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JP2018147694A - Lithium ion secondary battery - Google Patents

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JP2018147694A
JP2018147694A JP2017041108A JP2017041108A JP2018147694A JP 2018147694 A JP2018147694 A JP 2018147694A JP 2017041108 A JP2017041108 A JP 2017041108A JP 2017041108 A JP2017041108 A JP 2017041108A JP 2018147694 A JP2018147694 A JP 2018147694A
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JP
Japan
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ion secondary
lithium ion
secondary battery
negative electrode
positive electrode
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Application number
JP2017041108A
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Japanese (ja)
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俊也 荒川
Toshiya Arakawa
俊也 荒川
祐太 川本
Yuta Kawamoto
祐太 川本
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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 a lithium ion secondary battery having superior characteristics.SOLUTION: A lithium ion secondary battery comprises: a positive electrode including a lithium metal composite oxide represented by the general formula of a lamellar rock-salt structure, LiNiCoMDO; a negative electrode including a silicon material having a structure in which a plurality of platelet silicon bodies are laminated in a thickness direction; and an electrolyte solution containing (FSO)NLi and a chain carbonate represented by the general formula (A) below, provided that the mole ratio of the chain carbonate to the (FSO)NLi is within a range of 2-6. The value of (Capacity of the negative electrode)/(Capacity of the positive electrode) is 1.07-1.13. ROCOOR(A).SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、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.

一般に、リチウムイオン二次電池は、主な構成要素として、正極活物質を備える正極と、負極活物質を備える負極と、電解液を具備する。そして、電解液には、適切な電解質が適切な濃度範囲で添加されている。例えば、リチウムイオン二次電池の電解液には、LiClO、LiAsF、LiPF、LiBF、CFSOLi、(CFSONLi等のリチウム塩が電解質として添加されるのが一般的であり、ここで、電解液におけるリチウム塩の濃度は、概ね1mol/Lとされるのが一般的である。 In general, a lithium ion secondary battery includes a positive electrode including a positive electrode active material, a negative electrode including a negative electrode active material, and an electrolytic solution as main components. An appropriate electrolyte is added to the electrolytic solution in an appropriate concentration range. For example, a lithium salt such as LiClO 4 , LiAsF 6 , LiPF 6 , LiBF 4 , CF 3 SO 3 Li, or (CF 3 SO 2 ) 2 NLi is added as an electrolyte to the electrolyte solution of a lithium ion secondary battery. Here, the concentration of the lithium salt in the electrolytic solution is generally about 1 mol / L.

また、電解液に用いられる有機溶媒には、電解質を好適に溶解させるために、エチレンカーボネートやプロピレンカーボネート等の比誘電率及び双極子モーメントの高い有機溶媒を約30体積%以上で混合して用いるのが一般的である。   In addition, in order to dissolve the electrolyte suitably, an organic solvent having a high relative dielectric constant and dipole moment, such as ethylene carbonate and propylene carbonate, is mixed and used at about 30% by volume or more for the organic solvent used in the electrolytic solution. It is common.

実際に、特許文献1には、エチレンカーボネートを33体積%含む混合有機溶媒を用い、かつ、LiPFを1mol/Lの濃度で含む電解液を用いたリチウムイオン二次電池が開示されている。 Actually, Patent Document 1 discloses a lithium ion secondary battery using a mixed organic solvent containing 33% by volume of ethylene carbonate and using an electrolytic solution containing LiPF 6 at a concentration of 1 mol / L.

最近になって、特許文献2や特許文献3などにより、電解質としての金属塩を高濃度で含む電解液及び当該電解液を具備するリチウムイオン二次電池が報告された。   Recently, Patent Document 2 and Patent Document 3 reported an electrolytic solution containing a metal salt as an electrolyte at a high concentration and a lithium ion secondary battery including the electrolytic solution.

特許文献2には、金属塩としての(FSONLi及び有機溶媒としてのジメチルカーボネートを(FSONLiに対するジメチルカーボネートのモル比2又は3で含有する電解液が具体的に記載されており、当該電解液を具備するリチウムイオン二次電池も具体的に記載されている。 Patent Document 2 specifically describes an electrolytic solution containing (FSO 2 ) 2 NLi as a metal salt and dimethyl carbonate as an organic solvent in a molar ratio of dimethyl carbonate to (FSO 2 ) 2 NLi of 2 or 3. A lithium ion secondary battery including the electrolytic solution is also specifically described.

特許文献3には、特定の金属塩に対する特定有機溶媒のモル比が3〜5の電解液が、物性に優れるものとして記載されており、さらに、当該電解液を具備するリチウムイオン二次電池が具体的に記載されている。   In Patent Document 3, an electrolyte solution having a specific organic solvent to specific metal salt molar ratio of 3 to 5 is described as having excellent physical properties, and a lithium ion secondary battery including the electrolyte solution is disclosed. It is specifically described.

特開2013−149477号公報JP 2013-149477 A 国際公開第2015/045389号International Publication No. 2015/045389 国際公開第2016/063468号International Publication No. 2016/063468

さて、産業界からは、優れた特性のリチウムイオン二次電池が求められている。
本発明はかかる事情に鑑みて為されたものであり、優れた特性のリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
Now, the lithium ion secondary battery of the outstanding characteristic is calculated | required from the industry.
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a lithium ion secondary battery having excellent characteristics.

本発明者は、特許文献3に記載された電解液を用いた、高容量なリチウムイオン二次電池を提供することを志向した。そのための手段として、高容量であり耐久性に優れる点から、正極活物質としてリチウム、ニッケル、コバルト、及び、アルミニウム又はマンガンを含有する層状岩塩構造のリチウム金属複合酸化物を選択した。層状岩塩構造のリチウム金属複合酸化物において、ニッケル、コバルト、アルミニウム、マンガンには、以下の役割があると考えられる。   The present inventor aimed to provide a high-capacity lithium ion secondary battery using the electrolytic solution described in Patent Document 3. As a means for that purpose, a lithium metal composite oxide having a layered rock salt structure containing lithium, nickel, cobalt, and aluminum or manganese was selected as a positive electrode active material because of its high capacity and excellent durability. In the lithium metal composite oxide having a layered rock salt structure, nickel, cobalt, aluminum, and manganese are considered to have the following roles.

Ni:Li充放電反応時に最も活性である。活物質内にNi含有量が多いほど容量は増加する。
Al又はMn:Li充放電反応時に最も不活性である。活物質内にAl又はMn含有量が多いほど容量は低下するが、反面、活物質内にAl又はMn含有量が多いほど活物質の結晶構造は安定性に優れる。
Co:Li充放電反応時の活性はNiとAl又はMnとの中間である。活物質内の含有量に対する容量及び安定性の程度も、NiとAl又はMnとの中間である。
It is most active during Ni: Li charge / discharge reaction. The capacity increases as the Ni content in the active material increases.
Al or Mn: Li is most inactive during charge / discharge reaction. The capacity decreases as the content of Al or Mn in the active material increases. On the other hand, the crystal structure of the active material is more stable as the content of Al or Mn in the active material increases.
The activity during the Co: Li charge / discharge reaction is intermediate between Ni and Al or Mn. The capacity and the degree of stability with respect to the content in the active material are also intermediate between Ni and Al or Mn.

そこで、本発明者は、リチウムイオン二次電池のさらなる高容量化の目的で、ニッケル比率が高い層状岩塩構造の一般式:LiNiCo(0.2≦a≦2、0.7≦b<1、0<c<0.3、0<d<0.3、0≦e<0.2、b+c+d+e=1、MはAl及び/又はMnである。DはW、Mo、Re、Pd、Ba、Cr、B、Sb、Sr、Pb、Ga、Nb、Mg、Ta、Ti、La、Zr、Cu、Ca、Ir、Hf、Rh、Fe、Ge、Zn、Ru、Sc、Sn、In、Y、Bi、S、Si、Na、K、P、Vから選ばれる少なくとも1の元素である。1.7≦f≦3)で表されるリチウム金属複合酸化物を選択した。 The present inventors have, for the purpose of higher capacity of lithium ion secondary batteries, the general formula of higher layered rock salt structure is the nickel ratio: Li a Ni b Co c M d D e O f (0.2 ≦ a ≦ 2, 0.7 ≦ b <1, 0 <c <0.3, 0 <d <0.3, 0 ≦ e <0.2, b + c + d + e = 1, M is Al and / or Mn. Is W, Mo, Re, Pd, Ba, Cr, B, Sb, Sr, Pb, Ga, Nb, Mg, Ta, Ti, La, Zr, Cu, Ca, Ir, Hf, Rh, Fe, Ge, Zn And at least one element selected from Ru, Sc, Sn, In, Y, Bi, S, Si, Na, K, P, and V. Lithium metal composite oxidation represented by 1.7 ≦ f ≦ 3) The thing was selected.

また、負極活物質としては、理論容量の大きなSi含有材料のうち、国際公開第2014/080608号に記載のシリコン材料を選択した。当該シリコン材料は、複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有するものである。   As the negative electrode active material, a silicon material described in International Publication No. 2014/080608 was selected from Si-containing materials having a large theoretical capacity. The silicon material has a structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are laminated in the thickness direction.

通常、リチウムイオン二次電池において、(負極の容量)/(正極の容量)の値(以下、「PN比」ということがある。)は、負極表面にリチウム金属が析出するのを抑制する観点から、1を超えるように設計される。ここで、PN比が1を超える場合、PN比が1に近づく程、負極活物質の量が相対的に少なくなるので、PN比が1に近いリチウムイオン二次電池においては、負極活物質自体に由来する不可逆容量は小さいといえる。さらに、PN比が1に近いリチウムイオン二次電池においては、負極に含まれる負極活物質全体の表面積が小さいため、電解液の分解に因って負極活物質の表面に生じるSEI(Solid Electrolyte Interface)の量も少ないので、SEIに由来する不可逆容量も小さいといえる。したがって、一般的に、PN比が1に近づく程、リチウムイオン二次電池における初期効率、すなわち(初期放電容量)/(初期充電容量)は大きくなるのが技術常識といえる。   Usually, in a lithium ion secondary battery, the value of (negative electrode capacity) / (positive electrode capacity) (hereinafter sometimes referred to as “PN ratio”) is a viewpoint that suppresses the deposition of lithium metal on the negative electrode surface. Therefore, it is designed to exceed 1. Here, when the PN ratio exceeds 1, as the PN ratio approaches 1, the amount of the negative electrode active material becomes relatively small. Therefore, in the lithium ion secondary battery having a PN ratio close to 1, the negative electrode active material itself It can be said that the irreversible capacity derived from is small. Furthermore, in a lithium ion secondary battery having a PN ratio close to 1, the entire surface area of the negative electrode active material contained in the negative electrode is small, so that SEI (Solid Electrolyte Interface) generated on the surface of the negative electrode active material due to the decomposition of the electrolytic solution. ), The irreversible capacity derived from SEI is also small. Therefore, in general, it can be said that it is common technical knowledge that the initial efficiency, that is, (initial discharge capacity) / (initial charge capacity) in the lithium ion secondary battery increases as the PN ratio approaches 1.

