JP2012009330A - Lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
【課題】負極集電体の表面に合金系活物質を複数の柱状体として有する負極を備えたリチウムイオン二次電池において、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
【解決手段】負極シートと正極シートと微多孔性絶縁シートとの積層体を捲回してなる捲回型の電極群と、非水電解液と、電極群及び非水電解液を収容する筒状の電池ケースと、電池ケースを密封する封口部材を備えた電池であって、負極シートは、表面に複数の凸部が形成された負極集電体と、凸部に支持されたリチウムイオンを吸蔵及び放出しうる合金系活物質からなる複数の柱状体とを備え、正極シートは、正極集電体と、正極集電体に積層されたリチウムイオンを吸蔵及び放出しうる正極活物質を含有する正極活物質層とを備え、充放電サイクル初期の放電状態において、前記電池ケースの全容積に対して、1〜20体積%の気相空間が存在するリチウムイオン二次電池を用いる。
【選択図】図2An object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery having excellent cycle characteristics in a lithium ion secondary battery including a negative electrode having an alloy active material as a plurality of columns on the surface of a negative electrode current collector. .
A wound electrode group formed by winding a laminate of a negative electrode sheet, a positive electrode sheet, and a microporous insulating sheet, a non-aqueous electrolyte, and a cylindrical shape containing the electrode group and the non-aqueous electrolyte. A battery case and a sealing member that seals the battery case, wherein the negative electrode sheet occludes a negative electrode current collector having a plurality of convex portions formed on the surface and lithium ions supported by the convex portions. And a plurality of columnar bodies made of an alloy-based active material that can be released, and the positive electrode sheet contains a positive electrode current collector and a positive electrode active material that can occlude and release lithium ions stacked on the positive electrode current collector A lithium ion secondary battery including a positive electrode active material layer and having a gas phase space of 1 to 20% by volume with respect to the total volume of the battery case in a discharge state at the initial stage of the charge / discharge cycle is used.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、リチウムイオン吸蔵時にリチウムと合金を形成する、ケイ素やスズを含む合金系活物質を負極に用いたリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery using, as a negative electrode, an alloy-based active material containing silicon or tin that forms an alloy with lithium during lithium ion storage.
リチウムイオン二次電池は、軽量で、起電力が高く、エネルギー密度が高い。このため、携帯電話、デジタルスチルカメラ、ノート型パーソナルコンピュータなどの各種携帯型電子機器の駆動用電源として、需要が拡大している。 A lithium ion secondary battery is lightweight, has high electromotive force, and high energy density. For this reason, demand is expanding as a driving power source for various portable electronic devices such as mobile phones, digital still cameras, and notebook personal computers.
リチウムイオン二次電池(以下、単に電池とも称する)は、電池ケース内に、リチウムイオンを吸蔵および放出可能な負極活物質を含む負極と、リチウムイオンを吸蔵および放出可能な正極活物質を含む正極と、これらの間を隔離するセパレータと、非水電解液とが収容されている。負極活物質としては、従来から広く用いられてきた黒鉛などの炭素材料に代わり、近年、合金を形成することによりリチウムを吸蔵するケイ素(Si)やスズ(Sb)を含む、所謂、合金系活物質の採用が広く検討されている。合金系活物質は、炭素材料に比べて高容量化及び高出力化が実現できるためである。 A lithium ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as a battery) includes a negative electrode including a negative electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions and a positive electrode including a positive electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions in a battery case. And a separator that separates them and a non-aqueous electrolyte are accommodated. As the negative electrode active material, a so-called alloy-based active material containing silicon (Si) or tin (Sb) that occludes lithium by forming an alloy in recent years, instead of a carbon material such as graphite that has been widely used conventionally. Adoption of substances is widely studied. This is because the alloy-based active material can achieve higher capacity and higher output than the carbon material.
合金系活物質は、容量が大きいために、充電により著しく膨張し、放電により著しく収縮する。合金系活物質として、例えばSiを用いた場合、Siがリチウムイオンを最大量吸蔵してLi4.4Siに変化した場合、その体積は約4倍にも増大する。従って、合金系活物質を負極として用いた電池においては、充電による合金系活物質の膨張により、合金系活物質とそれを支持する負極集電体との界面に大きな応力が発生する。そして、発生した応力は、負極集電体に皺や反りといった変形を生じさせたり、合金系活物質を負極集電体から脱落させたりする。その結果、電池の充放電サイクル特性が低下するおそれがあった。 Since the alloy-based active material has a large capacity, it remarkably expands by charging and remarkably shrinks by discharging. For example, when Si is used as the alloy-based active material, when Si absorbs the maximum amount of lithium ions and changes to Li 4.4 Si, the volume increases about four times. Accordingly, in a battery using an alloy-based active material as a negative electrode, large stress is generated at the interface between the alloy-based active material and the negative electrode current collector that supports the alloy-based active material due to expansion of the alloy-based active material due to charging. The generated stress causes deformation such as wrinkles and warpage in the negative electrode current collector, or causes the alloy-based active material to fall from the negative electrode current collector. As a result, the charge / discharge cycle characteristics of the battery may be deteriorated.
