JP2018172781A - Lithium powder, negative electrode for lithium ion secondary battery prepared therewith, and lithium ion secondary battery prepared with the negative electrode for lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウム粉、これを用いたリチウムイオン二次電池用負極、及び、このリチウムイオン二次電池用負極を用いたリチウムイオン二次電池に関するものである。 The present invention relates to lithium powder, a negative electrode for a lithium ion secondary battery using the lithium powder, and a lithium ion secondary battery using the negative electrode for the lithium ion secondary battery.
リチウムイオン二次電池は、携帯電子機器、電動工具、ドローン、XEV、据置型電源などの多種多様の製品の電源として使用されている。そして、製品の小型化、高機能化に伴い、これらの電源となるリチウムイオン二次電池への更なる高エネルギー密度化が期待されている。 Lithium ion secondary batteries are used as a power source for a wide variety of products such as portable electronic devices, power tools, drones, XEVs, stationary power sources, and the like. And with the miniaturization and high functionality of products, further increase in energy density is expected for lithium ion secondary batteries serving as these power sources.
現在、リチウムイオン二次電池の負極活物質として、黒鉛等の炭素材料が多く使用されているが、高エネルギー密度化のため、近年では黒鉛よりも放電容量の大きいSi、SiOx、Sn等の合金系負極活物質が数多く検討されている。 At present, carbon materials such as graphite are often used as negative electrode active materials for lithium ion secondary batteries. However, in order to increase the energy density, in recent years, such as Si, SiO x , Sn, etc., which have a larger discharge capacity than graphite. Many alloy negative electrode active materials have been studied.
しかし、黒鉛、Si、SiOx、Sn等には不可逆容量がある。これは、充電時に負極活物質に挿入されたリチウムイオンが、負極活物質にトラップされてしまい、放電時に負極活物質から脱離しない現象である。この不可逆容量を低減させるために、黒鉛では黒鉛化度を上げるなどの方法がなされて来た。また、別の方法として、あらかじめ、リチウムと負極とを接触させ不可逆容量の原因となっている化学種とリチウムとを電気化学反応させて、不可逆容量を少なくするという方法がある。そして、これに使用されるリチウムの形態としては、箔と粉とがある。箔は、薄いリチウム箔を製造し難く、また薄いリチウム箔は機械的強度が弱いので切れやすく製造工程で使用が難しいという欠点がある。これに対し、リチウム粉は負極と均一に反応し易いという長所がある。しかしながら、リチウム粉はリチウム箔に比較し比表面積が大きいので、使用環境中の水分、窒素、二酸化炭素などと反応してしまい、取扱いが難しいという問題があった。 However, graphite, Si, SiO x , Sn, etc. have irreversible capacity. This is a phenomenon in which lithium ions inserted into the negative electrode active material during charging are trapped in the negative electrode active material and do not desorb from the negative electrode active material during discharge. In order to reduce this irreversible capacity, methods such as increasing the degree of graphitization have been made in graphite. As another method, there is a method of reducing the irreversible capacity by bringing lithium and a negative electrode into contact with each other in advance so that a chemical species causing irreversible capacity and lithium react with each other. And as a form of lithium used for this, there are foil and powder. The foil has a drawback that it is difficult to produce a thin lithium foil, and that the thin lithium foil has a low mechanical strength and thus is easily cut and difficult to use in the production process. On the other hand, lithium powder has an advantage that it easily reacts uniformly with the negative electrode. However, since lithium powder has a larger specific surface area than lithium foil, it has a problem that it is difficult to handle because it reacts with moisture, nitrogen, carbon dioxide, etc. in the use environment.
特許文献1には、炭酸リチウム、酸化リチウム及び水酸化リチウムから選ばれるリチウム化合物を含有する酸素及び炭化水素を含有する表面被覆リチウム粉が開示されている。この構造により、大気中の成分と比較的非反応性になり、そしてそのような周囲の大気中で一つの容器から他の容器へ発火の危険又は活性の損失なしに移動し得るようになったと記載されている。特許文献2には、リチウム粉表面にワックス及び無機コーティングがなされており、無機コーティングが炭酸リチウム、LiF、Li3PO4、SiO2、Li4SiO4、LiAlO2、Li2TiO3、及びLiNbO3からなる群より選択されるリチウム粉が開示されている。特許文献3には、(a)溶融したリチウム金属を得るために、リチウム粉をその融点より高く加熱するステップと、(b)前記溶融したリチウム金属を分散するステップと、(c)リン酸リチウムの実質的に連続した保護層を前記リチウム粉上に得るために、前記分散された溶融リチウム金属をリン含有化合物に接触させるステップとを含む安定したリチウム粉を提供する方法が開示されている。 Patent Document 1 discloses a surface-coated lithium powder containing oxygen and a hydrocarbon containing a lithium compound selected from lithium carbonate, lithium oxide and lithium hydroxide. This structure makes it relatively non-reactive with atmospheric components and can move from one container to another in such surrounding atmosphere without risk of ignition or loss of activity. Have been described. In Patent Document 2, a wax and an inorganic coating are formed on the surface of lithium powder, and the inorganic coating is lithium carbonate, LiF, Li 3 PO 4 , SiO 2 , Li 4 SiO 4 , LiAlO 2 , Li 2 TiO 3 , and LiNbO. A lithium powder selected from the group consisting of 3 is disclosed. Patent Document 3 includes (a) a step of heating a lithium powder above its melting point to obtain a molten lithium metal, (b) a step of dispersing the molten lithium metal, and (c) a lithium phosphate. Contacting the dispersed molten lithium metal with a phosphorus-containing compound to obtain a substantially continuous protective layer on the lithium powder.