しかしながら、上述のとおりに選択した、特定の正極活物質、特定の負極活物質、及び、特許文献3に記載された電解液を組み合わせたリチウムイオン二次電池についての検討を本発明者が行ったところ、前段落の技術常識とは異なる結果が得られた。具体的には、PN比が1に近づく程、リチウムイオン二次電池における初期効率は大きくなるものの、ある地点から、逆に初期効率が小さくなることを見出した。   However, the present inventor conducted a study on a lithium ion secondary battery in which the specific positive electrode active material, the specific negative electrode active material, and the electrolyte solution described in Patent Document 3 selected as described above were combined. However, the results were different from the common sense in the previous paragraph. Specifically, it has been found that the initial efficiency in the lithium ion secondary battery increases as the PN ratio approaches 1, but the initial efficiency decreases from a certain point.

そして、本発明者が多数の実験を行った結果、特定の正極活物質と特定の負極活物質と特定の電解液とを組み合わせたリチウムイオン二次電池における好適な初期効率を発現する最適なPN比を発見した。かかる発見に基づき、本発明者は本発明を完成するに至った。   As a result of many experiments conducted by the inventor, an optimum PN that expresses a suitable initial efficiency in a lithium ion secondary battery in which a specific positive electrode active material, a specific negative electrode active material, and a specific electrolyte are combined. I found the ratio. Based on this discovery, the present inventor has completed the present invention.

本発明のリチウムイオン二次電池は、
層状岩塩構造の一般式:LiNiCo(0.2≦a≦2、0.7≦b<1、0<c<0.3、0<d<0.3、0≦e<0.2、b+c+d+e=1、MはAl及び/又はMnである。DはW、Mo、Re、Pd、Ba、Cr、B、Sb、Sr、Pb、Ga、Nb、Mg、Ta、Ti、La、Zr、Cu、Ca、Ir、Hf、Rh、Fe、Ge、Zn、Ru、Sc、Sn、In、Y、Bi、S、Si、Na、K、P、Vから選ばれる少なくとも1の元素である。1.7≦f≦3)で表されるリチウム金属複合酸化物を備える正極と、
複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有するシリコン材料を備える負極と、
(FSONLi及び下記一般式(A)で表される鎖状カーボネートを含み、かつ、前記(FSONLiに対する前記鎖状カーボネートのモル比が2〜6の範囲内である電解液と、を具備し、
(前記負極の容量)/(前記正極の容量)の値が1.07〜1.13であることを特徴とする。
OCOOR 一般式(A)
(R、Rは、それぞれ独立に、鎖状アルキルであるCClBr、又は、環状アルキルを化学構造に含むCClBrのいずれかから選択される。nは1以上の整数、mは3以上の整数、a、b、c、d、e、f、g、h、i、jはそれぞれ独立に0以上の整数であり、2n+1=a+b+c+d+e、2m−1=f+g+h+i+jを満たす。)
The lithium ion secondary battery of the present invention is
Formula of the layered rock salt structure: Li a Ni b Co c M d D e O f (0.2 ≦ a ≦ 2,0.7 ≦ b <1,0 <c <0.3,0 <d <0. 3, 0 ≦ e <0.2, b + c + d + e = 1, M is Al and / or Mn, D is W, Mo, Re, Pd, Ba, Cr, B, Sb, Sr, Pb, Ga, Nb, From Mg, Ta, Ti, La, Zr, Cu, Ca, Ir, Hf, Rh, Fe, Ge, Zn, Ru, Sc, Sn, In, Y, Bi, S, Si, Na, K, P, V A positive electrode comprising a lithium metal composite oxide represented by 1.7 ≦ f ≦ 3), which is at least one element selected;
A negative electrode comprising a silicon material having a structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are laminated in the thickness direction;
Electrolysis including a chain carbonate represented by (FSO 2 ) 2 NLi and the following general formula (A) and having a molar ratio of the chain carbonate to (FSO 2 ) 2 NLi in the range of 2 to 6. A liquid,
The value of (capacity of the negative electrode) / (capacity of the positive electrode) is 1.07 to 1.13.
R 1 OCOOR 2 general formula (A)
(R 1 and R 2 are each independently C n H a F b Cl c Br d I e which is a chain alkyl, or C m H f F g Cl h Br i I containing a cyclic alkyl in the chemical structure. selected from j , n is an integer of 1 or more, m is an integer of 3 or more, a, b, c, d, e, f, g, h, i, j are each independently an integer of 0 or more 2n + 1 = a + b + c + d + e, 2m-1 = f + g + h + i + j is satisfied.)

本発明のリチウムイオン二次電池は、優れた初期効率を示す。   The lithium ion secondary battery of the present invention exhibits excellent initial efficiency.

評価例1における、各リチウムイオン二次電池についてのPN比と初期効率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the PN ratio about each lithium ion secondary battery in evaluation example 1, and initial stage efficiency.

以下に、本発明を実施するための形態を説明する。なお、特に断らない限り、本明細書に記載された数値範囲「a〜b」は、下限a及び上限bをその範囲に含む。そして、これらの上限値及び下限値、ならびに実施例中に列記した数値も含めてそれらを任意に組み合わせることで数値範囲を構成し得る。さらに、これらの数値範囲内から任意に選択した数値を、新たな上限や下限の数値とすることができる。   Below, the form for implementing this invention is demonstrated. Unless otherwise specified, the numerical range “ab” described herein includes the lower limit “a” and the upper limit “b”. The numerical range can be configured by arbitrarily combining these upper limit value and lower limit value and the numerical values listed in the examples. Furthermore, numerical values arbitrarily selected from these numerical ranges can be used as new upper and lower numerical values.

本発明のリチウムイオン二次電池は、
層状岩塩構造の一般式:LiNiCo(0.2≦a≦2、0.7≦b<1、0<c<0.3、0<d<0.3、0≦e<0.2、b+c+d+e=1、MはAl及び/又はMnである。DはW、Mo、Re、Pd、Ba、Cr、B、Sb、Sr、Pb、Ga、Nb、Mg、Ta、Ti、La、Zr、Cu、Ca、Ir、Hf、Rh、Fe、Ge、Zn、Ru、Sc、Sn、In、Y、Bi、S、Si、Na、K、P、Vから選ばれる少なくとも1の元素である。1.7≦f≦3)で表されるリチウム金属複合酸化物を備える正極と、
複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有するシリコン材料を備える負極と、
(FSONLi及び下記一般式(A)で表される鎖状カーボネートを含み、かつ、前記(FSONLiに対する前記鎖状カーボネートのモル比が2〜6の範囲内である電解液と、を具備し、
(前記負極の容量)/(前記正極の容量)の値が1.07〜1.13であることを特徴とする。
OCOOR 一般式(A)
(R、Rは、それぞれ独立に、鎖状アルキルであるCClBr、又は、環状アルキルを化学構造に含むCClBrのいずれかから選択される。nは1以上の整数、mは3以上の整数、a、b、c、d、e、f、g、h、i、jはそれぞれ独立に0以上の整数であり、2n+1=a+b+c+d+e、2m−1=f+g+h+i+jを満たす。)
The lithium ion secondary battery of the present invention is
Formula of the layered rock salt structure: Li a Ni b Co c M d D e O f (0.2 ≦ a ≦ 2,0.7 ≦ b <1,0 <c <0.3,0 <d <0. 3, 0 ≦ e <0.2, b + c + d + e = 1, M is Al and / or Mn, D is W, Mo, Re, Pd, Ba, Cr, B, Sb, Sr, Pb, Ga, Nb, From Mg, Ta, Ti, La, Zr, Cu, Ca, Ir, Hf, Rh, Fe, Ge, Zn, Ru, Sc, Sn, In, Y, Bi, S, Si, Na, K, P, V A positive electrode comprising a lithium metal composite oxide represented by 1.7 ≦ f ≦ 3), which is at least one element selected;
A negative electrode comprising a silicon material having a structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are laminated in the thickness direction;
Electrolysis comprising a chain carbonate represented by (FSO 2 ) 2 NLi and the following general formula (A) and having a molar ratio of the chain carbonate to (FSO 2 ) 2 NLi in the range of 2 to 6. A liquid,
The value of (capacity of the negative electrode) / (capacity of the positive electrode) is 1.07 to 1.13.
R 1 OCOOR 2 general formula (A)
(R 1 and R 2 are each independently C n H a F b Cl c Br d I e which is a chain alkyl, or C m H f F g Cl h Br i I containing a cyclic alkyl in the chemical structure. selected from j , n is an integer of 1 or more, m is an integer of 3 or more, a, b, c, d, e, f, g, h, i, j are each independently an integer of 0 or more 2n + 1 = a + b + c + d + e, 2m-1 = f + g + h + i + j is satisfied.)

まず、正極について説明する。   First, the positive electrode will be described.

リチウム金属複合酸化物の上記一般式において、上記b、c及びdの値は、上記条件を満足するものであれば特に制限はないが、bに関して0.75≦b≦0.95、0.8≦b≦0.93を、cに関して0.03≦c≦0.2、0.05≦c≦0.15を、dに関して0.01≦d≦0.2、0.02≦d≦0.1を、それぞれ好適な範囲として例示できる。   In the above general formula of the lithium metal composite oxide, the values of b, c and d are not particularly limited as long as the above conditions are satisfied, but with respect to b, 0.75 ≦ b ≦ 0.95, 0.8. 8 ≦ b ≦ 0.93, 0.03 ≦ c ≦ 0.2, 0.05 ≦ c ≦ 0.15 for c, 0.01 ≦ d ≦ 0.2, 0.02 ≦ d ≦ for d 0.1 can be illustrated as a suitable range, respectively.

リチウム金属複合酸化物の上記一般式において、MがAlの場合に限定した上記b、c及びdの値は、上記条件を満足するものであれば特に制限はないが、bに関して0.75≦b≦0.95、0.8≦b≦0.93、0.85≦b≦0.93を、cに関して0.03≦c≦0.2、0.05≦c≦0.15、0.05≦c≦0.1を、dに関して0.01≦d≦0.2、0.02≦d≦0.1、0.02≦d≦0.05を、それぞれ好適な範囲として例示できる。   In the above general formula of the lithium metal composite oxide, the values of b, c and d limited to the case where M is Al are not particularly limited as long as the above conditions are satisfied. b ≦ 0.95, 0.8 ≦ b ≦ 0.93, 0.85 ≦ b ≦ 0.93, 0.03 ≦ c ≦ 0.2, 0.05 ≦ c ≦ 0.15, 0 with respect to c 0.05 ≦ c ≦ 0.1, and 0.01 ≦ d ≦ 0.2, 0.02 ≦ d ≦ 0.1, and 0.02 ≦ d ≦ 0.05 with respect to d can be exemplified as preferable ranges, respectively. .

