充放電のサイクルを繰り返すことで、活物質層の微粉化が進行することが判る。具体的には、図3(a)に示す5サイクル目では、Siの粒子の周囲に銅の結晶子が多数形成されており、該結晶子は隣接する結晶子と密着状態でつながって集合体を構成している。図3(b)に示す50サイクル目では、Si粒子の微粉化が進行していることが判る。一方、図3(a)においてはつながっていた銅の結晶子が部分的に切断されて、やはり微粉化が進行していることが判る。図3(c)に示す150サイクル目では、Si粒子の微粉化が一層進行していることが判る。一方、銅の結晶子はほぼ切断されて個々の結晶子の状態になり、微粉化したSi粒子と混合状態になっていることが判る。 As is clear from the SEM image shown in FIG. 3, it can be seen that the battery of the example progresses in the pulverization of the active material layer by repeating the charge / discharge cycle. Specifically, in the fifth cycle shown in FIG. 3A, a large number of copper crystallites are formed around the Si particles, and the crystallites are connected in close contact with adjacent crystallites. Is configured. In the 50th cycle shown in FIG.3 (b), it turns out that pulverization of Si particle | grains is advancing. On the other hand, in FIG. 3A, it can be seen that the connected copper crystallites are partially cut, and the pulverization is still progressing. In the 150th cycle shown in FIG.3 (c), it turns out that the pulverization of Si particle | grains is further progressing. On the other hand, it can be seen that the copper crystallites are almost cut into individual crystallites and mixed with finely divided Si particles.
これに対して比較例の電池では、図4(a)に示すように初回充電前Siの粒子間が銅でほぼ満たされていることが判る。また図4(b)に示す30サイクル目では、既に微粉化が進行していないことが判る。即ち30サイクル目以降では、活物質の粒子の微粉化に起因して電極全体の導電性が失われ、容量が低下したものと推察される。留意すべきは、活物質層のうち、集電体に近い部位の状態は、初回充電前の状態から殆ど変化していないことである。このことは、比較例では、負極活物質層のうち表面から遠い部位に存在する活物質は電極反応に利用されていないことを意味している。 On the other hand, in the battery of the comparative example, as shown in FIG. 4A, it can be seen that the space between the Si particles before the first charge is substantially filled with copper. Moreover, it turns out that micronization has not already advanced in the 30th cycle shown in FIG.4 (b). That is, after the 30th cycle, the conductivity of the entire electrode is lost due to the pulverization of the active material particles, and it is assumed that the capacity is reduced. It should be noted that the state of the active material layer near the current collector is hardly changed from the state before the first charge. This means that in the comparative example, the active material present in a portion far from the surface of the negative electrode active material layer is not used for the electrode reaction.
10 非水電解液二次電池用負極
11 集電体
12 活物質層
12a 活物質の粒子
13 導電性付与成分
15 塗膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary batteries 11 Current collector 12 Active material layer 12a Active material particles 13 Conductivity imparting component 15 Coating film
Claims (6)
前記活物質層は、前記電池に対して電池容量の50%以上の充放電を少なくとも5回行った後、更に充放電を繰り返し行ったときに、前記活物質層に含まれる前記導電性付与成分が、充放電の繰り返しにより漸次微粉化していく構造となっていることを特徴とする非水電解液二次電池。 In a non-aqueous electrolyte secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between them, the negative electrode including an active material layer containing active material particles and a conductivity-imparting component,
The active material layer includes the conductivity-imparting component included in the active material layer when the battery is repeatedly charged and discharged after at least 5 times of charging and discharging at 50% or more of the battery capacity. However, the non-aqueous electrolyte secondary battery is characterized in that it is gradually pulverized by repeated charge and discharge.
前記被覆が、平均粒径が0.01〜1μmである前記金属材料の結晶子の集合体からなる構造となっている請求項1又は2記載の非水電解液二次電池。 The active material layer is composed of the particles made of a material that causes a volume change by occlusion and release of lithium ions, and the conductivity-imparting component coating made of a metal material that is located on the surface of the particles and has a low ability to form a lithium compound; Including
The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the coating has a structure made of an aggregate of crystallites of the metal material having an average particle diameter of 0.01 to 1 μm.
前記被覆が、光沢剤を含む銅めっき浴を用いた電解めっきによって形成されている請求項3又は4記載の非水電解液二次電池。 The particles are made of a material containing silicon and capable of occluding and releasing lithium ions,
The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 3 or 4, wherein the coating is formed by electrolytic plating using a copper plating bath containing a brightener.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007069922A JP2008034347A (en) | 2006-06-30 | 2007-03-19 | Non-aqueous electrolyte secondary battery |
Applications Claiming Priority (2)
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ID=39123525
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| JP (1) | JP2008034347A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101283342B1 (en) * | 2010-01-12 | 2013-07-09 | 주식회사 엘지화학 | Active Material For Anode of Lithium Secondary Battery |
-
2007
- 2007-03-19 JP JP2007069922A patent/JP2008034347A/en not_active Withdrawn
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