しかしながら、特許文献1から3に記載の技術では、リチウム粉の大気中における保存安定性が十分でなかった。 However, in the techniques described in Patent Documents 1 to 3, the storage stability of lithium powder in the atmosphere is not sufficient.
そこで、本発明は前記課題を解決するためになされたものであり、大気中での保存安定性に優れたリチウム粉、これを用いたリチウムイオン二次電池用負極、及び、この負極を用いたリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems, and lithium powder excellent in storage stability in the atmosphere, a negative electrode for a lithium ion secondary battery using the lithium powder, and the negative electrode were used. An object is to provide a lithium ion secondary battery.
前記課題を解決するために、本発明にかかるリチウム粉は、金属リチウムからなるコアと、前記コアの表面の少なくとも一部を被覆する被覆層とを備え、前記被覆層は炭酸リチウムを含有し、前記炭酸リチウムの表面の少なくとも一部に酸化リチウムが存在しているリチウム粉である。 In order to solve the above problems, a lithium powder according to the present invention includes a core made of metallic lithium and a coating layer covering at least a part of the surface of the core, the coating layer containing lithium carbonate, It is a lithium powder in which lithium oxide is present on at least a part of the surface of the lithium carbonate.
前期コアの表面の少なくとも一部を被覆するとは、前記コアの表面の50%以上、好ましくは80%以上を被覆していることを意味する。 Covering at least a part of the surface of the core in the previous period means covering 50% or more, preferably 80% or more of the surface of the core.
本発明にかかる構成によれば、前記のリチウム粉は大気中において優れた保存安定性を有する。従来のリチウム粉は、コアの金属リチウムの表面に炭酸リチウムを含む被膜が存在しているのに対し、本願のリチウム粉は、リチウムの表面に炭酸リチウムの表面の少なくとも一部に酸化リチウムが存在している。本願のリチウム粉が優れた保存安定性を有する作用効果は必ずしも明確ではないが、酸化リチウムは下式(1)のように水分と反応し、水酸化リチウムとなる。このように水分と反応し、水分がコアのリチウムまで透過することを抑制する効果があると考えられる。このようなメカニズムで、大気中における保存安定性が向上すると考えられる。
Li2O + H2O → 2LiOH (1)
According to the structure concerning this invention, the said lithium powder has the outstanding storage stability in air | atmosphere. The conventional lithium powder has a coating containing lithium carbonate on the surface of the metallic lithium core, whereas the lithium powder of the present application has lithium oxide on at least a part of the lithium carbonate surface on the lithium surface. doing. The effect of the lithium powder of the present application having excellent storage stability is not necessarily clear, but lithium oxide reacts with moisture as shown in the following formula (1) to become lithium hydroxide. Thus, it is thought that there exists an effect which reacts with a water | moisture content and suppresses a water | moisture content permeating | transmitting to lithium of a core. Such a mechanism is considered to improve storage stability in the atmosphere.
Li 2 O + H 2 O → 2LiOH (1)
前記被覆層は、コア上の少なくとも一部に存在する第一の被膜層と、第一の被膜層上に存在する第二の被膜層からなり、前記第一の被膜層はリチウムカーバイドを含有し、前記第二の被膜層は前記炭酸リチウムを含有することがより好ましい。 The coating layer includes a first coating layer present on at least a part of the core and a second coating layer present on the first coating layer, and the first coating layer contains lithium carbide. More preferably, the second coating layer contains the lithium carbonate.
かかる構成によれば、このリチウム粉は大気中において優れた保存安定性を有する。この作用効果は必ずしも明確ではないが、リチウムカーバイドは下記の化式(2)のように水分と反応し、水酸化リチウムとなる。このように水分と反応し、水分がコアのリチウムまで透過することを抑制する効果があると考えられる。このようなメカニズムで、大気中における保存安定性が向上すると考えられる。
Li2C2 + 2H2O → 2LiOH + C2H2 (2)
According to this configuration, the lithium powder has excellent storage stability in the air. Although this effect is not necessarily clear, lithium carbide reacts with moisture as shown in the following chemical formula (2) to become lithium hydroxide. Thus, it is thought that there exists an effect which reacts with a water | moisture content and suppresses a water | moisture content permeating | transmitting to lithium of a core. Such a mechanism is considered to improve storage stability in the atmosphere.
Li 2 C 2 + 2H 2 O → 2LiOH + C 2 H 2 (2)
前記第二の被膜層は、水酸化リチウムを含有するリチウム粉であることがより好ましい。 More preferably, the second coating layer is a lithium powder containing lithium hydroxide.
リチウム粉全体に占める水酸化リチウムの含有率は、0.01質量%〜1質量%がより好ましい。 The content of lithium hydroxide in the entire lithium powder is more preferably 0.01% by mass to 1% by mass.
前記リチウム粉中に占めるリチウム金属含有率が80〜98質量%であるリチウム粉がより好ましい。 A lithium powder having a lithium metal content of 80 to 98% by mass in the lithium powder is more preferable.
かかる構成によれば、このリチウム粉は、このリチウム粉と負極とを接触させて不可逆容量の原因となっている化学種とリチウムとを電気化学反応させることにより不可逆容量を低減させる効果が得られやすい。 According to such a configuration, the lithium powder has an effect of reducing the irreversible capacity by bringing the lithium powder and the negative electrode into contact with each other and causing an electrochemical reaction between the chemical species causing the irreversible capacity and lithium. Cheap.
