JP2008108459A - Method for producing electrode material for non-aqueous electrolyte secondary battery, electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery, and non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Abstract
【課題】生産性に優れ、安価で放電容量が高い非水電解質二次電池を提供し得る非水電解質二次電池用電極材の製造方法、並びに非水電解質二次電池用電極と、これを用いた非水電解質二次電池を提供する。
【解決手段】基体上に活物質を気相成長させて非水電解質二次電池用電極材を製造する方法において、該基体の活物質層形成面の一部に剥離層を形成した後、該基体上の剥離層形成面と非形成面とに活物質を気相成長させて活物質層を形成し、その後、該基体上から剥離層と該剥離層上の活物質層とを除去する工程を備えることを特徴とする非水電解質二次電池用電極材の製造方法。
【選択図】なしA method for producing an electrode material for a nonaqueous electrolyte secondary battery capable of providing a nonaqueous electrolyte secondary battery having excellent productivity, low cost and high discharge capacity, and an electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery, and The nonaqueous electrolyte secondary battery used is provided.
In a method for producing an electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery by vapor-growing an active material on a substrate, a release layer is formed on a part of the active material layer forming surface of the substrate, A step of forming an active material layer by vapor-phase growth of an active material on a release layer forming surface and a non-forming surface on a substrate, and then removing the release layer and the active material layer on the release layer from the substrate The manufacturing method of the electrode material for nonaqueous electrolyte secondary batteries characterized by comprising.
[Selection figure] None
Description
本発明は、生産性に優れ、安価で放電容量が高い非水電解質二次電池を提供し得る非水電解質二次電池用電極材の製造方法、並びに非水電解質二次電池用電極と、これを用いた非水電解質二次電池に関する。 The present invention provides an electrode material for a nonaqueous electrolyte secondary battery that can provide a nonaqueous electrolyte secondary battery that is excellent in productivity, inexpensive, and has a high discharge capacity, and an electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery, It relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery using
電子機器の小型化に伴い、安価で高容量の二次電池が必要になってきている。特に、ニッケル・カドミウム、ニッケル・水素電池に比べ、よりエネルギー密度の高い非水溶媒系リチウム二次電池が注目されてきている。近年、リチウム二次電池に要求される価格や容量についても、高い目標が掲げられてきており、更なる低コスト化、高容量化が必要とされている。 Along with the downsizing of electronic devices, there is a need for inexpensive and high-capacity secondary batteries. In particular, non-aqueous solvent lithium secondary batteries with higher energy density have attracted attention as compared with nickel-cadmium and nickel-hydrogen batteries. In recent years, high targets have been set for the price and capacity required for lithium secondary batteries, and further cost reduction and capacity increase are required.
リチウム二次電池の例えば負極材料としては、これまで黒鉛粉末などが検討されている。黒鉛粉末はサイクル特性に優れ、電極膨張が小さく、且つ、安価であるために使用されてきた。しかしながら、黒鉛からなる負極材料は理論容量が372mAh/gという限界があり、更なる高容量化は期待出来ない。
また、黒鉛粉末を電極として用いるには、集電体上に結着材で固定する必要があり、更に集電性を改良するために、電極中にカーボンブラックや気相成長炭素繊維を導電助材として加える場合もあった。そのため、電極中の活物質としての黒鉛粉末の重量割合が減少し、電池容量が低下する課題があった。
For example, graphite powder has been studied as a negative electrode material of a lithium secondary battery. Graphite powder has been used because of its excellent cycle characteristics, small electrode expansion, and low cost. However, the negative electrode material made of graphite has a limit of theoretical capacity of 372 mAh / g, and further increase in capacity cannot be expected.
In addition, in order to use graphite powder as an electrode, it is necessary to fix it on a current collector with a binder, and in order to further improve current collection, carbon black or vapor-grown carbon fiber is supported in the electrode as a conductive aid. In some cases, it was added as a material. Therefore, the weight ratio of the graphite powder as an active material in the electrode is reduced, and there is a problem that the battery capacity is reduced.
そこで、近年は黒鉛負極の代わりに理論容量が大きなリチウムと合金を形成するSi、Sn、Al等の合金系負極を気相成長させ、集電体上に直接活物質を形成する方法の検討がなされている。しかしながら、これらの気相成長で製造する合金系負極は、黒鉛に比べると製造コストが高い課題がある。 Therefore, in recent years, there has been a study on a method of directly forming an active material on a current collector by vapor-phase growth of an alloy-based negative electrode such as Si, Sn, or Al that forms an alloy with lithium having a large theoretical capacity instead of a graphite negative electrode. Has been made. However, these alloy-based negative electrodes manufactured by vapor phase growth have a problem that the manufacturing cost is higher than that of graphite.
一方、非水電解質二次電池用電極は、電池の組み立てにおいて、電極表面の一部に集電用のタブ等を接着するための電極材料の未成膜部分が必要不可欠である。しかしながら、例えば、気相成長で製造する合金系薄膜において、ロールtoロールで連続的に集電体上に活物質層を成膜する場合、前記集電用の未成膜部分を形成するためには間欠的に成膜する必要があり、生産性が低下する問題がある。また、成膜部分と未成膜部分の境界もはっきりせず、集電用のタブ等を接着するための未成膜部分としては好ましくない。
また、気相成長時に未成膜部分を形成せずに後工程で成膜部分を除去する方法の場合、基体と合金系薄膜の密着力が高いためにこれを基体から剥離することが困難であり、集電用の未成膜部分の形成は実質上不可能である。
On the other hand, an electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery requires an undeposited portion of an electrode material for adhering a current collecting tab or the like to a part of the electrode surface in assembling the battery. However, for example, in the case of forming an active material layer on a current collector continuously in a roll-to-roll manner in an alloy thin film manufactured by vapor phase growth, in order to form the non-film-forming portion for current collection There is a problem that it is necessary to form the film intermittently and productivity is lowered. Further, the boundary between the film-formed part and the non-film-formed part is not clear, and it is not preferable as the non-film-formed part for bonding a current collecting tab or the like.
Further, in the case of a method of removing a film-forming part in a subsequent process without forming an unfilmed part during vapor phase growth, it is difficult to peel this from the base because the adhesion between the base and the alloy thin film is high. It is virtually impossible to form a non-film-forming portion for current collection.
従って、リチウム二次電池の更なる高容量化においては、例えば負極材料の場合、気相成長で製造する合金系活物質を用いることによる高容量化だけでなく、安価で生産性に優れた製造法が強く求められている。 Therefore, in further increasing the capacity of the lithium secondary battery, for example, in the case of a negative electrode material, not only the capacity is increased by using an alloy-based active material manufactured by vapor phase growth, but also inexpensive and excellent productivity. The law is strongly sought.
こうした中で、特許文献1には、集電体両面に活物質層を形成する方法において、両面同時に活物質層を連続的に形成することで、活物質層への集電体成分の拡散が実質的に同じなるように制御ができ、サイクル特性に優れたリチウムニ次電池用電極材を製造することが記載されている。 Under these circumstances, Patent Document 1 discloses that in the method of forming the active material layer on both sides of the current collector, the active material layer is continuously formed at the same time on both sides, so that the current collector component diffuses into the active material layer. It describes that an electrode material for a lithium secondary battery that can be controlled to be substantially the same and has excellent cycle characteristics is manufactured.
また、特許文献2には、集電体両面に活物質層を形成する方法において、片面ずつに複数の層からなる活物質層を連続的に形成することで、集電体への活物質の拡散を制御し、充放電容量が高く、サイクル特性に優れたリチウムニ次電池用電極材を製造することが記載されている。 Patent Document 2 discloses a method of forming an active material layer on both sides of a current collector by continuously forming an active material layer composed of a plurality of layers on each side so that the active material on the current collector is formed. It describes that an electrode material for a lithium secondary battery that controls diffusion, has a high charge / discharge capacity, and has excellent cycle characteristics is manufactured.
特許文献1,2では、合金系活物質を気相成長で製造しており、高い放電容量が期待でき、且つ活物質層が形成されていない部分にタブを取り付けることが記載されている。しかしながら、活物質層が形成されていない部分についての詳細な記載はなく、その形成方法については何ら触れられていない。
本発明は上記の課題に鑑みて創案されたものであり、基体上に活物質を気相成長させる方法でありながら、集電用の未成膜部分を形成するために間欠的に成膜する等の必要がなく、安価で生産性に優れた非水電解質二次電池を提供し得る非水電解質二次電池用電極材の製造方法、及び非水電解質二次電池用電極と、これを用いた非水電解質二次電池を提供することを目的とする。 The present invention was devised in view of the above-mentioned problems, and is a method of vapor-depositing an active material on a substrate, but intermittently forms a film to form an unfilmed portion for current collection, etc. For manufacturing a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode material capable of providing a non-aqueous electrolyte secondary battery that is inexpensive and excellent in productivity, and an electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, and using the same An object is to provide a nonaqueous electrolyte secondary battery.
本発明者らは、基体上に活物質を気相成長させて電極材を製造する方法について鋭意検討した結果、安価で良好な生産性で得る方法を見出し、本発明を完成させた。 As a result of intensive studies on a method for producing an electrode material by vapor-phase growth of an active material on a substrate, the present inventors have found a method that can be obtained at low cost and good productivity, and completed the present invention.
即ち、本発明の要旨は、基体上に活物質を気相成長させて非水電解質二次電池用電極材を製造する方法において、該基体の活物質層形成面の一部に剥離層を形成した後、該基体上の剥離層形成面と非形成面とに活物質を気相成長させて活物質層を形成し、その後、該基体上から剥離層と該剥離層上の活物質層とを除去する工程を備えることを特徴とする非水電解質二次電池用電極材の製造方法(請求項1)、に存する。 That is, the gist of the present invention is to form a release layer on a part of the active material layer forming surface of the substrate in a method of producing an electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery by vapor-growing an active material on the substrate. Then, the active material is vapor-phase grown on the release layer forming surface and the non-formed surface on the substrate to form an active material layer, and then the release layer and the active material layer on the release layer are formed on the substrate. And a method for producing an electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery (Claim 1).
また、本発明の別の要旨は、該剥離層が高分子結着材を含むことを特徴とする請求項1に記載の非水電解質二次電池用電極材の製造方法(請求項2)、に存する。 In another aspect of the present invention, the release layer contains a polymer binder, The method for producing an electrode material for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1 (claim 2), Exist.
また、本発明の別の要旨は、該剥離層が充填材を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池用電極材の製造方法(請求項3)、に存する。 According to another aspect of the present invention, there is provided the method for producing an electrode material for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the release layer contains a filler. Exist.
また、本発明の別の要旨は、基体上に該剥離層を形成した後、基体表面を粗面化し、その後活物質を気相成長させることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用電極材の製造方法(請求項4)、に存する。 In another aspect of the present invention, the release layer is formed on the substrate, the surface of the substrate is roughened, and then the active material is vapor-phase grown. The manufacturing method of the electrode material for nonaqueous electrolyte secondary batteries as described in (4).
また、本発明の別の要旨は、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用電極材の製造方法により製造された電極材を含むことを特徴とする非水電解質二次電池用電極(請求項5)、に存する。 Further, another gist of the present invention includes a non-aqueous solution comprising an electrode material produced by the method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode material according to any one of claims 1 to 4. It exists in the electrode for electrolyte secondary batteries (Claim 5).
また、本発明の別の要旨は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極及び負極、並びに電解質を備える非水電解質二次電池において、該電極(正極及び/又は負極)が、請求項5に記載の非水電解質二次電池用電極であることを特徴とする非水電解質二次電池(請求項6)、に存する。 Further, according to another aspect of the present invention, in the nonaqueous electrolyte secondary battery including a positive electrode and a negative electrode capable of inserting and extracting lithium ions, and an electrolyte, the electrode (positive electrode and / or negative electrode) is described in claim 5. The nonaqueous electrolyte secondary battery is characterized in that it is an electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery (claim 6).
本発明によれば、基体上に活物質を気相成長させる方法でありながら、集電用の未成膜部分を形成するために間欠的に成膜する等の必要がなく、しかも成膜部分と未成膜部分との境界も明瞭であり、安価で生産性に優れた高特性な非水電解質二次電池が提供される。 According to the present invention, although it is a method for vapor-phase growth of an active material on a substrate, there is no need to intermittently form a film to form an unfilmed part for current collection, and A high-performance non-aqueous electrolyte secondary battery having a clear boundary with an undeposited portion, being inexpensive and excellent in productivity is provided.
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明するが、本発明は以下の説明に制限されるものではなく、本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意に変形して実施することができる。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described in detail below, but the present invention is not limited to the following descriptions, and the present invention is arbitrarily modified and implemented without departing from the gist of the present invention. be able to.
[1]非水電解質二次電池用電極材
(1)活物質
まず、本発明に係る非水電解質二次電池用電極材に好適な活物質について説明する。
活物質は、特に限定はされないが、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な元素と、場合によって含有される添加元素とで構成される。
[1] Electrode Material for Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery (1) Active Material First, an active material suitable for the electrode material for nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention will be described.
Although an active material is not specifically limited, It is comprised with the element which can occlude / release lithium ion and the additional element contained depending on the case.
[リチウムイオンを吸蔵・放出可能な元素]
リチウムイオンを吸蔵・放出可能な元素とは、元素単体、若しくは化合物の形態において、リチウムイオンを吸蔵・放出可能である元素と定義し、元素単体ではSi、Sn、Al、Zn、Ag、Ge、Pb、C等が、化合物(例えば酸化物)の形態としてはCo、Ni、Mn等がリチウムイオンを吸蔵・放出可能な元素である。これら元素を負極材に用いる場合、特に限定はされないが、好ましくはSi、Sn元素であり、更に好ましくはSi元素である。また、これら元素を正極材に用いる場合、好ましくはCo、Ni、Mn、Fe元素であり、更に好ましくはCo、Mn元素である。
[Elements that can occlude and release lithium ions]
The element capable of occluding / releasing lithium ions is defined as an element capable of occluding / releasing lithium ions in the form of elemental simple substance or compound, and Si, Sn, Al, Zn, Ag, Ge, Pb, C, etc. are elements (such as oxides) in which Co, Ni, Mn, etc. are elements capable of occluding and releasing lithium ions. When these elements are used for the negative electrode material, they are not particularly limited, but are preferably Si and Sn elements, and more preferably Si elements. Moreover, when using these elements for a positive electrode material, Preferably they are Co, Ni, Mn, and Fe element, More preferably, they are Co and Mn element.
[添加元素]
活物質は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な元素以外の添加元素を含んでも良い。この添加元素としては、特に限定はされないが、周期表2族、4族、5族、6族、8族、9族、11族、13族、14族、15族及び16族より選ばれる1種又は2種以上の元素であり、より好ましくは、B、C、N、Ti、Zr、W、O元素であり、更に好ましくはC、N、O元素である。
[Additive elements]
The active material may contain an additive element other than an element capable of inserting and extracting lithium ions. The additive element is not particularly limited, but is selected from Group 2, Group 4, Group 5, Group 8, Group 8, Group 9, Group 13, Group 14, Group 15, Group 16 and Group 16 of the periodic table It is a seed or two or more elements, more preferably B, C, N, Ti, Zr, W, and O elements, and still more preferably C, N, and O elements.
[組成]
活物質の組成としては、特に限定はされないが、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な元素の含有率が、通常10原子%以上、好ましくは25原子%以上、更に好ましくは40原子%以上で、通常95原子%以下、好ましくは85原子%以下、更に好ましくは80原子%以下である。
[composition]
The composition of the active material is not particularly limited, but the content of elements capable of occluding and releasing lithium ions is usually 10 atomic% or more, preferably 25 atomic% or more, more preferably 40 atomic% or more. 95 atomic percent or less, preferably 85 atomic percent or less, and more preferably 80 atomic percent or less.