このような問題を解決するために、例えば、下記特許文献1に開示されているように、負極集電体の表面に合金系活物質を複数の柱状体として形成させる方法が知られている。このような柱状の合金系活物質によれば、柱状体間に存在する空隙により、充電時の膨張に伴って発生する応力がある程度緩和される。
In order to solve such a problem, for example, as disclosed in
ところで、例えば、下記特許文献2は、炭素材料を負極活物質として用いたリチウムイオン二次電池において、電池の放電容量1mAhあたり2.5μl以上でかつ4.5μl以下である割合で非水電解液を備えたリチウムイオン二次電池を開示する。
By the way, for example, in
負極集電体の表面に合金系活物質からなる複数の柱状体を有する負極を備えたリチウムイオン二次電池(以下単に合金系二次電池とも呼ぶ)は、活物質の体積膨張が大きい。そのために、電池ケース内に収納される非水電解液の量を黒鉛などの炭素材料を用いた負極を備えたリチウムイオン二次電池の場合と同程度の量にした場合、充電時の活物質の体積膨張により、ケースの変形や非水電解液の漏液や電池ケース内に収納されるCID(Current Interrupt Device)の誤作動の問題を生じる等のおそれがあった。従って、一般的に、合金系二次電池の電池ケース内に収納される非水電解液の注液量は、炭素材料を用いた負極を備えたリチウムイオン二次電池の注液量に比べて少ない量にする必要があった。しかしながら、このような基準で定めた非水電解液量の設定によれば、次のような問題が生じることがわかった。 A lithium ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as an alloy secondary battery) provided with a negative electrode having a plurality of columnar bodies made of an alloy active material on the surface of the negative electrode current collector has a large volume expansion of the active material. Therefore, when the amount of the non-aqueous electrolyte contained in the battery case is set to the same level as that of a lithium ion secondary battery equipped with a negative electrode using a carbon material such as graphite, the active material at the time of charging Due to the volume expansion of the battery, there is a risk of deformation of the case, leakage of the non-aqueous electrolyte, and malfunction of a CID (Current Interrupt Device) stored in the battery case. Therefore, in general, the amount of non-aqueous electrolyte contained in the battery case of an alloy secondary battery is larger than the amount of lithium ion secondary battery provided with a negative electrode using a carbon material. The amount needed to be small. However, it has been found that the following problems occur according to the setting of the amount of the non-aqueous electrolyte determined by such a standard.
例えば、図6(a)に示すように、放電状態においては、柱状体2がリチウムイオンを放出して収縮していることにより柱状体2間に形成される空隙Sの容積が大きくなっている。一方、図6(b)に示すように、負極上の柱状体2は、充電状態においては、柱状体2が大量のリチウムイオンを吸蔵して膨張していることにより、柱状体2間に形成される空隙Sの容積が小さくなっている。放電状態のときは柱状体2が収縮しているために、電池ケース16内の非水電解液15の液面の高さは、充電状態のときの液面の高さに比べて大幅に低くなる。従って、非水電解液の注液量を従来の一般的な基準に従って設定した場合、充放電を繰り返したときに、充電状態においては正極活物質層の全面が非水電解液に浸漬していたとしても、放電状態においては正極活物質層の一部分が非水電解液に浸漬しておらず、液枯れすることがあることに気付いた。
For example, as shown in FIG. 6A, in the discharged state, the volume of the gap S formed between the
なお、負極上の柱状体2間に形成される空隙Sは小さい空間であるために、一度非水電解液を取り込むと、再放出しにくい傾向がある。さらに、柱状体は活物質のみから構成されているため、電解液との親和性が高い。従って、非水電解液は負極側に偏在しやすい傾向がある一方、正極側はとくに液枯れしやすくなる傾向がある。そして、正極側で液枯れが生じた場合には、液枯れしていない部分の正極活物質が放電状態において過剰にリチウムを吸蔵してしまい、その結果、結晶構造の劣化が促進されることによりサイクル特性が低下する。このような問題を解決すべく鋭意検討した結果、本発明を完成するに至った。
In addition, since the space | gap S formed between the
すなわち本発明は、負極集電体の表面に合金系活物質を複数の柱状体として有する負極を備えたリチウムイオン二次電池において、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。 That is, an object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery having excellent cycle characteristics in a lithium ion secondary battery having a negative electrode having an alloy active material as a plurality of columnar bodies on the surface of the negative electrode current collector. And
本発明の一局面は、負極シートと正極シートと正極シートと負極シートに介在される微多孔性絶縁シートとの積層体を捲回してなる捲回型の電極群と、非水電解液と、電極群及び非水電解液を収容する筒状の電池ケースと、電池ケースを密封する封口部材を備えた電池であって、負極シートは、表面に複数の凸部が形成された負極集電体と、凸部に支持されたリチウムイオンを吸蔵及び放出しうる合金系活物質からなる複数の柱状体とを備え、正極シートは、正極集電体と、正極集電体に積層されたリチウムイオンを吸蔵及び放出しうる正極活物質を含有する正極活物質層とを備え、充放電サイクル初期の放電状態において、前記電池ケースの全容積に対して、1〜20体積%の気相空間が存在するリチウムイオン二次電池である。このような構成によれば、負極の柱状体間に形成された空隙の体積が放電により増加して柱状体間の空隙に大量に非水電解液が吸収された後においても、正極側の液枯れを抑制することができる。その結果、充放電サイクルを繰り返したときにおいても、正極活物質が劣化しにくくなるために、優れたサイクル特性を有するリチウムイオン二次電池が得られる。 One aspect of the present invention is a wound electrode group obtained by winding a laminate of a negative electrode sheet, a positive electrode sheet, a positive electrode sheet, and a microporous insulating sheet interposed between the negative electrode sheet, a non-aqueous electrolyte, A negative electrode current collector having a cylindrical battery case containing an electrode group and a non-aqueous electrolyte, and a sealing member for sealing the battery case, the negative electrode sheet having a plurality of convex portions formed on the surface And a plurality of columnar bodies made of an alloy-based active material that can occlude and release lithium ions supported by the convex portions, and the positive electrode sheet comprises a positive electrode current collector and lithium ions laminated on the positive electrode current collector A positive electrode active material layer containing a positive electrode active material capable of occluding and releasing hydrogen, and in a discharge state at the initial stage of a charge / discharge cycle, 1 to 20% by volume of a gas phase space is present with respect to the total volume of the battery case It is a lithium ion secondary battery. According to such a configuration, even after the volume of the void formed between the columnar bodies of the negative electrode is increased by discharge and a large amount of nonaqueous electrolyte is absorbed in the gap between the columnar bodies, the liquid on the positive electrode side Withering can be suppressed. As a result, even when the charge / discharge cycle is repeated, the positive electrode active material is unlikely to deteriorate, so that a lithium ion secondary battery having excellent cycle characteristics can be obtained.