前記第二の被膜層の厚みが59nm〜2060nmであるリチウム粉がより好ましい。 Lithium powder having a thickness of the second coating layer of 59 nm to 2060 nm is more preferable.
かかる構成によれば、被膜の厚みが前記範囲である場合、この被膜が大気中の水分、二酸化炭素、窒素などをブロックし、コアのリチウムとこれらとの反応が抑制され、大気中においてより優れた保存特性が得られる。 According to such a configuration, when the thickness of the coating is in the above range, this coating blocks moisture, carbon dioxide, nitrogen, etc. in the atmosphere, and the reaction between lithium in the core and these is suppressed, which is superior in the atmosphere. Storage characteristics are obtained.
前記第一の被膜層の厚みが1nm〜10nmであるリチウム粉がより好ましい。 A lithium powder having a thickness of the first coating layer of 1 nm to 10 nm is more preferable.
かかる構成によれば、被膜の厚みが前記範囲である場合、この被膜が大気中の水分、二酸化炭素、窒素などをブロックし、コアのリチウムとこれらとの反応が抑制され、大気中においてより優れた保存特性が得られる。 According to such a configuration, when the thickness of the coating is in the above range, this coating blocks moisture, carbon dioxide, nitrogen, etc. in the atmosphere, and the reaction between lithium in the core and these is suppressed, which is superior in the atmosphere. Storage characteristics are obtained.
前記酸化リチウムは粒子であって、前記粒子の粒子径が1nm〜2000nmであるリチウム粉がより好ましい。 The lithium oxide is particles, and lithium powder having a particle diameter of 1 nm to 2000 nm is more preferable.
かかる構成によれば、粒子径が前記範囲である場合、この粒子が大気中の水分、二酸化炭素、窒素などをブロックし、コアのリチウムとこれらとの反応が抑制され、大気中においてより優れた保存特性が得られる。 According to such a configuration, when the particle size is in the above range, the particles block moisture, carbon dioxide, nitrogen, etc. in the atmosphere, and the reaction between lithium in the core and these is suppressed, which is superior in the atmosphere. Storage characteristics are obtained.
前記酸化リチウムは層状であって、前記層の厚みが1nm〜2000nmであるリチウム粉が好ましい。 The lithium oxide is layered, and lithium powder having a thickness of 1 nm to 2000 nm is preferable.
かかる構成によれば、被膜の厚みが前記範囲である場合、この被膜が大気中の水分、二酸化炭素、窒素などをブロックし、コアのリチウムとこれらとの反応が抑制され、大気中においてより優れた保存特性が得られる。 According to such a configuration, when the thickness of the coating is in the above range, this coating blocks moisture, carbon dioxide, nitrogen, etc. in the atmosphere, and the reaction between lithium in the core and these is suppressed, which is superior in the atmosphere. Storage characteristics are obtained.
前記のリチウム粉を用いてリチウムイオンをドープしたリチウムイオン二次電池用負極が得られる。 The negative electrode for lithium ion secondary batteries which doped the lithium ion using the said lithium powder is obtained.
前記のリチウムイオン二次電池用負極、電解質、及び正極を備えたリチウムイオン二次電池が得られる。 The lithium ion secondary battery provided with the said negative electrode for lithium ion secondary batteries, electrolyte, and a positive electrode is obtained.
本発明によれば、大気中における保存安定性に優れたリチウム粉、これを用いたリチウムイオン二次電池用負極、及び、これを用いたリチウムイオン二次電池が得られる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the lithium powder excellent in the storage stability in air | atmosphere, the negative electrode for lithium ion secondary batteries using the same, and a lithium ion secondary battery using the same are obtained.
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the dimensional ratio of drawing is not restricted to the ratio of illustration.
以下、電極が、リチウムイオン二次電池に用いられる電極である場合について、図1を参照しながら具体的に説明する。図1は、本実施形態及び比較例にかかるリチウムイオン二次電池100を示す模式断面図である。
Hereinafter, the case where an electrode is an electrode used for a lithium ion secondary battery will be specifically described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a lithium ion
(リチウムイオン二次電池)
リチウムイオン二次電池100は、主として、積層体30と電解質から構成され、積層体30を密閉した状態で収容するケース50、及び積層体30に接続された一対の端子60、62を備えている。
(Lithium ion secondary battery)
The lithium ion
積層体30は、一対の正極10、負極20がセパレータ18を挟んで対向配置されたものである。正極10は、板状(箔状)の正極集電体12上に正極合剤層14が設けられたものである。負極20は、板状(箔状)の負極集電体22上に負極合剤層24が設けられたものである。正極合剤層14及び負極合剤層24がセパレータ18の両側にそれぞれ接触している。正極集電体12及び負極集電体22の端部には、それぞれ端子60、62が接続されており、端子60、62の端部はケース50の外部にまで延びている。
The laminated body 30 is configured such that a pair of the
以下、正極10及び負極20を総称して、電極と言い、正極集電体12及び負極集電体22を総称して集電体と言い、正極合剤層14及び負極合剤層24を総称して合剤層と言う。
Hereinafter, the
まず、正極10及び負極20について具体的に説明する。
(正極)
正極10は、板状(箔状)の正極集電体12上に正極合剤層14が設けられたものである。
(正極集電体)
正極集電体12は、充電時の酸化に耐え腐食しにくい電子導電性の材料であれば良く、例えば、アルミニウム、ステンレス、ニッケルなどの金属箔、または、導電性樹脂箔を用いることができる。
(正極合剤層)
正極合剤層14は、正極活物質、バインダー及び導電助剤を含むものである。
First, the
(Positive electrode)
The
(Positive electrode current collector)
The positive electrode
(Positive electrode mixture layer)
The positive
(正極活物質)