活物質の組成は、例えば、後述の実施例に示す如く、X線光電子分光器(例えば、アルバック・ファイ社製「ESCA」)を用い、当該活物質よりなる電極材の表面が平坦になるように試料台に載せ、アルミニウムのKα線をX線源とし、Arスパッタを行いながらデプスプロファイル測定を行い、活物質中の元素の原子濃度をそれぞれ算出することで求めることができる。 The composition of the active material is, for example, as shown in the examples below, using an X-ray photoelectron spectrometer (for example, “ESCA” manufactured by ULVAC-PHI), so that the surface of the electrode material made of the active material becomes flat. It can be obtained by placing the sample on the sample stage, using the Kα ray of aluminum as an X-ray source, performing depth profile measurement while performing Ar sputtering, and calculating the atomic concentration of each element in the active material.
[リチウムイオンを吸蔵・放出可能な元素がSiで、添加元素がC、Oの場合の組成]
リチウムイオンを吸蔵・放出可能な元素がSiで、添加元素がC、或いは更にOであり、一般式SiCxOyで表される活物質の場合、一般式SiCxOyにおいて、xは特に限定はされないが、通常0.05以上、好ましくは0.08以上、更に好ましくは0.15以上、特に好ましくは0.25以上で、通常0.90以下、好ましくは0.75以下、更に好ましくは0.60以下、特に好ましくは0.45以下である。
[Composition when the element capable of inserting and extracting lithium ions is Si and the additive elements are C and O]
In the case of an active material represented by the general formula SiCxOy, where x is an element capable of inserting and extracting lithium ions, and the additive element is C or further O, x is not particularly limited. 0.05 or more, preferably 0.08 or more, more preferably 0.15 or more, particularly preferably 0.25 or more, usually 0.90 or less, preferably 0.75 or less, more preferably 0.60 or less, Especially preferably, it is 0.45 or less.
また、yは特に限定はされないが、通常0.0以上、好ましくは0.05以上で、通常0.90以下、好ましくは0.70以下、更に好ましくは0.50以下、特に好ましくは0.40以下である。 Further, y is not particularly limited, but is usually 0.0 or more, preferably 0.05 or more, usually 0.90 or less, preferably 0.70 or less, more preferably 0.50 or less, and particularly preferably 0.00. 40 or less.
[形態]
活物質の形態は薄膜状である。本発明において、薄膜状活物質の電極材は、集電体となる基体上に活物質を気相成長することで得られる。
[Form]
The form of the active material is a thin film. In the present invention, the electrode material of the thin film active material can be obtained by vapor-phase growth of the active material on a substrate serving as a current collector.
〈薄膜状活物質〉
(構造)
集電体上に成膜された薄膜状活物質の構造としては、例えば、柱状構造、層状構造等が挙げられる。
<Thin film active material>
(Construction)
Examples of the structure of the thin film active material formed on the current collector include a columnar structure and a layered structure.
(膜厚)
薄膜状活物質の膜厚は、これを用いてなる電極の活物質層の厚さに相当し、特に限定はされないが、通常1μm以上、好ましくは3μm以上、また通常100μm以下、好ましくは60μm以下、更に好ましくは30μm以下である。薄膜状活物質の膜厚がこの範囲であれば、充放電に伴う膨張・収縮で薄膜状活物質が集電体基体から剥離するのを抑制でき、良いサイクル特性が得られるので好ましい。
(Film thickness)
The film thickness of the thin film active material corresponds to the thickness of the active material layer of the electrode using the thin film active material, and is not particularly limited, but is usually 1 μm or more, preferably 3 μm or more, and usually 100 μm or less, preferably 60 μm or less. More preferably, it is 30 μm or less. If the film thickness of the thin film active material is within this range, it is preferable because the thin film active material can be prevented from peeling from the current collector substrate due to expansion / contraction associated with charge / discharge, and good cycle characteristics can be obtained.
(2)基体
以下、上述のような活物質よりなる活物質層が気相成長により形成される基体、即ち、負極用及び正極用の集電体について説明する。
(2) Substrate Hereinafter, a substrate on which an active material layer made of the active material as described above is formed by vapor phase growth, that is, a current collector for a negative electrode and a positive electrode will be described.
[負極用の基体]
<材質>
負極用の基体、即ち、集電体の材質としては、銅、ニッケル、ステンレス等が挙げられ、中でも薄膜に加工しやすく、安価な銅が好ましい。銅箔には、圧延法による圧延銅箔と、電解法による電解銅箔があり、どちらも集電体として用いることができる。銅箔の厚さが25μmよりも薄い場合、純銅よりも強度の高い銅合金(リン青銅、チタン銅、コルソン合金、Cu−Cr−Zr合金等)を用いることができる。
[Substrate for negative electrode]
<Material>
Examples of the material for the negative electrode substrate, that is, the current collector, include copper, nickel, stainless steel, etc. Among them, copper that is easy to process into a thin film and inexpensive is preferable. The copper foil includes a rolled copper foil by a rolling method and an electrolytic copper foil by an electrolytic method, both of which can be used as a current collector. When the thickness of the copper foil is less than 25 μm, a copper alloy (phosphor bronze, titanium copper, Corson alloy, Cu—Cr—Zr alloy, etc.) having higher strength than pure copper can be used.
圧延法により作製した銅箔からなる集電体は、銅結晶が圧延方向に並んでいるため、これを用いた負極を密に丸めても、鋭角に丸めても割れにくく、小型の円筒状電池に好適に用いることができる。電解銅箔は、例えば、銅イオンが溶解された電解液中に金属製のドラムを浸漬し、これを回転させながら電流を流すことにより、ドラムの表面に銅を析出させ、これを剥離して得られるものである。上記の圧延銅箔の表面に、電解法により銅を析出させていても良い。銅箔の片面又は両面には、粗面化処理や表面処理(例えば、厚さが数nm〜1μm程度までのクロメート処理、Ti等の下地処理など)がなされていても良い。 A current collector made of copper foil produced by a rolling method has copper crystals arranged in the rolling direction, so that it is difficult to break even if the negative electrode using this is rounded sharply or rounded to an acute angle, and is a small cylindrical battery Can be suitably used. For example, an electrolytic copper foil is prepared by immersing a metal drum in an electrolytic solution in which copper ions are dissolved, and flowing current while rotating the copper drum, thereby depositing copper on the surface of the drum and peeling it off. It is obtained. Copper may be deposited on the surface of the rolled copper foil by an electrolytic method. One side or both sides of the copper foil may be subjected to a roughening treatment or a surface treatment (for example, a chromate treatment having a thickness of about several nm to 1 μm, a base treatment such as Ti).
<厚さ>
銅箔等よりなる集電体は、厚さが薄い方が薄い負極を製造することができ、同じ収納容積の電池容器内に、より広い表面積の負極活物質を詰めることができる点で好ましいが、過度に薄いと、強度が不足し、電池製造時の捲回等で銅箔が切断する恐れがある。このため、銅箔等よりなる集電体は、5〜70μm程度の厚さであることが好ましい。銅箔の両面に活物質を形成する場合は、銅箔は更に薄い方が良いが、充電・放電に伴う活物質の膨張・収縮による銅箔の亀裂発生を回避する観点から、この場合において、銅箔の更に好ましい厚さは10〜35μmである。
<Thickness>
A current collector made of copper foil or the like is preferable in that the thinner the negative electrode, the thinner the negative electrode can be produced, and the negative electrode active material having a larger surface area can be packed in a battery container having the same storage volume. If the thickness is excessively thin, the strength is insufficient, and the copper foil may be cut by winding or the like during battery manufacture. For this reason, the current collector made of copper foil or the like is preferably about 5 to 70 μm thick. In the case of forming the active material on both sides of the copper foil, the copper foil is preferably thinner, but in this case, from the viewpoint of avoiding the occurrence of cracks in the copper foil due to the expansion / contraction of the active material accompanying charging / discharging, A more preferable thickness of the copper foil is 10 to 35 μm.
集電体として銅箔以外の金属箔を使用する場合には、それぞれの金属箔に応じて、好適な厚さのものを使用することができるが、その厚さはおおむね5〜70μm程度の範囲内である。 When a metal foil other than copper foil is used as the current collector, one having a suitable thickness can be used depending on the metal foil, but the thickness is generally in the range of about 5 to 70 μm. Is within.
<物性>
集電体には、更に次のような物性が望まれる。
(1) 平均表面粗さ(Ra)
JISB0601−1994に記載の方法で規定される集電体の活物質層形成面の平均表面粗さ(Ra)は、特に制限されないが、通常0.05μm以上、好ましくは0.1μm以上、特に好ましくは0.15μm以上であり、通常1.5μm以下、好ましくは1.3μm以下、特に好ましくは1.0μm以下である。
<Physical properties>
The following physical properties are desired for the current collector.
(1) Average surface roughness (Ra)
The average surface roughness (Ra) of the active material layer forming surface of the current collector defined by the method described in JIS B0601-1994 is not particularly limited, but is usually 0.05 μm or more, preferably 0.1 μm or more, particularly preferably. Is 0.15 μm or more, usually 1.5 μm or less, preferably 1.3 μm or less, particularly preferably 1.0 μm or less.
集電体の平均表面粗さ(Ra)を上記した下限と上限の間の範囲内とすることにより、良好な充放電サイクル特性が期待できる。上記下限値以上とすることにより、活物質との界面の面積が大きくなり、活物質との密着性が向上する。平均表面粗さ(Ra)の上限値は特に制限されるものではないが、平均表面粗さ(Ra)が1.5μmを超えるものは電池として実用的な厚みの箔としては一般に入手しにくいため、1.5μm以下のものが好ましい。 By setting the average surface roughness (Ra) of the current collector within the range between the lower limit and the upper limit described above, good charge / discharge cycle characteristics can be expected. By setting it to the above lower limit or more, the area of the interface with the active material is increased, and the adhesion with the active material is improved. The upper limit of the average surface roughness (Ra) is not particularly limited, but those having an average surface roughness (Ra) exceeding 1.5 μm are generally difficult to obtain as foils having a practical thickness as a battery. 1.5 μm or less is preferable.
(2) 引張強度
集電体の引張強度は、特に制限されないが、通常100N/mm2以上、好ましくは250N/mm2以上、更に好ましくは400N/mm2以上、特に好ましくは500N/mm2以上である。引張強度は、値が高いほど好ましいが、工業的入手可能性の観点から、通常1000N/mm2以下である。
(2) Tensile strength The tensile strength of the current collector is not particularly limited, but is usually 100 N / mm 2 or more, preferably 250 N / mm 2 or more, more preferably 400 N / mm 2 or more, and particularly preferably 500 N / mm 2 or more. It is. The tensile strength is preferably as high as possible, but is usually 1000 N / mm 2 or less from the viewpoint of industrial availability.
引張強度とは、試験片が破断に至るまでに要した最大引張力を、試験片の断面積で割ったものである。本発明における引張強度は、JISZ2241(金属材料引張試験方法)における記載と同様な装置及び方法で測定される。引張強度が高い集電体であれば、充電・放電に伴う活物質の膨張・収縮による集電体の亀裂を抑制することができ、良好なサイクル特性を得ることができる。 The tensile strength is obtained by dividing the maximum tensile force required until the test piece breaks by the cross-sectional area of the test piece. The tensile strength in the present invention is measured by the same apparatus and method as described in JISZ2241 (metal material tensile test method). If the current collector has a high tensile strength, cracking of the current collector due to expansion / contraction of the active material accompanying charging / discharging can be suppressed, and good cycle characteristics can be obtained.
(3) 0.2%耐力
集電体の0.2%耐力は、特に制限されないが、通常30N/mm2以上、好ましくは150N/mm2以上、特に好ましくは300N/mm2以上である。0.2%耐力は、値が高いほど好ましいが、工業的入手可能性の観点から、通常900N/mm2以下が望ましい。
(3) 0.2% proof stress of 0.2% proof stress current collector is not particularly limited, normally 30 N / mm 2 or more, preferably 150 N / mm 2 or more, particularly preferably 300N / mm 2 or more. The 0.2% proof stress is preferably as high as possible, but usually 900 N / mm 2 or less is desirable from the viewpoint of industrial availability.
0.2%耐力とは、0.2%の塑性(永久)歪みを与えるに必要な負荷の大きさであり、この大きさの負荷を加えた後に除荷しても0.2%変形している事を意味している。本発明における0.2%耐力は、伸び率と同様な装置及び方法で測定される。0.2%耐力が高い集電体であれば、充電・放電に伴う活物質の膨張・収縮による集電体の塑性変形を抑制することができ、良好なサイクル特性を得ることができる。本発明における0.2%耐力は、引張強度と同様な装置及び方法で測定される。 The 0.2% proof stress is the magnitude of the load necessary to give a plastic (permanent) strain of 0.2%. It means that The 0.2% proof stress in the present invention is measured by the same apparatus and method as the elongation rate. If the current collector has a high 0.2% proof stress, plastic deformation of the current collector due to expansion / contraction of the active material accompanying charging / discharging can be suppressed, and good cycle characteristics can be obtained. The 0.2% yield strength in the present invention is measured by the same apparatus and method as the tensile strength.
[正極用の基体]
正極用の基体、即ち、集電体としては、例えば、電解液中での陽極酸化によって表面に不動態皮膜を形成する弁金属又はその合金を用いるのが好ましい。弁金属としては、周期表4族、5族、13族に属する金属及びこれらの合金を例示することができる。具体的には、Al、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta及びこれらの金属を含む合金などを例示することができ、Al、Ti、Ta及びこれらの金属を含む合金を好ましく使用することができる。特にAl及びその合金は軽量であるためエネルギー密度が高くて望ましい。
正極用集電体の厚みは特に限定されないが通常5〜70μm程度である。
[Substrate for positive electrode]
As the substrate for the positive electrode, that is, the current collector, for example, a valve metal or an alloy thereof that forms a passive film on the surface by anodic oxidation in an electrolytic solution is preferably used. Examples of the valve metal include metals belonging to Groups 4, 5, and 13 of the periodic table and alloys thereof. Specifically, Al, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta and alloys containing these metals can be exemplified, and Al, Ti, Ta and alloys containing these metals can be preferably used. . In particular, Al and its alloys are desirable because of their light weight and high energy density.
The thickness of the positive electrode current collector is not particularly limited, but is usually about 5 to 70 μm.
(3)非水電解質二次電池用電極材の製造方法
次に、本発明の非水電解質二次電池用電極材の製造方法について説明する。
本発明の非水電解質二次電池用電極材の製造方法は、基体(以下、適宜、「集電体」と記す場合がある。)上の活物質層形成面の一部に剥離層を形成した後、該基体上の剥離層形成面と非形成面とに前述した活物質の原料を基体上に気相成長させ、該基体上から剥離層とこの剥離層上に気相成長させた活物質層を除去する工程を備える。
(3) Manufacturing method of electrode material for nonaqueous electrolyte secondary battery Next, the manufacturing method of the electrode material for nonaqueous electrolyte secondary battery of this invention is demonstrated.
In the method for producing an electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, a release layer is formed on a part of the active material layer forming surface on a substrate (hereinafter sometimes referred to as “current collector” as appropriate). After that, the active material raw material described above is vapor-grown on the substrate on the surface on which the release layer is formed and on the surface on which the release layer is formed, and the active material obtained by vapor-phase growth on the release layer and the release layer from the substrate. Removing the material layer.
[剥離層の形成工程]
〈剥離層〉
以下、活物質の気相成長前に基体上に形成する剥離層について詳細に説明する。
本発明において、剥離層とは、活物質の気相成長後に、基体から容易に剥離可能な層をいう。
[Peeling layer forming step]
<Peeling layer>
Hereinafter, the release layer formed on the substrate before vapor phase growth of the active material will be described in detail.
In the present invention, the release layer refers to a layer that can be easily released from the substrate after vapor phase growth of the active material.
(材質)
剥離層の材質としては、気相成長後に基体から剥離可能な層を形成するものであれば、特に限定はされないが、マスキングテープ、高分子結着材等が挙げられる。また、剥離層には充填材を含むことができる。中でも高分子結着材を含んでいるものが基体から剥離し易く好ましく、更に充填材を含むものは耐熱性があるので好ましい。
(Material)
The material of the release layer is not particularly limited as long as it forms a layer that can be peeled off from the substrate after vapor phase growth, and examples thereof include a masking tape and a polymer binder. The release layer can contain a filler. Among them, those containing a polymer binder are preferable because they are easy to peel off from the substrate, and those containing a filler are preferable because they have heat resistance.