なお、高容量を維持するために、電池ケースが18650型円筒ケースの場合には、非水電解液が電池容量1Ahに対して0.7〜1.5mLの範囲で収容されていることが好ましい。また、電池ケースが14400型円筒ケースの場合には、非水電解液が電池容量1Ahに対して1.0〜2.0mLの範囲で収容されていることが好ましい。 In order to maintain a high capacity, when the battery case is a 18650 type cylindrical case, it is preferable that the non-aqueous electrolyte is accommodated in a range of 0.7 to 1.5 mL with respect to the battery capacity 1Ah. . Further, when the battery case is a 14400 type cylindrical case, it is preferable that the non-aqueous electrolyte is accommodated in a range of 1.0 to 2.0 mL with respect to the battery capacity 1Ah.
本発明によれば、負極集電体の表面に合金系活物質を複数の柱状体として有する負極を備えたリチウムイオン二次電池において、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a lithium ion secondary battery having excellent cycle characteristics in a lithium ion secondary battery including a negative electrode having an alloy active material as a plurality of columnar bodies on the surface of a negative electrode current collector. it can.
本発明のリチウムイオン二次電池の一実施形態を図面を参照しながら説明する。 An embodiment of a lithium ion secondary battery of the present invention will be described with reference to the drawings.
はじめに、負極集電体の表面に合金系活物質を複数の柱状体として有する負極シート10について図1を参照しながら詳しく説明する。
図1は本実施形態における負極シート10の構造を模式的に示す模式断面図である。図1中、1は表面に凸部1aが形成された負極集電体、2は凸部1aに支持されたリチウムイオンを吸蔵及び放出しうる合金系活物質からなる柱状体、Sは柱状体2同士の間に形成された空隙である。
First, a
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing the structure of the
負極シート10は、表面に複数の凸部1aを有する帯状の負極集電体1と、凸部1aの表面に支持された合金系活物質である負極活物質からなる柱状体2を備える。そして、柱状体2同士の間には空隙Sが形成されている。空隙Sは、リチウムイオンの吸蔵に伴い柱状体2が膨張することにより小さくなり、リチウムイオンの放出に伴い柱状体2が収縮することにより大きくなる。
The
負極集電体1は、例えば、銅、銅合金、ステンレス鋼、ニッケル等の金属材料からなる帯状の金属箔であって、複数の凸部1aが形成されている。各凸部1aの寸法は、例えば、高さ3〜15μm程度であり、底面積25〜10000μm2程度であることが好ましい。また、凸部1aの密度は、例えば、1万〜1000万個/cm2程度である。また、隣り合う凸部1aの軸線間距離は、例えば10〜100μm程度であることが好ましい。負極集電体1は、例えば、表面に複数の凹部が形成されたローラで金属箔をロールプレスすることにより形成される。
The negative electrode
負極集電体1表面の各凸部1aは、その表面で合金系活物質からなる複数の柱状体2を支持している。
Each
合金系活物質は、リチウムと合金化することによりリチウムを吸蔵し、負極電位下においてリチウムイオンを可逆的に吸蔵及び放出する物質である。合金系活物質としては、珪素系活物質や錫系活物質が好ましく用いられる。 The alloy-based active material is a material that occludes lithium by alloying with lithium and reversibly occludes and releases lithium ions under a negative electrode potential. As the alloy-based active material, a silicon-based active material or a tin-based active material is preferably used.
珪素系活物質の具体例としては、例えば、珪素単体、式SiOa(0.05<a<1.95)で表される珪素酸化物、式SiCb(0<b<1)で表される珪素炭化物、式SiNc(0<c<4/3)で表される珪素窒化物、珪素と異種元素(A)との合金等が挙げられる。なお、異種元素(A)の具体例としては、例えば、Fe、Co、Sb、Bi、Pb、Ni、Cu、Zn、Ge、In、Sn、Ti等が挙げられる。 Specific examples of the silicon-based active material include, for example, silicon alone, silicon oxide represented by the formula SiO a (0.05 <a <1.95), and formula SiC b (0 <b <1). Silicon carbide, silicon nitride represented by the formula SiN c (0 <c <4/3), an alloy of silicon and a different element (A), and the like. Specific examples of the different element (A) include Fe, Co, Sb, Bi, Pb, Ni, Cu, Zn, Ge, In, Sn, Ti, and the like.
錫系活物質の具体例としては、例えば、錫単体、式SnOd(0<d<2)で表される錫酸化物、二酸化錫(SnO2)、錫窒化物、Ni−Sn合金、Mg−Sn合金、Fe−Sn合金、Cu−Sn合金、Ti−Sn合金等の錫合金、SnSiO3、Ni2Sn4、Mg2Sn等の錫化合物等が挙げられる。 Specific examples of the tin-based active material include, for example, tin alone, tin oxide represented by the formula SnO d (0 <d <2), tin dioxide (SnO 2 ), tin nitride, Ni—Sn alloy, Mg -Tin alloys such as -Sn alloy, Fe-Sn alloy, Cu-Sn alloy, Ti-Sn alloy, and tin compounds such as SnSiO 3 , Ni 2 Sn 4 , Mg 2 Sn, and the like.
