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JP2013197012A - Anode for lithium ion secondary battery, lithium ion secondary battery, and vehicle - Google Patents

Anode for lithium ion secondary battery, lithium ion secondary battery, and vehicle Download PDF

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JP2013197012A
JP2013197012A JP2012065192A JP2012065192A JP2013197012A JP 2013197012 A JP2013197012 A JP 2013197012A JP 2012065192 A JP2012065192 A JP 2012065192A JP 2012065192 A JP2012065192 A JP 2012065192A JP 2013197012 A JP2013197012 A JP 2013197012A
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JP
Japan
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ion secondary
lithium ion
secondary battery
sio
negative electrode
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JP2012065192A
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Japanese (ja)
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Manabu Miyoshi
学 三好
Kimitoshi Murase
仁俊 村瀬
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Toyota Industries Corp
Original Assignee
Toyota Industries Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an anode for a lithium ion secondary battery in which an irreversible capacity of a Li in a counter electrode is reduced without complicate pre-doping, and to provide a lithium ion secondary battery and a vehicle which employs the anode.SOLUTION: An anode for a lithium ion secondary battery contains SiOand LiAlO.

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池用負極及びその負極を有するリチウムイオン二次電池並びにリチウムイオン二次電池を搭載した車両に関するものである。   The present invention relates to a negative electrode for a lithium ion secondary battery, a lithium ion secondary battery having the negative electrode, and a vehicle equipped with the lithium ion secondary battery.

リチウムイオン二次電池は、充放電容量が高く、高出力化が可能な二次電池である。現在、主として携帯電子機器用の電源として用いられており、更に、今後普及が予想される電気自動車用の電源として期待されている。リチウムイオン二次電池は、リチウム(Li)を挿入および脱離することが出来る活物質を正極及び負極にそれぞれ有する。そして、両極間に設けられた電解液内をLiイオンが移動することによって動作する。   A lithium ion secondary battery is a secondary battery having a high charge / discharge capacity and capable of high output. Currently, it is mainly used as a power source for portable electronic devices, and further expected as a power source for electric vehicles that are expected to be widely used in the future. A lithium ion secondary battery has an active material capable of inserting and extracting lithium (Li) in a positive electrode and a negative electrode, respectively. And it operate | moves because Li ion moves in the electrolyte solution provided between both electrodes.

リチウムイオン二次電池には、正極の活物質として主にリチウムコバルト複合酸化物等のリチウム含有金属複合酸化物が用いられ、負極の活物質としては多層構造を有する炭素材料が主に用いられている。   In lithium ion secondary batteries, lithium-containing metal composite oxides such as lithium cobalt composite oxide are mainly used as the active material for the positive electrode, and carbon materials having a multilayer structure are mainly used as the active material for the negative electrode. Yes.

リチウムイオン二次電池の性能は、二次電池を構成する正極、負極および電解質の材料に左右される。なかでも活物質を形成する活物質材料の研究開発が活発に行われている。例えば負極活物質材料として炭素よりも高容量な珪素または珪素酸化物が検討されている。   The performance of the lithium ion secondary battery depends on the materials of the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte constituting the secondary battery. In particular, research and development of active material that forms an active material is being actively conducted. For example, silicon or silicon oxide having a higher capacity than carbon has been studied as a negative electrode active material.

珪素を負極活物質として用いることにより、炭素材料を用いるよりも高容量の電池とすることが出来る。しかしながら珪素は、充放電時のLiの吸蔵・放出に伴う体積変化が大きい。そのため珪素が微粉化して集電体から脱落または剥離し、電池の充放電サイクル寿命が短いという問題点がある。   By using silicon as the negative electrode active material, a battery having a higher capacity than that using a carbon material can be obtained. However, silicon has a large volume change due to insertion and extraction of Li during charge and discharge. Therefore, there is a problem that silicon is pulverized and falls off or peels off from the current collector, and the charge / discharge cycle life of the battery is short.

珪素酸化物を負極活物質として用いることにより、珪素よりも充放電時のLiの吸蔵・放出に伴う体積変化を抑制することが出来る。   By using silicon oxide as the negative electrode active material, it is possible to suppress volume change associated with insertion / extraction of Li during charge / discharge rather than silicon.

例えば、負極活物質として、酸化珪素(SiO:xは0.5≦x≦1.5)の使用が検討されている。SiOは熱処理されると、SiとSiOとに分解することが知られている。これは不均化反応といい、SiとOとの比が概ね1:1の均質な固体の一酸化珪素SiOであれば、固体の内部反応によりSi相とSiO相の二相に分離する。分離して得られるSi相は非常に微細である。また、Si相を覆うSiO相が電解液の分解を抑制する働きをもつ。したがって、SiOをSiとSiOとに分解してなる負極活物質を用いたリチウムイオン二次電池は、サイクル特性に優れる。 For example, the use of silicon oxide (SiO x : x is 0.5 ≦ x ≦ 1.5) as a negative electrode active material has been studied. It is known that SiO x decomposes into Si and SiO 2 when heat-treated. This is called a disproportionation reaction, and if it is a homogeneous solid silicon monoxide SiO having a ratio of Si to O of approximately 1: 1, it is separated into two phases of Si phase and SiO 2 phase by solid internal reaction. . The Si phase obtained by separation is very fine. Further, the SiO 2 phase covering the Si phase has a function of suppressing decomposition of the electrolytic solution. Therefore, a lithium ion secondary battery using a negative electrode active material obtained by decomposing SiO x into Si and SiO 2 has excellent cycle characteristics.