ここでマスキングテープは、例えば、ゴム系やシリコーン系の粘着剤が付いたポリエステルフィルムやポリイミドフィルムやポリプロピレンフィルムやフッ素樹脂フィルム等を用いることができる。 Here, as the masking tape, for example, a polyester film, a polyimide film, a polypropylene film, a fluororesin film, or the like with a rubber-based or silicone-based adhesive can be used.
また、高分子結着材としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、芳香族ポリアミド、セルロース等の樹脂系高分子、スチレン・ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム又はエチレン・プロピレンゴム等のゴム状高分子、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体、その水素添加物、スチレン・エチレン・ブタジエン・スチレン共重合体、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体、スチレン・アクリル共重合体及びその水素添加物等の熱可塑性エラストマー状高分子、シンジオタクチック1,2−ポリブタジエン、エチレン・酢酸ビニル共重合体、又はプロピレン・α−オレフィン(炭素数2〜12)共重合体等の軟質樹脂状高分子、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、又はポリテトラフルオロエチレン・エチレン共重合体等のフッ素系高分子等を用いることができる。これらは1種を単独で用いても良く、2種以上を混合して用いても良い。 Examples of the polymer binder include resin polymers such as polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, aromatic polyamide, and cellulose, and rubber-like materials such as styrene / butadiene rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, and ethylene / propylene rubber. Polymer, styrene / butadiene / styrene block copolymer, hydrogenated product thereof, styrene / ethylene / butadiene / styrene copolymer, styrene / isoprene / styrene block copolymer, styrene / acrylic copolymer and hydrogenated product thereof Soft elastomeric polymers such as thermoplastic elastomeric polymers such as syndiotactic 1,2-polybutadiene, ethylene / vinyl acetate copolymer, or propylene / α-olefin (2 to 12 carbon atoms) copolymer, Polyvinylidene fluoride, polytetraph Oroechiren, or it can be used fluorine-based polymers such as polytetrafluoroethylene-ethylene copolymer. These may be used alone or in combination of two or more.
また、充填材は、例えば、黒鉛やカーボンブラック等の炭素粉末や、アルミナやジルコニア等のセラミックス粉末や、鉄、銅等の金属粉末を用いることができる。これらは1種を単独で用いても良く、2種以上を混合して用いても良い。
充填材の粒径は、特に限定はされないが、通常平均粒径で0.01μm〜50μm程度である。
Further, as the filler, for example, carbon powder such as graphite and carbon black, ceramic powder such as alumina and zirconia, and metal powder such as iron and copper can be used. These may be used alone or in combination of two or more.
The particle size of the filler is not particularly limited, but is usually about 0.01 μm to 50 μm in average particle size.
また、充填材は前記高分子結着材等と組み合わせて、例えば、充填材と高分子結着材を混合・複合化した粉末状のトナーのような形態で用いることができる。この時、充填材に対する高分子結着材の使用量は、特に限定はされないが0.1〜20重量%程度である。充填材に対する高分子結着材の割合がこの範囲であれば、耐熱性を期待できるので好ましい。 The filler can be used in combination with the polymer binder and the like, for example, in the form of a powdered toner in which the filler and the polymer binder are mixed and combined. At this time, the amount of the polymer binder used with respect to the filler is not particularly limited, but is about 0.1 to 20% by weight. If the ratio of the polymer binder to the filler is within this range, it is preferable because heat resistance can be expected.
(厚さ)
基体上に形成した剥離層の厚さは、特に限定はされないが、過度に厚くても不経済であり、また、過度に薄いと強度が不足し、剥離層と共に活物質層を剥離することが難しい場合がある。このため、剥離層の厚さは、0.5〜300μm程度の厚さであることが好ましい。
(thickness)
The thickness of the release layer formed on the substrate is not particularly limited, but it is uneconomical if it is too thick, and if it is too thin, the strength is insufficient and the active material layer may be peeled off together with the release layer. It can be difficult. For this reason, it is preferable that the thickness of a peeling layer is about 0.5-300 micrometers.
剥離層としてマスキングテープを使用する場合には、それぞれのテープに応じて、好適な厚さのものを使用することができるが、その厚さはおおむね30〜300μm程度の範囲内である。 When a masking tape is used as the release layer, a suitable thickness can be used according to each tape, but the thickness is generally in the range of about 30 to 300 μm.
(耐熱性)
剥離層の耐熱温度は、特に限定されないが、通常80℃以上、好ましくは100℃以上、更に好ましくは140℃以上である。耐熱温度がこの範囲であれば、基体上へ活物質を気相成長する際に、輻射熱等による剥離層の剥離が生じ難く好ましい。高分子結着材の場合、耐熱温度の上限は通常300℃程度である。
(Heat-resistant)
Although the heat-resistant temperature of a peeling layer is not specifically limited, Usually, 80 degreeC or more, Preferably it is 100 degreeC or more, More preferably, it is 140 degreeC or more. When the heat resistant temperature is within this range, it is preferable that peeling of the release layer due to radiant heat or the like hardly occurs when the active material is vapor-phase grown on the substrate. In the case of a polymer binder, the upper limit of the heat resistant temperature is usually about 300 ° C.
〈剥離層の形成方法〉
基体上の一部に剥離層を形成する方法としては、例えば、基体上へマスキングテープを貼り付ける方法や、高分子結着材を水系溶媒及び/又は有機系溶媒へ分散させて調製した塗布液を基体上へ塗布、乾燥する方法や、乾燥後に前記組成になるように調合した充填材と高分子結着材と溶媒とを混合分散して調製した塗布液を基体上へ塗布、乾燥する方法等が挙げられる。
<Formation method of release layer>
Examples of a method for forming a release layer on a part of a substrate include, for example, a method of attaching a masking tape on a substrate, and a coating solution prepared by dispersing a polymer binder in an aqueous solvent and / or an organic solvent. A method of applying and drying a coating solution prepared by mixing and dispersing a filler, a polymer binder, and a solvent prepared so as to have the above-mentioned composition after drying. Etc.
〈剥離層の形成部位〉
基体上に剥離層を形成する部位としては、基体上の一部であれば特に限定はされないが、通常、集電用のタブ等を接着する部位に設ける。
<Peeling layer formation site>
The site for forming the release layer on the substrate is not particularly limited as long as it is a part on the substrate, but it is usually provided at a site where a current collecting tab or the like is adhered.
[基体表面を粗面化する工程]
前記基体上に剥離層を形成した後、基体表面を粗面化する工程を経てから、活物質を気相成長することもできる。以下に基体表面の粗面化方法について説明する。
[Roughening the surface of the substrate]
After forming a release layer on the substrate, the active material can be vapor-phase grown after a step of roughening the surface of the substrate. A method for roughening the substrate surface will be described below.
基体表面を粗面化する方法としては、湿式・乾式エッチングや、電解メッキや、機械的に粗面化する方法等が挙げられる。例えば基体が銅箔の場合、湿式エッチングは、塩化第二鉄水溶液や過酸化水素/硫酸水溶液等のエッチング液を銅箔表面に噴霧したり、前記エッチング液中に銅箔を浸漬することで行なうことができる。また、乾式エッチングは、例えばプラズマエッチング等を用いることができる。また、電解メッキは、電解液に硫酸銅等を用い電解処理することで行なうことができる。また、機械的に粗面化する方法は、例えば、砥粒等を用いて表面を荒らすことで行なうことができる。 Examples of the method for roughening the substrate surface include wet / dry etching, electrolytic plating, and a method for mechanically roughening. For example, when the substrate is a copper foil, the wet etching is performed by spraying an etching solution such as ferric chloride aqueous solution or hydrogen peroxide / sulfuric acid aqueous solution on the surface of the copper foil, or immersing the copper foil in the etching solution. be able to. Moreover, plasma etching etc. can be used for dry etching, for example. Electroplating can be performed by electrolytic treatment using copper sulfate or the like as an electrolytic solution. Moreover, the method of roughening mechanically can be performed by roughening the surface using, for example, abrasive grains.
前記粗面化処理の程度は、基体上に形成した剥離層、特にタブ等を接着する部位の剥離層が除去されない程度であれば、特に限定はされない。 The degree of the roughening treatment is not particularly limited as long as the release layer formed on the substrate, particularly the release layer at the site where the tab or the like is adhered is not removed.
[活物質の気相成長工程]
〈活物質原料〉
活物質原料(以下適宜、「原料」と記す場合がある)のうち、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な元素の原料としては、当該元素の単独体、化合物、組成物、混合物等を用いることが出来る。リチウムイオンを吸蔵・放出可能な元素としては、前述の元素単体ではSi、Sn、Al、Zn、Ag、Ge、Pb、C等が、化合物(例えば酸化物)の形態としてはCo、Ni、Mn等が挙げられるが、それらの単独体としては、例えば結晶性Si、アモルファスSi、金属Sn、Al、Zn、Ag、Co、Ni等を、化合物としては、シリコン化合物(SiC、Si3N4、SiS、SiS2、SiO等の昇華性化合物)、Co化合物、Mn化合物等を用いることができる。
[Active material vapor phase growth process]
<Active material ingredients>
Among active material raw materials (hereinafter sometimes referred to as “raw materials” as appropriate), as a raw material of an element capable of occluding and releasing lithium ions, a single element, a compound, a composition, a mixture, or the like of the element may be used. I can do it. Examples of elements that can occlude and release lithium ions include Si, Sn, Al, Zn, Ag, Ge, Pb, and C in the above-described elemental unit, and Co, Ni, and Mn in the form of compounds (for example, oxides). Examples of such single bodies include crystalline Si, amorphous Si, metal Sn, Al, Zn, Ag, Co, and Ni, and examples of compounds include silicon compounds (SiC, Si 3 N 4 , Sublimable compounds such as SiS, SiS 2 and SiO), Co compounds, Mn compounds and the like can be used.
リチウムイオンを吸蔵・放出可能な元素を含む昇華性の化合物は、例えば、前述の通りであるが、昇華性の化合物を用いると、後述の蒸着法において容器との反応を抑制し易く、且つ、活物質の組成を制御し易く好ましい。特にSiCは、雰囲気から混入する酸素がSiC中の炭素と反応することで、活物質中に含まれる酸素量を低減しながら、且つ、炭素量を調整できるので好ましい。 The sublimable compound containing an element capable of occluding and releasing lithium ions is, for example, as described above, but when a sublimable compound is used, it is easy to suppress the reaction with the container in the vapor deposition method described below, and It is preferable because the composition of the active material can be easily controlled. In particular, SiC is preferable because oxygen mixed from the atmosphere reacts with carbon in SiC, so that the amount of oxygen contained in the active material can be reduced and the amount of carbon can be adjusted.
また、活物質原料中の少なくとも一部に昇華性の化合物を用いる場合、活物質原料中の昇華性化合物の割合は、通常20重量%以上、好ましくは30重量%以上、更に好ましくは40重量%以上、また、通常100重量%以下、好ましくは90重量%以下、更に好ましくは70重量%以下である。昇華性化合物の割合がこの範囲であれば、前述の昇華性化合物を用いた効果を得易く好ましい。 When a sublimable compound is used for at least a part of the active material, the ratio of the sublimable compound in the active material is usually 20% by weight or more, preferably 30% by weight or more, and more preferably 40% by weight. In addition, it is usually 100% by weight or less, preferably 90% by weight or less, and more preferably 70% by weight or less. When the ratio of the sublimable compound is within this range, the effect using the above-described sublimable compound is easily obtained, which is preferable.
添加元素の種類は前述の通りであるが、その原料のうち、例えば、C元素の原料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、非晶質炭素等の炭素や、炭化物等の炭素との反応種を、N元素の原料としては、窒化物等が挙げられる。また、原料がガスの場合、C元素の原料としては、Cを含むガス(CH4、C2H6、C3H8等)や黒鉛のアーク放電や抵抗加熱などによりCを気化させたガスを、N元素の原料としては、Nを含むガス(NH3、N2等)を用いることができる。 The types of additive elements are as described above. Among the raw materials, for example, as a raw material for C element, carbon such as natural graphite, artificial graphite, and amorphous carbon, and reactive species with carbon such as carbide are used. As a raw material of N element, nitride or the like can be cited. In addition, when the raw material is a gas, as a C element raw material, a gas containing C (CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8, etc.), a gas obtained by vaporizing C by graphite arc discharge, resistance heating, or the like. As a source of N element, a gas containing NH (NH 3 , N 2, etc.) can be used.
また、後述の蒸着法等での気相成長の場合、成長速度を上げるには活物質原料の加熱温度を上げることが最も効果的であるが、同時に雰囲気から混入する酸素が活物質と反応し易くなり酸化物が多く形成してしまう虞がある。添加元素にC元素を含む場合、高温になるほど雰囲気中の酸素と炭素の反応が進行するため、活物質中に含まれる酸素量を低減できるので好ましい。 In addition, in the case of vapor phase growth such as vapor deposition described later, it is most effective to raise the heating temperature of the active material raw material in order to increase the growth rate, but oxygen mixed from the atmosphere reacts with the active material at the same time. It becomes easy to form a large amount of oxide. In the case where the additive element contains a C element, the reaction between oxygen and carbon in the atmosphere progresses as the temperature increases, so that the amount of oxygen contained in the active material can be reduced.
また、例えば、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な元素がSiである場合、Siと炭素が反応することでSi単独よりも蒸発速度の速いSixCy等が形成し蒸発するため、気相成長速度が速まり好ましい。
また、活リチウムイオンを吸蔵・放出可能な元素と添加元素を組み合わせた単一の化合物を用いても良く、複数の化合物として用いても良い。
また、これらリチウムイオンを吸蔵・放出可能な元素、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な元素を含む昇華性の化合物、添加元素の原料の形態は、例えば粉末状、顆粒状、ペレット状、塊状、板状等として用いられる。
Further, for example, when Si is an element capable of inserting and extracting lithium ions, Si x C y and the like having a higher evaporation rate than Si alone are formed and evaporated by the reaction of Si and carbon. It is preferable because the speed is increased.
In addition, a single compound combining an element capable of inserting and extracting active lithium ions and an additive element may be used, or a plurality of compounds may be used.
In addition, the form of the raw material of the element which can occlude / release lithium ions, the sublimable compound containing the element which can occlude / release lithium ions, and the additive element is, for example, powder, granule, pellet, lump, plate Used as a shape.
〈活物質の気相成長方法〉
活物質は、以下に詳述される、A:スパッタリング、B:真空蒸着、C:CVD、D:イオンプレーティングによって形成され得る。また、E:これらA〜Dの気相成長法の2以上の組み合せにより、活物質を形成させてもよい。
<Method of vapor phase growth of active material>
The active material can be formed by A: sputtering, B: vacuum deposition, C: CVD, D: ion plating, which will be described in detail below. E: The active material may be formed by a combination of two or more of these A to D vapor phase growth methods.
A.スパッタリング
スパッタリングでは、減圧下で、プラズマを利用して上記原料よりなるターゲットから発せられた活物質材料を、剥離層を形成した基体上に衝突、堆積させて活物質の薄膜等を形成する。スパッタリングによると、形成した活物質層と基体との界面状態が良好であり、基体に対する活物質層の密着性も高いという利点がある。
A. Sputtering In sputtering, active material material emitted from a target made of the above-mentioned raw material is collided and deposited on a substrate on which a release layer is formed by using plasma under reduced pressure to form a thin film of the active material. According to sputtering, there are advantages that the interface state between the formed active material layer and the substrate is good and the adhesion of the active material layer to the substrate is high.
ターゲットに対するスパッタ電圧の印加方法としては、直流電圧、交流電圧のいずれも用いることができる。その際、集電体に実質的に負のバイアス電圧を印加して、プラズマからのイオンの衝突エネルギーを制御することも可能である。 As a method for applying the sputtering voltage to the target, either a DC voltage or an AC voltage can be used. At that time, it is possible to control the collision energy of ions from the plasma by applying a substantially negative bias voltage to the current collector.