柱状体2は、例えば、真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法、化学気相成長法、プラズマ化学気相成長法、溶射法等を用いて、凸部1aの表面に成長形成させることができる。
The
柱状体2は、例えば、合金系活物質からなる複数の単位層が凸部1a表面から順次積層された多層構造を有することが好ましい。また、柱状体2の凸部1aの表面からの平均高さは、5〜30μm、さらには8〜20μm程度であることが好ましい。また、柱状体2の横断面の平均最大幅は、5〜100μm程度であることが好ましい。
For example, the
次に、上述した負極シート10を負極として備えた、本実施形態の円筒型のリチウムイオン二次電池20について図2の模式断面図を参照して説明する。
Next, a cylindrical lithium ion
図2に示すリチウムイオン二次電池20は、電極群14及び非水電解液15を電池ケース16に収容し、封口板25により電池ケース16を密閉してなる。電極群14は、負極シート10と正極シート11とが微多孔性絶縁シートであるセパレータ12を介して捲回されて形成されている。そして、正極シート11から正極リード21が引き出されて正極端子26に接続され、負極シート10からは負極リード22が引き出されて電池ケース16の底部に接続されている。電極群14の上部及び下部にはそれぞれ絶縁リング27,28が設けられている。そして、電池ケース16に収容された電極群14及び非水電解液15は、安全弁29を備えた封口板25により密閉されている。
A lithium ion
電池ケース16としては、例えば、アルミニウム製のケース、内面がニッケルメッキされた鉄製のケース、またはアルミニウムラミネートフィルムからなるケース等を用いることができる。電池ケースの形状は、円筒型、角型など、いずれの形状であってもよい。汎用性の観点からは、所謂、18650型円筒ケース(直径約18mm、高さ約65mm)や14400型円筒ケース(直径約14mm、高さ約40mm)が好ましい。
As the
正極シート11としては、帯状の正極集電体の表面に、例えば、正極活物質と、必要に応じて、各種の導電剤および結着剤とを、適切な分散媒に分散させた正極合剤を、塗布し、乾燥及び圧延させることにより正極活物質層を形成したものが挙げられる。
As the
正極活物質の具体例としては、例えば、コバルト酸リチウムおよびその変性体(コバルト酸リチウムにアルミニウムやマグネシウムを固溶させたものなど)、ニッケル酸リチウムおよびその変性体(一部ニッケルをコバルト置換させたものなど)、マンガン酸リチウムおよびその変性体などの複合酸化物等が挙げられる。 Specific examples of the positive electrode active material include, for example, lithium cobaltate and modified products thereof (such as lithium cobaltate in which aluminum or magnesium is dissolved), lithium nickelate and modified products thereof (partially replacing nickel with cobalt). And composite oxides such as lithium manganate and modified products thereof.
導電剤の具体例としては、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、サーマルブラックなどのカーボンブラックや、各種グラファイトが挙げられる。また、結着剤の具体例としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、アクリレート単位を有するゴム粒子などが挙げられる。これらはそれぞれ単独で用いても、2種以上を組合せて用いてもよい。 Specific examples of the conductive agent include carbon black such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black, and various graphites. Specific examples of the binder include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, rubber particles having an acrylate unit, and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
セパレータ12、非水電解液15、および電池ケース16等は特に限定されず、この分野で公知の各種の材料を用いることができる。
The
セパレータ12は、負極シート10と正極シート11との間に配置される。具体的には、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンの多孔性シートが用いられる。セパレータ12の厚さは特に限定されないが、10〜300μm、さらには10〜40μm程度であることが好ましい。
The
図3は、図1に示す電極群14の捲回を解いたときの正極シート11側から見たときの模式説明図である。負極シート10と正極シート11とセパレータ12は、それぞれ捲回軸方向の幅がセパレータ12>負極シート10>正極シート11の関係になり、且つ、それぞれ幅方向における中心線Hが重なるような状態で重ねあわされて捲回されている。セパレータ12の幅を最も大きくすることにより、負極シート10の周縁と正極シート11の周縁とにおける短絡を確実に抑制できる。また、負極シート10>正極シート11の関係にすることにより、充電時に正極シート11から供給されるリチウムイオンが、負極集電体1の柱状体2が形成されていない領域の表面に、金属リチウムとして析出されてしまう、所謂デンドライトの生成を抑制することができる。
FIG. 3 is a schematic explanatory diagram when viewed from the
非水電解質は、溶質(支持塩)と非水溶媒とを含み、さらに必要に応じて各種添加剤を含む。溶質は通常非水溶媒中に溶解する。 The non-aqueous electrolyte includes a solute (supporting salt) and a non-aqueous solvent, and further includes various additives as necessary. Solutes usually dissolve in non-aqueous solvents.
非水溶媒の具体例としては、例えば、プロピレンカーボネート,エチレンカーボネート等の環状炭酸エステル;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炭酸エステル;γ−ブチロラクトン,γ−バレロラクトン等の環状カルボン酸エステルなどが挙げられる。これらは単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。 Specific examples of the non-aqueous solvent include, for example, cyclic carbonates such as propylene carbonate and ethylene carbonate; chain carbonates such as diethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, and dimethyl carbonate; and cyclic carboxyls such as γ-butyrolactone and γ-valerolactone. Examples include acid esters. These may be used alone or in combination of two or more.
溶質の具体例としては、例えば、LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAlCl4、LiSbF6、LiSCN、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiB10Cl10、低級脂肪族カルボン酸リチウム、LiCl、LiBr、LiI、LiBCl4、ホウ酸塩類、イミド塩類等が挙げられる。これらは単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。非水溶媒1リットルに対する溶質の溶解量は0.5〜2モル程度であることが好ましい。 Specific examples of the solute include, for example, LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiAlCl 4 , LiSbF 6 , LiSCN, LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiB 10 Cl 10 , lower aliphatic lithium carboxylate , LiCl, LiBr, LiI, LiBCl 4 , borates, imide salts and the like. These may be used alone or in combination of two or more. The amount of solute dissolved in 1 liter of nonaqueous solvent is preferably about 0.5 to 2 mol.