正極活物質は、リチウムイオンの吸蔵・放出、挿入・脱離(インターカレーション・デインターカレーション)、または、該リチウムイオンのカウンターアニオン(例えば、PF6 −、BF4 −またはClO4 −)のドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池に用いられている正極活物質を使用できる。例えば、リチウム含有金属酸化物、リチウム含有金属リン酸化物などが挙げられる。リチウム含有金属酸化物としては、例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、リチウムマンガンスピネル(LiMn2O4)、及び、一般式:LiNixCoyMnzO2(x+y+z=1)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物(LiVOPO4、Li3V2(PO4)3)、オリビン型LiMPO4(ただし、Mは、Co、Ni、Mn又はFeを示す)、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)などが挙げられる。
(Positive electrode active material)
The positive electrode active material is occlusion / release of lithium ions, insertion / desorption (intercalation / deintercalation), or a counter anion of the lithium ions (for example, PF 6 − , BF 4 − or ClO 4 − ). There is no particular limitation as long as the doping and dedoping can proceed reversibly, and a positive electrode active material used in a known lithium ion secondary battery can be used. For example, lithium-containing metal oxide, lithium-containing metal phosphorus oxide, and the like can be given. Examples of the lithium-containing metal oxide include lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganese spinel (LiMn 2 O 4 ), and a general formula: LiNi x Co y Mn z O 2 ( x + y + z = 1), composite metal oxide, lithium vanadium compound (LiVOPO 4 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 ), olivine-type LiMPO 4 (where M represents Co, Ni, Mn or Fe) ) And lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ).
また、あらかじめ負極にリチウムイオンをドープしておけば、リチウムを含有していない正極活物質も使用できる。リチウム非含有金属酸化物(MnO2、V2O5など)、リチウム非含有金属硫化物(MoS2、TiS2など)、リチウム非含有フッ化物(FeF3、VF3など)なども挙げられる。 Further, if the negative electrode is doped with lithium ions in advance, a positive electrode active material not containing lithium can also be used. Non-lithium-containing metal oxides (MnO 2 , V 2 O 5, etc.), lithium-free metal sulfides (MoS 2 , TiS 2, etc.), lithium-free fluorides (FeF 3 , VF 3, etc.) are also included.
(バインダー)
正極活物質と正極活物質、正極活物質と導電助剤、正極活物質と集電体とを接着させるために、正極合剤層にはバインダーを添加する。バインダーに要求される特性としては、電解液に溶解しないこと、耐酸化性があること、接着性が良いことが挙げられる。正極合剤層に用いられるバインダーとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)またはそのコポリマー、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリアミド(PA)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリベンゾイミダゾール(PBI)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリアクリル酸(PA)及びその共重合体、ポリアクリル酸(PA)及びその共重合体の金属イオン架橋体、無水カルボン酸をグラフト化したポリプロピレン(PP)またはポリエチレン(PE)、または、これらの混合物などが挙げられる。中でも、特にPVDFが好ましい。
(binder)
In order to adhere the positive electrode active material and the positive electrode active material, the positive electrode active material and the conductive additive, and the positive electrode active material and the current collector, a binder is added to the positive electrode mixture layer. Properties required for the binder include not being dissolved in the electrolytic solution, oxidation resistance, and good adhesion. As a binder used for the positive electrode mixture layer, polyvinylidene fluoride (PVDF) or a copolymer thereof, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyamide (PA), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), polybenzimidazole (PBI) ), Polyethersulfone (PES), polyacrylic acid (PA) and its copolymer, cross-linked metal ion of polyacrylic acid (PA) and its copolymer, polypropylene (PP) grafted with carboxylic anhydride, or Examples include polyethylene (PE) or a mixture thereof. Among these, PVDF is particularly preferable.
正極合剤層14におけるバインダーの含有率は特に限定されないが、正極活物質、導電助剤及びバインダーの質量の総和を基準にして、1質量%〜15質量%であることが好ましく、1.5質量%〜5質量%であることがより好ましい。バインダー量が少な過ぎると、十分な接着強度の正極を形成できなくなる傾向がある。逆にバインダー量が多過ぎると、一般的なバインダーは電気化学的に不活性なので放電容量に寄与せず、十分な体積または質量エネルギー密度を得ることが困難となる傾向がある。
The binder content in the positive
(導電助剤)
導電助剤は、正極合剤層14の電子導電性を良好にするものであれば特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェンなどの炭素材料、銅、ニッケル、ステンレス、鉄などの金属微粉、ITOなどの導電性酸化物、またはこれらの混合物が挙げられる。
(Conductive aid)
The conductive auxiliary agent is not particularly limited as long as it improves the electronic conductivity of the positive
正極合剤層14における導電助剤の含有率も特に限定されないが、導電助剤を添加する場合には通常、正極活物質、導電助剤及びバインダーの質量の総和を基準にして、0.5質量%〜20質量%であることが好ましく、1質量%〜5質量%とすることがより好ましい。
The content ratio of the conductive additive in the positive
(負極)
負極20は、板状(箔状)の負極集電体22上に負極合剤層24が設けられたものである。
(負極集電体)
負極集電体22は、導電性の板材であれば良く、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス、鉄などの金属箔、または、導電性樹脂箔を用いることができる。
(負極合剤層)
負極合剤層24は、負極活物質、バインダー及び必要に応じた量の導電助剤を含むものである。
(Negative electrode)
The
(Negative electrode current collector)
The negative electrode current collector 22 may be any conductive plate material, and for example, a metal foil such as copper, aluminum, nickel, stainless steel, or iron, or a conductive resin foil can be used.