活物質形成を開始する前のチャンバー内の到達真空度は、不純物の混入を防ぐため、通常0.1Pa以下である。 The ultimate vacuum in the chamber before starting the active material formation is usually 0.1 Pa or less in order to prevent impurities from being mixed.
スパッタガスとしては、Ne、Ar、Kr、Xe等の不活性ガスが用いられる。中でも、アルゴンガスが、スパッタ効率などの点で好ましく用いられる。活物質中に元素Nを含む場合、前記不活性ガス中に微量の窒素ガスとして共存させることが製造上好ましい。通常、スパッタガス圧は0.05〜70Pa程度である。 As the sputtering gas, an inert gas such as Ne, Ar, Kr, or Xe is used. Among these, argon gas is preferably used in terms of sputtering efficiency. When the element N is contained in the active material, it is preferable for production to coexist as a trace amount of nitrogen gas in the inert gas. Usually, the sputtering gas pressure is about 0.05 to 70 Pa.
スパッタリングにより活物質層を形成する際の集電体は、水冷やヒーター等により温度を制御することもできる。集電体の温度範囲としては、通常室温〜900℃であるが、150℃以下が好ましい。 The current collector for forming the active material layer by sputtering can also be controlled in temperature by water cooling or a heater. The temperature range of the current collector is usually room temperature to 900 ° C, but preferably 150 ° C or less.
スパッタリングによる活物質層の形成における成長速度は、通常0.01〜0.5μm/分である。 The growth rate in forming the active material layer by sputtering is usually 0.01 to 0.5 μm / min.
なお、活物質層形成前に、逆スパッタや、その他のプラズマ処理などの前処理により、基体表面をエッチングすることができる。このような前処理は、基体表面の汚染物や酸化膜の除去、活物質の密着性の向上に有効である。 Note that before forming the active material layer, the surface of the substrate can be etched by pre-treatment such as reverse sputtering or other plasma treatment. Such pretreatment is effective for removing contaminants and oxide films on the substrate surface and improving the adhesion of the active material.
B.真空蒸着
真空蒸着では、活物質となる上記原料を溶融・蒸発させて、少なくとも一部に剥離層を形成した基体上に堆積させる。真空蒸着は、スパッタリングに比べて高い成長速度で膜を形成できる利点がある。真空蒸着は、スパッタリングに比べて、所定膜厚の活物質層形成時間の短縮を図る観点から製造コスト面で有利に活用することができる。その具体的な方法としては、誘導加熱法、抵抗加熱法、電子ビーム加熱蒸着法などを挙げることができる。誘導加熱法では黒鉛等の蒸着坩堝を誘導電流により、抵抗加熱法では蒸着ボートなど通電した加熱電流により、電子ビーム加熱蒸着では電子ビームにより、それぞれ蒸着材料を加熱溶融し、蒸発させて形成する。
B. Vacuum deposition In the vacuum deposition, the raw material as an active material is melted and evaporated and deposited on a substrate on which a release layer is formed at least partially. Vacuum deposition has an advantage that a film can be formed at a higher growth rate than sputtering. Vacuum deposition can be advantageously used in terms of manufacturing cost from the viewpoint of shortening the time for forming an active material layer having a predetermined thickness as compared with sputtering. Specific examples of the method include an induction heating method, a resistance heating method, and an electron beam heating vapor deposition method. In the induction heating method, a vapor deposition crucible such as graphite is formed by inductive current, in the resistance heating method by an energized heating current such as a vapor deposition boat, and in electron beam heating vapor deposition, the vapor deposition material is heated and melted and evaporated by an electron beam.
真空蒸着時の活物質原料の加熱温度は、通常リチウムイオンを吸蔵・放出可能な元素の融点よりも200℃以上高く、好ましくはリチウムイオンを吸蔵・放出可能な元素の融点よりも250℃高く、更に好ましくはリチウムイオンを吸蔵・放出可能な元素の融点よりも300℃以上高い温度である。活物質原料の加熱温度がこの範囲であれば、気相成長速度が大きく好ましい。 The heating temperature of the active material material during vacuum deposition is usually 200 ° C. higher than the melting point of the element capable of inserting and extracting lithium ions, preferably 250 ° C. higher than the melting point of the element capable of inserting and extracting lithium ions, More preferably, the temperature is 300 ° C. or more higher than the melting point of the element capable of inserting and extracting lithium ions. If the heating temperature of the active material raw material is within this range, the vapor phase growth rate is large and preferable.
特に、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な元素がSiで、添加元素にCを含む活物質の場合、活物質を気相成長する時の活物質原料の加熱温度は、通常1650℃以上、好ましくは1750℃以上、更に好ましくは1800℃以上である。活物質原料の加熱温度がこの範囲であれば、気相成長中に炭素が酸素と反応し一酸化炭素等を形成することで、雰囲気中の酸素量を軽減でき、電池特性が優れるので好ましい。
前記活物質原料の加熱温度の上限については特に制限はないが、通常2500℃程度である。なお、活物質原料を加熱する際の加熱温度の測定は、熱電対や放射温度計等の温度測定器を用いて行うことが出来る。
In particular, when the element capable of inserting and extracting lithium ions is Si and the active material contains C as an additive element, the heating temperature of the active material raw material when the active material is vapor-phase grown is usually 1650 ° C. or higher, preferably It is 1750 degreeC or more, More preferably, it is 1800 degreeC or more. If the heating temperature of the active material raw material is within this range, carbon reacts with oxygen during vapor phase growth to form carbon monoxide and the like, which is preferable because the amount of oxygen in the atmosphere can be reduced and battery characteristics are excellent.
Although there is no restriction | limiting in particular about the upper limit of the heating temperature of the said active material raw material, Usually, it is about 2500 degreeC. In addition, the measurement of the heating temperature at the time of heating an active material raw material can be performed using temperature measuring instruments, such as a thermocouple and a radiation thermometer.
真空蒸着の雰囲気としては、一般的に真空下が用いられる。リチウムイオンを吸蔵・放出可能な元素がSiで、添加元素がC,Oの場合、微量の酸素ガスを不活性ガスと一緒に導入しながら減圧にし、加熱温度を調整することで、真空下で同時にSiCxOy活物質の組成を制御しながら成長することが可能である。 As an atmosphere for vacuum deposition, a vacuum is generally used. When the element that can occlude and release lithium ions is Si and the additive element is C or O, the pressure is reduced while introducing a small amount of oxygen gas together with the inert gas, and the heating temperature is adjusted. At the same time, it is possible to grow while controlling the composition of the SiC x O y active material.
なお、蒸着ガス中の酸素濃度としては、例えば、四極子マスフィルタを用い、蒸着ガスのマススペクトルを分析することで得られる。また、酸素ガスが共存しているアルゴンガスを蒸着ガスとして用いる場合には、そのアルゴンガスを酸素分析計で測定することで求められる。 In addition, as oxygen concentration in vapor deposition gas, it can obtain by analyzing the mass spectrum of vapor deposition gas, for example using a quadrupole mass filter. Moreover, when using argon gas with which oxygen gas coexists as vapor deposition gas, it calculates | requires by measuring the argon gas with an oxygen analyzer.
気相成長を開始する前のチャンバー内の到達真空度は、不純物の混入を防ぐため、通常0.1Pa以下である。 The ultimate vacuum in the chamber before starting the vapor phase growth is usually 0.1 Pa or less in order to prevent impurities from being mixed.
前記真空蒸着の加熱法において、活物質原料を保持及び/又は加熱する容器の材料としては、人造黒鉛、カーボンなどの炭素材、石英、セラミックス、W等の高融点金属を用いることができる。また、炭素材は真空蒸着時に成長された活物質中にCを混入させることができ、且つ、活物質中の酸素量を低減させることができるので好ましい。なお、成膜された活物質層中のCの混入濃度は、通常5原子%以上、好ましくは7.5原子%以上、更に好ましくは15原子%以上、特に好ましくは20原子%で、通常48原子%以下、好ましくは43原子%以下、更に好ましくは38原子%以下、特に好ましくは33原子%以下である。 In the vacuum deposition heating method, as a material for a container for holding and / or heating the active material, a carbon material such as artificial graphite or carbon, a refractory metal such as quartz, ceramics, or W can be used. In addition, a carbon material is preferable because C can be mixed in the active material grown during vacuum deposition and the amount of oxygen in the active material can be reduced. The concentration of C in the formed active material layer is usually 5 atomic% or more, preferably 7.5 atomic% or more, more preferably 15 atomic% or more, particularly preferably 20 atomic%, and usually 48. Atomic% or less, preferably 43 atomic% or less, more preferably 38 atomic% or less, and particularly preferably 33 atomic% or less.
真空蒸着の雰囲気としては、一般的に真空下が用いられる。活物質中に元素Nを含む場合、微量の窒素ガスを不活性ガスと一緒に導入しながら減圧にし、イオン化等のアシストを用いて真空下で同時に形成することも可能である。 As an atmosphere for vacuum deposition, a vacuum is generally used. In the case where the active material contains the element N, it is also possible to form a reduced amount of nitrogen gas together with the inert gas, reduce the pressure, and form simultaneously under vacuum using an assist such as ionization.
真空蒸着により活物質を形成する際の集電体は、ヒーター等により温度を制御することもできる。集電体の温度範囲としては、通常室温〜900℃であるが、150℃以下が好ましい。 The current collector for forming the active material by vacuum deposition can also be controlled in temperature by a heater or the like. The temperature range of the current collector is usually room temperature to 900 ° C, but preferably 150 ° C or less.
真空蒸着による活物質の形成における成長速度は、通常0.1〜500μm/分程度である。 The growth rate in forming an active material by vacuum deposition is usually about 0.1 to 500 μm / min.
なお、スパッタリングの場合と同様に、基体上に活物質堆積させる前に、イオンガンなどでイオン照射をすることにより基体表面にエッチング処理を施しても良い。このようなエッチング処理により、基体と活物質との密着性を更に高めることができる。活物質層を形成する間に、基体にイオンを衝突させることにより、基体に対する活物質の密着性を更に向上させることもできる。 As in the case of sputtering, the substrate surface may be etched by irradiating ions with an ion gun or the like before depositing the active material on the substrate. By such etching treatment, the adhesion between the substrate and the active material can be further enhanced. By forming ions to collide with the substrate during the formation of the active material layer, the adhesion of the active material to the substrate can be further improved.
C.CVD(Chemical Vapor Deposition)
CVDでは、活物質となる上記原料を気相化学反応により、剥離層を形成した基体上に堆積させる。一般にCVDは、反応室内の化合物気体をガス流入によって制御するために高純度で多様な材料が合成できる特徴を持っており、その具体的な方法としては、熱CVD、プラズマCVD、光CVD、cat−CVDなどを挙げることができる。熱CVDでは、蒸気圧の高いハロゲン化合物の原料ガスをキャリヤガスや反応ガスとともに、1000℃前後に加熱した反応容器内に導入し、熱化学反応を起こさせ活物質層を形成する。プラズマCVDは、熱エネルギーの代わりにプラズマを用いる。光CVDは、熱エネルギーの代わりに光エネルギーを用いる。cat−CVDは、触媒化学気相成長法のことであり、原料ガスと加熱触媒との接触分解反応を応用することにより活物質層を形成する。
C. CVD (Chemical Vapor Deposition)
In CVD, the above-mentioned raw material which becomes an active material is deposited on a substrate on which a release layer is formed by a gas phase chemical reaction. In general, CVD has a feature that various materials with high purity can be synthesized in order to control a compound gas in a reaction chamber by gas inflow. Specific methods include thermal CVD, plasma CVD, photo CVD, cat -CVD etc. can be mentioned. In thermal CVD, a raw material gas of a halogen compound having a high vapor pressure is introduced into a reaction vessel heated to about 1000 ° C. together with a carrier gas and a reaction gas to cause a thermochemical reaction to form an active material layer. Plasma CVD uses plasma instead of thermal energy. Photo CVD uses light energy instead of thermal energy. Cat-CVD is a catalytic chemical vapor deposition method, in which an active material layer is formed by applying a catalytic decomposition reaction between a source gas and a heating catalyst.
CVDで用いられるSi源としてはSiH4、SiCl4等であり、添加元素源としてはNH3、N2、CH4、C2H6、C3H8等である。これらは1種を単独で用いても良く、2種以上を併用しても良い。 Si sources used in CVD are SiH 4 , SiCl 4 and the like, and additive element sources are NH 3 , N 2 , CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
D.イオンプレーティング
イオンプレーティングでは、活物質となる上記原料を溶融・蒸発させ、プラズマ下で蒸発粒子をイオン化及び励起することで、剥離層を形成した基体上に強固に活物質層を形成させる。具体的には、原料を溶融・蒸発させる方法としては、誘導加熱法、抵抗加熱法、電子ビーム加熱蒸着法等を挙げることができ、イオン化及び励起する方法としては、活性化反応蒸着法、多陰極熱電子照射法、高周波励起法、HCD法、クラスターイオンビーム法、マルチアーク法等を挙げることができる。また、前記原料を蒸発させる方法とイオン化及び励起する方法は、適宜選択し、それらを組み合わせて行うことができる。
D. Ion plating In ion plating, the raw material as an active material is melted and evaporated, and the evaporated particles are ionized and excited under plasma, thereby forming an active material layer firmly on the substrate on which the release layer is formed. Specifically, examples of the method for melting and evaporating the raw material include an induction heating method, a resistance heating method, an electron beam heating vapor deposition method, and the like. Examples thereof include cathodic thermionic irradiation method, high frequency excitation method, HCD method, cluster ion beam method, and multi-arc method. Moreover, the method of evaporating the raw material and the method of ionization and excitation can be selected as appropriate and performed in combination.
E:A〜Dの組み合わせ
真空蒸着法の速い成長速度の利点と、スパッタリングによる集電体への強い密着性の利点を利用して、例えば、スパッタリングにより第1の薄膜層を形成し、その後真空蒸着法により高速に第2の薄膜層を形成することにより、集電体との密着性が良好な界面領域を形成すると共に、速い成長速度で活物質層を形成することができる。このような成長方法のハイブリッドな組合手法により、充放電容量が高く、且つ充放電サイクル特性に優れた電極を効率的に製造することができる。
E: Combination of A to D For example, the first thin film layer is formed by sputtering using the advantage of the high growth rate of the vacuum deposition method and the strong adhesion to the current collector by sputtering, and then vacuum is applied. By forming the second thin film layer at a high speed by a vapor deposition method, an interface region having good adhesion to the current collector can be formed, and an active material layer can be formed at a high growth rate. By such a hybrid combination method of growth methods, an electrode having a high charge / discharge capacity and excellent charge / discharge cycle characteristics can be efficiently produced.
スパッタリングと真空蒸着法を組み合わせた活物質層の形成は、減圧雰囲気を保ちつつ連続的に行われることが好ましい。これは、大気に暴露することなく連続的に第1の薄膜層と第2の薄膜層とを形成することによって、不純物の混入を防止できるからである。例えば、同一の真空環境の中で、集電体を移動させながら、スパッタリング及び真空蒸着を順次行うような薄膜形成装置を用いることが好ましい。 The active material layer formed by a combination of sputtering and vacuum deposition is preferably formed continuously while maintaining a reduced pressure atmosphere. This is because contamination of impurities can be prevented by continuously forming the first thin film layer and the second thin film layer without being exposed to the atmosphere. For example, it is preferable to use a thin film forming apparatus that sequentially performs sputtering and vacuum deposition while moving the current collector in the same vacuum environment.
なお、集電体の両面に活物質層を形成する場合、集電体の一方の面に対する活物質層の形成と、集電体の他方の面に対する活物質層の形成とは、減圧雰囲気を保持したまま連続して行うことが好ましい。 In the case where the active material layer is formed on both surfaces of the current collector, the formation of the active material layer on one surface of the current collector and the formation of the active material layer on the other surface of the current collector are performed under a reduced pressure atmosphere. It is preferable to carry out continuously while keeping.
また、活物質層を形成した後、熱処理等の後処理を行ない活物質の結晶性をコントロールしたり、集電体との密着性を向上させたりすることもできる。 In addition, after the active material layer is formed, post-treatment such as heat treatment can be performed to control the crystallinity of the active material or to improve the adhesion to the current collector.