このようなリチウムイオン二次電池20は、従来から知られたリチウムイオン二次電池の組立て方法と同様の方法により組み立てられる。
Such a lithium ion
本実施形態のリチウムイオン二次電池20は、円筒型の電池ケース16に電極群14及び非水電解液15を収納し、電極群14の上部及び下部にそれぞれ絶縁リング27,28を配置し、封口板25により密閉して形成されたものである。
In the lithium ion
図4(a)(b)は、図2に示したリチウムイオン二次電池20の充放電前後において、柱状体2が膨張収縮するときの液面の変化の様子をモデル的に説明するための説明図であり、電極群14の捲回を解いたときの様子を示したものである。なお、図4(b)は図4(a)の正極シート11のみを拡大して示した模式図である。正極シート11は、正極集電体11a表面に正極活物質層11bが形成されてなる。
4 (a) and 4 (b) are models for explaining the change in the liquid level when the
図2に示したリチウムイオン二次電池20は、円筒型の電池ケースを直立させた場合において、図4(a),(b)の模式説明図を参照すれば、充放電サイクル初期の放電状態における非水電解液15の液面が電極群14中の正極シート11の正極活物質層11bの上端面L1を浸漬させる高さ以上に位置していることが好ましい。なお、充電状態においては、負極シート10の柱状体2が膨張することにより体積増加して、非水電解液15の液面がさらにL2まで高くなる。このように、充放電サイクル初期の放電状態において、正極活物質層11bの全体を浸漬させる量の非水電解液15を電池ケース16内に収納することにより、充放電サイクルを繰り返しても正極側に液枯れが起こりにくくなる。ここで、充放電サイクル初期とは、リチウムイオン二次電池20の組み立て後、10サイクルまでの充放電サイクルを意味する。
The lithium ion
このような電池ケース16に収納する非水電解液15の量は、充放電サイクル初期の放電状態において、電池ケース16の全容積に対して1〜20体積%の気相空間Sを残すような量であり、好ましくは5〜15体積%の気相空間Sを残すような量であることが好ましい。気相空間Sが少なすぎる場合には、ケースの変形の抑制、CID作動などの信頼性を充分に確保できなくなる傾向があり、気相空間Sが多すぎる場合には電解液が不足するため、充分な電池容量、サイクル特性を確保しにくくなる傾向がある。
The amount of the
なお、リチウムイオン二次電池20の信頼性と電池特性の両立を確保するためには、電池ケースが18650型円筒ケースの場合には、電池容量1Ahに対して非水電解液が0.7〜1.5mL、さらには0.8〜1.2mLの範囲で収容されていることが好ましい。また、電池ケースが14400型円筒ケースの場合には、非水電解液が電池容量1Ahに対して1.0〜2.0mL、さらには1.1〜1.5mLの範囲で収容されていることが好ましい。
In order to ensure both the reliability and the battery characteristics of the lithium ion
次に本発明を実施例により、さらに具体的に説明する。なお、本発明の範囲は、実施例により何ら限定されるものではない。 Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples. The scope of the present invention is not limited by the examples.
[実施例1]
〈負極の作成〉
(1)負極集電体の形成
表面に複数の凹部が千鳥格子状に配置された鍛鋼ローラ2本を、それぞれの軸線が平行になるように圧接させ、ニップ部を形成した。ローラ表面における凹部の開口部分の形状は、ほぼ菱形であった。
[Example 1]
<Creation of negative electrode>
(1) Formation of negative electrode current collector Two forged steel rollers having a plurality of concave portions arranged in a staggered pattern on the surface were brought into pressure contact with each other in parallel to form a nip portion. The shape of the opening of the concave portion on the roller surface was approximately rhombus.
厚み26μmの合金銅箔(商品名:HCL02Z、日立電線(株)製)の両面に、電解めっきにより粗面化処理を施し、複数の銅粒子(粒径約1μm)を形成した。粗面化処理後の合金銅箔の表面粗さRzは、1.5μmであった。この銅箔を、上記の鍛鋼ローラ2本によって形成されたニップ部に、線圧1000N/cmで通過させることにより、両方の表面に複数の凸部が形成された負極集電体シート51を作製した。
Both surfaces of a 26 μm-thick alloy copper foil (trade name: HCL02Z, manufactured by Hitachi Cable Ltd.) were subjected to surface roughening by electrolytic plating to form a plurality of copper particles (particle size: about 1 μm). The surface roughness Rz of the alloy copper foil after the roughening treatment was 1.5 μm. By passing this copper foil through the nip formed by the two forged steel rollers at a linear pressure of 1000 N / cm, a negative electrode
複数の凸部は、平均高さが8μmであり、千鳥格子状に配置されていた。また、凸部の先端部分は、負極集電体シート51の表面にほぼ平行な平面であった。また、負極集電体シート51の鉛直方向上方からの正投影図において、凸部の形状はほぼ菱形であった。また、凸部の軸線間距離は、負極集電体の長手方向では25μm、幅方向では20μmであった。
The plurality of convex portions had an average height of 8 μm and were arranged in a staggered pattern. Further, the tip portion of the convex portion was a plane substantially parallel to the surface of the negative electrode
(2)負極活物質層の形成
図5は、真空蒸着装置40(以下「蒸着装置40」とする)の構成を模式的に示す側面透視図でする。蒸着装置40を用い、上記で得られた負極集電体シート51の複数の凸部の表面に、それぞれ柱状体52を形成し、負極シート50を作製した。
(2) Formation of Negative Electrode Active Material Layer FIG. 5 is a side perspective view schematically showing the configuration of a vacuum vapor deposition apparatus 40 (hereinafter referred to as “