しかしながら、SiOはリチウムイオンを吸蔵すると、安定な化合物を形成し、リチウムイオンを放出しなくなる。そのため、そのSiOから放出されないリチウムイオン分が不可逆容量となる問題点がある。 However, when SiO 2 occludes lithium ions, it forms a stable compound and does not release lithium ions. Therefore, there is a problem that the lithium ion component that is not released from the SiO 2 becomes an irreversible capacity.

この初期不可逆容量の対応策として、不可逆容量分をあらかじめ電気化学的に充電しておく電極化成法が試みられている。電極化成法は例えば対極に金属リチウムを用いて半電池を組み、電気化学的にリチウムをドープする方法である。他に下記特許文献1には、負極と金属リチウムとを電池内で電気化学的に接触させることで、SiOにリチウムをプレドーピングした材料を含む負極が開示されている。 As a countermeasure for this initial irreversible capacity, an electrode formation method in which the irreversible capacity is electrochemically charged in advance has been attempted. The electrode formation method is, for example, a method of assembling a half cell using metallic lithium as a counter electrode and electrochemically doping lithium. In addition, Patent Document 1 below discloses a negative electrode containing a material in which SiO x is pre-doped with lithium by electrochemically contacting the negative electrode and metallic lithium in a battery.

しかしながら、上記に記載のプレドーピングは一度電極を充電した後に、再び電池として組みなおすため煩雑で生産性もきわめて悪い。   However, the pre-doping described above is complicated and extremely poor in productivity because the electrode is once charged and then reassembled as a battery.

またリチウムイオン二次電池の充電時に、電解液中に含まれる電解質が負極表面で一部還元分解され、分解生成物が生成する。その分解生成物は負極活物質粒子表面を被覆して被膜を形成する。この被膜は固体電解質界面被膜(SEI:Solid Electrolyte Interface)と称される。このSEIは、LiF、LiCO等を主成分とする。このSEIに含まれるLiF、LiCO等は、不可逆物質であり、SEIに含まれたLiは不可逆容量となってしまう。負極活物質粒子がSiを含むと、Siは充放電時のLiの吸蔵・放出に伴う体積変化が大きいため、負極活物質粒子も体積変化する。負極活物質粒子表面に形成されたSEIは、粒子の体積変化に伴って生成と崩壊を繰り返す。SEIの生成にはLiが消費されるため、充放電を繰り返すことでどんどんLiが消費されていく。負極活物質中のSiの量が多いほど、SEIによるLiの消費量は多くなる。 Further, when the lithium ion secondary battery is charged, the electrolyte contained in the electrolytic solution is partially reduced and decomposed on the surface of the negative electrode to generate a decomposition product. The decomposition product coats the surface of the negative electrode active material particles to form a film. This coating is called a solid electrolyte interface coating (SEI: Solid Electrolyte Interface). This SEI contains LiF, LiCO 3 or the like as a main component. LiF, LiCO 3 and the like contained in the SEI are irreversible substances, and Li contained in the SEI has an irreversible capacity. When the negative electrode active material particles contain Si, the volume change of the negative electrode active material particles also changes because Si has a large volume change due to insertion and extraction of Li during charge and discharge. The SEI formed on the surface of the negative electrode active material particles repeats generation and collapse as the volume of the particles changes. Since Li is consumed to generate SEI, Li is consumed more and more by repeating charge and discharge. The greater the amount of Si in the negative electrode active material, the greater the amount of Li consumed by SEI.

特開2009−76372号公報JP 2009-76372 A

本発明は、上記した従来技術の現状に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、煩雑なプレドーピングを用いずに、不可逆容量になる対極のリチウム量を低減したリチウムイオン二次電池用負極及びその負極を有するリチウムイオン二次電池並びにリチウムイオン二次電池を搭載した車両を提供することである。   The present invention has been made in view of the current state of the prior art described above, and its main object is to reduce the amount of lithium at the counter electrode that becomes irreversible capacity without using complicated pre-doping. The negative electrode for use, the lithium ion secondary battery which has the negative electrode, and the vehicle carrying a lithium ion secondary battery are provided.

本発明者らは、鋭意研究の結果、あらかじめ負極材料中にリチウム源となる安定したリチウム化合物を入れておき、そのリチウム化合物のリチウムをSiOに吸蔵させることによって、SiOのリチウムの吸蔵反応によって発生するSiの量を抑制でき、そのSiに形成されるSEIの発生量を抑制して、充電時に対極に含まれるリチウムがSEIに吸蔵されて不可逆容量となる分を低減できることを見出した。 As a result of diligent research, the present inventors put a stable lithium compound serving as a lithium source in the negative electrode material in advance, and occludes lithium of the lithium compound into SiO 2 , whereby the lithium occlusion reaction of SiO 2 is achieved. It has been found that the amount of Si generated by the above can be suppressed, the generation amount of SEI formed in the Si can be suppressed, and the amount of lithium contained in the counter electrode during the charging can be reduced by occluding the irreversible capacity.

すなわち本発明のリチウムイオン二次電池用負極は、SiOと、LiAlOとを含むことを特徴とする。上記負極は、初期リチウム充電後にLiSiOとAlとを含む。また初期リチウム充電後にLiSiOとAlはモル比で2:1〜1:2の割合で含まれることが好ましい。 That is, the negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention includes SiO 2 and LiAlO 2 . The negative electrode contains Li 4 SiO 4 and Al after initial lithium charging. In addition the initial lithium Li 4 SiO 4 and Al after charging molar ratio of 2: 1 to 1: is preferably contained at a ratio of 2.