リチウム金属複合酸化物の上記一般式において、MがMnの場合に限定した上記b、c及びdの値は、上記条件を満足するものであれば特に制限はないが、bに関して0.75≦b≦0.95、0.8≦b≦0.93、0.8≦b≦0.83を、cに関して0.03≦c≦0.2、0.05≦c≦0.15、0.09≦c≦0.12を、dに関して0.01≦d≦0.2、0.02≦d≦0.1、0.06≦d≦0.1を、それぞれ好適な範囲として例示できる。   In the above general formula of the lithium metal composite oxide, the values of b, c and d limited to the case where M is Mn are not particularly limited as long as the above conditions are satisfied. b ≦ 0.95, 0.8 ≦ b ≦ 0.93, 0.8 ≦ b ≦ 0.83, 0.03 ≦ c ≦ 0.2, 0.05 ≦ c ≦ 0.15, 0 with respect to c 0.09 ≦ c ≦ 0.12 and 0.01 ≦ d ≦ 0.2, 0.02 ≦ d ≦ 0.1, and 0.06 ≦ d ≦ 0.1 with respect to d can be exemplified as preferable ranges, respectively. .

リチウム金属複合酸化物の上記一般式において、a、e、fについては一般式で規定する範囲内の数値であればよく、aは、0.5≦a≦1.5の範囲内が好ましく、0.7≦a≦1.3の範囲内がより好ましく、0.9≦a≦1.2の範囲内がさらに好ましい。e、fについては、0≦e≦0.1、0≦e≦0.05、e=0、1.8≦f≦2.5、1.9≦f≦2.2、f=2を例示することができる。   In the above general formula of the lithium metal composite oxide, a, e, and f may be numerical values within the range defined by the general formula, and a is preferably within the range of 0.5 ≦ a ≦ 1.5, The range of 0.7 ≦ a ≦ 1.3 is more preferable, and the range of 0.9 ≦ a ≦ 1.2 is more preferable. For e and f, 0 ≦ e ≦ 0.1, 0 ≦ e ≦ 0.05, e = 0, 1.8 ≦ f ≦ 2.5, 1.9 ≦ f ≦ 2.2, and f = 2. It can be illustrated.

リチウム金属複合酸化物の形状は特に制限されないが、粉末状が好ましい。リチウム金属複合酸化物の平均粒子径として、0.5〜20μm、1〜15μm、3〜10μmの範囲が例示される。なお、本明細書において平均粒子径とは、一般的なレーザー回折式粒度分布計で試料を測定した場合のD50を意味する。 The shape of the lithium metal composite oxide is not particularly limited, but a powder form is preferable. Examples of the average particle size of the lithium metal composite oxide include ranges of 0.5 to 20 μm, 1 to 15 μm, and 3 to 10 μm. In the present specification, the average particle diameter means D 50 when a sample is measured with a general laser diffraction particle size distribution meter.

正極は、具体的には、集電体と、集電体の表面に形成されている正極活物質層とを具備する。   Specifically, the positive electrode includes a current collector and a positive electrode active material layer formed on the surface of the current collector.

集電体は、リチウムイオン二次電池の放電又は充電の間、電極に電流を流し続けるための化学的に不活性な電子伝導体をいう。集電体としては、銀、銅、金、アルミニウム、マグネシウム、タングステン、コバルト、亜鉛、ニッケル、鉄、白金、錫、インジウム、チタン、ルテニウム、タンタル、クロム、モリブデンから選ばれる少なくとも一種、並びにステンレス鋼などの金属材料を例示することができる。   The current collector refers to a chemically inert electronic conductor that keeps a current flowing through an electrode during discharge or charging of a lithium ion secondary battery. As the current collector, at least one selected from silver, copper, gold, aluminum, magnesium, tungsten, cobalt, zinc, nickel, iron, platinum, tin, indium, titanium, ruthenium, tantalum, chromium, molybdenum, and stainless steel Examples of such a metal material can be given.

正極の電位をリチウム基準で4V以上とする場合には、正極用集電体としてアルミニウムを採用するのが好ましい。   When the potential of the positive electrode is 4 V or more on the basis of lithium, it is preferable to employ aluminum as the positive electrode current collector.

具体的には、正極用集電体として、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるものを用いるのが好ましい。ここでアルミニウムは、純アルミニウムを指し、純度99.0%以上のアルミニウムを純アルミニウムと称する。純アルミニウムに種々の元素を添加して合金としたものをアルミニウム合金と称する。アルミニウム合金としては、Al−Cu系、Al−Mn系、Al−Fe系、Al−Si系、Al−Mg系、Al−Mg−Si系、Al−Zn−Mg系が挙げられる。   Specifically, it is preferable to use a positive electrode current collector made of aluminum or an aluminum alloy. Here, aluminum refers to pure aluminum, and aluminum having a purity of 99.0% or more is referred to as pure aluminum. An alloy obtained by adding various elements to pure aluminum is referred to as an aluminum alloy. Examples of the aluminum alloy include Al—Cu, Al—Mn, Al—Fe, Al—Si, Al—Mg, Al—Mg—Si, and Al—Zn—Mg.

また、アルミニウム又はアルミニウム合金として、具体的には、例えばJIS A1085、A1N30等のA1000系合金(純アルミニウム系)、JIS A3003、A3004等のA3000系合金(Al−Mn系)、JIS A8079、A8021等のA8000系合金(Al−Fe系)が挙げられる。   Specific examples of aluminum or aluminum alloy include A1000 series alloys (pure aluminum series) such as JIS A1085 and A1N30, A3000 series alloys (Al-Mn series) such as JIS A3003 and A3004, JIS A8079, A8021, etc. A8000-based alloy (Al-Fe-based).

集電体は公知の保護層で被覆されていても良い。また、集電体の表面を公知の方法で処理したものを集電体として用いても良い。   The current collector may be covered with a known protective layer. Moreover, you may use what processed the surface of the electrical power collector by the well-known method as an electrical power collector.

集電体は箔、シート、フィルム、線状、棒状、メッシュなどの形態をとることができる。そのため、集電体として、例えば、銅箔、ニッケル箔、アルミニウム箔、ステンレス箔などの金属箔を好適に用いることができる。集電体が箔、シート、フィルム形態の場合は、その厚みが1μm〜100μmの範囲内であることが好ましい。   The current collector can take the form of a foil, a sheet, a film, a linear shape, a rod shape, a mesh, or the like. Therefore, for example, a metal foil such as a copper foil, a nickel foil, an aluminum foil, and a stainless steel foil can be suitably used as the current collector. When the current collector is in the form of foil, sheet or film, the thickness is preferably in the range of 1 μm to 100 μm.

正極活物質層は、正極活物質として上述したリチウム金属複合酸化物を含み、さらに、導電助剤、結着剤、分散剤などの添加剤を含むことがある。なお、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、正極活物質として公知のものを併用してもよい。   The positive electrode active material layer includes the lithium metal composite oxide described above as the positive electrode active material, and may further include additives such as a conductive additive, a binder, and a dispersant. In addition, you may use together a well-known thing as a positive electrode active material within the range which does not deviate from the meaning of this invention.

正極活物質層全体に対するリチウム金属複合酸化物の量は、70〜99質量%の範囲内が好ましく、80〜98質量%の範囲内がより好ましく、90〜97質量%の範囲内が特に好ましい。   The amount of the lithium metal composite oxide with respect to the whole positive electrode active material layer is preferably in the range of 70 to 99% by mass, more preferably in the range of 80 to 98% by mass, and particularly preferably in the range of 90 to 97% by mass.

導電助剤は、電極の導電性を高めるために添加される。そのため、導電助剤は、電極の導電性が不足する場合に任意に加えればよく、電極の導電性が十分に優れている場合には加えなくても良い。   The conductive assistant is added to increase the conductivity of the electrode. Therefore, the conductive auxiliary agent may be added arbitrarily when the electrode conductivity is insufficient, and may not be added when the electrode conductivity is sufficiently excellent.

導電助剤は化学的に不活性な電子伝導体であれば良く、炭素質微粒子であるカーボンブラック、黒鉛、気相法炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber)、及び各種金属粒子等が例示される。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、ファーネスブラック、チャンネルブラック等が例示される。これらの導電助剤を単独または二種以上組み合わせて正極活物質層に添加することができる。   The conductive auxiliary agent may be a chemically inert electronic conductor, and examples thereof include carbon black fine particles, graphite, vapor grown carbon fiber, and various metal particles. Examples of the carbon black include acetylene black, ketjen black (registered trademark), furnace black, and channel black. These conductive assistants can be added to the positive electrode active material layer alone or in combination of two or more.

導電助剤の形状は特に制限されないが、その役割からみて、導電助剤の平均粒子径は小さいほうが好ましい。導電助剤の好ましい平均粒子径として10μm以下が例示され、より好ましい平均粒子径として0.01〜1μmの範囲が例示される。   The shape of the conductive auxiliary agent is not particularly limited, but it is preferable that the average particle diameter of the conductive auxiliary agent is small in view of its role. A preferable average particle size of the conductive auxiliary is 10 μm or less, and a more preferable average particle size is in the range of 0.01 to 1 μm.

導電助剤の配合量は特に限定されないが、あえて正極活物質層における導電助剤の配合量を挙げると、0.5〜10質量%の範囲内が好ましく、1〜7質量%の範囲内がより好ましく、1.5〜5質量%の範囲内が特に好ましい。   Although the compounding quantity of a conductive support agent is not specifically limited, If it dares to mention the compounding quantity of the conductive support agent in a positive electrode active material layer, the inside of the range of 0.5-10 mass% is preferable, and the inside of the range of 1-7 mass% is preferable. More preferably, it is in the range of 1.5 to 5% by mass.

結着剤は、正極活物質や導電助剤を集電体の表面に繋ぎ止める役割を果たすものである。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂、アルコキシシリル基含有樹脂を例示することができる。また、結着剤として、親水基を有するポリマーを採用してもよい。親水基を有するポリマーの親水基としては、カルボキシル基、スルホ基、シラノール基、アミノ基、水酸基、リン酸基が例示される。親水基を有するポリマーの具体例として、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、ポリメタクリル酸、ポリ(p−スチレンスルホン酸)を挙げることができる。   The binder plays a role of connecting the positive electrode active material and the conductive additive to the surface of the current collector. Examples of the binder include fluorine-containing resins such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, and fluororubber, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, imide resins such as polyimide and polyamideimide, and alkoxysilyl group-containing resins. be able to. Moreover, you may employ | adopt the polymer which has a hydrophilic group as a binder. Examples of the hydrophilic group of the polymer having a hydrophilic group include a carboxyl group, a sulfo group, a silanol group, an amino group, a hydroxyl group, and a phosphate group. Specific examples of the polymer having a hydrophilic group include polyacrylic acid, carboxymethylcellulose, polymethacrylic acid, and poly (p-styrenesulfonic acid).

正極活物質層における結着剤の配合量は、0.5〜10質量%の範囲内が好ましく、1〜7質量%の範囲内がより好ましく、1.5〜5質量%の範囲内が特に好ましい。結着剤の配合量が少なすぎると正極活物質層の成形性が低下するおそれがある。また、結着剤の配合量が多すぎると、正極活物質層における正極活物質の量が相対的に減少するため、好ましくない。   The amount of the binder in the positive electrode active material layer is preferably in the range of 0.5 to 10% by mass, more preferably in the range of 1 to 7% by mass, and particularly in the range of 1.5 to 5% by mass. preferable. If the blending amount of the binder is too small, the moldability of the positive electrode active material layer may be lowered. Moreover, when there are too many compounding quantities of a binder, since the quantity of the positive electrode active material in a positive electrode active material layer reduces relatively, it is unpreferable.