〈成膜厚さ〉
気相成長により成膜された活物質層の厚さは、これを薄膜状活物質とする場合は、前述の薄膜状活物質の好適厚さの範囲内であることが好ましい。
<Film thickness>
The thickness of the active material layer formed by vapor phase growth is preferably within the range of the preferred thickness of the thin film active material described above when it is used as a thin film active material.
[活物質の除去工程]
〈剥離層の除去方法〉
基体上から、剥離層と、気相成長させた活物質層のうち、該剥離層上に形成された活物質層を除去する方法としては、例えば、剥離層がマスキングテープの場合はマスキングテープを剥がすことで、剥離層と共に活物質層を剥離除去することができる。また、剥離層が高分子結着材や樹脂付着セラミックス粉末等の高分子結着材付着充填材の場合には、マスキングテープと同様に剥がす方法や、溶媒を用いて高分子結着材や樹脂を膨潤若しくは溶解して除去することにより、剥離層と共に剥離層上の活物質層を除去する方法や、例えば前記電極を直径1cm程度の曲率半径の小さなローラー間に湾曲させながらS字状に通すことにより、活物質層の剛性を利用し剥離層で剥離させ活物質層を除去する方法等が挙げられる。
[Active material removal process]
<Removal method of release layer>
As a method of removing the active material layer formed on the release layer from the release layer and the vapor-grown active material layer from the substrate, for example, when the release layer is a masking tape, a masking tape is used. By peeling off, the active material layer can be peeled and removed together with the peeling layer. In the case where the release layer is a polymer binder or a filler with a polymer binder such as a resin-adhered ceramic powder, the polymer binder or resin can be peeled off using a method similar to the masking tape or using a solvent. The active material layer on the release layer is removed together with the release layer by swelling or dissolving it, for example, the electrode is passed in an S shape while being curved between rollers having a radius of curvature of about 1 cm in diameter. Thus, there may be mentioned a method of removing the active material layer by using the rigidity of the active material layer to peel off at the release layer.
[2]非水電解質二次電池用電極
本発明の非水電解質二次電池用電極は、上記製造法により製造された電極材を含むものである。
[2] Electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery The electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention includes an electrode material produced by the above production method.
このような本発明の電極は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極及び負極、並びに電解質を備えたリチウム二次電池などの非水電解質二次電池における電極、即ち、負極及び/又は正極として極めて有用である。例えば、このような本発明の電極を負極として使用し、通常使用されるリチウム二次電池用の金属カルコゲナイド系正極及びカーボネート系溶媒を主体とする有機電解液を組み合わせて構成した非水電解質二次電池は、安価で、且つ、生産性に優れ、容量が大きく、またサイクル特性に優れたものである。 Such an electrode of the present invention is extremely useful as a positive electrode and a negative electrode capable of occluding and releasing lithium ions, and an electrode in a nonaqueous electrolyte secondary battery such as a lithium secondary battery equipped with an electrolyte, that is, a negative electrode and / or a positive electrode. Useful. For example, a non-aqueous electrolyte secondary comprising a combination of a metal chalcogenide-based positive electrode for a lithium secondary battery that is usually used and an organic electrolyte mainly composed of a carbonate-based solvent, using the electrode of the present invention as a negative electrode. The battery is inexpensive, excellent in productivity, large in capacity, and excellent in cycle characteristics.
[3]非水電解質二次電池
本発明の非水電解質二次電池は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極及び負極、並びに電解質を備える非水電解質二次電池において、正極若しくは負極の少なくとも一方の電極として本発明の電極を用いたものである。
本発明の非水電解質二次電池を構成する、電解質等の電池構成上必要な、電極以外の部材の選択については特に制限されない。
以下において、本発明の非水電解質二次電池を構成する材料等を例示するが、使用し得る材料はこれらの具体例に限定されるものではない。
[3] Nonaqueous electrolyte secondary battery The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is a nonaqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode and a negative electrode capable of inserting and extracting lithium ions, and an electrolyte, and at least one of a positive electrode and a negative electrode. The electrode of the present invention is used as the electrode.
There is no particular limitation on the selection of members other than the electrodes, which are necessary for the battery configuration such as the electrolyte constituting the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention.
Although the material etc. which comprise the nonaqueous electrolyte secondary battery of this invention are illustrated below, the material which can be used is not limited to these specific examples.
[正極]
電極として本発明の負極を用いる場合、正極は集電体基板上に、正極活物質と、結着及び増粘効果を有する有機物(結着剤)を含有する活物質層を形成してなり、通常、正極活物質と結着剤を水あるいは有機溶媒中に分散させたスラリー状のものを、集電体基板上に薄く塗布・乾燥する工程、続いて所定の厚み・密度まで圧密するプレス工程により形成される。
[Positive electrode]
When the negative electrode of the present invention is used as an electrode, the positive electrode is formed on the current collector substrate by forming a positive electrode active material and an active material layer containing an organic substance (binder) having a binding and thickening effect, Usually, a process in which a slurry in which a positive electrode active material and a binder are dispersed in water or an organic solvent is thinly applied and dried on a current collector substrate, followed by pressing to a predetermined thickness and density. It is formed by.
〈正極活物質〉
正極活物質には、リチウムを吸蔵・放出できる機能を有している限り特に制限はないが、例えば、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物等のリチウム遷移金属複合酸化物材料;二酸化マンガン等の遷移金属酸化物材料;フッ化黒鉛等の炭素質材料などを使用することができる。具体的には、LiFeO2、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4及びこれらの非定比化合物、MnO2、TiS2、FeS2、Nb3S4、Mo3S4、CoS2、V2O6、P2O6、CrO3、V3O3、TeO2、GeO2等を用いることができる。これらは1種を単独で用いても良く、2種以上を組み合わせて用いても良い。
<Positive electrode active material>
The positive electrode active material is not particularly limited as long as it has a function capable of inserting and extracting lithium. For example, lithium transition metal composite oxide materials such as lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, and lithium manganese oxide A transition metal oxide material such as manganese dioxide; a carbonaceous material such as graphite fluoride can be used. Specifically, LiFeO 2 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 and their non-stoichiometric compounds, MnO 2 , TiS 2 , FeS 2 , Nb 3 S 4 , Mo 3 S 4 , CoS 2 , V 2 O 6 , P 2 O 6 , CrO 3 , V 3 O 3 , TeO 2 , GeO 2 or the like can be used. These may be used alone or in combination of two or more.
〈導電剤〉
正極活物質層には、正極用導電剤を用いることができる。正極用導電剤は、用いる正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良い。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、サーマルブラック等のカ−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、アルミニウム等の金属粉末類、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又はこれらの混合物として含ませることができる。これらの導電剤のなかで、人造黒鉛、アセチレンブラックが特に好ましい。これらは1種を単独で用いても良く、2種以上を組み合わせて用いても良い。
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、正極活物質に対して2〜15重量%が特に好ましい。
<Conductive agent>
A positive electrode conductive agent can be used for the positive electrode active material layer. The positive electrode conductive agent may be any electron conductive material that does not cause a chemical change at the charge / discharge potential of the positive electrode active material to be used. For example, natural graphite (such as flake graphite), graphite such as artificial graphite, carbon black such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black, carbon fiber, metal fiber, etc. Conductive fibers, metal powders such as 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 It can be included alone or as a mixture thereof. Among these conductive agents, artificial graphite and acetylene black are particularly preferable. These may be used alone or in combination of two or more.
Although the addition amount of a electrically conductive agent is not specifically limited, 1-50 weight% is preferable with respect to a positive electrode active material, and 1-30 weight% is especially preferable. In the case of carbon or graphite, 2 to 15% by weight is particularly preferable with respect to the positive electrode active material.
〈結着剤〉
正極活物質層の形成に用いられる結着剤としては、特に制限はなく、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれであっても良い。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、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、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又は前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−メタクリル酸共重合体又は前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−アクリル酸メチル共重合体又は前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−メタクリル酸メチル共重合体又は前記材料の(Na+)イオン架橋体を挙げることができ、これらの材料を単独又は混合物として用いることができる。これらの材料の中でより好ましい材料は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)である。
<Binder>
There is no restriction | limiting in particular as a binder used for formation of a positive electrode active material layer, Any of a thermoplastic resin and a thermosetting resin may be sufficient. For example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene butadiene rubber, tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), Tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE resin) , Polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymer, propylene-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-chlorotrif Oroethylene copolymer (ECTFE), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-acrylic acid copolymer or (Na + ) ion crosslinked product, ethylene-methacrylic acid copolymer or (Na + ) ion crosslinked product of the material, ethylene-methyl acrylate copolymer, or (Na + ) ion crosslinked product of the material, ethylene-methacrylic acid Examples thereof include an acid methyl copolymer or a (Na + ) ion-crosslinked product of the above materials, and these materials can be used alone or as a mixture. Among these materials, more preferable materials are polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE).
〈その他の添加剤〉
正極活物質層には、前述の導電剤の他、更にフィラー、分散剤、イオン伝導体、圧力増強剤及びその他の各種添加剤を配合することができる。フィラーは、構成された電池において、化学変化を起こさない繊維状材料であれば何でも用いることができる。通常、ポリプロピレン、ポリエチレン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、活物質層中の含有量として0〜30重量%が好ましい。
<Other additives>
In addition to the conductive agent described above, the positive electrode active material layer may further contain a filler, a dispersant, an ionic conductor, a pressure enhancer, and other various additives. Any filler can be used as long as it is a fibrous material that does not cause a chemical change in the constructed battery. Usually, olefin polymers such as polypropylene and polyethylene, fibers such as glass and carbon are used. Although the addition amount of a filler is not specifically limited, 0-30 weight% is preferable as content in an active material layer.
〈溶媒〉
正極活物質スラリーの調製には、水系溶媒又は有機溶媒が分散媒として用いられる。水系溶媒としては、通常、水が用いられるが、これにエタノール等のアルコール類、N−メチルピロリドン等の環状アミド類等の添加剤を水に対して、30重量%以下程度まで添加することもできる。
また、有機溶媒としては、通常、N−メチルピロリドン等の環状アミド類、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等の直鎖状アミド類、アニソール、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類、ブタノール、シクロヘキサノール等のアルコール類が挙げられ、中でも、N−メチルピロリドン等の環状アミド類、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等の直鎖状アミド類等が好ましい。
<solvent>
In preparing the positive electrode active material slurry, an aqueous solvent or an organic solvent is used as a dispersion medium. As the aqueous solvent, water is usually used, and additives such as alcohols such as ethanol and cyclic amides such as N-methylpyrrolidone may be added to water up to about 30% by weight or less. it can.
As the organic solvent, usually, cyclic amides such as N-methylpyrrolidone, linear amides such as N, N-dimethylformamide and N, N-dimethylacetamide, and aromatic carbonization such as anisole, toluene and xylene Examples thereof include alcohols such as hydrogens, butanol and cyclohexanol, among which cyclic amides such as N-methylpyrrolidone, linear amides such as N, N-dimethylformamide and N, N-dimethylacetamide are preferable. .
正極活物質、結着剤である結着及び増粘効果を有する有機物及び必要に応じて配合される正極用導電剤、その他フィラー等をこれらの溶媒に混合して正極活物質スラリーを調製し、これを正極用集電体基板に所定の厚みとなるように塗布・乾燥し、続いて所定の厚み・密度までプレスすることにより正極活物質層が形成される。 A positive electrode active material, a binder as a binder, an organic substance having a thickening effect, a positive electrode conductive agent blended as necessary, and other fillers are mixed in these solvents to prepare a positive electrode active material slurry, This is applied and dried on the positive electrode current collector substrate so as to have a predetermined thickness, and then pressed to a predetermined thickness and density to form a positive electrode active material layer.
なお、この正極活物質スラリー中の正極活物質の濃度の上限は通常70重量%以下、好ましくは55重量%以下であり、下限は通常30重量%以上、好ましくは40重量%以上である。正極活物質の濃度がこの上限を超えると正極活物質スラリー中の正極活物質が凝集しやすくなり、下限を下回ると正極活物質スラリーの保存中に正極活物質が沈降しやすくなる。 The upper limit of the concentration of the positive electrode active material in the positive electrode active material slurry is usually 70% by weight or less, preferably 55% by weight or less, and the lower limit is usually 30% by weight or more, preferably 40% by weight or more. If the concentration of the positive electrode active material exceeds this upper limit, the positive electrode active material in the positive electrode active material slurry tends to aggregate, and if it falls below the lower limit, the positive electrode active material tends to settle during storage of the positive electrode active material slurry.
また、正極活物質スラリー中の結着剤の濃度の上限は通常30重量%以下、好ましくは10重量%以下であり、下限は通常0.1重量%以上、好ましくは0.5重量以上である。結着剤の濃度がこの上限を超えると得られる正極の内部抵抗が大きくなり、下限を下回ると正極活物質層の結着性に劣るものとなる。 Further, the upper limit of the concentration of the binder in the positive electrode active material slurry is usually 30% by weight or less, preferably 10% by weight or less, and the lower limit is usually 0.1% by weight or more, preferably 0.5% or more. . When the concentration of the binder exceeds the upper limit, the internal resistance of the positive electrode obtained is increased, and when the concentration is lower than the lower limit, the binding property of the positive electrode active material layer is deteriorated.
〈集電体〉
正極用集電体としては、前述の正極用の基体を用いることができる。
<Current collector>
As the positive electrode current collector, the aforementioned positive electrode substrate can be used.
[負極]
電極として本発明の正極を用いる場合、負極は集電体基板上に、負極活物質と、結着及び増粘効果を有する有機物(結着剤)を含有する活物質層を形成してなり、通常、負極活物質と結着剤を水あるいは有機溶媒中に分散させたスラリー状のものを、集電体基板上に薄く塗布・乾燥する工程、続いて所定の厚み・密度まで圧密するプレス工程により形成される。
[Negative electrode]
When the positive electrode of the present invention is used as an electrode, the negative electrode is formed on the current collector substrate by forming an active material layer containing a negative electrode active material and an organic substance (binder) having a binding and thickening effect, Usually, a process in which a slurry in which a negative electrode active material and a binder are dispersed in water or an organic solvent is thinly applied and dried on a current collector substrate, followed by pressing to a predetermined thickness and density. It is formed by.
〈負極活物質〉
負極活物質には、リチウムを吸蔵・放出できる機能を有している限り特に制限はないが、例えば、天然黒鉛(鱗片状黒鉛、球形化黒鉛等)、人造黒鉛(メソカーボンマイクロビーズ等)のグラファイト類、ピッチや樹脂等を焼成した非晶質炭素類、黒鉛と非晶質炭素を複合化した多相構造材料類、シリコン、アルミニウム、錫などの金属類、一酸化珪素、チタン酸リチウムなどの酸化物類が挙げられる。これらの負極活物質のなかで、天然黒鉛、人造黒鉛、黒鉛と非晶質炭素を複合化した多相構造材料が、現在工業的に一般に使用されており、コストが安く、扱い易いため好ましい。これらは1種を単独で用いても良く、2種以上を組み合わせて用いても良い。
<Negative electrode active material>
The negative electrode active material is not particularly limited as long as it has a function capable of occluding and releasing lithium. For example, natural graphite (scaly graphite, spheroidized graphite, etc.), artificial graphite (mesocarbon microbeads, etc.) Graphite, amorphous carbon obtained by firing pitch, resin, etc., multi-phase structure material composed of graphite and amorphous carbon, metals such as silicon, aluminum, tin, silicon monoxide, lithium titanate, etc. These oxides are mentioned. Among these negative electrode active materials, natural graphite, artificial graphite, and multiphase structural materials in which graphite and amorphous carbon are combined are generally used industrially and are preferable because they are inexpensive and easy to handle. These may be used alone or in combination of two or more.