本発明のリチウムイオン二次電池は、上記のリチウムイオン二次電池用負極を有することを特徴とする。本発明の車両は、本発明のリチウムイオン二次電池を搭載したことを特徴とする。   The lithium ion secondary battery of the present invention has the above-described negative electrode for a lithium ion secondary battery. The vehicle of the present invention is equipped with the lithium ion secondary battery of the present invention.

本発明のリチウムイオン二次電池用負極は、SiOと、LiAlOとを含むことにより、充電時においてSiOにLiAlO由来のリチウムを吸蔵させることが出来、SEIの発生を抑制して、対極に含まれるリチウムの不可逆容量を低減することができる。 By including SiO 2 and LiAlO 2 , the negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention can occlude lithium derived from LiAlO 2 in SiO 2 during charging, suppressing the occurrence of SEI, The irreversible capacity of lithium contained in the counter electrode can be reduced.

そのため上記リチウムイオン二次電池用負極を含むことにより高出力が可能であって、優れたサイクル特性を有するリチウムイオン二次電池とすることが出来る。また本発明の車両は、上記リチウムイオン二次電池を搭載しているため、より高出力が可能で優れたサイクル特性の電池を搭載した車両とすることが出来る。   Therefore, by including the negative electrode for a lithium ion secondary battery, a high output is possible and a lithium ion secondary battery having excellent cycle characteristics can be obtained. Further, since the vehicle of the present invention is equipped with the lithium ion secondary battery, it can be a vehicle equipped with a battery having excellent cycle characteristics and capable of higher output.

(リチウムイオン二次電池用負極)
本発明のリチウムイオン二次電池用負極は、SiOと、LiAlOとを含む。
(Anode for lithium ion secondary battery)
The negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention contains SiO 2 and LiAlO 2 .

SiOは、活物質としては機能しないが、電解液の分解を抑制する働きをもつ。そのためSiOを含むリチウムイオン二次電池用負極を有するリチウムイオン二次電池は、サイクル特性に優れる。 SiO 2 does not function as an active material, but has a function of suppressing decomposition of the electrolytic solution. Therefore, a lithium ion secondary battery having a negative electrode for a lithium ion secondary battery containing SiO 2 is excellent in cycle characteristics.

SiOは、負極中に含有されていればよい。市販のSiOを負極に添加してもよいし、下記のような方法で作成されたSiOが負極中に含まれていてもよい。 SiO 2 may be contained in the negative electrode. Commercially available SiO 2 may be added to the negative electrode, or SiO 2 prepared by the following method may be contained in the negative electrode.

負極活物質原料として市販のSiOを用いる場合は、SiOの熱処理によって下記の式1のようにSiOができる。
(式1)2SiO→Si+SiO
When commercially available SiO is used as the negative electrode active material raw material, SiO 2 can be formed as shown in the following formula 1 by heat treatment of SiO.
(Formula 1) 2SiO → Si + SiO 2

式1の反応は、SiとOとの原子比が概ね1:1の均質な固体である酸化珪素(SiO:xは0.5≦x≦1.5)(これをSiOと称す)が、固体内部の反応によりSi相とSiO相との二相に分離する不均化反応である。一般に、酸素を断った状態であれば800℃以上で、ほぼすべてのSiOが不均化して二相に分離すると言われている。具体的には、非結晶性のSiO粉末に対して、真空中または不活性ガス中などの不活性雰囲気中で800〜1200℃、1〜5時間の熱処理を行うことで、非結晶性のSiO相および結晶性のSi相の二相を含む酸化珪素系粉末が得られる。 In the reaction of Formula 1, silicon oxide (SiO x : x is 0.5 ≦ x ≦ 1.5) (this is referred to as SiO), which is a homogeneous solid with an atomic ratio of Si and O of approximately 1: 1. This is a disproportionation reaction that separates into two phases of Si phase and SiO 2 phase by reaction inside the solid. In general, when oxygen is turned off, it is said that almost all SiO is disproportionated and separated into two phases at 800 ° C. or higher. Specifically, non-crystalline SiO powder is subjected to heat treatment at 800 to 1200 ° C. for 1 to 5 hours in an inert atmosphere such as in a vacuum or in an inert gas. A silicon oxide-based powder containing two phases of two phases and a crystalline Si phase is obtained.

SiOは、下記式2、式3のように初期リチウム充電過程において、Liを吸蔵し、LiSiを経てLiSiOとなる。
(式2)SiO+4/5Li=2/5LiSi+1/5Si
(式3)LiSi+4/3Li=5/3LiSiO+1/3Si
SiO 2 occludes Li in the initial lithium charging process as shown in the following formulas 2 and 3, and becomes Li 2 SiO 3 through Li 2 Si 2 O 5 .
(Equation 2) SiO 2 + 4 / 5Li = 2 / 5Li 2 Si 2 O 5 + 1 / 5Si
(Equation 3) Li 2 Si 2 O 5 + 4 / 3Li = 5 / 3Li 2 SiO 3 + 1 / 3Si

ここで初期リチウム充電過程とは、その電極を用いて電池を組み、充電を行った初回を指す。初回の充電において、SiOは、Liの吸蔵によりSiO→LiSi→LiSiOの反応まで1V(vs Li/Li)以上ですみやかに起こることがわかっている。 Here, the initial lithium charging process refers to the first time the battery is assembled using the electrode and charged. It is known that in the first charge, SiO 2 occurs promptly at 1 V (vs Li / Li + ) or more until the reaction of SiO 2 → Li 2 Si 2 O 5 → Li 2 SiO 3 due to the occlusion of Li.