導電助剤及び結着剤以外の分散剤などの添加剤は、公知のものを採用することができる。   Known additives can be employed as additives such as a dispersing agent other than the conductive assistant and the binder.

次に、負極について説明する。   Next, the negative electrode will be described.

複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有するシリコン材料は、例えば、CaSiと酸とを反応させてポリシランを主成分とする層状シリコン化合物を合成する工程、さらに、当該層状シリコン化合物を300℃以上で加熱して水素を離脱させる工程を経て製造される。 The silicon material having a structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are laminated in the thickness direction is, for example, a step of synthesizing a layered silicon compound mainly composed of polysilane by reacting CaSi 2 and an acid, The layered silicon compound is manufactured through a step of heating hydrogen at 300 ° C. or higher to release hydrogen.

シリコン材料の製造方法を、酸として塩化水素を用いた場合の理想的な反応式で示すと以下のとおりとなる。
3CaSi+6HCl → Si+3CaCl
Si → 6Si+3H
The production method of the silicon material is represented by the following ideal reaction formula when hydrogen chloride is used as the acid.
3CaSi 2 + 6HCl → Si 6 H 6 + 3CaCl 2
Si 6 H 6 → 6Si + 3H 2

ただし、ポリシランであるSiを合成する上段の反応では、副生物や不純物除去の観点から、通常、反応溶媒として水が用いられる。そして、Siは水と反応し得るため、上段の反応を含む層状シリコン化合物を合成する工程において、層状シリコン化合物がSiのみを含むものとして製造されることはほとんどなく、層状シリコン化合物はSi(OH)(Xは酸のアニオン由来の元素若しくは基、s+t+u=6、0<s<6、0<t<6、0<u<6)で表されるものとして製造される。なお、上記の化学式においては、残存し得るCaなどの不可避不純物については、考慮していない。そして、当該層状シリコン化合物を加熱して得られるシリコン材料も、酸素や酸のアニオン由来の元素を含む。 However, in the upper reaction for synthesizing Si 6 H 6 which is polysilane, water is usually used as a reaction solvent from the viewpoint of removing by-products and impurities. Since Si 6 H 6 can react with water, in the step of synthesizing the layered silicon compound including the upper reaction, the layered silicon compound is hardly manufactured as containing only Si 6 H 6 , and the layered The silicon compound is represented by Si 6 H s (OH) t X u (X is an element or group derived from an acid anion, s + t + u = 6, 0 <s <6, 0 <t <6, 0 <u <6). Manufactured as a product. In the above chemical formula, inevitable impurities such as Ca that can remain are not taken into consideration. A silicon material obtained by heating the layered silicon compound also contains an element derived from an anion of oxygen or acid.

既述のとおり、シリコン材料は、複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有する。リチウムイオン等の電荷担体が効率的に吸蔵及び放出されるためには、板状シリコン体は厚さが10nm〜100nmの範囲内のものが好ましく、20nm〜50nmの範囲内のものがより好ましい。板状シリコン体の長手方向の長さは、0.1μm〜50μmの範囲内のものが好ましい。また、板状シリコン体は、(長手方向の長さ)/(厚さ)が2〜1000の範囲内であるのが好ましい。板状シリコン体の積層構造は走査型電子顕微鏡などによる観察で確認できる。また、この積層構造は、原料のCaSiにおけるSi層の名残りであると考えられる。 As described above, the silicon material has a structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are laminated in the thickness direction. In order to efficiently store and release charge carriers such as lithium ions, the plate-like silicon body preferably has a thickness in the range of 10 nm to 100 nm, more preferably in the range of 20 nm to 50 nm. The length in the longitudinal direction of the plate-like silicon body is preferably within a range of 0.1 μm to 50 μm. The plate-like silicon body preferably has (length in the longitudinal direction) / (thickness) in the range of 2 to 1000. The laminated structure of the plate-like silicon body can be confirmed by observation with a scanning electron microscope or the like. This laminated structure is considered to be a remnant of the Si layer in the raw material CaSi 2 .

シリコン材料には、アモルファスシリコン及び/又はシリコン結晶子が含まれるのが好ましい。特に、上記板状シリコン体において、アモルファスシリコンをマトリックスとし、シリコン結晶子が当該マトリックス中に点在している状態が好ましい。シリコン結晶子のサイズは、0.5nm〜300nmの範囲内が好ましく、1nm〜100nmの範囲内がより好ましく、1nm〜50nmの範囲内がさらに好ましく、1nm〜10nmの範囲内が特に好ましい。なお、シリコン結晶子のサイズは、シリコン材料に対してX線回折測定を行い、得られたX線回折チャートのSi(111)面の回折ピークの半値幅を用いたシェラーの式から算出される。   The silicon material preferably includes amorphous silicon and / or silicon crystallites. In particular, the above plate-like silicon body is preferably in a state where amorphous silicon is used as a matrix and silicon crystallites are scattered in the matrix. The size of the silicon crystallite is preferably in the range of 0.5 nm to 300 nm, more preferably in the range of 1 nm to 100 nm, still more preferably in the range of 1 nm to 50 nm, and particularly preferably in the range of 1 nm to 10 nm. The size of the silicon crystallite is calculated from the Scherrer equation using X-ray diffraction measurement on the silicon material and using the half-value width of the diffraction peak of the Si (111) plane of the obtained X-ray diffraction chart. .

シリコン材料に含まれる板状シリコン体、アモルファスシリコン及びシリコン結晶子の存在量や大きさは、主に加熱温度や加熱時間に左右される。加熱温度は、350℃〜950℃の範囲内が好ましく、400℃〜900℃の範囲内がより好ましく、500℃〜800℃の範囲内がさらに好ましい。   The abundance and size of the plate-like silicon body, amorphous silicon and silicon crystallite contained in the silicon material mainly depend on the heating temperature and the heating time. The heating temperature is preferably within the range of 350 ° C to 950 ° C, more preferably within the range of 400 ° C to 900 ° C, and even more preferably within the range of 500 ° C to 800 ° C.

シリコン材料として、炭素で被覆されたシリコン材料を採用しても良い。シリコン材料を炭素で被覆することにより、導電性が向上する。   A silicon material coated with carbon may be employed as the silicon material. By covering the silicon material with carbon, the conductivity is improved.

負極は、集電体と、集電体の表面に形成された負極活物質層を有する。負極活物質層は負極活物質として上述したシリコン材料を含み、さらに、導電助剤、結着剤、分散剤などの添加剤を含むことがある。なお、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、負極活物質として公知のものを併用してもよい。集電体は、正極で説明したものを適宜適切に採用すればよい。分散剤は公知のものを採用することができる。   The negative electrode has a current collector and a negative electrode active material layer formed on the surface of the current collector. The negative electrode active material layer includes the silicon material described above as the negative electrode active material, and may further include additives such as a conductive additive, a binder, and a dispersant. In addition, a well-known thing may be used together as a negative electrode active material within the range which does not deviate from the meaning of the present invention. What is necessary is just to employ | adopt suitably what was demonstrated with the positive electrode as a collector. A well-known thing can be employ | adopted for a dispersing agent.

負極活物質層全体に対する負極活物質の量は、導電助剤及び結着剤の量との関係から、60〜90質量%の範囲内が好ましく、70〜80質量%の範囲内がより好ましい。   The amount of the negative electrode active material with respect to the whole negative electrode active material layer is preferably in the range of 60 to 90% by mass, and more preferably in the range of 70 to 80% by mass, in relation to the amounts of the conductive additive and the binder.

上述したシリコン材料は半導体なので、シリコン材料と負極集電体との間において電子の授受を円滑に進行させるために、負極活物質層には比較的多くの導電助剤が必要となる。負極活物質層における導電助剤の配合量は、5〜20質量%の範囲内が好ましく、7〜15質量%の範囲内がより好ましく、10〜15質量%の範囲内がさらに好ましい。導電助剤は、正極で説明したものを適宜適切に採用すればよい。   Since the above-described silicon material is a semiconductor, a relatively large amount of conductive additive is required for the negative electrode active material layer in order to smoothly transfer electrons between the silicon material and the negative electrode current collector. The amount of the conductive additive in the negative electrode active material layer is preferably in the range of 5 to 20% by mass, more preferably in the range of 7 to 15% by mass, and still more preferably in the range of 10 to 15% by mass. What is necessary is just to employ | adopt suitably what was demonstrated with the positive electrode as a conductive support agent.

また、上述したシリコン材料は、充放電に伴う膨張及び収縮の程度が大きい。そのため、膨張及び収縮に伴いシリコン材料が負極から脱落するのを防止するためには、負極活物質層に比較的多くの結着剤が必要となる。負極活物質層における結着剤の配合量は、5〜20質量%の範囲内が好ましく、10〜15質量%の範囲内がより好ましい。   Further, the above-described silicon material has a large degree of expansion and contraction associated with charge / discharge. Therefore, in order to prevent the silicon material from falling off the negative electrode due to expansion and contraction, a relatively large amount of binder is required for the negative electrode active material layer. The blending amount of the binder in the negative electrode active material layer is preferably in the range of 5 to 20% by mass, and more preferably in the range of 10 to 15% by mass.

負極用の結着剤としては、正極で説明した結着剤や、スチレンブタジエンゴムなどの公知のものを1種類又は複数種類で採用すればよい。   As the binder for the negative electrode, one or a plurality of known binders described in the positive electrode or a styrene butadiene rubber may be employed.

また、国際公開第2016/063882号に開示される、ポリアクリル酸やポリメタクリル酸などのカルボキシル基含有ポリマーをジアミンなどのポリアミンで架橋した架橋ポリマーを、結着剤として用いてもよい。当該架橋ポリマーを結着剤として用いることに因り、本発明のリチウムイオン二次電池の特性がより好適となることが期待できる。   A cross-linked polymer obtained by cross-linking a carboxyl group-containing polymer such as polyacrylic acid or polymethacrylic acid with a polyamine such as diamine disclosed in International Publication No. 2016/063882 may be used as a binder. Due to the use of the crosslinked polymer as a binder, it can be expected that the characteristics of the lithium ion secondary battery of the present invention are more suitable.

架橋ポリマーに用いられるジアミンとしては、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン等のアルキレンジアミン、1,4−ジアミノシクロヘキサン、1,3−ジアミノシクロヘキサン、イソホロンジアミン、ビス(4−アミノシクロヘキシル)メタン等の含飽和炭素環ジアミン、m−フェニレンジアミン、p−フェニレンジアミン、4,4’−ジアミノジフェニルメタン、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、ビス(4−アミノフェニル)スルホン、ベンジジン、o−トリジン、2,4−トリレンジアミン、2,6−トリレンジアミン、キシリレンジアミン、ナフタレンジアミン等の芳香族ジアミンが挙げられる。   Examples of the diamine used in the crosslinked polymer include alkylene diamines such as ethylene diamine, propylene diamine, and hexamethylene diamine, 1,4-diaminocyclohexane, 1,3-diaminocyclohexane, isophorone diamine, and bis (4-aminocyclohexyl) methane. Saturated carbocyclic diamine, m-phenylenediamine, p-phenylenediamine, 4,4′-diaminodiphenylmethane, 4,4′-diaminodiphenyl ether, bis (4-aminophenyl) sulfone, benzidine, o-tolidine, 2,4- Aromatic diamines such as tolylenediamine, 2,6-tolylenediamine, xylylenediamine, and naphthalenediamine are exemplified.