(Negative electrode mixture layer)
The negative electrode mixture layer 24 includes a negative electrode active material, a binder, and a conductive auxiliary agent in an amount as necessary.
(負極活物質)
負極活物質は、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの挿入及び脱離を可逆的に進行させることができれば特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池に用いられている負極活物質を使用することができる。例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、メソカーボンファイバー(MCF)、コークス類、ガラス状炭素、有機化合物焼成体などの炭素材料、Si、SiOx、Sn、アルミニウムなどのリチウムと化合することができる金属、これらの合金、これら金属と炭素材料との複合材料、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)、SnO2などの酸化物、などが挙げられる。ここで、Si、SiOxをSi系負極活物質と記載することにする。
(Negative electrode active material)
The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can reversibly advance the insertion and extraction of lithium ions and the insertion and desorption of lithium ions. The negative electrode active material used in known lithium ion secondary batteries is used. can do. For example, it combines with natural graphite, artificial graphite, mesocarbon microbeads, mesocarbon fiber (MCF), coke, glassy carbon, carbon materials such as organic compound fired bodies, lithium such as Si, SiO x , Sn, and aluminum. Metals, alloys thereof, composite materials of these metals and carbon materials, oxides such as lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), SnO 2 , and the like. Here, Si and SiO x are described as Si-based negative electrode active materials.
Si系負極活物質の形状は、特に限定されない。Si系負極活物質が粒子の場合、その平均粒子径は、電気化学反応の起こりやすさ(Li+がSiに挿入脱離するし易さ)、薄膜(厚み数μm〜数十μm)状の電極にするし易さなどを考慮し、数nmから20〜30μmが好ましい。なお、平均粒子径とは、レーザー光回折法による粒度分布測定における体積平均粒子径のことである。また、Si系負極活物質は、ナノワイヤ、薄片であっても良い。ナノワイヤの場合、その平均直径は数nmから20〜30μm、平均長さは数μmから20〜30μmが好ましい。薄片の場合は、厚み数nmから20〜30μm、直径は数μmから20〜30μmが好ましい。なお、本発明における平均直径または平均長さは、SEM(走査型電子顕微鏡)観察から求めるものである。 The shape of the Si-based negative electrode active material is not particularly limited. In the case where the Si-based negative electrode active material is a particle, the average particle size is such that the electrochemical reaction is likely to occur (Li + is easy to be inserted into and desorbed from Si) and a thin film (thickness of several μm to several tens of μm) In consideration of easiness to make an electrode, the thickness is preferably several nm to 20 to 30 μm. In addition, an average particle diameter is a volume average particle diameter in the particle size distribution measurement by a laser beam diffraction method. The Si-based negative electrode active material may be nanowires or flakes. In the case of nanowires, the average diameter is preferably several nm to 20 to 30 μm, and the average length is preferably several μm to 20 to 30 μm. In the case of a thin piece, the thickness is preferably from several nm to 20 to 30 μm, and the diameter is preferably from several μm to 20 to 30 μm. In addition, the average diameter or average length in this invention is calculated | required from SEM (scanning electron microscope) observation.
Si系負極活物質のBET法(Brunauer、Emmett、Teller法)による比表面積は、0.5〜100m2/gが望ましく、1〜20m2/gがより望ましい。0.5m2/gよりも小さいと、電気化学反応(Li+がSiに挿入脱離するし易さ)が起こりにくく、100m2/gを超えるとSi系負極活物質を電極化するときに、バインダーを通常よりも多く添加しないと電極化が出来難くなり、電極の単位体積当たりの容量、エネルギーが減少する。 Si-based BET method of the negative electrode active material (Brunauer, Emmett, Teller method) specific surface area by, 0.5~100m 2 / g is desirable, 1-20 m 2 / g is more preferable. When it is smaller than 0.5 m 2 / g, an electrochemical reaction (ease of Li + being easily inserted into and desorbed from Si) hardly occurs, and when it exceeds 100 m 2 / g, a Si-based negative electrode active material is converted into an electrode. If the binder is not added more than usual, it becomes difficult to form an electrode, and the capacity and energy per unit volume of the electrode decrease.
Si系負極活物質は、結晶質であっても非晶質(アモルファス)であっても良い。アモルファスのSi系負極活物質は、メルトスパン法、ガスアトマイズ法などで作製する。 The Si-based negative electrode active material may be crystalline or amorphous. The amorphous Si-based negative electrode active material is produced by a melt span method, a gas atomization method, or the like.
Si系負極活物質のうちSiは、原子番号14の元素であり、リチウムと合金を作る。 Si in the Si-based negative electrode active material is an element having an atomic number of 14 and forms an alloy with lithium.
Siは、様々な元素と合金を作る。本実施形態にかかるにおけるSi合金は、どのようなSi合金であっても良い。Siと合金を作る元素は、Ba、Mg、Al、Ca、Ti、Sn、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Ba、W、Auなどが挙げられる。 Si forms alloys with various elements. The Si alloy according to the present embodiment may be any Si alloy. Elements that make an alloy with Si are Ba, Mg, Al, Ca, Ti, Sn, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Y, Zr, Nb, Mo, Ba, W, Au etc. are mentioned.