さらにLiを吸蔵すると下記式4のようにLiSiO→LiSiOと変化していく。
(式4)LiSiO+Li=3/4LiSiO+1/4Si
Further, when Li is occluded, it changes as Li 2 SiO 3 → Li 4 SiO 4 as shown in the following formula 4.
(Formula 4) Li 2 SiO 3 + Li = 3 / 4Li 4 SiO 4 + 1 / 4Si

このLiSiO→LiSiOの反応は1V以下で起こる。 This reaction of Li 2 SiO 3 → Li 4 SiO 4 occurs at 1 V or less.

ここでLiSiOとなるまでリチウムが吸蔵されると、LiSiOはリチウムを放出しなくなる。そのため、初期充電時に対極からのLiをSiOが吸蔵した場合、SiOがLiSiOになるまでに吸蔵された対極のリチウム量は不可逆容量となる。また上記(式2)(式3)(式4)に見られるように、Li吸蔵反応時にSiが発生する。 Here, if the lithium until Li 4 SiO 4 is occluded, Li 4 SiO 4 will no longer release lithium. Therefore, when SiO 2 occludes Li from the counter electrode during initial charging, the amount of lithium in the counter electrode occluded until SiO 2 becomes Li 4 SiO 4 becomes an irreversible capacity. Further, as seen in the above (Formula 2), (Formula 3), and (Formula 4), Si is generated during the Li storage reaction.

本発明の負極は、LiAlOを含む。LiAlOは、LiSiOと反応してLiSiOをLiSiOとすることが出来る。上記したLiAlOが、LiSiOと反応してLiSiOとする反応は、下記式5に記載の反応である。
(式5):LiSiO+1/2LiAlO+3/2Li→LiSiO+1/2Al
The negative electrode of the present invention contains LiAlO 2 . LiAlO 2 reacts with Li 2 SiO 3 Li 2 a SiO 3 Li 4 SiO 4 and to it is possible. The reaction in which LiAlO 2 described above reacts with Li 2 SiO 3 to form Li 4 SiO 4 is a reaction represented by the following formula 5.
(Formula 5): Li 2 SiO 3 + 1 / 2LiAlO 2 + 3 / 2Li → Li 4 SiO 4 + 1 / 2Al

式5の反応は、式4の反応と比較するとわかるように、反応後にSiが発生しない。リチウムイオン二次電池の充電時にSi表面にはSEIが生成する。Siの量が増えればSEIの量が増える。SEIは一旦生成するとSEIに含まれたLiは不可逆容量となってしまう。そのためSiの量が増えれば、Liの不可逆容量分が増える。   As can be seen from the reaction of Formula 5, when compared with the reaction of Formula 4, Si is not generated after the reaction. When the lithium ion secondary battery is charged, SEI is generated on the Si surface. As the amount of Si increases, the amount of SEI increases. Once SEI is generated, Li contained in SEI becomes an irreversible capacity. Therefore, if the amount of Si increases, the irreversible capacity of Li increases.

またSiはリチウムイオン二次電池の充放電時の体積の膨張収縮が大きいため、Si表面にできたSEIはSiの体積の膨張収縮によって崩壊する。SEIは崩壊して新たなSi表面が発生すると、そこでまた新たなSEIが形成される。このようにしてSEIは崩壊、生成を繰り返して増加していく。そのため充放電を繰り返すことによって、SEI生成に使用されるリチウム量はどんどん多くなる。従ってSiの量が増えることによってLiの不可逆容量が増加するという影響が充放電を繰り返すことによって顕著に大きくなる。   In addition, since Si has a large volume expansion / contraction during charging / discharging of the lithium ion secondary battery, the SEI formed on the Si surface collapses due to the expansion / contraction of the Si volume. When SEI collapses and a new Si surface is generated, new SEI is formed there again. In this way, SEI increases by repeatedly decaying and generating. Therefore, by repeating charge and discharge, the amount of lithium used for SEI generation increases more and more. Therefore, the effect that the irreversible capacity of Li increases as the amount of Si increases increases remarkably by repeating charging and discharging.

式5によると反応後にSiが発生せず、Alが発生する。Al表面にもSEIが生成するが、Alは体積の膨張収縮が少ないので、Al表面に一度できたSEIは崩壊しないと考えられている。   According to Equation 5, Si is not generated after the reaction, and Al is generated. Although SEI is also generated on the Al surface, it is considered that SEI once formed on the Al surface does not collapse because Al has little volume expansion and contraction.

式5に示す反応は、以下に説明する「第一原理計算」によって反応が起こることを確かめられる。第一原理計算は、実験値を参照することなく、物質の結晶構造や電子状態を求めることが出来る。第一原理計算によって生成エネルギー(ΔH)を求める。第一原理計算で得られたΔHの値は、実験値と大きな差がないことが知られている。ΔHの値が負の値であれば、反応式に従った反応が起こる。   The reaction shown in Formula 5 can be confirmed to occur by the “first-principles calculation” described below. First-principles calculations can determine the crystal structure and electronic state of a substance without referring to experimental values. The generation energy (ΔH) is obtained by the first principle calculation. It is known that the value of ΔH obtained by the first principle calculation is not significantly different from the experimental value. If the value of ΔH is negative, a reaction according to the reaction formula occurs.