集電体の表面に活物質層を形成させるには、ロールコート法、ダイコート法、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の従来から公知の方法を用いればよい。具体的には、活物質、溶剤、並びに必要に応じて結着剤及び導電助剤などを混合してスラリーにしてから、当該スラリーを集電体の表面に塗布後、乾燥する。溶剤としては、N−メチル−2−ピロリドン、メタノール、メチルイソブチルケトン、水を例示できる。電極密度を高めるべく、乾燥後のものを圧縮しても良い。   In order to form the active material layer on the surface of the current collector, a conventionally known method such as a roll coating method, a die coating method, a dip coating method, a doctor blade method, a spray coating method, or a curtain coating method may be used. Specifically, an active material, a solvent, and a binder and a conductive aid as necessary are mixed to form a slurry, and the slurry is applied to the surface of the current collector and then dried. Examples of the solvent include N-methyl-2-pyrrolidone, methanol, methyl isobutyl ketone, and water. In order to increase the electrode density, the dried product may be compressed.

次に、電解液について説明する。電解液は、電解質として比較的高濃度で(FSONLiを含む。比較的高濃度で(FSONLiを含む電解液を用いることで、本発明のリチウムイオン二次電池における負極表面には、(FSONLiに由来する独特なSEIが形成される。 Next, the electrolytic solution will be described. The electrolytic solution contains (FSO 2 ) 2 NLi at a relatively high concentration as an electrolyte. By using an electrolytic solution containing (FSO 2 ) 2 NLi at a relatively high concentration, a unique SEI derived from (FSO 2 ) 2 NLi is formed on the negative electrode surface of the lithium ion secondary battery of the present invention. .

電解液には、(FSONLi以外に、リチウムイオン二次電池の電解液に使用可能である他の電解質が含まれていてもよい。電解液には、含まれる全電解質に対し、(FSONLiが30質量%以上で含まれるのが好ましく、40質量%以上で含まれるのがより好ましく、50質量%以上で含まれるのがさらに好ましい。電解液に含まれる電解質すべてが(FSONLiであってもよい。 In addition to (FSO 2 ) 2 NLi, the electrolyte solution may include other electrolytes that can be used for the electrolyte solution of the lithium ion secondary battery. The electrolyte solution preferably contains (FSO 2 ) 2 NLi at 30% by mass or more, more preferably 40% by mass or more, and 50% by mass or more with respect to the total electrolyte contained. Is more preferable. All electrolyte contained in the electrolytic solution may be a (FSO 2) 2 NLi.

他の電解質として、LiPF、LiBF、LiAsF、LiSiF、(CFSONLi、(CSONLi、FSO(CFSO)NLi、(SOCFCFSO)NLi、(SOCFCFCFSO)NLi、FSO(CHSO)NLi、FSO(CSO)NLi、又はFSO(CSO)NLi、(OCOCOBLi、(OCOCO)BFLiを例示できる。 As other electrolytes, LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , Li 2 SiF 6 , (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, (C 2 F 5 SO 2 ) 2 NLi, FSO 2 (CF 3 SO 2 ) NLi, ( SO 2 CF 2 CF 2 SO 2 ) NLi, (SO 2 CF 2 CF 2 CF 2 SO 2) NLi, FSO 2 (CH 3 SO 2) NLi, FSO 2 (C 2 F 5 SO 2) NLi, or FSO 2 (C 2 H 5 SO 2 ) NLi, (OCOCO 2 ) 2 BLi, (OCOCO 2 ) BF 2 Li can be exemplified.

電解液は、有機溶媒として一般式(A)で表される鎖状カーボネート(以下、単に「鎖状カーボネート」ということがある。)を含む。   The electrolytic solution contains a chain carbonate represented by the general formula (A) as an organic solvent (hereinafter sometimes simply referred to as “chain carbonate”).

一般式(A)で表される鎖状カーボネートにおいて、nは1〜6の整数が好ましく、1〜4の整数がより好ましく、1〜2の整数が特に好ましい。mは3〜8の整数が好ましく、4〜7の整数がより好ましく、5〜6の整数が特に好ましい。   In the chain carbonate represented by the general formula (A), n is preferably an integer of 1 to 6, more preferably an integer of 1 to 4, and particularly preferably an integer of 1 to 2. m is preferably an integer of 3 to 8, more preferably an integer of 4 to 7, and particularly preferably an integer of 5 to 6.

鎖状カーボネートのうち、下記一般式(A−1)で表されるものが特に好ましい。   Of the chain carbonates, those represented by the following general formula (A-1) are particularly preferred.

OCOOR 一般式(A−1)
(R、Rは、それぞれ独立に、鎖状アルキルであるC、又は、環状アルキルを化学構造に含むCのいずれかから選択される。nは1以上の整数、mは3以上の整数、a、b、f、gはそれぞれ独立に0以上の整数であり、2n+1=a+b、2m−1=f+gを満たす。)
R 3 OCOOR 4 general formula (A-1)
(R 3 and R 4 are each independently selected from C n H a F b , which is a chain alkyl, or C m H f F g , which includes a cyclic alkyl in the chemical structure. N is 1 (The above integers, m is an integer of 3 or more, a, b, f, and g are each independently an integer of 0 or more, and satisfy 2n + 1 = a + b and 2m-1 = f + g.)

一般式(A−1)で表される鎖状カーボネートにおいて、nは1〜6の整数が好ましく、1〜4の整数がより好ましく、1〜2の整数が特に好ましい。mは3〜8の整数が好ましく、4〜7の整数がより好ましく、5〜6の整数が特に好ましい。   In the chain carbonate represented by the general formula (A-1), n is preferably an integer of 1 to 6, more preferably an integer of 1 to 4, and particularly preferably an integer of 1 to 2. m is preferably an integer of 3 to 8, more preferably an integer of 4 to 7, and particularly preferably an integer of 5 to 6.

鎖状カーボネートのうち、ジメチルカーボネート(以下、「DMC」ということがある。)、ジエチルカーボネート(以下、「DEC」ということがある。)、エチルメチルカーボネート(以下、「EMC」ということがある。)、フルオロメチルメチルカーボネート、ジフルオロメチルメチルカーボネート、トリフルオロメチルメチルカーボネート、ビス(フルオロメチル)カーボネート、ビス(ジフルオロメチル)カーボネート、ビス(トリフルオロメチル)カーボネート、フルオロメチルジフルオロメチルカーボネート、2,2,2−トリフルオロエチルメチルカーボネート、ペンタフルオロエチルメチルカーボネート、エチルトリフルオロメチルカーボネート、ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)カーボネートが特に好ましい。   Among the chain carbonates, dimethyl carbonate (hereinafter sometimes referred to as “DMC”), diethyl carbonate (hereinafter sometimes referred to as “DEC”), and ethyl methyl carbonate (hereinafter sometimes referred to as “EMC”). ), Fluoromethyl methyl carbonate, difluoromethyl methyl carbonate, trifluoromethyl methyl carbonate, bis (fluoromethyl) carbonate, bis (difluoromethyl) carbonate, bis (trifluoromethyl) carbonate, fluoromethyl difluoromethyl carbonate, 2,2, 2-trifluoroethyl methyl carbonate, pentafluoroethyl methyl carbonate, ethyl trifluoromethyl carbonate, bis (2,2,2-trifluoroethyl) carbonate are particularly preferred.

鎖状カーボネートは、1種類を電解液に用いても良いし、複数種類を併用しても良い。鎖状カーボネートの複数を併用することで、電解液の低温流動性や低温でのリチウムイオン輸送性などを好適に確保することができる。鎖状カーボネートの併用例として、DMC、DEC及びEMCから選択される2種又は3種の併用を挙げることができる。DMCと、DEC又はEMCとの併用において、これらのモル比は、DMC:DEC又はEMC=70:30〜95:5の範囲内が好ましい。   One type of chain carbonate may be used for the electrolytic solution, or a plurality of types may be used in combination. By using a plurality of chain carbonates in combination, it is possible to suitably ensure the low temperature fluidity of the electrolyte and the lithium ion transportability at low temperatures. As a combination example of the chain carbonate, two or three types selected from DMC, DEC and EMC can be used. In the combined use of DMC and DEC or EMC, these molar ratios are preferably within the range of DMC: DEC or EMC = 70: 30 to 95: 5.

電解液における有機溶媒には、上記鎖状カーボネート以外に、リチウムイオン二次電池などの電解液に使用可能である他の有機溶媒(以下、単に「他の有機溶媒」ということがある。)が含まれていてもよい。   In addition to the chain carbonate, the organic solvent in the electrolytic solution includes other organic solvents that can be used in an electrolytic solution such as a lithium ion secondary battery (hereinafter, simply referred to as “other organic solvent”). It may be included.

電解液には、含まれる全有機溶媒に対し、上記鎖状カーボネートが、70体積%、70質量%以上若しくは70モル%以上で含まれるのが好ましく、80体積%、80質量%以上若しくは80モル%以上で含まれるのがより好ましく、90体積%、90質量%以上若しくは90モル%以上で含まれるのが特に好ましい。電解液に含まれる有機溶媒すべてが上記鎖状カーボネートであってもよい。   The electrolytic solution preferably contains 70% by volume, 70% by mass or more, or 70% by mol or more of the chain carbonate with respect to the total organic solvent contained, and is 80% by volume, 80% by mass or more, or 80% by mol. %, More preferably 90% by volume, 90% by mass or more, or 90% by mole or more. All the organic solvents contained in the electrolytic solution may be the chain carbonate.

なお、他の有機溶媒を含む電解液は、他の有機溶媒を含まない電解液と比較して、粘度が上昇する場合や、イオン伝導度が低下する場合がある。さらに、他の有機溶媒を含む電解液を用いた二次電池は、その反応抵抗が増大する場合がある。   Note that an electrolytic solution containing another organic solvent may have a higher viscosity or lower ionic conductivity than an electrolytic solution not containing another organic solvent. Furthermore, the reaction resistance of a secondary battery using an electrolytic solution containing another organic solvent may increase.