蒸着装置40は、負極集電体シート51が予め巻き付けられた送り出しローラ41と、負極集電体シート51を巻き取りローラ44まで誘導する搬送ローラ42a、42b、42c、42d、42e、42fと、合金系活物質の原料を収容する蒸着源43a、43bと、表面に合金系活物質を蒸着させた負極集電体シート51を巻き取る巻き取りローラ44と、合金系活物質の蒸気の負極集電体シート51表面への供給領域を規制する一対の遮蔽板45a、45bと、酸素を供給する酸素ノズル46a、46bと、これらを収容するチャンバ47と、チャンバ47内を減圧状態にする真空ポンプ48と、蒸着源43a、43bに収容された合金系活物質の原料に電子ビームを照射して、合金系活物質の原料の蒸気を発生させる電子ビーム照射装置(不図示)と、を備えている。
The
蒸着装置40では、送り出しローラ41と搬送ローラ42aとの間に第1蒸着領域50aが形成され、搬送ローラ42aと搬送ローラ42bとの間に第2蒸着領域50bが形成され、搬送ローラ42eと搬送ローラ42fとの間に第3蒸着領域50cが形成され、搬送ローラ42fと巻き取りローラ44との間に第4蒸着領域50dが形成される。
In the
まず、合金系活物質原料としては、シリコン単結晶(純度99.9999%、信越化学工業(株)製)を用い、これを蒸発源43a、43bに収容した。チャンバ47内を真空ポンプ48により5×10-3Paまで排気した後、酸素ノズル46a、46bからチャンバ47内に酸素を供給し、圧力3.5Paの酸素雰囲気とした。次に、蒸発源43a、43bに収容されたスクラップシリコンに電子ビーム(加速電圧:10kV、エミッション:500mA)を照射し、シリコン蒸気を発生させた。シリコン蒸気が上昇する途中で酸素と混ざり合い、シリコン蒸気と酸素との混合気体を生成させた。
First, as an alloy-based active material raw material, silicon single crystal (purity 99.9999%, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) was used and accommodated in
一方、負極集電体シート51を送り出しローラ41から送給速度2cm/分で送り出し、蒸着領域50aを走行する負極集電体シート51の凸部表面に、シリコン蒸気と酸素との混合物を蒸着させ、第1段目の層を形成した。次に、蒸着領域50bを走行する負極集電体シート51の凸部の表面及び第1段目の層の表面に第2段目の層を形成した。続いて、裏面にも同様に第1段目及び第2段目の層を形成した。次に、巻き取りローラ44及び送り出しローラ41の回転方向を逆転し、負極集電体シート51の送り方向を逆転させて、上記と同様にして蒸着を行った。このような往復で行う蒸着処理を数回繰り返した。これにより、合金系活物質からなる積層体である柱状体52を形成し、負極シート50を得た。
On the other hand, the negative electrode
柱状体52は、凸部の表面により支持され、負極集電体シート51の外方に延びるように成長していた。1個の凸部に1個の柱状体52が形成されていた。柱状体52は、ほぼ円柱状の立体形状を有していた。柱状体52の平均高さは16μm、平均幅は30μmであった。また、柱状体52に含まれる酸素量を燃焼法により定量したところ、柱状体の組成はSiO0.4であった。
The columnar body 52 was supported by the surface of the convex portion and grew to extend outward from the negative electrode
このようにして得られた負極シート50の複数の柱状体52に、抵抗加熱真空蒸着装置を用いて、不可逆容量分のリチウムを補填した。なお、リチウムの蒸着は、負極シート50の両面に対して行った。このようにして得られた負極シート50を18650円筒型電池の電池ケースに収容可能なサイズに裁断した。 The plurality of columnar bodies 52 of the negative electrode sheet 50 thus obtained were supplemented with lithium for an irreversible capacity using a resistance heating vacuum deposition apparatus. Note that the vapor deposition of lithium was performed on both surfaces of the negative electrode sheet 50. The negative electrode sheet 50 thus obtained was cut to a size that can be accommodated in a battery case of a 18650 cylindrical battery.
<正極シートの作成>
LiNi0.80Co0.15Al0.05O2で示される組成を有するリチウムニッケル含有複合酸化物(二次粒子の平均粒径10μm)の粉末93g、アセチレンブラック(導電剤)3g、ポリフッ化ビニリデン粉末(結着剤)4gおよびN−メチル−2−ピロリドン(NMP)50mlを混合することにより正極合剤スラリーを調製した。この正極合剤スラリーを厚み15μmのアルミニウム箔(正極集電体)の両面に塗布し、乾燥し、圧延することにより、厚さ128μmの正極活物質層を形成した。このようにして得られた正極シートを18650円筒型電池の電池ケースに収容可能なサイズに裁断した。
<Creation of positive electrode sheet>
93 g of lithium nickel-containing composite oxide (average particle size of secondary particles: 10 μm) having a composition represented by LiNi 0.80 Co 0.15 Al 0.05 O 2 , 3 g of acetylene black (conductive agent), polyvinylidene fluoride powder (binder) ) 4 g and 50 ml of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) were mixed to prepare a positive electrode mixture slurry. This positive electrode mixture slurry was applied to both sides of an aluminum foil (positive electrode current collector) having a thickness of 15 μm, dried, and rolled to form a positive electrode active material layer having a thickness of 128 μm. The positive electrode sheet thus obtained was cut into a size that can be accommodated in a battery case of a 18650 cylindrical battery.