上記した式2、式3、式4、式5より、式2、式3、式4によって反応した場合に不可逆容量となる対極のリチウム量と比較して、式2、式3、式5と反応することによって、不可逆容量となる対極のリチウム量は低減できることがわかった。   From Formula 2, Formula 3, Formula 4, and Formula 5 above, compared to the amount of lithium in the counter electrode that becomes irreversible capacity when reacted according to Formula 2, Formula 3, and Formula 4, Formula 2, Formula 3, Formula 5, and It turned out that the amount of lithium of the counter electrode used as an irreversible capacity | capacitance can be reduced by reacting.

LiAlOは市販のものが使用できる。LiAlOは、粉末状であるのが望ましい。LiAlOの好ましい粒径は、0.1μm以上10μm以下である。 Commercially available LiAlO 2 can be used. LiAlO 2 is preferably in powder form. A preferable particle diameter of LiAlO 2 is 0.1 μm or more and 10 μm or less.

原料調製は、SiOを含有する活物質粉末と、LiAlO粉末と、を含む混合原料粉末を調製すればよい。原料調製に先立ち、SiOを含有する活物質粉末は、10μm以下さらには8μm以下に分級(篩い分け)するとよい。同様にLiAlO粉末も10μm以下、さらには5μm以下に分級するとよい。 Raw material preparation, the active material powder containing SiO 2, may be prepared a mixed raw material powder containing a LiAlO 2 powder, a. Prior to preparation of the raw material, the active material powder containing SiO 2 is preferably classified (sieved) to 10 μm or less, and further to 8 μm or less. Similarly, the LiAlO 2 powder may be classified to 10 μm or less, and further to 5 μm or less.

対極のリチウムの不可逆容量を低減するためには、未反応のLiSiOが残らないようにする。そのためにLiAlOは、負極中に化学量論比のモル比よりも多く含むようにする。具体的に規定すれば、SiOとLiAlOとのモル比が、SiO:LiAlO=3:1〜1:4の割合で混合されればよい。 In order to reduce the irreversible capacity of the counter electrode lithium, unreacted Li 2 SiO 3 is not left. Therefore, LiAlO 2 is contained in the negative electrode in a larger amount than the molar ratio of the stoichiometric ratio. If specifically defined, the molar ratio of SiO 2 and LiAlO 2 are, SiO 2: LiAlO 2 = 3 : 1~1: only to be mixed at a ratio of 4.

LiAlOは、SiO表面に接触していることが望ましい。LiAlOがSiO表面に接触していれば、LiAlOからSiOへLiが移動しやすくなるためである。望ましくは、LiAlOはSiO表面の少なくとも一部を被覆していることが好ましい。 LiAlO 2 is preferably in contact with the SiO 2 surface. This is because if LiAlO 2 is in contact with the SiO 2 surface, Li is likely to move from LiAlO 2 to SiO 2 . Desirably, LiAlO 2 preferably covers at least a part of the SiO 2 surface.

上記負極は、初期リチウム充電後にLiSiOとAlとを含む。またLiSiOとAlはモル比で2:1〜1:2の割合で含まれることが好ましい。 The negative electrode contains Li 4 SiO 4 and Al after initial lithium charging. Li 4 SiO 4 and Al are preferably contained in a molar ratio of 2: 1 to 1: 2.

本発明のリチウムイオン二次電池用負極の他の構成要素は、特に限定されず、公知のものが使用できる。例えば、リチウムイオン二次電池用負極は、集電体と、集電体上に結着された活物質層と、を有する。活物質層は、活物質、導電助剤、バインダー樹脂、及び必要に応じ適量の有機溶剤を加えて混合しスラリーにしたものを、活物質上に塗布し、バインダー樹脂を硬化させることによって作製することができる。   Other components of the negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention are not particularly limited, and known ones can be used. For example, a negative electrode for a lithium ion secondary battery includes a current collector and an active material layer bound on the current collector. The active material layer is prepared by applying an active material, a conductive additive, a binder resin, and, if necessary, an appropriate amount of an organic solvent, mixing and slurrying, and applying the mixture onto the active material and curing the binder resin. be able to.

集電体は、放電或いは充電の間、電極に電流を流し続けるための化学的に不活性な電子高伝導体のことである。集電体は箔、板等の形状を採用することが出来るが、目的に応じた形状であれば特に限定されない。集電体として、例えば銅箔やアルミニウム箔を好適に用いることが出来る。   A current collector is a chemically inert electronic high conductor that keeps current flowing through an electrode during discharging or charging. The current collector can adopt a shape such as a foil or a plate, but is not particularly limited as long as it has a shape according to the purpose. As the current collector, for example, a copper foil or an aluminum foil can be suitably used.

活物質は、充電反応及び放電反応などの電極反応に直接寄与する物質のことである。   An active material is a substance that directly contributes to electrode reactions such as charge reaction and discharge reaction.

本発明のリチウムイオン二次電池用負極の活物質として、Si、SiO(xは0.5≦x≦1.5)、Si化合物、炭素、Sn、Sn化合物等を用いることが出来る。 Si, SiO x (x is 0.5 ≦ x ≦ 1.5), Si compound, carbon, Sn, Sn compound, etc. can be used as the active material of the negative electrode for the lithium ion secondary battery of the present invention.