Si合金は、Siと特定の比率で化合物を生成する金属間化合物すなわちシリサイドであっても良い。シリサイドは、Mg2Si、Ca2Si、CaSi2Al2、TiSi2、Ti5Si3、VSi2、FeSi2、CoSi2、Nb3Ni2Si、MoSi2、Mo3Si、Mo5Si3、Mo5SiB2、などが挙げられる。 The Si alloy may be an intermetallic compound that forms a compound at a specific ratio with Si, that is, a silicide. Silicide is Mg 2 Si, Ca 2 Si, CaSi 2 Al 2 , TiSi 2 , Ti 5 Si 3 , VSi 2 , FeSi 2 , CoSi 2 , Nb 3 Ni 2 Si, MoSi 2 , Mo 3 Si, Mo 5 Si 3. , Mo 5 SiB 2 , and the like.
SiOxは、微細なナノサイズのSiクラスターがSiO2マトリックス中に分散したものである。 SiO x is a fine nano-sized Si cluster dispersed in a SiO 2 matrix.
Si複合材料は、Si、Si合金またはSiOx粒子の表面に炭素材料、Al、Ti、Fe、Ni、Cu、Zn、Ag、Snなどの導電性材料を被覆したものが挙げられる。例えば、Si粒子の表面に炭素材料を数nmの厚さで被覆したもの、粒径数μmの黒鉛粉を被覆したもの、カーボンナノチューブを被覆したものなどが挙げられる。 Examples of the Si composite material include those in which the surface of Si, Si alloy or SiO x particles is coated with a conductive material such as a carbon material, Al, Ti, Fe, Ni, Cu, Zn, Ag, or Sn. For example, the surface of the Si particles may be coated with a carbon material with a thickness of several nm, the powder coated with graphite powder having a particle size of several μm, or the carbon nanotubes may be coated.
炭素材料の被覆量は特に限定されるものではないが、Si、Si合金またはSiOx粒子の表面に炭素材料を被覆した粒子全体に対して0.01〜30質量%が好ましく、0.1〜20質量%がより好ましい。炭素材料の被覆量を0.01質量%以上とすることで、十分な導電性を維持することができる。その結果としてリチウムイオン二次電池用負極活物質とした時のサイクル特性を改善することができる。また炭素材料の被覆量が30質量%を超えると、活物質全体に占める炭素材料の割合が多くなって放電容量が低下する。 The coating amount of the carbon material is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 30% by mass with respect to the entire particle in which the surface of the Si, Si alloy or SiO x particle is coated with the carbon material, 20 mass% is more preferable. Sufficient conductivity can be maintained by setting the coating amount of the carbon material to 0.01% by mass or more. As a result, the cycle characteristics when the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery is obtained can be improved. On the other hand, when the coating amount of the carbon material exceeds 30% by mass, the ratio of the carbon material to the entire active material increases and the discharge capacity decreases.
Si、Si合金またはSiOx粒子の表面を導電性材料で被覆する方法は特に限定されない。例えば、メカニカルアロイング法、化学蒸着法、湿式法、高分子を表面に被覆後、熱分解炭素化する方法が挙げられる。 The method for coating the surface of Si, Si alloy or SiO x particles with a conductive material is not particularly limited. For example, a mechanical alloying method, a chemical vapor deposition method, a wet method, or a method in which a polymer is coated on the surface and then pyrolytic carbonization is exemplified.
(リチウム粉)
リチウム粉の製造は、アルゴンガスを循環している低露点(−99℃〜)及び低酸素濃度(1ppm〜)のグローブボックス内で行う。このグローボックスには、水分及び酸素を吸着する吸着塔がそれぞれ付属しており、グローブボックス内の露点または酸素濃度を独立に制御できる。水分、酸素の吸着塔の内部には、それぞれ水分または酸素を主に吸着するゼオライトが充填されている。例えば、水分、または酸素を主に吸着するゼオライトとしては、東ソー株式会社のゼオラムA−3、SA−600Aがそれぞれ挙げられる。グローブボックス内には、リチウム粉を製造するためのステンレス製の反応容器が設置してあり、この反応容器は温度制御が可能であり、また反応容器内部の反応溶液を撹拌するための撹拌羽根が設置されている。また、反応容器の上部には蓋があり、蓋には撹拌羽根の支柱が通る穴、被覆層を形成するためのニ酸化炭素ガス及び酸素ガスの供給口がそれぞれ設置されている。
(Lithium powder)
The lithium powder is produced in a glove box having a low dew point (from −99 ° C.) and a low oxygen concentration (from 1 ppm) circulating argon gas. This glow box is provided with an adsorption tower for adsorbing moisture and oxygen, and the dew point or oxygen concentration in the glove box can be controlled independently. The moisture and oxygen adsorption towers are filled with zeolite that mainly adsorbs moisture and oxygen, respectively. For example, zeolites mainly adsorbing water or oxygen include Zeorum A-3 and SA-600A manufactured by Tosoh Corporation. A stainless steel reaction vessel for producing lithium powder is installed in the glove box, the temperature of the reaction vessel can be controlled, and a stirring blade for stirring the reaction solution inside the reaction vessel is provided. is set up. The reaction vessel has a lid at the top, and a hole through which the column of the stirring blade passes and a supply port for carbon dioxide gas and oxygen gas for forming a coating layer are installed on the lid.