<リチウムイオン二次電池の作成>
作製した負極シートおよび正極シートとの間に、帯状セパレータポリエチレン微多孔膜、商品名:ハイポア、厚さ20μm、旭化成(株)製)を介在させて捲回することにより捲回型電極群を作製した。このとき、負極シート、正極シート、及びセパレータの捲回軸方向の幅の中心線が重なるようにして捲回した。そして、正極シートにアルミニウムリードの一端を接続し、負極シートにニッケルリードの一端を接続した。次に、捲回型電極群の長手方向両端にポリプロピレン製の上部絶縁板及び下部絶縁板をそれぞれ装着した。そして、捲回型電極群を、内容積15.2mlの18650円筒型電池の電池ケースに収容すると共に、アルミニウムリードの他端をステンレス鋼製封口板に接続し、ニッケルリードの他端を電池ケースの底部内面に接続した。
<Creation of lithium ion secondary battery>
A wound electrode group is fabricated by winding a strip separator polyethylene microporous membrane, trade name: Hypore,
そして、減圧方式により、電池ケースの内部に非水電解液を3.1mL注液した。そして、安全弁を有する封口板の周縁部にポリプロピレン製ガスケットを装着し、この状態で、封口板を電池ケースの開口に装着した。電池ケースの開口端部を封口板に向けてかしめることにより、電池ケースを気密封口した。こうして、外径18mm、高さ65mmである18650円筒型のリチウムイオン二次電池Aを作製した。 And 3.1 mL of nonaqueous electrolyte solution was inject | poured inside the battery case by the pressure reduction system. And the gasket made from a polypropylene was mounted | worn with the peripheral part of the sealing board which has a safety valve, and the sealing board was mounted | worn with the opening of the battery case in this state. The battery case was hermetically sealed by caulking the open end of the battery case toward the sealing plate. Thus, a 18650 cylindrical lithium ion secondary battery A having an outer diameter of 18 mm and a height of 65 mm was produced.
<リチウムイオン二次電池の評価>
得られたリチウムイオン二次電池Aの電池容量、ハイレート特性及び充放電100サイクル後の容量維持率を以下の方法に従って評価した。
<Evaluation of lithium ion secondary battery>
The obtained lithium ion secondary battery A was evaluated for battery capacity, high rate characteristics, and capacity retention after 100 cycles of charge / discharge according to the following methods.
[電池容量]
作成されたリチウムイオン二次電池Aに対して、以下の条件で充放電サイクルを3回繰返し、3回目の放電容量を求めた。
定電流充電:0.3C、終止電圧4.15V。
定電圧充電:4.15V 0.05C、休止時間20分。
定電流放電:0.2C、終止電圧2.0V、休止時間20分。
[Battery capacity]
With respect to the prepared lithium ion secondary battery A, the charge / discharge cycle was repeated three times under the following conditions, and the third discharge capacity was determined.
Constant current charging: 0.3 C, final voltage 4.15V.
Constant voltage charging: 4.15V 0.05C,
Constant current discharge: 0.2 C, final voltage 2.0 V,
[ハイレート特性]
作製されたリチウムイオン二次電池Aに対して、以下の条件で充放電試験を行い、電池のハイレート特性を求めた。
定電流充電:0.3C、終止電圧4.15V。
定電圧充電:4.15V 0.05C、休止時間20分。
定電流放電:1.0C、終止電圧2.0V、休止時間20分
[充放電100サイクル後の容量維持率]
作成されたリチウムイオン二次電池Aに対して、上述した条件で定電流充電、定電流充電及び定電流放電を100サイクル繰り返した。なお、1サイクル目の放電容量を初回放電容量とし、この放電の際の電流値を1Cとした。そして、初回放電容量に対する100サイクル後の放電容量の百分率を容量維持率(%)として求めた。
[High rate characteristics]
The manufactured lithium ion secondary battery A was subjected to a charge / discharge test under the following conditions to obtain the high rate characteristics of the battery.
Constant current charging: 0.3 C, final voltage 4.15V.
Constant voltage charging: 4.15V 0.05C,
Constant current discharge: 1.0 C, end voltage 2.0 V,
For the prepared lithium ion secondary battery A, constant current charging, constant current charging, and constant current discharging were repeated 100 cycles under the above-described conditions. Note that the discharge capacity at the first cycle was the initial discharge capacity, and the current value at the time of this discharge was 1C. Then, the percentage of the discharge capacity after 100 cycles with respect to the initial discharge capacity was determined as the capacity maintenance ratio (%).
[信頼性評価]
充放電後の電池変形有無、充放電中のCID作動有無を電池信頼性評価結果とした。
[Reliability evaluation]
The battery reliability evaluation results were the presence or absence of battery deformation after charging and discharging and the presence or absence of CID operation during charging and discharging.
以上の評価結果を下記表1に示す。
[実施例2]
電池ケースの内部に非水電解液を4.0mL注液した以外は実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池Bを作成し、評価した。結果を表1に示す。
[Example 2]
A lithium ion secondary battery B was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that 4.0 mL of nonaqueous electrolyte was injected into the battery case. The results are shown in Table 1.
[実施例3]
電池ケースの内部に非水電解液を4.6mL注液した以外は実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池Cを作成し、評価した。結果を表1に示す。
[Example 3]
A lithium ion secondary battery C was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that 4.6 mL of the nonaqueous electrolytic solution was injected into the battery case. The results are shown in Table 1.
[実施例4]
18650型の電池ケースと用いる代わりに、14400型電池ケースを用い、負極シート、セパレータ及び正極シートを14400円筒型電池の電池ケースに収納可能なサイズに裁断し、非水電解液を1.4mL注液した以外は実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池Eを作成し、評価した。結果を表1に示す。
[Example 4]
Instead of using 18650 type battery case, use 14400 type battery case, cut negative electrode sheet, separator and positive electrode sheet into a size that can be accommodated in battery case of 14400 cylindrical battery, and add 1.4 mL of non-aqueous electrolyte. A lithium ion secondary battery E was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the liquid was used. The results are shown in Table 1.