〈結着剤〉
結着剤としては、後述する液体溶媒に対して安定な高分子が好ましい。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、芳香族ポリアミド、セルロース等の樹脂系高分子、スチレン・ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム又はエチレン・プロピレンゴム等のゴム状高分子、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体、その水素添加物、スチレン・エチレン・ブタジエン・スチレン共重合体、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体及びその水素添加物等の熱可塑性エラストマー状高分子、シンジオタクチック1,2−ポリブタジエン、エチレン・酢酸ビニル共重合体、又はプロピレン・α−オレフィン(炭素数2〜12)共重合体等の軟質樹脂状高分子、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、又はポリテトラフルオロエチレン・エチレン共重合体等のフッ素系高分子、アルカリ金属イオン(特にリチウムイオン)のイオン伝導性を有する高分子組成物などが挙げられる。これらは1種を単独で用いても良く、2種以上を組み合わせて用いても良い。
<Binder>
As the binder, a polymer that is stable against a liquid solvent described later is preferable. For example, resin polymers such as polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, aromatic polyamide, cellulose, rubbery polymers such as styrene / butadiene rubber, isoprene rubber, butadiene rubber or ethylene / propylene rubber, styrene / butadiene / styrene block Polymers, hydrogenated products thereof, styrene / ethylene / butadiene / styrene copolymers, styrene / isoprene / styrene block copolymers and thermoplastic elastomeric polymers such as hydrogenated products, syndiotactic 1,2-polybutadiene , Ethylene / vinyl acetate copolymer, or soft resinous polymer such as propylene / α-olefin (carbon number 2 to 12) copolymer, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, or polytetrafluoroethylene / ethylene The fluoropolymer of the polymer or the like, and the like alkali metal ion (especially lithium ion) polymer composition having ion conductivity. These may be used alone or in combination of two or more.
上記のイオン伝導性を有する高分子組成物としては、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物や、ポリエーテル化合物の架橋体高分子や、ポリエピクロルヒドリン、ポリフォスファゼン、ポリシロキサン、ポリビニルピロリドン、ポリビニリデンカーボネート、又はポリアクリロニトリル等の高分子化合物に、リチウム塩又はリチウムを主体とするアルカリ金属塩かを複合させた高分子、あるいはこれにプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン等の高い誘電率又はイオン−双極子相互作用力かを有する有機化合物を配合した高分子を用いることができる。 Examples of the polymer composition having ion conductivity include polyether polymer compounds such as polyethylene oxide and polypropylene oxide, crosslinked polymers of polyether compounds, polyepichlorohydrin, polyphosphazene, polysiloxane, and polyvinylpyrrolidone. , A polymer in which a lithium salt or an alkali metal salt mainly composed of lithium is combined with a polymer compound such as polyvinylidene carbonate or polyacrylonitrile, or a high dielectric such as propylene carbonate, ethylene carbonate or γ-butyrolactone. A polymer in which an organic compound having a rate or an ion-dipole interaction force is blended can be used.
具体的には、通常、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、芳香族ポリアミド、ポリイミド、又はセルロース及びその誘導体(例えばカルボキシメチルセルロース)等の樹脂系高分子、スチレン・ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、又はエチレン・プロピレンゴム等のゴム状高分子、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、又はポリテトラフルオロエチレン・エチレン共重合体等のフッ素系高分子、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物、ポリエーテル化合物の架橋体高分子が挙げられ、好ましくは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、又はポリエチレンオキシドが挙げられ、更に好ましくは、ポリエチレン、スチレン・ブタジエンゴム、ポリフッ化ビニリデン、又はポリテトラフルオロエチレンが挙げられる。これらは、現在工業的に一般に使用されており、扱い易いため好適である。 Specifically, resin polymers such as polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, aromatic polyamide, polyimide, or cellulose and derivatives thereof (for example, carboxymethylcellulose), styrene / butadiene rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, or ethylene are usually used.・ Fluorine polymers such as rubbery polymers such as propylene rubber, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, or polytetrafluoroethylene / ethylene copolymers, polyether polymer compounds such as polyethylene oxide and polypropylene oxide, Examples thereof include crosslinked polymers of polyether compounds, preferably polyethylene, polypropylene, polyimide, styrene / butadiene rubber, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, or polyethylene. Ethylene oxide and the like, more preferably, polyethylene, styrene-butadiene, polyvinylidene fluoride, or polytetrafluoroethylene. These are currently used industrially and are suitable because they are easy to handle.
〈導電剤〉
負極活物質には、導電剤を含んでもよい。導電剤は、用いる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良い。例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカ−ボンブラック類、炭素繊維、気相成長炭素繊維(VGCF)、金属繊維などの導電性繊維類、フッ化カーボン、銅等の金属粉末類などを単独又はこれらの混合物として含ませることができる。これらの導電剤のなかで、アセチレンブラック、VGCFが特に好ましい。これらは1種を単独で用いても良く、2種以上を組み合わせて用いても良い。
導電剤の添加量は、特に限定されないが、負極活物質に対して、1〜30重量%が好ましく、特に1〜15重量%が好ましい。
<Conductive agent>
The negative electrode active material may include a conductive agent. The conductive agent may be any electronic conductive material that does not cause a chemical change at the charge / discharge potential of the negative electrode active material to be used. For example, carbon blacks such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black and thermal black, carbon fibers, vapor grown carbon fibers (VGCF), conductive fibers such as metal fibers, fluorine Carbon powders, metal powders such as copper, etc. can be contained alone or as a mixture thereof. Of these conductive agents, acetylene black and VGCF are particularly preferable. These may be used alone or in combination of two or more.
Although the addition amount of a electrically conductive agent is not specifically limited, 1-30 weight% is preferable with respect to a negative electrode active material, and 1-15 weight% is especially preferable.
〈溶媒〉
負極活物質スラリーの調製には、水系溶媒又は有機溶媒が分散媒として用いられる。水系溶媒としては、通常、水が用いられるが、これにエタノール等のアルコール類、N−メチルピロリドン等の環状アミド類等の添加剤を水に対して、30重量%以下程度まで添加することもできる。
また、有機溶媒としては、通常、N−メチルピロリドン等の環状アミド類、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等の直鎖状アミド類、アニソール、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類、ブタノール、シクロヘキサノール等のアルコール類が挙げられ、中でも、N−メチルピロリドン等の環状アミド類、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等の直鎖状アミド類等が好ましい。
<solvent>
For the preparation of the negative electrode active material slurry, an aqueous solvent or an organic solvent is used as a dispersion medium. As the aqueous solvent, water is usually used, and additives such as alcohols such as ethanol and cyclic amides such as N-methylpyrrolidone may be added to water up to about 30% by weight or less. it can.
As the organic solvent, usually, cyclic amides such as N-methylpyrrolidone, linear amides such as N, N-dimethylformamide and N, N-dimethylacetamide, and aromatic carbonization such as anisole, toluene and xylene Examples thereof include alcohols such as hydrogens, butanol and cyclohexanol, among which cyclic amides such as N-methylpyrrolidone, linear amides such as N, N-dimethylformamide and N, N-dimethylacetamide are preferable. .
負極活物質、結着剤である結着及び増粘効果を有する有機物及び必要に応じて配合される負極用導電剤、その他フィラー等をこれらの溶媒に混合して負極活物質スラリーを調製し、これを負極用集電体基板に所定の厚みとなるように塗布・乾燥し、続いて所定の厚み・密度までプレスすることにより負極活物質層が形成される。
この負極活物質スラリー中の負極活物質の濃度の上限は通常70重量%以下、好ましくは55重量%以下であり、下限は通常30重量%以上、好ましくは40重量%以上である。負極活物質の濃度がこの上限を超えると負極活物質スラリー中の負極活物質が凝集しやすくなり、下限を下回ると負極活物質スラリーの保存中に負極活物質が沈降しやすくなる。
A negative electrode active material, a binder as a binder, an organic substance having a thickening effect, a negative electrode conductive agent blended as necessary, and other fillers are mixed in these solvents to prepare a negative electrode active material slurry, This is applied and dried on the negative electrode current collector substrate so as to have a predetermined thickness, and then pressed to a predetermined thickness and density to form a negative electrode active material layer.
The upper limit of the concentration of the negative electrode active material in this negative electrode active material slurry is usually 70% by weight or less, preferably 55% by weight or less, and the lower limit is usually 30% by weight or more, preferably 40% by weight or more. When the concentration of the negative electrode active material exceeds the upper limit, the negative electrode active material in the negative electrode active material slurry tends to aggregate, and when the concentration is lower than the lower limit, the negative electrode active material tends to settle during storage of the negative electrode active material slurry.
また、負極活物質スラリー中の結着剤の濃度の上限は通常30重量%以下、好ましくは10重量%以下であり、下限は通常0.1重量%以上、好ましくは0.5重量以上である。結着剤の濃度がこの上限を超えると得られる負極の内部抵抗が大きくなり、下限を下回ると負極活物質層の結着性に劣るものとなる。 Further, the upper limit of the concentration of the binder in the negative electrode active material slurry is usually 30% by weight or less, preferably 10% by weight or less, and the lower limit is usually 0.1% by weight or more, preferably 0.5% or more. . When the concentration of the binder exceeds this upper limit, the internal resistance of the negative electrode obtained increases, and when the concentration is lower than the lower limit, the binding property of the negative electrode active material layer becomes poor.
〈集電体〉
負極用集電体としては、前述の負極用の基体を用いることができる。
<Current collector>
As the negative electrode current collector, the above-described negative electrode substrate can be used.
[電解質]
電解質としては、電解液や固体電解質など、任意の電解質を用いることができる。なおここで電解質とはイオン導電体すべてのことをいい、電解液及び固体電解質は共に電解質に含まれるものとする。
[Electrolytes]
Any electrolyte such as an electrolytic solution or a solid electrolyte can be used as the electrolyte. Here, the electrolyte refers to all ionic conductors, and both the electrolytic solution and the solid electrolyte are included in the electrolyte.
電解液としては、例えば、非水系溶媒に溶質を溶解したものを用いることができる。溶質としては、アルカリ金属塩や4級アンモニウム塩などを用いることができる。具体的には、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiC(CF3SO2)3等が好ましく用いられる。これらの溶質は、1種類を選択して使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。電解液中のこれらの溶質の含有量は、0.2mol/L以上、特に0.5mol/L以上で、2mol/L以下、特に1.5mol/L以下であることが好ましい。 As the electrolytic solution, for example, a solution obtained by dissolving a solute in a non-aqueous solvent can be used. As the solute, an alkali metal salt, a quaternary ammonium salt, or the like can be used. Specifically, LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ), LiC (CF 3 SO 2 ) 3 and the like are preferably used. One kind of these solutes may be selected and used, or two or more kinds may be mixed and used. The content of these solutes in the electrolytic solution is preferably 0.2 mol / L or more, particularly 0.5 mol / L or more, and 2 mol / L or less, particularly 1.5 mol / L or less.
非水系溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等の環状カーボネート、γ−ブチロラクトンなどの環状エステル化合物;1,2−ジメトキシエタン等の鎖状エーテル;クラウンエーテル、2−メチルテトラヒドロフラン、1,2−ジメチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、テトラヒドロフラン等の環状エーテル;ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート等の鎖状カーボネートなどを用いることができる。これらの中でも、環状カーボネートと鎖状カーボネートを含有する非水溶媒が好ましい。
これらの溶媒は1種類を選択して使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。
Examples of the non-aqueous solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and vinylene carbonate; cyclic ester compounds such as γ-butyrolactone; chain ethers such as 1,2-dimethoxyethane; crown ethers, 2- Cyclic ethers such as methyltetrahydrofuran, 1,2-dimethyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, and tetrahydrofuran; chain carbonates such as diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and dimethyl carbonate can be used. Among these, a nonaqueous solvent containing a cyclic carbonate and a chain carbonate is preferable.
One type of these solvents may be selected and used, or two or more types may be mixed and used.
本発明に係る非水系電解液は、分子内に不飽和結合を有する環状炭酸エステルや従来公知の過充電防止剤、脱酸剤、脱水剤などの種々の助剤を含有していてもよい。 The nonaqueous electrolytic solution according to the present invention may contain various auxiliary agents such as a cyclic carbonate having an unsaturated bond in the molecule, a conventionally known overcharge inhibitor, a deoxidizer, and a dehydrator.
分子内に不飽和結合を有する環状炭酸エステルとしては、例えば、ビニレンカーボネート系化合物、ビニルエチレンカーボネート系化合物、メチレンエチレンカーボネート系化合物等が挙げられる。
ビニレンカーボネート系化合物としては、例えば、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、4,5−ジメチルビニレンカーボネート、4,5−ジエチルビニレンカーボネート、フルオロビニレンカーボネート、トリフルオロメチルビニレンカーボネート等が挙げられる。
ビニルエチレンカーボネート系化合物としては、例えば、ビニルエチレンカーボネート、4−メチル−4−ビニルエチレンカーボネート、4−エチル−4−ビニルエチレンカーボネート、4−n−プロピル−4−ビニルエチレンカーボネート、5−メチル−4−ビニルエチレンカーボネート、4,4−ジビニルエチレンカーボネート、4,5−ジビニルエチレンカーボネート等が挙げられる。
メチレンエチレンカーボネート系化合物としては、例えば、メチレンエチレンカーボネート、4,4−ジメチル−5−メチレンエチレンカーボネート、4,4−ジエチル−5−メチレンエチレンカーボネート等が挙げられる。
これらのうち、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネートが好ましく、特にビニレンカーボネートが好ましい。
これらは1種を単独で用いても、2種類以上を併用してもよい。
Examples of the cyclic carbonate having an unsaturated bond in the molecule include vinylene carbonate compounds, vinyl ethylene carbonate compounds, methylene ethylene carbonate compounds, and the like.
Examples of the vinylene carbonate compounds include vinylene carbonate, methyl vinylene carbonate, ethyl vinylene carbonate, 4,5-dimethyl vinylene carbonate, 4,5-diethyl vinylene carbonate, fluoro vinylene carbonate, trifluoromethyl vinylene carbonate, and the like.
Examples of the vinyl ethylene carbonate compound include vinyl ethylene carbonate, 4-methyl-4-vinyl ethylene carbonate, 4-ethyl-4-vinyl ethylene carbonate, 4-n-propyl-4-vinyl ethylene carbonate, 5-methyl- Examples include 4-vinylethylene carbonate, 4,4-divinylethylene carbonate, 4,5-divinylethylene carbonate, and the like.
Examples of the methylene ethylene carbonate compound include methylene ethylene carbonate, 4,4-dimethyl-5-methylene ethylene carbonate, 4,4-diethyl-5-methylene ethylene carbonate, and the like.
Of these, vinylene carbonate and vinyl ethylene carbonate are preferable, and vinylene carbonate is particularly preferable.
These may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together.
非水系電解液が分子内に不飽和結合を有する環状炭酸エステル化合物を含有する場合、非水系電解液中におけるその割合は、通常0.01重量%以上、好ましくは0.1重量%以上、特に好ましくは0.3重量%以上、最も好ましくは0.5重量%以上であり、通常8重量%以下、好ましくは4重量%以下、特に好ましくは3重量%以下である。
分子内に不飽和結合を有する環状炭酸エステルを電解液に含有させることにより、電池のサイクル特性を向上させることができる。その理由は明かではないが、負極の表面に安定な保護被膜を形成することができるためと推測される。ただし、その含有量が少ないとこの特性が十分に向上しない。しかし、含有量が多すぎると高温保存時にガス発生量が増大する傾向にあるので、電解液中の含有量は上記の範囲にするのが好ましい。
When the non-aqueous electrolyte contains a cyclic carbonate compound having an unsaturated bond in the molecule, the proportion in the non-aqueous electrolyte is usually 0.01% by weight or more, preferably 0.1% by weight or more, particularly Preferably it is 0.3% by weight or more, most preferably 0.5% by weight or more, usually 8% by weight or less, preferably 4% by weight or less, particularly preferably 3% by weight or less.
By including in the electrolyte a cyclic carbonate having an unsaturated bond in the molecule, the cycle characteristics of the battery can be improved. Although the reason is not clear, it is presumed that a stable protective film can be formed on the surface of the negative electrode. However, when the content is small, this property is not sufficiently improved. However, if the content is too large, the gas generation amount tends to increase during high-temperature storage, so the content in the electrolyte is preferably in the above range.