リチウム粉の形状は、特に限定されないが、秤量精度、リチウム粉の充填率の観点から略球形状が好ましい。その平均粒子径は、取り扱いやすさ、秤量精度、電気化学反応の起こりやすさ(Li+が負極活物質に吸蔵または挿入するし易さ)、安全性などの観点から、1μm〜100μmが好ましい。特に5〜50μmが好ましい。 The shape of the lithium powder is not particularly limited, but a substantially spherical shape is preferable from the viewpoint of weighing accuracy and the filling rate of the lithium powder. The average particle diameter is preferably 1 μm to 100 μm from the viewpoints of ease of handling, weighing accuracy, ease of electrochemical reaction (ease of insertion and insertion of Li + into the negative electrode active material), safety, and the like. 5-50 micrometers is especially preferable.
本実施形態にかかるリチウム粉の平均粒子径とは、光学顕微鏡またはSEMで観察したときの平均粒子径のことである。平均粒子径は、円相当径で算出する。円相当径とは、粒子の投影面積と等しい面積をもつ円の直径であり、下式(3)で求められるDである。200個のリチウム粉について円相当径を計測し、その200個の平均値をリチウム粉の平均粒子径とした。平均粒子径の計測には、ナノシステム株式会社の画像解析ソフトNS2K−Proを使用した。また、リチウム粉は、大気中の水分、窒素、二酸化炭素と反応し、粒径、形態が変化しやすいので、リチウム粉の粒子径を測定するときはリチウム粉を大気に暴露しないようにする。
πD2/4=S (3)
ここで、Sはリチウム粉の面積である。
The average particle diameter of the lithium powder according to the present embodiment is an average particle diameter when observed with an optical microscope or SEM. The average particle diameter is calculated as an equivalent circle diameter. The equivalent circle diameter is a diameter of a circle having an area equal to the projected area of the particle, and is D obtained by the following equation (3). The equivalent circle diameter was measured for 200 lithium powders, and the average value of the 200 particles was taken as the average particle diameter of the lithium powder. For the measurement of the average particle diameter, image analysis software NS2K-Pro manufactured by Nanosystem Corporation was used. In addition, lithium powder reacts with moisture, nitrogen, and carbon dioxide in the atmosphere, and its particle size and form are likely to change. Therefore, when measuring the particle size of lithium powder, lithium powder should not be exposed to the atmosphere.
πD 2/4 = S (3 )
Here, S is the area of the lithium powder.
本実施形態にかかるリチウム粉は、充電時に負極活物質に吸蔵または挿入されたリチウムイオンが、放電時に放出または脱離しないリチウムイオンが多い負極活物質に対して使用すると効果的である。Si、Si合金、SiOx、Si複合材料、スズ、スズ合金、などを負極活物質として用いる場合に、本発明は特に効果的である。 The lithium powder according to this embodiment is effective when used for a negative electrode active material in which lithium ions occluded or inserted in the negative electrode active material during charging have a large amount of lithium ions that are not released or eliminated during discharge. The present invention is particularly effective when Si, Si alloy, SiO x , Si composite material, tin, tin alloy, or the like is used as the negative electrode active material.
本実施形態のリチウム粉は、金属リチウムからなるコアと、前記コアの表面を被覆する被覆層とを備え、前記被覆層は炭酸リチウムを含有し、前記炭酸リチウムの表面の少なくとも一部に酸化リチウムが存在しているリチウム粉である。 The lithium powder of the present embodiment includes a core made of metallic lithium and a coating layer covering the surface of the core, the coating layer contains lithium carbonate, and lithium oxide is formed on at least a part of the surface of the lithium carbonate. Is the lithium powder present.
かかる構成によれば、このリチウム粉は大気中において優れた保存安定性を有する。従来のリチウム粉は、コアの金属リチウムの表面に炭酸リチウムを含む被膜が存在しているのに対し、本願のリチウム粉は、リチウムの表面に炭酸リチウムの表面の少なくとも一部に酸化リチウムが存在している。本願のリチウム粉が優れた保存安定性を有する作用効果は必ずしも明確ではないが、酸化リチウムは下式(4)のように水分と反応し、水酸化リチウムとなる。
このように水分と反応し、水分がコアのリチウムまで透過することを抑制する効果があると考えられる。このようなメカニズムで、大気中における保存安定性が向上すると考えられる。
Li2O + H2O → 2LiOH (4)
According to this configuration, the lithium powder has excellent storage stability in the air. The conventional lithium powder has a coating containing lithium carbonate on the surface of the metallic lithium core, whereas the lithium powder of the present application has lithium oxide on at least a part of the lithium carbonate surface on the lithium surface. doing. The effect of the lithium powder of the present application having excellent storage stability is not necessarily clear, but lithium oxide reacts with moisture as shown in the following formula (4) to become lithium hydroxide.
Thus, it is thought that there exists an effect which reacts with a water | moisture content and suppresses a water | moisture content permeating | transmitting to lithium of a core. Such a mechanism is considered to improve storage stability in the atmosphere.