他の有機溶媒を具体的に例示すると、アセトニトリル、プロピオニトリル、アクリロニトリル、マロノニトリル等のニトリル類、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、1,2−ジオキサン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、2,2−ジメチル−1,3−ジオキソラン、2−メチルテトラヒドロピラン、2−メチルテトラヒドロフラン、クラウンエーテル等のエーテル類、フルオロエチレンカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等の環状カーボネート類、ホルムアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン等のアミド類、イソプロピルイソシアネート、n−プロピルイソシアネート、クロロメチルイソシアネート等のイソシアネート類、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸プロピル、プロピオン酸メチル、蟻酸メチル、蟻酸エチル、酢酸ビニル、メチルアクリレート、メチルメタクリレート等のエステル類、グリシジルメチルエーテル、エポキシブタン、2−エチルオキシラン等のエポキシ類、オキサゾール、2−エチルオキサゾール、オキサゾリン、2−メチル−2−オキサゾリン等のオキサゾール類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン類、無水酢酸、無水プロピオン酸等の酸無水物、ジメチルスルホン、スルホラン等のスルホン類、ジメチルスルホキシド等のスルホキシド類、1−ニトロプロパン、2−ニトロプロパン等のニトロ類、フラン、フルフラール等のフラン類、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、δ−バレロラクトン等の環状エステル類、チオフェン、ピリジン等の芳香族複素環類、テトラヒドロ−4−ピロン、1−メチルピロリジン、N−メチルモルフォリン等の複素環類、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル等のリン酸エステル類を挙げることができる。   Specific examples of other organic solvents include nitriles such as acetonitrile, propionitrile, acrylonitrile, malononitrile, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 1,2-dioxane, 1, Ethers such as 3-dioxane, 1,4-dioxane, 2,2-dimethyl-1,3-dioxolane, 2-methyltetrahydropyran, 2-methyltetrahydrofuran, crown ether, fluoroethylene carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, etc. Cyclic carbonates, amides such as formamide, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, isopropyl isocyanate, n-propyl isocyanate, chloromethyl isocyanate Isocyanates such as methyl acetate, ethyl acetate, butyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, methyl formate, ethyl formate, vinyl acetate, methyl acrylate, methyl methacrylate, esters, glycidyl methyl ether, epoxy butane, 2-ethyl Epoxies such as oxirane, oxazoles such as oxazole, 2-ethyloxazole, oxazoline and 2-methyl-2-oxazoline, ketones such as acetone, methyl ethyl ketone and methyl isobutyl ketone, acid anhydrides such as acetic anhydride and propionic anhydride , Sulfones such as dimethyl sulfone and sulfolane, sulfoxides such as dimethyl sulfoxide, nitros such as 1-nitropropane and 2-nitropropane, furans such as furan and furfural, γ-butyrolactone, γ-vale Cyclic esters such as lactone and δ-valerolactone, aromatic heterocycles such as thiophene and pyridine, heterocycles such as tetrahydro-4-pyrone, 1-methylpyrrolidine and N-methylmorpholine, trimethyl phosphate, phosphorus And phosphoric acid esters such as triethyl acid.

電解液において、鎖状カーボネートは、(FSONLiに対して、モル比2〜6で含まれる。特許文献3に開示されている技術内容からみて、モル比は3〜5の範囲内が好ましいといえる。特許文献3で詳細に検討されているように、モル比が低すぎる又は高すぎる場合には、リチウムイオン二次電池の容量維持率が低下する場合がある。また、イオン伝導度及び低温安定性の両者をバランスよく満足するとの観点からは、電解液におけるモル比は3〜6の範囲が好ましい。 In the electrolytic solution, the chain carbonate is contained in a molar ratio of 2 to 6 with respect to (FSO 2 ) 2 NLi. In view of the technical contents disclosed in Patent Document 3, it can be said that the molar ratio is preferably in the range of 3 to 5. As discussed in detail in Patent Document 3, when the molar ratio is too low or too high, the capacity retention rate of the lithium ion secondary battery may be reduced. Further, from the viewpoint of satisfying both ionic conductivity and low-temperature stability in a balanced manner, the molar ratio in the electrolytic solution is preferably in the range of 3-6.

電解液における(FSONLiの濃度を例示すると、1.5〜3.5mol/L、2.0〜3.0mol/Lの範囲を挙げることができる。 Examples of the concentration of (FSO 2 ) 2 NLi in the electrolyte include 1.5 to 3.5 mol / L and 2.0 to 3.0 mol / L.

電解液には、炭化水素からなる有機溶媒が含まれていてもよい。炭化水素からなる有機溶媒を含む本発明の電解液は、その粘度が低くなるとの効果を期待できる。   The electrolytic solution may contain an organic solvent made of hydrocarbon. The electrolytic solution of the present invention containing an organic solvent made of hydrocarbon can be expected to have an effect that its viscosity is lowered.

上記炭化水素からなる有機溶媒としては、具体的にベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、o−キシレン、m−キシレン、p−キシレン、1−メチルナフタレン、ヘキサン、ヘプタン、シクロヘキサンを例示することができる。   Specific examples of the organic solvent composed of the hydrocarbon include benzene, toluene, ethylbenzene, o-xylene, m-xylene, p-xylene, 1-methylnaphthalene, hexane, heptane, and cyclohexane.

また、電解液には、難燃性の溶媒を加えることができる。難燃性の溶媒を電解液に加えることにより、電解液の安全度をさらに高めることができる。難燃性の溶媒としては、四塩化炭素、テトラクロロエタン、ハイドロフルオロエーテルなどのハロゲン系溶媒、リン酸トリメチル、リン酸トリエチルなどのリン酸誘導体を例示することができる。   In addition, a flame retardant solvent can be added to the electrolytic solution. By adding a flame retardant solvent to the electrolyte, the safety of the electrolyte can be further increased. Examples of the flame retardant solvent include halogen solvents such as carbon tetrachloride, tetrachloroethane, and hydrofluoroether, and phosphoric acid derivatives such as trimethyl phosphate and triethyl phosphate.

電解液をポリマーや無機フィラーと混合し混合物とすると、当該混合物が電解液を封じ込め、擬似固体電解質となる。擬似固体電解質を電池の電解液として用いることで、電池における電解液の液漏れを抑制することができる。   When the electrolytic solution is mixed with a polymer or an inorganic filler to form a mixture, the mixture contains the electrolytic solution and becomes a pseudo solid electrolyte. By using the pseudo-solid electrolyte as the battery electrolyte, leakage of the electrolyte in the battery can be suppressed.

また、電解液には、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、公知の添加剤を加えてもよい。公知の添加剤の一例として、フェニルエチレンカーボネート及びエリスリタンカーボネートに代表される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、フェニルコハク酸無水物に代表されるカルボン酸無水物;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、γ−カプロラクトン、δ−バレロラクトン、δ−カプロラクトン、ε−カプロラクトンに代表されるラクトン;1,4−ジオキサンに代表される環状エーテル;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、ブサルファン、スルホラン、スルホレン、ジメチルスルホン、テトラメチルチウラムモノスルフィドに代表される含硫黄化合物;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、N−メチルスクシンイミドに代表される含窒素化合物;モノフルオロリン酸塩、ジフルオロリン酸塩に代表されるリン酸塩;ヘプタン、オクタン、シクロヘプタンに代表される飽和炭化水素化合物;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、ジベンゾフランに代表される不飽和炭化水素化合物、ビニレンカーボネート、フルオロビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、フルオロ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、プロピルビニレンカーボネート、ブチルビニレンカーボネート、ジメチルビニレンカーボネート、ジエチルビニレンカーボネート、ジプロピル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、ビニルエチレンカーボネートに代表される不飽和環状カーボネートが挙げられる。   Moreover, you may add a well-known additive to electrolyte solution in the range which does not deviate from the meaning of this invention. Examples of known additives include carbonate compounds represented by phenylethylene carbonate and erythritan carbonate; succinic anhydride, glutaric anhydride, maleic anhydride, citraconic anhydride, glutaconic anhydride, itaconic anhydride, diglycolic anhydride , Cyclohexanedicarboxylic anhydride, cyclopentanetetracarboxylic dianhydride, carboxylic anhydrides represented by phenylsuccinic anhydride; γ-butyrolactone, γ-valerolactone, γ-caprolactone, δ-valerolactone, δ- Caprolactone, lactone represented by ε-caprolactone; cyclic ether represented by 1,4-dioxane; ethylene sulfite, 1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone, methyl methanesulfonate, busulfan, sulfolane, sulfo , Sulfur compounds represented by dimethylsulfone, tetramethylthiuram monosulfide; 1-methyl-2-pyrrolidinone, 1-methyl-2-piperidone, 3-methyl-2-oxazolidinone, 1,3-dimethyl-2- Nitrogen compounds represented by imidazolidinone and N-methylsuccinimide; phosphates represented by monofluorophosphate and difluorophosphate; saturated hydrocarbon compounds represented by heptane, octane and cycloheptane; biphenyl , Alkylbiphenyl, terphenyl, partially hydrogenated terphenyl, cyclohexylbenzene, t-butylbenzene, t-amylbenzene, diphenyl ether, unsaturated hydrocarbon compounds represented by dibenzofuran, vinylene carbonate, fluorovinylene carbonate, methyl vinylene -Unsaturated cyclic carbonates typified by boronate, fluoromethyl vinylene carbonate, ethyl vinylene carbonate, propyl vinylene carbonate, butyl vinylene carbonate, dimethyl vinylene carbonate, diethyl vinylene carbonate, dipropyl vinylene carbonate, trifluoromethyl vinylene carbonate, vinyl ethylene carbonate Can be mentioned.

本発明のリチウムイオン二次電池は、特定の正極活物質を備える正極と特定の負極活物質を備える負極と特定の電解液とを組み合わせたものであって、PN比が1.07〜1.13であることを特徴とする。PN比が1.07〜1.13であることに因り、本発明のリチウムイオン二次電池は初期効率に優れる。初期効率の点から、PN比としては1.07〜1.12が好ましく、1.08〜1.11がより好ましく、1.08〜1.10がさらに好ましく、1.09が特に好ましい。   The lithium ion secondary battery of the present invention is a combination of a positive electrode including a specific positive electrode active material, a negative electrode including a specific negative electrode active material, and a specific electrolyte solution, and has a PN ratio of 1.07 to 1. It is 13, It is characterized by the above-mentioned. Due to the PN ratio being 1.07-1.13, the lithium ion secondary battery of the present invention is excellent in initial efficiency. From the viewpoint of initial efficiency, the PN ratio is preferably 1.07 to 1.12, more preferably 1.08 to 1.11, still more preferably 1.08 to 1.10, and particularly preferably 1.09.

PN比は、正極活物質と、負極活物質と、電解液との組み合わせにより、好適な範囲が変動するといえる。特に、本発明のリチウムイオン二次電池は、ニッケル比率が高いリチウム金属複合酸化物と、独特の構造であり酸素などの不純物を含むシリコン材料と、初回充電時にシリコン材料表面で分解して特定のSEIを形成し得る電解液との組み合わせであるため、適切なPN比の設定には、試行錯誤を伴う多数の実験が不可欠であった。その要因として、シリコン材料自体の不可逆容量、及び、電解液に由来するSEIに因り生じる不可逆容量が、それぞれ独特である点が挙げられる。加えて、単位体積あたりの容量が大きい高容量型のリチウムイオン二次電池を目指して、ニッケル比率が高いリチウム金属複合酸化物を用い、かつPN比を1近傍に設計しようとしたことから、シリコン材料の量が相対的に少なくなり、その結果、シリコン材料に対する充電深度が大きくなって、一度の充放電であっても、シリコン材料の負極集電体からの剥離が生じ得た点も挙げられる。   It can be said that the preferred range of the PN ratio varies depending on the combination of the positive electrode active material, the negative electrode active material, and the electrolytic solution. In particular, the lithium ion secondary battery of the present invention has a lithium metal composite oxide with a high nickel ratio, a silicon material that has a unique structure and contains impurities such as oxygen, and is decomposed on the surface of the silicon material at the time of initial charge. Since it is a combination with an electrolytic solution capable of forming SEI, numerous experiments with trial and error were indispensable for setting an appropriate PN ratio. The factor is that the irreversible capacity of the silicon material itself and the irreversible capacity caused by SEI derived from the electrolyte are unique. In addition, aiming for a high-capacity lithium-ion secondary battery with a large capacity per unit volume, a lithium metal composite oxide with a high nickel ratio was used and the PN ratio was designed to be close to 1. The amount of the material is relatively reduced, and as a result, the depth of charge with respect to the silicon material is increased, and even when charging and discharging is performed once, the silicon material can be separated from the negative electrode current collector. .