過充電防止剤としては、例えば、ビフェニル、アルキルビフェニル、ターフェニル、ターフェニルの部分水素化体、シクロヘキシルベンゼン、t−ブチルベンゼン、t−アミルベンゼン、ジフェニルエーテル、ジベンゾフラン等の芳香族化合物;2−フルオロビフェニル、o−シクロヘキシルフルオロベンゼン、p−シクロヘキシルフルオロベンゼン等の前記芳香族化合物の部分フッ素化物;2,4−ジフルオロアニソール、2,5−ジフルオロアニソール及び2,6−ジフルオロアニソ−ル等の含フッ素アニソール化合物などが挙げられる。
これらは1種を単独で用いてもよく、2種類以上併用してもよい。
非水系電解液中における過充電防止剤の割合は、通常0.1〜5重量%である。過充電防止剤を含有させることにより、過充電等のときに電池の破裂・発火を抑制することができる。
Examples of the overcharge inhibitor include aromatic compounds such as biphenyl, alkylbiphenyl, terphenyl, partially hydrogenated terphenyl, cyclohexylbenzene, t-butylbenzene, t-amylbenzene, diphenyl ether, and dibenzofuran; 2-fluoro Partially fluorinated products of the above aromatic compounds such as biphenyl, o-cyclohexylfluorobenzene, p-cyclohexylfluorobenzene; fluorine-containing compounds such as 2,4-difluoroanisole, 2,5-difluoroanisole and 2,6-difluoroanisole Anisole compounds and the like can be mentioned.
These may be used alone or in combination of two or more.
The ratio of the overcharge inhibitor in the non-aqueous electrolyte is usually 0.1 to 5% by weight. By containing an overcharge preventing agent, rupture / ignition of the battery can be suppressed during overcharge or the like.
他の助剤としては、例えば、フルオロエチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネート、フェニルエチレンカーボネート、エリスリタンカーボネート、スピロ−ビス−ジメチレンカーボネート、メトキシエチル−メチルカーボネート等のカーボネート化合物;無水コハク酸、無水グルタル酸、無水マレイン酸、無水シトラコン酸、無水グルタコン酸、無水イタコン酸、無水ジグリコール酸、シクロヘキサンジカルボン酸無水物、シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物及びフェニルコハク酸無水物等のカルボン酸無水物;エチレンサルファイト、1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトン、メタンスルホン酸メチル、ブスルファン、スルホラン、スルホレン、ジメチルスルホン及びテトラメチルチウラムモノスルフィド、N,N−ジメチルメタンスルホンアミド、N,N−ジエチルメタンスルホンアミド等の含硫黄化合物;1−メチル−2−ピロリジノン、1−メチル−2−ピペリドン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン及びN−メチルスクシイミド等の含窒素化合物;ヘプタン、オクタン、シクロヘプタン等の炭化水素化合物、フルオロベンゼン、ジフルオロベンゼン、ヘキサフルオロベンゼン、ベンゾトリフルオライド等の含フッ素芳香族化合物などが挙げられる。
これらは1種を単独で用いてもよく、2種類以上併用して用いてもよい。
非水系電解液中におけるこれらの助剤の割合は、通常0.1〜30重量%である。これらの助剤を含有することにより、高温保存後の容量維持特性やサイクル特性を向上させることができる。
Other auxiliary agents include, for example, carbonate compounds such as fluoroethylene carbonate, trifluoropropylene carbonate, phenylethylene carbonate, erythritan carbonate, spiro-bis-dimethylene carbonate, methoxyethyl-methyl carbonate; succinic anhydride, anhydrous glutar Carboxylic anhydrides such as acid, maleic anhydride, citraconic anhydride, glutaconic anhydride, itaconic anhydride, diglycolic anhydride, cyclohexanedicarboxylic anhydride, cyclopentanetetracarboxylic dianhydride and phenylsuccinic anhydride; Ethylene sulfite, 1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone, methyl methanesulfonate, busulfan, sulfolane, sulfolene, dimethyl sulfone and tetramethylthiuram monosulfate Sulfur-containing compounds such as N, N-dimethylmethanesulfonamide, N, N-diethylmethanesulfonamide; 1-methyl-2-pyrrolidinone, 1-methyl-2-piperidone, 3-methyl-2-oxazolidinone, 1 , 3-dimethyl-2-imidazolidinone and nitrogen-containing compounds such as N-methylsuccinimide; hydrocarbon compounds such as heptane, octane and cycloheptane; fluorobenzene, difluorobenzene, hexafluorobenzene, benzotrifluoride, etc. And fluorine-containing aromatic compounds.
These may be used alone or in combination of two or more.
The ratio of these auxiliaries in the nonaqueous electrolytic solution is usually 0.1 to 30% by weight. By containing these auxiliaries, capacity maintenance characteristics and cycle characteristics after high-temperature storage can be improved.
また、非水系電解液は、電解液中に有機高分子化合物を含ませ、ゲル状又は、ゴム状、或いは固体シート状の固体電解質としてもよい。この場合、有機高分子化合物の具体例としては、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物;ポリエーテル系高分子化合物の架橋体高分子;ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールなどのビニルアルコール系高分子化合物;ビニルアルコール系高分子化合物の不溶化物;ポリエピクロルヒドリン;ポリフォスファゼン;ポリシロキサン;ポリビニルピロリドン、ポリビニリデンカーボネート、ポリアクリロニトリルなどのビニル系高分子化合物;ポリ(ω−メトキシオリゴオキシエチレンメタクリレート)、ポリ(ω−メトキシオリゴオキシエチレンメタクリレート−co−メチルメタクリレート)等のポリマー共重合体などが挙げられる。 Further, the non-aqueous electrolyte solution may include an organic polymer compound in the electrolyte solution, and may be a gel-like, rubber-like, or solid sheet-like solid electrolyte. In this case, specific examples of the organic polymer compound include polyether polymer compounds such as polyethylene oxide and polypropylene oxide; crosslinked polymers of polyether polymer compounds; vinyl alcohol polymers such as polyvinyl alcohol and polyvinyl butyral. Compound; insolubilized product of vinyl alcohol polymer; polyepichlorohydrin; polyphosphazene; polysiloxane; vinyl polymer such as polyvinyl pyrrolidone, polyvinylidene carbonate, polyacrylonitrile; poly (ω-methoxyoligooxyethylene methacrylate), Examples thereof include polymer copolymers such as poly (ω-methoxyoligooxyethylene methacrylate-co-methyl methacrylate).
[その他の構成部材]
非水電解質二次電池用負極には、電解質、負極、及び正極の他に、更に必要に応じて、外缶、セパレータ、ガスケット、封口板、セルケースなどを用いることもできる。
セパレータの材質や形状は特に制限されない。セパレータは正極と負極が物理的に接触しないように分離するものであり、イオン透過性が高く、電気抵抗が低いものであるのが好ましい。セパレータは電解液に対して安定で保液性が優れた材料の中から選択するのが好ましい。具体例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンを原料とする多孔性シート又は不織布が挙げられる。
[Other components]
In addition to the electrolyte, the negative electrode, and the positive electrode, an outer can, a separator, a gasket, a sealing plate, a cell case, and the like can be used as the negative electrode for the nonaqueous electrolyte secondary battery, if necessary.
The material and shape of the separator are not particularly limited. The separator is separated so that the positive electrode and the negative electrode do not come into physical contact with each other, and preferably has high ion permeability and low electrical resistance. The separator is preferably selected from materials that are stable with respect to the electrolyte and excellent in liquid retention. Specific examples include porous sheets or nonwoven fabrics made from polyolefins such as polyethylene and polypropylene.
[非水電解質二次電池の形状]
本発明の非水電解質二次電池の形状は特に制限されず、例えば、シート電極及びセパレータをスパイラル状にしたシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを組み合わせたインサイドアウト構造のシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを積層したコインタイプ等にすることができる。
[Shape of non-aqueous electrolyte secondary battery]
The shape of the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is not particularly limited. For example, a cylinder type in which a sheet electrode and a separator are spiral, a cylinder type having an inside-out structure in which a pellet electrode and a separator are combined, a pellet electrode and a separator It can be made into a laminated coin type or the like.
[非水電解質二次電池の製造方法]
電解質、負極及び正極を少なくとも有する本発明の非水電解質二次電池を製造する方法は、特に限定されず通常採用されている方法の中から適宜選択することができる。
本発明の非水電解質二次電池の製造方法の一例を挙げると、外缶上に負極を載せ、その上に電解液とセパレータを設け、さらに負極と対向するように正極を載せて、ガスケット、封口板と共にかしめて電池を組み立てる方法が挙げられる。
[Method for producing non-aqueous electrolyte secondary battery]
The method for producing the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention having at least an electrolyte, a negative electrode, and a positive electrode is not particularly limited and can be appropriately selected from commonly employed methods.
An example of the method for producing the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is as follows: a negative electrode is placed on an outer can, an electrolytic solution and a separator are provided thereon, a positive electrode is placed so as to face the negative electrode, a gasket, A method of assembling the battery by caulking with a sealing plate is mentioned.
次に実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、これらの実施例によって何ら限定されるものではない。 EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited at all by these Examples, unless the summary is exceeded.
なお、実施例及び比較例において、形成された活物質層の組成は、以下のXPS測定により分析した。
(XPS測定)
X線光電子分光法測定としては、X線光電子分光器(アルバック・ファイ社製「ESCA」)を用い、活物質層の表面が平坦になるように試料台に載せ、アルミニウムのKα線をX線源とし、Arスパッタを行いながらデプスプロファイル測定を実施した。濃度一定になった深さ(例えば、200nm)での、Si2p(90〜110eV)とC1s(280〜300eV)とO1s(525〜545eV)のスペクトルを得た。得られたC1sのピークトップを284.5eVとして帯電補正し、Si2p、C1s、O1sのスペクトルのピーク面積を求め、更に装置感度係数を掛けて、Si、C、Oの原子濃度をそれぞれ算出した。得られたそのSiとCとOの原子濃度から、原始濃度比Si/C/O(Si原子濃度/C原子濃度/O原子濃度)を算出し、活物質層の組成値Si/C/Oと定義する。
In Examples and Comparative Examples, the composition of the formed active material layer was analyzed by the following XPS measurement.
(XPS measurement)
For the X-ray photoelectron spectroscopy measurement, an X-ray photoelectron spectrometer (“ESCA” manufactured by ULVAC-PHI) was used to place the active material layer on the sample stage so that the surface of the active material layer was flat, and the aluminum Kα ray was X-rayed. The depth profile was measured while performing Ar sputtering with the source. Spectra of Si2p (90 to 110 eV), C1s (280 to 300 eV), and O1s (525 to 545 eV) at a constant depth (for example, 200 nm) were obtained. The obtained C1s peak top was 284.5 eV, charge correction was performed, the peak areas of the Si2p, C1s, and O1s spectra were obtained, and the device sensitivity coefficient was multiplied to calculate the atomic concentrations of Si, C, and O, respectively. From the obtained atomic concentrations of Si, C, and O, a primitive concentration ratio Si / C / O (Si atomic concentration / C atomic concentration / O atomic concentration) is calculated, and the composition value Si / C / O of the active material layer is calculated. It is defined as
また、実施例及び比較例で作製した電池の放電容量の評価は以下の方法で行った。
(放電容量の評価)
0.2C(1C=80mA)の電流密度でリチウムコバルト正極に対して4.2Vまで充電し、更に、4.2Vの一定電圧で電流値が2mAになるまで充電し、負極中にリチウムをドープした後、0.2Cの電流密度でリチウムコバルト正極に対して3Vまで放電を行う充放電サイクルを4回繰り返して電池容量を安定化させ、4回目を放電容量とした。また、質量当りの放電容量とする場合は、負極材の活物質質量は負極質量から同面積に打ち抜いた銅箔の質量を差し引くことで求め、以下に従って計算した。
放電容量(mAh/g)
=4サイクル目放電容量(mAh)/活物質質量(g)
活物質質量(g)=負極質量(g)−同面積の銅箔質量(g)
Moreover, evaluation of the discharge capacity of the battery produced by the Example and the comparative example was performed with the following method.
(Evaluation of discharge capacity)
The lithium cobalt positive electrode is charged to 4.2 V at a current density of 0.2 C (1 C = 80 mA), further charged to a current value of 2 mA at a constant voltage of 4.2 V, and lithium is doped into the negative electrode. After that, the charge / discharge cycle of discharging to 3 V with respect to the lithium cobalt positive electrode at a current density of 0.2 C was repeated four times to stabilize the battery capacity, and the discharge capacity was made the fourth time. Moreover, when setting it as the discharge capacity per mass, the active material mass of the negative electrode material was calculated | required by subtracting the mass of the copper foil pierced to the same area from the negative electrode mass, and calculated according to the following.
Discharge capacity (mAh / g)
= 4th cycle discharge capacity (mAh) / active material mass (g)
Active material mass (g) = Negative electrode mass (g)-Copper foil mass (g) of the same area
[実施例1]
<剥離層の形成工程>
集電体として、成膜面の平均表面粗さ(Ra)が0.3μm、引張強度が400N/mm2、0.2%耐力が380N/mm2で、厚さが18μmである、成膜面を粗面化した圧延銅箔(約1m長さ×60mm幅)を用い、マスキングテープとして10mm幅×60μm厚さのポリイミドテープ(厚さ25μmのポリイミドフィルムにシリコーン/アクリル系粘着剤が付いた日東電工社製のポリイミド粘着テープ)を、回転ドラムの円周方向(銅箔の長さ方向)に対し垂直方向に、100mmずつの間隔で、集電体上の集電用のタブ部形成のための未成膜部分10箇所に貼り付けた。
[Example 1]
<Formation process of release layer>
As a current collector, a film having an average surface roughness (Ra) of 0.3 μm, a tensile strength of 400 N / mm 2 , a 0.2% proof stress of 380 N / mm 2 and a thickness of 18 μm. Rolled copper foil with a roughened surface (about 1 m long x 60 mm wide) and 10 mm wide x 60 μm thick polyimide tape (25 μm thick polyimide film with silicone / acrylic adhesive attached as masking tape) Nitto Denko's polyimide adhesive tape) is formed in the direction perpendicular to the circumferential direction of the rotating drum (the length of the copper foil) at 100 mm intervals to form a current collecting tab on the current collector. It was affixed to 10 non-deposited portions.
<活物質の気相成長工程>
ターゲット材として、SiとCの混合物(SiとCの原子比率が1:0.3)を用い、回転ドラムのついた直流スパッタ装置(島津製作所社製「HSM−52」)にて8時間活物質の成膜を行って集電体上に薄膜状活物質を得た。
この時、集電体は水冷された外周約1mの回転ドラムに取り付け、約25℃に維持し、チャンバーを予め4×10−4Paまで真空引き後、高純度アルゴンガスをチャンバー内に40sccm流し、メインバルブの開度を調整して1.6Paの雰囲気としてから、電力密度7W/cm2、ドラム回転数13rpmで成膜を行った。成膜には8時間を要した。
なお、薄膜形成前に、銅箔表面の酸化膜を除去する目的で、逆スパッタを行い集電体表面のエッチングをした。
<Active material vapor phase growth process>
As a target material, a mixture of Si and C (atomic ratio of Si and C is 1: 0.3) is used for 8 hours in a DC sputtering device (“HSM-52” manufactured by Shimadzu Corporation) with a rotating drum. The material was deposited to obtain a thin film active material on the current collector.
At this time, the current collector was attached to a water-cooled rotating drum with an outer circumference of about 1 m, maintained at about 25 ° C., the chamber was evacuated to 4 × 10 −4 Pa in advance, and high-purity argon gas was allowed to flow into the chamber at 40 sccm. Then, after adjusting the opening of the main valve to an atmosphere of 1.6 Pa, film formation was performed at a power density of 7 W / cm 2 and a drum rotation speed of 13 rpm. The film formation took 8 hours.
Before the thin film was formed, reverse sputtering was performed to etch the current collector surface for the purpose of removing the oxide film on the copper foil surface.
得られた薄膜状活物質の断面の走査型電子顕微鏡(SEM)観察から、成膜された薄膜の膜厚は約7μmであり、真空蒸着時間で膜厚を除した成膜速度(膜厚÷真空蒸着時間)は約0.2nm/secであった。 From the scanning electron microscope (SEM) observation of the cross section of the obtained thin film active material, the film thickness of the formed thin film was about 7 μm, and the film formation speed (film thickness ÷ The vacuum deposition time was about 0.2 nm / sec.