導電助剤は、電極の導電性を高めるために添加される。導電助剤として、炭素質微粒子であるカーボンブラック、黒鉛、アセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)、気相法炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber:VGCF)等を単独でまたは二種以上組み合わせて添加することが出来る。   The conductive assistant is added to increase the conductivity of the electrode. Carbon black, graphite, acetylene black (AB), ketjen black (KB), vapor grown carbon fiber (VGCF), etc., which are carbonaceous fine particles, are used alone or in combination of two or more as conductive aids. Can be added.

導電助剤の使用量については、特に限定的ではないが、例えば、活物質100質量部に対して、1〜100質量部程度とすることができる。   The amount of the conductive aid used is not particularly limited, but can be, for example, about 1 to 100 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the active material.

バインダー樹脂は、活物質及び導電助剤を集電体に結着するための結着剤として用いられる。本発明のバインダー樹脂は、特に限定されない。バインダー樹脂はなるべく少ない量で活物質等を結着させることが求められ、その量は活物質、導電助材、及びバインダー樹脂を合計したものの0.5wt%〜50wt%が望ましい。バインダー樹脂として、例えば、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)等のフッ素系ポリマー、スチレンブタジエンゴム(SBR)等のゴム、ポリイミド等のイミド系ポリマー、アルコキシルシリル基含有樹脂、ポリアクリル酸、エポキシ系ポリマーを用いることが出来る。   The binder resin is used as a binder for binding the active material and the conductive additive to the current collector. The binder resin of the present invention is not particularly limited. The binder resin is required to bind the active material and the like in as small an amount as possible, and the amount is desirably 0.5 wt% to 50 wt% of the total of the active material, the conductive additive, and the binder resin. Examples of binder resins include fluorine polymers such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE), rubbers such as styrene butadiene rubber (SBR), imide polymers such as polyimide, alkoxysilyl group-containing resins, poly Acrylic acid and epoxy polymer can be used.

本発明のリチウムイオン二次電池用負極は、以下のようにして製造することが出来る。リチウムイオン二次電池用負極の製造方法は、塗布工程と硬化工程とを有する。   The negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention can be produced as follows. The manufacturing method of the negative electrode for lithium ion secondary batteries has an application | coating process and a hardening process.

塗布工程は集電体の表面にバインダー樹脂と活物質と導電助剤とを塗布する工程である。本発明で用いる負極活物質は、いずれも粉体形状であることが望ましい。上記活物質は、バインダー樹脂を介して集電体の表面に塗布され結着されている。粉体形状とは、その粒子径が10μm以下であることが好ましい。   The application process is a process of applying a binder resin, an active material, and a conductive additive to the surface of the current collector. The negative electrode active material used in the present invention is desirably in the form of powder. The active material is applied and bound to the surface of the current collector via a binder resin. The powder shape preferably has a particle size of 10 μm or less.

塗布工程では、バインダー樹脂と活物質と導電助剤とをあらかじめ混合し、溶媒等を加えてスラリーとしてから集電体に塗布することが出来る。塗布方法として、ロールコート法、ディップコート法、ドクターブレード法、スプレーコート法、カーテンコート法などリチウムイオン二次電池用電極を作製する際に一般的に用いる塗布方法を用いることが出来る。   In the coating step, a binder resin, an active material, and a conductive additive are mixed in advance, and a solvent or the like is added to form a slurry, which can be applied to the current collector. As a coating method, a coating method generally used when producing an electrode for a lithium ion secondary battery, such as a roll coating method, a dip coating method, a doctor blade method, a spray coating method, or a curtain coating method, can be used.

塗布工程は、バインダー樹脂と活物質と導電助剤とを混合してスラリーとし、上記スラリーを、集電体表面に塗布する工程である。   The coating process is a process in which a binder resin, an active material, and a conductive additive are mixed to form a slurry, and the slurry is applied to the current collector surface.

電極層のバインダー樹脂と活物質と導電助剤との混合割合は、活物質:導電助剤:バインダー樹脂=50:5:45〜98:1:1が好ましい。電極層の塗布厚みは10μm〜50μmが好ましい。   The mixing ratio of the binder resin of the electrode layer, the active material, and the conductive additive is preferably active material: conductive auxiliary agent: binder resin = 50: 5: 45 to 98: 1: 1. The coating thickness of the electrode layer is preferably 10 μm to 50 μm.

硬化工程は、バインダー樹脂を硬化して活物質を集電体に結着させる工程である。バインダー樹脂の硬化は、使用するバインダー樹脂の硬化条件に合わせて行えばよい。   The curing step is a step of curing the binder resin to bind the active material to the current collector. The binder resin may be cured according to the curing conditions of the binder resin to be used.

(リチウムイオン二次電池)
本発明のリチウムイオン二次電池は、上記負極を有する。上記したリチウムイオン二次電池用負極を用いるリチウムイオン二次電池は、特に限定されない公知の正極、電解質、セパレータ、を用いることが出来る。
(Lithium ion secondary battery)
The lithium ion secondary battery of this invention has the said negative electrode. As the lithium ion secondary battery using the negative electrode for a lithium ion secondary battery described above, known positive electrodes, electrolytes, and separators that are not particularly limited can be used.

正極は、リチウムイオン二次電池で使用可能なものであればよい。正極は、集電体と、集電体上に結着された正極活物質層とを有する。正極活物質層は、正極活物質と、バインダーとを含み、さらには導電助剤を含んでも良い。正極活物質、導電助材およびバインダーは、特に限定はなく、リチウムイオン二次電池で使用可能なものであればよい。   The positive electrode may be anything that can be used in a lithium ion secondary battery. The positive electrode has a current collector and a positive electrode active material layer bound on the current collector. The positive electrode active material layer includes a positive electrode active material and a binder, and may further include a conductive additive. The positive electrode active material, the conductive additive, and the binder are not particularly limited as long as they can be used in the lithium ion secondary battery.