PN比を1.07〜1.13の範囲内とするには、本発明のリチウムイオン二次電池に使用する、リチウム金属複合酸化物の使用量とシリコン材料の使用量とを適切に調整すればよい。具体的には、各物質の単位質量あたりの容量を鑑みて、各活物質層の形成の段階において、集電体に塗布する活物質含有スラリーの量を適宜決定すればよい。   In order to make the PN ratio within the range of 1.07 to 1.13, the usage amount of the lithium metal composite oxide and the usage amount of the silicon material used in the lithium ion secondary battery of the present invention should be appropriately adjusted. That's fine. Specifically, in view of the capacity per unit mass of each material, the amount of the active material-containing slurry applied to the current collector may be appropriately determined in the stage of forming each active material layer.

リチウム金属複合酸化物及びシリコン材料の単位質量あたりの容量は、以下の方法で決定する。   The capacities per unit mass of the lithium metal composite oxide and silicon material are determined by the following method.

リチウム金属複合酸化物を具備する電極を作用極とし、金属Liを対極としてハーフセルを製造する。上記ハーフセルを0.05Cレート(1Cとは一定電流において1時間で電池を完全充電又は完全放電させるために要する電流値を意味する。)の定電流で充放電させた時のリチウム金属複合酸化物の容量を測定し、その結果からリチウム金属複合酸化物の単位質量あたりの容量を算出する。
充放電の範囲は、実際に使用可能と想定される電圧の範囲とする。例えば、作用極の対極に対する電圧が4.3V〜2.5Vの範囲、4.3V〜2.8Vの範囲、4.2V〜3Vの範囲などで充放電することが想定される。後述する実施例においては、4.3V〜2.8Vの範囲で充放電した場合の初回放電容量を用いて、リチウム金属複合酸化物の単位質量あたりの容量を決定した。
A half cell is manufactured using an electrode having a lithium metal composite oxide as a working electrode and metal Li as a counter electrode. Lithium metal composite oxide when the half cell is charged / discharged at a constant current of 0.05C rate (1C means a current value required to fully charge or fully discharge the battery in one hour at a constant current). The capacity per unit mass of the lithium metal composite oxide is calculated from the result.
The range of charging / discharging shall be the range of the voltage assumed to be actually usable. For example, it is assumed that the voltage with respect to the counter electrode of the working electrode is charged / discharged in a range of 4.3V to 2.5V, a range of 4.3V to 2.8V, a range of 4.2V to 3V, and the like. In Examples described later, the capacity per unit mass of the lithium metal composite oxide was determined using the initial discharge capacity when charging / discharging in the range of 4.3 V to 2.8 V.

シリコン材料を具備する電極を作用極とし、金属Liを対極としてハーフセルを製造する。上記ハーフセルを0.05Cレートの定電流で、作用極の対極に対する電圧が0.01Vとなるまで充電させた時のシリコン材料の容量を測定し、その結果からシリコン材料の単位質量あたりの容量を算出する。後述する実施例においては、製造後のハーフセルを0.01Vとなるまで充電した場合の初回充電容量を用いて、シリコン材料の単位質量あたりの容量を決定した。   A half cell is manufactured using an electrode including a silicon material as a working electrode and metal Li as a counter electrode. The capacity of the silicon material was measured when the half cell was charged at a constant current of 0.05 C rate until the voltage with respect to the counter electrode of the working electrode became 0.01 V. From the result, the capacity per unit mass of the silicon material was determined. calculate. In the examples described later, the capacity per unit mass of the silicon material was determined using the initial charge capacity when the half cell after manufacture was charged to 0.01V.

本発明のリチウムイオン二次電池には必要に応じてセパレータが用いられる。セパレータは、正極と負極とを隔離し、両極の接触による短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。セパレータとしては、公知のものを採用すればよく、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミド、ポリアラミド(Aromatic polyamide)、ポリエステル、ポリアクリロニトリル等の合成樹脂、セルロース、アミロース等の多糖類、フィブロイン、ケラチン、リグニン、スベリン等の天然高分子、セラミックスなどの電気絶縁性材料を1種若しくは複数用いた多孔体、不織布、織布などを挙げることができる。また、セパレータは多層構造としてもよい。   A separator is used in the lithium ion secondary battery of the present invention as necessary. The separator separates the positive electrode and the negative electrode and allows lithium ions to pass while preventing a short circuit due to contact between the two electrodes. A known separator may be employed, such as polytetrafluoroethylene, polypropylene, polyethylene, polyimide, polyamide, polyaramid (Aromatic polyamide), polyester, polyacrylonitrile or other synthetic resin, cellulose, amylose or other polysaccharide, fibroin. And porous materials, nonwoven fabrics, woven fabrics, and the like using one or more electrical insulating materials such as natural polymers such as keratin, lignin, and suberin, and ceramics. The separator may have a multilayer structure.

本発明のリチウムイオン二次電池の具体的な製造方法について述べる。
正極及び負極に必要に応じてセパレータを挟装させ電極体とする。電極体は、正極、セパレータ及び負極を重ねた積層型、又は、正極、セパレータ及び負極を捲いた捲回型のいずれの型にしても良い。正極の集電体及び負極の集電体から外部に通ずる正極端子及び負極端子までを、集電用リード等を用いて接続した後に、電極体に本発明の電解液を加えてリチウムイオン二次電池とするとよい。また、本発明のリチウムイオン二次電池は、電極に含まれる活物質の種類に適した電圧範囲で充放電を実行されればよい。
A specific method for producing the lithium ion secondary battery of the present invention will be described.
If necessary, a separator is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode to form an electrode body. The electrode body may be either a stacked type in which the positive electrode, the separator and the negative electrode are stacked, or a wound type in which the positive electrode, the separator and the negative electrode are sandwiched. After connecting the current collector of the positive electrode and the current collector of the negative electrode to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal that communicate with the outside using a current collecting lead or the like, the electrolyte solution of the present invention is added to the electrode body and the lithium ion secondary Use batteries. Moreover, the lithium ion secondary battery of this invention should just be charged / discharged in the voltage range suitable for the kind of active material contained in an electrode.

本発明のリチウムイオン二次電池の形状は特に限定されるものでなく、円筒型、角型、コイン型、ラミネート型等、種々の形状を採用することができる。   The shape of the lithium ion secondary battery of the present invention is not particularly limited, and various shapes such as a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, and a laminate shape can be adopted.

本発明のリチウムイオン二次電池は、車両に搭載してもよい。車両は、その動力源の全部あるいは一部にリチウムイオン二次電池による電気エネルギーを使用している車両であればよく、例えば、電気車両、ハイブリッド車両などであるとよい。車両にリチウムイオン二次電池を搭載する場合には、リチウムイオン二次電池を複数直列に接続して組電池とするとよい。リチウムイオン二次電池を搭載する機器としては、車両以外にも、パーソナルコンピュータ、携帯通信機器など、電池で駆動される各種の家電製品、オフィス機器、産業機器などが挙げられる。さらに、本発明のリチウムイオン二次電池は、風力発電、太陽光発電、水力発電その他電力系統の蓄電装置及び電力平滑化装置、船舶等の動力及び/又は補機類の電力供給源、航空機、宇宙船等の動力及び/又は補機類の電力供給源、電気を動力源に用いない車両の補助用電源、移動式の家庭用ロボットの電源、システムバックアップ用電源、無停電電源装置の電源、電動車両用充電ステーションなどにおいて充電に必要な電力を一時蓄える蓄電装置に用いてもよい。   The lithium ion secondary battery of the present invention may be mounted on a vehicle. The vehicle may be a vehicle that uses electric energy generated by a lithium ion secondary battery for all or a part of its power source. For example, the vehicle may be an electric vehicle or a hybrid vehicle. When a lithium ion secondary battery is mounted on a vehicle, a plurality of lithium ion secondary batteries may be connected in series to form an assembled battery. Examples of devices equipped with lithium ion secondary batteries include various home appliances driven by batteries such as personal computers and portable communication devices, office devices, and industrial devices in addition to vehicles. Furthermore, the lithium ion secondary battery of the present invention includes wind power generation, solar power generation, hydroelectric power generation and other power system power storage devices and power smoothing devices, power supplies for ships and / or auxiliary power supply sources, aircraft, Power supply for spacecraft and / or auxiliary equipment, auxiliary power supply for vehicles that do not use electricity as a power source, power supply for mobile home robots, power supply for system backup, power supply for uninterruptible power supply, You may use for the electrical storage apparatus which stores temporarily the electric power required for charge in the charging station for electric vehicles.

以上、本発明の電解液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 embodiment of the electrolyte solution of this invention was described, 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.

以下に、製造例、評価例などを示し、本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、これらの具体例によって限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to production examples and evaluation examples. The present invention is not limited to these specific examples.

(電解液の製造)
鎖状カーボネートであるジメチルカーボネート及びエチルメチルカーボネートを72:28のモル比で混合した混合溶媒に、(FSONLiを加えて溶解させて製造例1の電解液を製造した。製造例1の電解液においては、(FSONLiに対する鎖状カーボネートのモル比は5であった。
(Manufacture of electrolyte)
The electrolytic solution of Production Example 1 was produced by adding (FSO 2 ) 2 NLi and dissolving it in a mixed solvent in which dimethyl carbonate and ethyl methyl carbonate, which are chain carbonates, were mixed at a molar ratio of 72:28. In the electrolytic solution of Production Example 1, the molar ratio of the chain carbonate to (FSO 2 ) 2 NLi was 5.

(リチウムイオン二次電池の製造)
製造例1の電解液を用いて、表1に記載の各リチウム金属複合酸化物を用い、かつ表1のとおりにPN比を調整して、以下の手順で各製造例のリチウムイオン二次電池を製造した。なお、各製造例のリチウムイオン二次電池において、正極集電体の単位面積あたりの正極活物質層の量は22〜23.5mg/cmの範囲内であり、負極集電体の単位面積あたりの負極活物質層の量は3.4〜3.5mg/cmの範囲内であった。
(Manufacture of lithium ion secondary batteries)
Using the electrolytic solution of Production Example 1, using each lithium metal composite oxide shown in Table 1, and adjusting the PN ratio as shown in Table 1, the lithium ion secondary battery of each Production Example was prepared according to the following procedure. Manufactured. In the lithium ion secondary battery of each production example, the amount of the positive electrode active material layer per unit area of the positive electrode current collector is in the range of 22 to 23.5 mg / cm 2 , and the unit area of the negative electrode current collector The amount of the negative electrode active material layer was in the range of 3.4 to 3.5 mg / cm 2 .