XPSにて薄膜状活物質の組成分析をしたところ、Si薄膜中に添加元素Cが24原子%、雰囲気から混入した添加元素Oが4原子%含有されていた。 The composition analysis of the thin film active material by XPS revealed that the Si thin film contained 24 atomic% of the additive element C and 4 atomic% of the additive element O mixed from the atmosphere.
<剥離層及び活物質の除去工程>
スパッタリング後、集電体上から薄膜状活物質を、10mm幅×60μm厚さのマスキングテープと一緒に剥がし、活物質層の付いていない集電用のタブ形成部分を形成した。電極の外観から、活物質の成膜部分と集電用の未成膜部分の境界は明確であった。
<Release layer and active material removal step>
After sputtering, the thin film active material was peeled off from the current collector together with a masking tape having a width of 10 mm and a thickness of 60 μm to form a current-collecting tab forming portion without an active material layer. From the appearance of the electrode, the boundary between the film-forming part of the active material and the non-film-forming part for current collection was clear.
<電池の作製及び評価>
上記方法で作製した電極を活物質面が30mm×40mmの大きさになるように切り抜いた。この時、活物質層の付いていない集電用のタブ接着部が、前記活物質面の外側に5mm×5mmの大きさになるように切り抜いた。
得られた電極を85℃で一昼夜真空乾燥し、ドライルームに移し、乾燥空気雰囲気下で、超音波溶接機にて銅製のタブを接着部に溶接して負極とした。
電解液としてエチレンカーボネート(EC)/ジエチルカーボネート(DEC)=3/7(質量比)の混合液を溶媒とした1mol/L−LiPF6電解液と、セパレータとしてポリエチレンセパレータと、対極としてコバルト酸リチウム正極とを用い、前記負極と正極が対抗しているアルミラミネート型電池(リチウム二次電池)を作製した。
作製した電池を用いて、放電容量の評価を行なったところ、負極活物質の放電容量は2200mAh/gであった。
<Production and evaluation of battery>
The electrode produced by the above method was cut out so that the active material surface had a size of 30 mm × 40 mm. At this time, the current-collecting tab adhesion portion without the active material layer was cut out to have a size of 5 mm × 5 mm outside the active material surface.
The obtained electrode was vacuum-dried at 85 ° C. for a whole day and night, transferred to a dry room, and a copper tab was welded to the bonded portion with an ultrasonic welder in a dry air atmosphere to form a negative electrode.
1 mol / L-LiPF 6 electrolyte using a mixed solution of ethylene carbonate (EC) / diethyl carbonate (DEC) = 3/7 (mass ratio) as an electrolyte, a polyethylene separator as a separator, and lithium cobalt oxide as a counter electrode Using the positive electrode, an aluminum laminate type battery (lithium secondary battery) in which the negative electrode and the positive electrode face each other was produced.
When the discharge capacity was evaluated using the produced battery, the discharge capacity of the negative electrode active material was 2200 mAh / g.
[実施例2]
<剥離層の形成工程>
集電体として、表面が粗面化されていない、引張強度が400N/mm2、0.2%耐力が380N/mm2で、厚さが35μmである安価な圧延銅箔を用い、剥離層として、100μm厚さのフッ素樹脂テープ(フッ素樹脂フィルムにシリコーン系粘着剤が付いた日東電工社製のフッ素樹脂粘着テープ)を用い、実施例1と同様に剥離層の形成を行なった。
[Example 2]
<Formation process of release layer>
As the current collector, an inexpensive rolled copper foil having a non-roughened surface, a tensile strength of 400 N / mm 2 , a 0.2% proof stress of 380 N / mm 2 and a thickness of 35 μm is used, and a release layer As in Example 1, a release layer was formed using a fluororesin tape having a thickness of 100 μm (a fluororesin adhesive tape manufactured by Nitto Denko Corporation with a silicone adhesive attached to a fluororesin film).
<基体表面の粗面化工程>
粗面化手段として、塩化第二鉄水溶液を用い、剥離層を形成した集電体を浸漬することで湿式エッチングを行なった。集電体の剥離層の無い部分についてエッチング後の平均表面粗さ(Ra)を測定したところ、0.2μmであった。
<Roughening process of substrate surface>
As a roughening means, ferric chloride aqueous solution was used, and wet etching was performed by immersing the current collector on which the release layer was formed. It was 0.2 micrometer when the average surface roughness (Ra) after an etching was measured about the part without the peeling layer of a collector.
<活物質の気相成長工程、剥離層及び活物質の除去工程>
粗面化した集電体を用い、実施例1と同様に活物質層の形成、剥離層及び活物質の一部除去を行なった。実施例1と同様にして薄膜状活物質の膜厚を測定したところ約7μmであった。
また、実施例1と同様にしてXPSにて薄膜状活物質の組成分析をしたところ、Si薄膜中に添加元素Cが24原子%、雰囲気から混入した添加元素Oが4原子%含有されていた。
また、電極の外観から活物質の成膜部分と集電用の未成膜部分の境界は明確であった。
<Active Material Vapor Phase Growth Step, Release Layer and Active Material Removal Step>
Using the roughened current collector, the active material layer was formed, and the release layer and a part of the active material were removed in the same manner as in Example 1. When the film thickness of the thin film active material was measured in the same manner as in Example 1, it was about 7 μm.
Further, when the composition analysis of the thin film active material was performed by XPS in the same manner as in Example 1, the Si thin film contained 24 atomic% of the additive element C and 4 atomic% of the additive element O mixed from the atmosphere. .
Further, the boundary between the active material film-forming portion and the current collecting non-film-forming portion was clear from the appearance of the electrode.
<電池の作製及び評価>
上記方法で作製した電極を用いて、実施例1と同様にして電池を作製して放電容量の評価を行ったところ、2160mAh/gであった。
<Production and evaluation of battery>
Using the electrode produced by the above method, a battery was produced in the same manner as in Example 1, and the discharge capacity was evaluated. The result was 2160 mAh / g.
[実施例3]
[剥離層の形成工程]
充填材としてカーボンブラック(平均粒径31μm)に、高分子結着材としてスチレン・ブタジエンゴム(SBR)0.5重量%(カーボンブラックとスチレン・ブタジエンゴムとの混合粉末を100重量%とした時)、及びカルボキシルメチルセルロース(CMC)1.0重量%を、それぞれ水溶液や水懸濁液の形で加え混合した。こうして得られた混合物を、実施例1で用いたものと同様に集電体上の一部に塗布後、80℃で60分乾燥して、厚さ100μmの剥離層を形成した。乾燥後、一部に剥離層を含む状態で集電体を60mm長さ×60mm幅に切り、活物質形成用のサンプルとした。
[Example 3]
[Peeling layer forming step]
Carbon black (average particle size 31 μm) as filler and styrene / butadiene rubber (SBR) 0.5% by weight as polymer binder (when mixed powder of carbon black and styrene / butadiene rubber is 100% by weight) ) And 1.0% by weight of carboxymethylcellulose (CMC) were added and mixed in the form of an aqueous solution or an aqueous suspension, respectively. The mixture thus obtained was applied to a part of the current collector in the same manner as in Example 1, and then dried at 80 ° C. for 60 minutes to form a release layer having a thickness of 100 μm. After drying, the current collector was cut into a length of 60 mm and a width of 60 mm in a state including a release layer in a part thereof to obtain a sample for forming an active material.
<活物質の気相成長工程>
活物質原料を破砕Siとし、前記剥離層を形成した集電体上に、セキスイメディカル電子社製「MU−1700D高周波誘導加熱装置」にて、高周波誘導加熱式の真空蒸着を行った。
この時、集電体は水冷され約25℃に維持し、チャンバー内を真空引きし1×10−3Paの雰囲気としてから、破砕Siの入った黒鉛坩堝を高周波誘導加熱電流9.2Aにて加熱し、80秒間真空蒸着を行った。また、この時、放射温度計で測定した真空蒸着時の坩堝上面の温度は1690℃であった。
得られた薄膜状活物質の断面の走査型電子顕微鏡(SEM)観察から、成膜された薄膜の膜厚は約7μmであった。
また、XPSにて薄膜状活物質の組成分析をしたところ、Si薄膜中に黒鉛坩堝から混入させた添加元素Cが20原子%、雰囲気から混入させた添加元素Oが5原子%含有されていた。
<Active material vapor phase growth process>
The active material raw material was crushed Si, and high frequency induction heating type vacuum deposition was performed on the current collector on which the release layer was formed, using “MU-1700D high frequency induction heating apparatus” manufactured by Sekisui Medical Electronics.
At this time, the current collector was cooled with water and maintained at about 25 ° C., and the inside of the chamber was evacuated to create an atmosphere of 1 × 10 −3 Pa. Then, the graphite crucible containing crushed Si was subjected to high-frequency induction heating current 9.2 A. Heated and vacuum deposited for 80 seconds. Moreover, the temperature of the upper surface of the crucible at the time of vacuum deposition measured with the radiation thermometer at this time was 1690 degreeC.
From the observation of the cross section of the obtained thin film active material by scanning electron microscope (SEM), the film thickness of the formed thin film was about 7 μm.
When the composition analysis of the thin film active material was performed by XPS, the Si thin film contained 20 atomic% of the additive element C mixed from the graphite crucible and 5 atomic% of the additive element O mixed from the atmosphere. .
<剥離層及び活物質の除去工程>
真空蒸着後、剥離層上に気相成膜された薄膜状活物質は、エタノールを染み込ませた布で拭くことにより、集電体上から剥離層と共に簡単に剥離することができた。電極の外観から、活物質の成膜部分と集電用の未成膜部分の境界は明確であった。
<Release layer and active material removal step>
After vacuum deposition, the thin film active material formed in a vapor phase on the release layer could be easily peeled off the collector together with the release layer by wiping with a cloth soaked with ethanol. From the appearance of the electrode, the boundary between the film-forming part of the active material and the non-film-forming part for current collection was clear.
<電池の作製及び評価>
上記方法で作製した電極を用いて、実施例1と同様にして電池を作製して、放電容量の評価を行なったところ、2250mAh/gであった。
<Production and evaluation of battery>
Using the electrode produced by the above method, a battery was produced in the same manner as in Example 1 and the discharge capacity was evaluated. The result was 2250 mAh / g.
[比較例1]
<活物質の気相成長工程>
剥離層を形成しないで集電体上に直接活物質を形成した以外は、実施例1と同様に行なった。(剥離層の形成、剥離層の除去工程なし。)
[Comparative Example 1]
<Active material vapor phase growth process>
The same operation as in Example 1 was performed except that the active material was directly formed on the current collector without forming the release layer. (No peeling layer formation, no peeling layer removal step.)
<電池の作製及び評価>
集電用のタブ接着部に活物質がついている状態の電極を、実施例1と同様な形状に切り抜き、超音波溶接機にて銅製のタブを活物質上に溶接しようとしたが、活物質が形成されているため溶接することはできず、実施例1と同様に電池を作製することはできなかった。
<Production and evaluation of battery>
The electrode in the state where the active material is attached to the tab bonding portion for collecting current was cut out in the same shape as in Example 1, and an attempt was made to weld the copper tab onto the active material with an ultrasonic welding machine. As a result, it was impossible to weld the battery, and it was impossible to manufacture a battery as in Example 1.
[比較例2]
<活物質の気相成長工程>
剥離層を形成しない集電体を用い、実施例1で用いた装置で回転ドラムを停止させた状態で1時間成膜し、シャッター閉(成膜できない)状態で回転ドラムを1cm移動させ、再び回転ドラムを停止した状態で1時間成膜する操作を繰り返すことで、成膜部分と活物質の付いていない未成膜部分を間欠的に形成した。このとき、集電体約1m分(回転ドラム1周分)を成膜するのに約15時間掛かった。(剥離層の形成、剥離層の除去工程なし。)
[Comparative Example 2]
<Active material vapor phase growth process>
Using a current collector that does not form a release layer, the apparatus used in Example 1 was used to form a film for 1 hour while the rotating drum was stopped, and the rotating drum was moved 1 cm while the shutter was closed (film formation was not possible). By repeating the operation of forming a film for 1 hour with the rotating drum stopped, a film formation part and an unfilmed part without an active material were formed intermittently. At this time, it took about 15 hours to form the current collector for about 1 m (for one rotation of the rotating drum). (No peeling layer formation, no peeling layer removal step.)
得られた薄膜状活物質の断面の走査型電子顕微鏡(SEM)観察から、成膜された薄膜の膜厚は約7μmであった。また、電極の外観より活物質の成膜部分と未成膜部分の境界は不明瞭であった。 From the observation of the cross section of the obtained thin film active material by scanning electron microscope (SEM), the film thickness of the formed thin film was about 7 μm. In addition, the boundary between the film-forming portion and the non-film-forming portion of the active material was unclear due to the appearance of the electrode.
<電池の作製及び評価>
上記方法で作製した電極を用いて、実施例1と同様に電極を切り抜き、未成膜部分に銅製のタブを溶接し電極を作製して放電容量の評価を行なったところ、2200mAh/gであった。
<Production and evaluation of battery>
Using the electrode produced by the above method, the electrode was cut out in the same manner as in Example 1, and a copper tab was welded to the non-deposited portion to produce an electrode, and the discharge capacity was evaluated. The result was 2200 mAh / g. .
上記実施例及び比較例で用いた負極材の物性等を表1にまとめて示す。 Table 1 summarizes the physical properties and the like of the negative electrode materials used in the above Examples and Comparative Examples.
表1より次のことが分かる。
比較例1の製造法は、剥離層を形成しないで集電体全面に活物質を気相成膜しているため本発明の規定範囲外であり、その結果、集電用のタブを溶接できず電池を作製することができなかった。
Table 1 shows the following.
The manufacturing method of Comparative Example 1 is outside the specified range of the present invention because the active material is vapor-phased on the entire surface of the current collector without forming a release layer. As a result, the current collecting tab can be welded. No battery could be produced.
比較例2の製造法は、リチウムと合金化可能なSi系活物質を気相成膜しており放電容量は高いが、剥離層を形成しないで間欠的にスパッタリングにて製造しているため、本発明の規定範囲外であり、その結果、成膜時間が長く掛かり生産性は悪かった。 In the manufacturing method of Comparative Example 2, a Si-based active material that can be alloyed with lithium is formed in a gas phase, and the discharge capacity is high, but since it is manufactured intermittently by sputtering without forming a release layer, It was outside the specified range of the present invention, and as a result, the film formation time was long and the productivity was poor.
これらに対して、実施例1〜3の本発明の製造法は、基体上の一部に剥離層を形成した後、活物質を気相成長させ、該基体上から剥離層と該剥離層上の活物質を除去する工程を備えているので、全てが本発明の規定範囲を満たしている。このような製造法を用いると、生産性に優れ、安価で放電容量が高い負極材が得られる。 On the other hand, in the production methods of Examples 1 to 3 of the present invention, after forming a release layer on a part of the substrate, the active material is vapor-phase grown, and the release layer and the release layer are formed on the substrate. Since the step of removing the active material is provided, all satisfy the specified range of the present invention. When such a manufacturing method is used, a negative electrode material that is excellent in productivity, inexpensive, and has a high discharge capacity can be obtained.
本発明によれば、生産性に優れ、安価で放電容量が高い非水電解質二次電池が提供されるため、本発明は非水電解質二次電池が適用される電子機器等の各種の分野において好適に利用可能である。 According to the present invention, a nonaqueous electrolyte secondary battery having excellent productivity, low cost, and high discharge capacity is provided. Therefore, the present invention is applied to various fields such as electronic devices to which the nonaqueous electrolyte secondary battery is applied. It can be suitably used.
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| US10898975B2 (en) | 2015-08-18 | 2021-01-26 | Hamamatsu Photonics K.K. | Laser machining device and laser machining method |
| WO2023172568A3 (en) * | 2022-03-09 | 2023-11-09 | Tesla, Inc. | Coated electrodes |
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