具体的には、正極活物質としては、LiCoO、LiNi1/3Co1/3Mn1/3、LiMnO、Sなどが挙げられる。集電体は、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼など、リチウムイオン二次電池の正極に一般的に使用されるものであればよい。導電助剤は上記の負極で記載したものと同様のものが使用できる。 Specifically, examples of the positive electrode active material include LiCoO 2 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , Li 2 MnO 3 , and S. The current collector is not particularly limited as long as it is generally used for the positive electrode of a lithium ion secondary battery, such as aluminum, nickel, and stainless steel. As the conductive auxiliary agent, the same ones as described in the above negative electrode can be used.

電解質は、有機溶媒に電解質であるリチウム金属塩を溶解させた電解液や、電解質の溶液を含むポリマーゲルで構成されたポリマーゲル電解質を用いることができる。   As the electrolyte, an electrolytic solution in which a lithium metal salt that is an electrolyte is dissolved in an organic solvent or a polymer gel electrolyte composed of a polymer gel containing an electrolyte solution can be used.

有機溶媒として、非プロトン性有機溶媒、たとえばプロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)等から選ばれる一種以上を用いることができる。   As the organic solvent, from aprotic organic solvents such as propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), fluoroethylene carbonate (FEC), etc. One or more selected can be used.

また、有機溶媒に溶解させる電解質としては、LiPF、LiBF、LiAsF、LiI、LiClO、LiCFSO等の有機溶媒に可溶なリチウム金属塩を用いることができる。 As an electrolyte to be dissolved in an organic solvent, a lithium metal salt that is soluble in an organic solvent such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiI, LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 can be used.

例えば、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネートなどの有機溶媒にLiClO、LiPF、LiBF、LiCFSO等のリチウム金属塩を0.5mol/lから1.7mol/l程度の濃度で溶解させた溶液を使用することが出来る。 For example, a lithium metal salt such as LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 or the like in an organic solvent such as ethylene carbonate, dimethyl carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate is about 0.5 mol / l to 1.7 mol / l. A solution dissolved at a concentration can be used.

ポリマーゲル電解質は、電解質の溶液を含むポリマーゲルで構成される。ポリマーゲルとしては、光重合開始剤(例えば、IRGACURE184など)で重合するプレポリマーTA210(ポリオキシアルキレン鎖を有する多官能アクリレートポリマー)を用いることがよく、また、アクリロニトリルとアクリル酸メチル若しくはメタアクリル酸とのコポリマーを用いてもよい。ポリマーゲル電解質は、ポリマーを電解質溶液中に浸漬するか、又は電解質溶液の存在下でポリマーの構成単位(モノマー/化合物)を重合することによって得ることができる。   The polymer gel electrolyte is composed of a polymer gel containing an electrolyte solution. As the polymer gel, it is preferable to use a prepolymer TA210 (polyfunctional acrylate polymer having a polyoxyalkylene chain) that is polymerized with a photopolymerization initiator (for example, IRGACURE 184), and acrylonitrile and methyl acrylate or methacrylic acid. Copolymers may be used. The polymer gel electrolyte can be obtained by immersing the polymer in the electrolyte solution or polymerizing the polymer structural units (monomer / compound) in the presence of the electrolyte solution.

セパレータは、リチウムイオン二次電池に使用されることが出来るものであれば特に限定されない。セパレータは、正極と負極とを分離し電解液を保持するものであり、ポリエチレン、ポリプロピレン等の薄い微多孔膜を用いることができる。   A separator will not be specifically limited if it can be used for a lithium ion secondary battery. The separator separates the positive electrode and the negative electrode and holds the electrolytic solution, and a thin microporous film such as polyethylene or polypropylene can be used.

本発明のリチウムイオン二次電池は、形状に特に限定はなく、円筒型、角型、コイン型等、種々の形状を採用することができる。いずれの形状を採る場合であっても、正極および負極にセパレータを挟装させ電極体とし、正極集電体および負極集電体から外部に通ずる正極端子および負極端子までの間を、集電用リード等を用いて接続した後、この電極体を電解液とともに電池ケースに密閉して電池となる。本発明のリチウムイオン二次電池は、常法に従って、組み立てることが出来る。   The lithium ion secondary battery of the present invention is not particularly limited in shape, and various shapes such as a cylindrical shape, a square shape, and a coin shape can be adopted. Regardless of the shape, a separator is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode to form an electrode body, and the space between the positive electrode current collector and the negative electrode current collector to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal is used for current collection. After connecting using a lead or the like, the electrode body is sealed in a battery case together with an electrolytic solution to form a battery. The lithium ion secondary battery of the present invention can be assembled according to a conventional method.

以上説明した本発明のリチウムイオン二次電池は、携帯電話、ノートパソコン等の携帯機器、情報関連機器の分野の他、たとえば、夜間電力で充電し、昼間に住宅、工場または事務所に給電する電池や、昼間に太陽電池で充電し、夜間に給電する電池といった定置用分野や自動車の分野においても好適に利用できる。たとえば、このリチウムイオン二次電池を車両に搭載すれば、リチウムイオン二次電池を電気自動車用の電源として使用できる。   The lithium ion secondary battery of the present invention described above is charged with nighttime power in the field of portable devices such as mobile phones and laptop computers, information-related devices, and supplies power to houses, factories or offices in the daytime. It can also be suitably used in the field of stationary and automobiles such as a battery or a battery that is charged with a solar battery in the daytime and fed at night. For example, if this lithium ion secondary battery is mounted on a vehicle, the lithium ion secondary battery can be used as a power source for an electric vehicle.