リチウム金属複合酸化物を94質量部、導電助剤としてアセチレンブラック3質量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデン3質量部、及び、適量のN−メチル−2−ピロリドンを混合して、スラリーを製造した。正極用集電体としてアルミニウム箔を準備した。このアルミニウム箔の表面に、ドクターブレードを用いて上記スラリーが膜状になるように塗布した。スラリーが塗布されたアルミニウム箔を乾燥することで、N−メチル−2−ピロリドンを除去した。その後、当該アルミニウム箔をプレスし接合物を得た。得られた接合物を真空乾燥機で加熱乾燥して、正極活物質層が形成されたアルミニウム箔からなる正極を製造した。   94 parts by mass of a lithium metal composite oxide, 3 parts by mass of acetylene black as a conductive additive, 3 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder, and an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone are mixed to produce a slurry. did. An aluminum foil was prepared as a positive electrode current collector. The slurry was applied to the surface of the aluminum foil using a doctor blade so as to form a film. The aluminum foil coated with the slurry was dried to remove N-methyl-2-pyrrolidone. Thereafter, the aluminum foil was pressed to obtain a bonded product. The obtained joined product was heated and dried with a vacuum dryer to produce a positive electrode made of an aluminum foil on which a positive electrode active material layer was formed.

炭素被覆されたシリコン材料を72.5質量部、導電助剤としてアセチレンブラックを13.5質量部、結着剤としてポリアクリル酸と4,4’−ジアミノジフェニルメタンとの混合物を14質量部、及び、適量のN−メチル−2−ピロリドンを混合して、スラリーを製造した。負極用集電体として銅箔を準備した。この銅箔の表面に、ドクターブレードを用いて、上記スラリーを膜状に塗布した。スラリーが塗布された銅箔を乾燥することでN−メチル−2−ピロリドンを除去して、負極活物質層が形成された負極を製造した。なお、結着剤として用いたポリアクリル酸と4,4’−ジアミノジフェニルメタンとの混合物は、乾燥にて脱水反応が進行して、ポリアクリル酸を4,4’−ジアミノジフェニルメタンで架橋した架橋ポリマーに変化する。   72.5 parts by mass of carbon-coated silicon material, 13.5 parts by mass of acetylene black as a conductive auxiliary agent, 14 parts by mass of a mixture of polyacrylic acid and 4,4′-diaminodiphenylmethane as a binder, and An appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone was mixed to prepare a slurry. A copper foil was prepared as a negative electrode current collector. The slurry was applied in a film form on the surface of the copper foil using a doctor blade. The copper foil coated with the slurry was dried to remove N-methyl-2-pyrrolidone to produce a negative electrode on which a negative electrode active material layer was formed. The mixture of polyacrylic acid and 4,4′-diaminodiphenylmethane used as the binder is a crosslinked polymer in which the dehydration reaction proceeds by drying and the polyacrylic acid is crosslinked with 4,4′-diaminodiphenylmethane. To change.

セパレータとして、ポリオレフィン製多孔質膜を準備した。正極と負極とでセパレータを挟持し、極板群とした。この極板群を二枚一組のラミネートフィルムで覆い、三辺をシールした後、袋状となったラミネートフィルムに製造例1の電解液を注入した。その後、残りの一辺をシールすることで、四辺が気密にシールされ、極板群および電解液が密閉されたリチウムイオン二次電池を製造した。   A polyolefin porous membrane was prepared as a separator. A separator was sandwiched between the positive electrode and the negative electrode to form an electrode plate group. The electrode plate group was covered with a set of two laminated films, and the three sides were sealed. Then, the electrolytic solution of Production Example 1 was injected into the laminated film in a bag shape. Thereafter, the remaining one side was sealed to produce a lithium ion secondary battery in which the four sides were hermetically sealed and the electrode plate group and the electrolyte were sealed.

(評価例1)
各リチウムイオン二次電池につき、25℃、0.4C以下の低電流にて、4.2Vまで充電し、その後、0.33Cで2.8Vまで放電した。そして、以下の式で初期効率を算出した。結果を表2及び図1に示す。図1には、結果から算出した3次多項式近似曲線も示す。
初期効率=100×(4.2Vから2.8Vまでの放電容量)/(4.2Vまでの充電容量)
(Evaluation example 1)
Each lithium ion secondary battery was charged to 4.2 V at 25 ° C. and a low current of 0.4 C or less, and then discharged to 2.8 V at 0.33 C. And the initial efficiency was computed with the following formula | equation. The results are shown in Table 2 and FIG. FIG. 1 also shows a cubic polynomial approximate curve calculated from the result.
Initial efficiency = 100 × (discharge capacity from 4.2V to 2.8V) / (charge capacity up to 4.2V)

図1から、PN比が1.17から1.1へ減少するに従い、初期効率が増加する傾向が観察されたものの、PN比が1.09よりも小さくなると、初期効率が低下する傾向が観察された。PN比が1.09よりも小さくなると、シリコン材料に対する充電深度が大きくなる結果、シリコン材料の膨張及び収縮の程度が大きくなり、一度の充放電であっても、シリコン材料の負極集電体からの剥離が生じたため、初期効率が低下したと考えられる。   As shown in FIG. 1, the initial efficiency tends to increase as the PN ratio decreases from 1.17 to 1.1. However, when the PN ratio becomes smaller than 1.09, the initial efficiency tends to decrease. It was done. When the PN ratio is smaller than 1.09, the depth of charge for the silicon material increases, and as a result, the degree of expansion and contraction of the silicon material increases, and even from a single charge / discharge, the negative electrode current collector of the silicon material increases. It is considered that the initial efficiency was lowered due to the occurrence of peeling.

図1に示す3次多項式近似曲線は、PN比が1.09付近で極大値を示す。3次多項式近似曲線のPN比と初期効率の関係からみて、PN比が1.07〜1.13の範囲内のリチウムイオン二次電池は、初期効率に優れるといえる。図1に示す3次多項式近似曲線の相関係数rは0.91であり、PN比と初期効率には強い相関があることが統計学的に確認できる。なお、結果について、近似曲線を線形とした場合の相関係数rは0.61であり、近似曲線を2次多項式近似曲線とした場合の相関係数rは0.87であったので、3次多項式近似曲線に基づいた判断は妥当といえる。
本発明のリチウムイオン二次電池が好適な初期効率を示すことが裏付けられた。
The cubic polynomial approximate curve shown in FIG. 1 shows a maximum value when the PN ratio is around 1.09. In view of the relationship between the PN ratio of the cubic polynomial approximate curve and the initial efficiency, it can be said that the lithium ion secondary battery having a PN ratio in the range of 1.07 to 1.13 is excellent in the initial efficiency. The correlation coefficient r of the cubic polynomial approximate curve shown in FIG. 1 is 0.91, and it can be statistically confirmed that there is a strong correlation between the PN ratio and the initial efficiency. Regarding the results, the correlation coefficient r when the approximate curve is linear is 0.61, and the correlation coefficient r when the approximate curve is a quadratic polynomial approximate curve is 0.87. Judgment based on a polynomial approximation curve is reasonable.
It was confirmed that the lithium ion secondary battery of the present invention has a suitable initial efficiency.

Claims (3)

層状岩塩構造の一般式:LiNiCo(0.2≦a≦2、0.7≦b<1、0<c<0.3、0<d<0.3、0≦e<0.2、b+c+d+e=1、MはAl及び/又はMnである。DはW、Mo、Re、Pd、Ba、Cr、B、Sb、Sr、Pb、Ga、Nb、Mg、Ta、Ti、La、Zr、Cu、Ca、Ir、Hf、Rh、Fe、Ge、Zn、Ru、Sc、Sn、In、Y、Bi、S、Si、Na、K、P、Vから選ばれる少なくとも1の元素である。1.7≦f≦3)で表されるリチウム金属複合酸化物を備える正極と、
複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有するシリコン材料を備える負極と、
(FSONLi及び下記一般式(A)で表される鎖状カーボネートを含み、かつ、前記(FSONLiに対する前記鎖状カーボネートのモル比が2〜6の範囲内である電解液と、を具備し、
(前記負極の容量)/(前記正極の容量)の値が1.07〜1.13であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
OCOOR 一般式(A)
(R、Rは、それぞれ独立に、鎖状アルキルであるCClBr、又は、環状アルキルを化学構造に含むCClBrのいずれかから選択される。nは1以上の整数、mは3以上の整数、a、b、c、d、e、f、g、h、i、jはそれぞれ独立に0以上の整数であり、2n+1=a+b+c+d+e、2m−1=f+g+h+i+jを満たす。)
Formula of the layered rock salt structure: Li a Ni b Co c M d D e O f (0.2 ≦ a ≦ 2,0.7 ≦ b <1,0 <c <0.3,0 <d <0. 3, 0 ≦ e <0.2, b + c + d + e = 1, M is Al and / or Mn, D is W, Mo, Re, Pd, Ba, Cr, B, Sb, Sr, Pb, Ga, Nb, From Mg, Ta, Ti, La, Zr, Cu, Ca, Ir, Hf, Rh, Fe, Ge, Zn, Ru, Sc, Sn, In, Y, Bi, S, Si, Na, K, P, V A positive electrode comprising a lithium metal composite oxide represented by 1.7 ≦ f ≦ 3), which is at least one element selected;
A negative electrode comprising a silicon material having a structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are laminated in the thickness direction;
Electrolysis including a chain carbonate represented by (FSO 2 ) 2 NLi and the following general formula (A) and having a molar ratio of the chain carbonate to (FSO 2 ) 2 NLi in the range of 2 to 6. A liquid,
A lithium ion secondary battery having a value of (capacity of the negative electrode) / (capacity of the positive electrode) of 1.07 to 1.13.
R 1 OCOOR 2 general formula (A)
(R 1 and R 2 are each independently C n H a F b Cl c Br d I e which is a chain alkyl, or C m H f F g Cl h Br i I containing a cyclic alkyl in the chemical structure. selected from j , n is an integer of 1 or more, m is an integer of 3 or more, a, b, c, d, e, f, g, h, i, j are each independently an integer of 0 or more 2n + 1 = a + b + c + d + e, 2m-1 = f + g + h + i + j is satisfied.)
前記一般式において、MがAlであり、0.75≦b≦0.95、0<c≦0.2、0<d≦0.05を満足する請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。   2. The lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein in the general formula, M is Al, and 0.75 ≦ b ≦ 0.95, 0 <c ≦ 0.2, and 0 <d ≦ 0.05 are satisfied. . 前記一般式において、MがMnであり、0.75≦b≦0.9、0<c≦0.2、0<d≦0.1を満足する請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。   2. The lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein in the general formula, M is Mn, and 0.75 ≦ b ≦ 0.9, 0 <c ≦ 0.2, and 0 <d ≦ 0.1 are satisfied. .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113678286A (en) * 2019-03-07 2021-11-19 株式会社Lg新能源 Lithium secondary battery
WO2023206592A1 (en) * 2022-04-26 2023-11-02 松山湖材料实验室 Negative electrode plate and battery

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