[比較例1]
電池ケースの内部に非水電解液を5.8mL注液した以外は実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池Dを作成し、評価した。結果を表1に示す。
[Comparative Example 1]
A lithium ion secondary battery D was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that 5.8 mL of the nonaqueous electrolyte was injected into the battery case. The results are shown in Table 1.
[比較例2]
電池ケースの内部に非水電解液を2.4mL注液した以外は実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池Fを作成し、評価した。結果を表1に示す。
[Comparative Example 2]
A lithium ion secondary battery F was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that 2.4 mL of the non-aqueous electrolyte was injected into the battery case. The results are shown in Table 1.
[比較例3]
電池ケースの内部に非水電解液を0.7mL注液した以外は実施例4と同様にしてリチウムイオン二次電池Gを作成し、評価した。結果を表1に示す。
[Comparative Example 3]
A lithium ion secondary battery G was prepared and evaluated in the same manner as in Example 4 except that 0.7 mL of nonaqueous electrolyte was injected into the battery case. The results are shown in Table 1.
本発明に係る実施例1〜4のリチウムイオン二次電池A〜Dにおいては、設計値通りの電池容量を充放電可能であり、ハイレート特性も良好であった。さらに、充放電を100サイクル繰り返しても放電容量の低下が少なかった。これは、必要な電解液量が確保されており、不均一な電池反応が抑制されたため、正極活物質の劣化が抑制されたためであると考えられる。一方、比較例2及び3のリチウムイオン二次電池F,Gにおいては、いずれも、充放電容量が設計容量より低下しハイレート放電特性も低下した。さらに、充放電を100サイクル繰り返した場合に放電容量が低下した。これは、充放電サイクルを繰り返したときに、正極活物質層に非水電解液に含浸されない部分が存在するために、正極活物質の一部分の劣化が促進されたためであると考えられる。 In the lithium ion secondary batteries A to D of Examples 1 to 4 according to the present invention, the battery capacity as designed could be charged and discharged, and the high rate characteristics were also good. Furthermore, even when charging / discharging was repeated 100 cycles, the decrease in discharge capacity was small. This is presumably because the necessary amount of the electrolyte was secured and the non-uniform battery reaction was suppressed, so that the deterioration of the positive electrode active material was suppressed. On the other hand, in the lithium ion secondary batteries F and G of Comparative Examples 2 and 3, the charge / discharge capacity was lower than the design capacity and the high rate discharge characteristics were also lowered. Furthermore, the discharge capacity decreased when charging and discharging were repeated 100 cycles. This is presumably because when the charge / discharge cycle was repeated, the positive electrode active material layer had a portion that was not impregnated with the non-aqueous electrolyte solution, and thus the deterioration of a part of the positive electrode active material was promoted.
また、電池ケース内の気相の体積割合が低い比較例1のリチウムイオン二次電池Dにおいては、実施例1〜4のリチウムイオン二次電池A〜Cに比べて、ケースの底部が膨れていた。また、CIDが作動した。 Moreover, in the lithium ion secondary battery D of the comparative example 1 with the low volume ratio of the gaseous phase in a battery case, the bottom part of the case is swollen compared with the lithium ion secondary batteries AC of Examples 1-4. It was. The CID was also activated.
本発明の負極を用いたリチウムイオン二次電池は、合金系活物質の特徴である高い充放電容量を維持しながら、集電体の充放電を繰り返すことにより生じる活物質の脱落等が抑制されている。従って、高容量、長寿命が求められる電子機器の駆動用電源やハイブリッド型自動車や電気自動車等の電源として好ましく用いられうる。 In the lithium ion secondary battery using the negative electrode of the present invention, while maintaining the high charge / discharge capacity that is characteristic of an alloy-based active material, dropping of the active material caused by repeated charging / discharging of the current collector is suppressed. ing. Therefore, it can be preferably used as a power source for driving electronic devices that require a high capacity and a long life, and as a power source for a hybrid vehicle or an electric vehicle.
1…負極集電体、10…負極シート、11…正極シート、12…セパレータ、14…電極群、15…非水電解液、16…電池ケース、1a…凸部、2,52…柱状体、20…リチウムイオン二次電池、21…正極リード、22…負極リード、25…封口板、26…正極端子、27…絶縁リング、40…真空蒸着装置、50…負極シート、51…負極集電体シート、S…気相空間
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記負極シートは、表面に複数の凸部が形成された負極集電体と、前記凸部に支持されたリチウムイオンを吸蔵及び放出しうる合金系活物質からなる複数の柱状体とを備え、
前記正極シートは、正極集電体と、前記正極集電体に積層されたリチウムイオンを吸蔵及び放出しうる正極活物質を含有する正極活物質層とを備え、
充放電サイクル初期の放電状態において、前記電池ケースの全容積に対して、1〜20体積%の気相空間が存在することを特徴とするリチウムイオン二次電池。 A wound electrode group formed by winding a laminate of a negative electrode sheet, a positive electrode sheet, the positive electrode sheet, and a microporous insulating sheet interposed between the negative electrode sheet, a non-aqueous electrolyte, the electrode group, and the A battery comprising a cylindrical battery case containing a non-aqueous electrolyte and a sealing member for sealing the battery case,
The negative electrode sheet includes a negative electrode current collector having a plurality of convex portions formed on a surface thereof, and a plurality of columnar bodies made of an alloy-based active material capable of inserting and extracting lithium ions supported by the convex portions,
The positive electrode sheet includes a positive electrode current collector, and a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions laminated on the positive electrode current collector,
A lithium ion secondary battery, wherein a gas phase space of 1 to 20% by volume is present with respect to the total volume of the battery case in a discharge state at an initial stage of a charge / discharge cycle.
The lithium ion secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the battery case is a 14400 type cylindrical case, and the non-aqueous electrolyte is accommodated in a range of 1.0 to 2.0 mL with respect to a battery capacity of 1 Ah. .
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