(車両)
本発明の車両は、上記リチウムイオン二次電池を搭載したものである。本発明の車両はより高出力が可能で優れたサイクル特性のリチウムイオン二次電池を搭載でき、高性能の車両とすることが出来る。なお車両としては、電池による電気エネルギーを動力源の全部または一部に使用する車両であればよく、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド鉄道車両、フォークリフト、電気車椅子、電動アシスト自転車、電動二輪車が挙げられる。
(vehicle)
The vehicle of the present invention is equipped with the lithium ion secondary battery. The vehicle of the present invention can be equipped with a lithium ion secondary battery having higher cycle performance and excellent cycle characteristics, and can be a high-performance vehicle. The vehicle may be a vehicle that uses electric energy from a battery as a whole or a part of a power source. For example, an electric vehicle, a hybrid vehicle, a plug-in hybrid vehicle, a hybrid railway vehicle, a forklift, an electric wheelchair, an electric assist. Bicycles and electric motorcycles are examples.

以上、本発明のリチウムイオン二次電池用負極およびその負極を用いたリチウムイオン二次電池、並びに車両の実施形態を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。   As mentioned above, although the negative electrode for lithium ion secondary batteries of this invention, the lithium ion secondary battery using the negative electrode, and embodiment of a vehicle were demonstrated, this invention is not limited to the said embodiment. The present invention can be implemented in various forms without departing from the gist of the present invention, with modifications and improvements that can be made by those skilled in the art.

以下、実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

<第1原理計算>
第一原理計算では、計算プログラムとしてウルトラソフト擬ポテンシャルを用いた密度汎関数法に基づく電子状態計算プログラムを用いた。
<First principle calculation>
In the first-principles calculation, an electronic state calculation program based on the density functional theory using the ultrasoft pseudopotential was used as the calculation program.

密度汎関数法に必要な交換・相関エネルギーには、一般化密度勾配の補正を施したもの(Generalized−Gradient Approximation:GGA)を適用した。なお本発明においては密度汎関数法を使用したが、使用する計算手法は、密度汎関数法に限定されるものではなく、第一原理計算により物質の電子状態を高精度で予測できる手法を用いることが出来る。   As the exchange / correlation energy necessary for the density functional method, a generalized density gradient correction (GGA) was applied. Although the density functional method is used in the present invention, the calculation method used is not limited to the density functional method, and a method that can predict the electronic state of a substance with high accuracy by first-principles calculation is used. I can do it.

第一原理計算は、実験値を参照することなく、物質の結晶構造や電子状態を求めることが出来る。ここでは式5:LiSiO+1/2LiAlO+3/2Li→LiSiO+1/2Alについて第一原理計算により生成エネルギー(ΔH)を求める。第一原理計算で得られたΔHの値は、実験値と大きな差がないことが知られている。 First-principles calculations can determine the crystal structure and electronic state of a substance without referring to experimental values. Here, for the formula 5: Li 2 SiO 3 + 1 / 2LiAlO 2 + 3 / 2Li → Li 4 SiO 4 + 1 / 2Al, the generation energy (ΔH) is obtained by the first principle calculation. It is known that the value of ΔH obtained by the first principle calculation is not significantly different from the experimental value.

ΔHの値が負の値であれば、反応式に従った反応が起こる。上記式5のΔHは、上記第一原理計算より−20kJ/mol・Liとなった。ΔHが負の値であるので、式5で示される反応は起こることがわかった。   If the value of ΔH is negative, a reaction according to the reaction formula occurs. ΔH in the above formula 5 was −20 kJ / mol·Li from the first principle calculation. Since ΔH is a negative value, it was found that the reaction represented by Formula 5 occurs.

比較として式6の反応の第一原理計算を行った。
(式6):SiO+1/2LiMoO→1/2LiSi+1/2MoO
As a comparison, first-principles calculation of the reaction of Formula 6 was performed.
(Equation 6): SiO 2 + 1 / 2Li 2 MoO 4 → 1 / 2Li 2 Si 2 O 5 + 1 / 2MoO 2

この反応はΔHが26.7kJ/mol・Liと正の値となり、式6の反応は起こらないことがわかった。   In this reaction, ΔH was a positive value of 26.7 kJ / mol·Li, and it was found that the reaction of Formula 6 did not occur.

Claims (5)

SiOと、
LiAlOと、
を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極。
SiO 2 and
LiAlO 2 and
A negative electrode for a lithium ion secondary battery.
初期リチウム充電後に前記負極はLiSiOとAlとを含む請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極。 The negative electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode contains Li 4 SiO 4 and Al after initial lithium charging. 初期リチウム充電後に前記LiSiOと前記Alがモル比で2:1〜1:2の割合で含まれる請求項2に記載のリチウムイオン二次電池用負極。 The negative electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 2, wherein the Li 4 SiO 4 and the Al are included in a molar ratio of 2: 1 to 1: 2 after initial lithium charging. 請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極を有するリチウムイオン二次電池。   The lithium ion secondary battery which has a negative electrode for lithium ion secondary batteries of any one of Claims 1-3. 請求項4に記載のリチウムイオン二次電池を搭載した車両。   A vehicle equipped with the lithium ion secondary battery according to claim 4.
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