Li 2 O + H 2 O → 2LiOH (4)
リチウム粉は、水分、二酸化炭素、窒素などと常温で反応し、それぞれ水酸化リチウム、炭酸リチウム、窒化リチウムとなる。つまり、リチウム粉中のリチウム金属含有率が減少することになる。保存安定性は、リチウム粉を熱分析すなわちDSC(Diffrential scanning calorimetry、示差走査熱量測定)で測定し、リチウム粉中のリチウム金属含有率で評価する。リチウム金属の融点は180.54℃、融解熱は3.00KJ/molである。下式(5)で、リチウム粉中のリチウム金属含有率を計算する。
リチウム金属含有率(%)=試料の融解熱(KJ)/(試料の質量(g)/6.941(g/mol)×3.00KJ/mol)×100 (5)
リチウム粉をある調湿環境中に保存した時に、リチウム金属含有率の減少が小さいと保存安定性が優れていると言える。下式(6)に湿潤雰囲気保存前後のリチウム金属含有率の差を示す。この差が小さいほど、そのリチウム粉の保存安定性が優れていると言える。
湿潤雰囲気保存前後のリチウム金属含有率の差(%)=(保存前のリチウム金属含有率(%))−(保存後のリチウム金属含有率(%)) (6)
Lithium powder reacts with moisture, carbon dioxide, nitrogen and the like at room temperature to become lithium hydroxide, lithium carbonate, and lithium nitride, respectively. That is, the lithium metal content in the lithium powder is reduced. Storage stability is measured by thermal analysis, that is, DSC (Differential Scanning Calorimetry), and the lithium metal content in the lithium powder is evaluated for storage stability. Lithium metal has a melting point of 180.54 ° C. and a heat of fusion of 3.00 KJ / mol. The lithium metal content in the lithium powder is calculated by the following formula (5).
Lithium metal content (%) = heat of fusion of sample (KJ) / (mass of sample (g) /6.941 (g / mol) × 3.00 KJ / mol) × 100 (5)
When the lithium powder is stored in a certain humidity control environment, it can be said that the storage stability is excellent if the decrease in the lithium metal content is small. The following formula (6) shows the difference in lithium metal content before and after storage in a wet atmosphere. It can be said that the smaller the difference, the better the storage stability of the lithium powder.
Difference in lithium metal content before and after storage in wet atmosphere (%) = (lithium metal content before storage (%)) − (lithium metal content after storage (%)) (6)
リチウム粉の表面及び断面観察をSEM(走査型電子顕微鏡、型式:株式会社日立製作所SU8220)、断面観察をTEM(透過型電子顕微鏡、日本電子株式会社製分析電子顕微鏡、型式:JEM−2100F(HR))を用いて行った。また。表面分析をXPS(走査型X線光電子分光分析装置、アルバック・ファイ株式会社、型式:PHIQuantera II)を用いて行った。リチウム粉の断面観察をSEMまたはTEMにより行うことにより、炭酸リチウムの層の厚み、酸化リチウム粒子の粒子径、または、酸化リチウム層の厚みが分かる。また、XPSの深さ方向分析により、水酸化リチウムの有無及びリチウムカーバイドの厚みが分かる。 SEM (scanning electron microscope, model: Hitachi Ltd. SU8220) for cross-sectional observation and surface observation of lithium powder, TEM (transmission electron microscope, analytical electron microscope manufactured by JEOL Ltd., model: JEM-2100F (HR) )). Also. Surface analysis was performed using XPS (scanning X-ray photoelectron spectrometer, ULVAC-PHI Co., Ltd., model: PHIQuantera II). By performing cross-sectional observation of the lithium powder with SEM or TEM, the thickness of the lithium carbonate layer, the particle diameter of the lithium oxide particles, or the thickness of the lithium oxide layer can be determined. Further, the presence / absence of lithium hydroxide and the thickness of lithium carbide can be determined by XPS depth direction analysis.
前記被覆層は、コア上の少なくとも一部に存在する第一の被膜層と、第一の被膜層上に存在する第二の被膜層からなり、前記第一の被膜層はリチウムカーバイドを含有し、前記第二の被膜層は前記炭酸リチウムを含有するリチウム粉が好ましい。 The coating layer includes a first coating layer present on at least a part of the core and a second coating layer present on the first coating layer, and the first coating layer contains lithium carbide. The second coating layer is preferably lithium powder containing lithium carbonate.
かかる構成によれば、このリチウム粉は大気中において優れた保存安定性を有する。この作用効果は必ずしも明確ではないが、リチウムカーバイドは下式(7)のように水分と反応し、水酸化リチウムとなる。このように水分と反応し、水分がコアのリチウムまで透過することを抑制する効果があると考えられる。このようなメカニズムで、大気中における保存安定性が向上すると考えられる。
Li2C2 + 2H2O → 2LiOH + C2H2 (7)
According to this configuration, the lithium powder has excellent storage stability in the air. Although this effect is not necessarily clear, lithium carbide reacts with moisture as shown in the following formula (7) to become lithium hydroxide. Thus, it is thought that there exists an effect which reacts with a water | moisture content and suppresses a water | moisture content permeating | transmitting to lithium of a core. Such a mechanism is considered to improve storage stability in the atmosphere.
Li 2 C 2 + 2H 2 O → 2LiOH + C 2 H 2 (7)
前記第二の被膜層は、水酸化リチウムを含有するリチウム粉が好ましい。 The second coating layer is preferably lithium powder containing lithium hydroxide.
リチウム粉全体に占める水酸化リチウムの含有率は、0.01質量%〜1質量%がより好ましい。 The content of lithium hydroxide in the entire lithium powder is more preferably 0.01% by mass to 1% by mass.
前記リチウム粉中に占めるリチウム金属含有率が80〜98質量%であるリチウム粉が好ましい。 Lithium powder having a lithium metal content of 80 to 98% by mass in the lithium powder is preferred.
かかる構成によれば、このリチウム粉は、このリチウム粉と負極とを接触させて不可逆容量の原因となっている化学種とリチウムとを電気化学反応させることにより不可逆容量を低減させる効果が得られやすい。 According to such a configuration, the lithium powder has an effect of reducing the irreversible capacity by bringing the lithium powder and the negative electrode into contact with each other and causing an electrochemical reaction between the chemical species causing the irreversible capacity and lithium. Cheap.
前記第二の被膜層の厚みが59nm〜2060nmであるリチウム粉が好ましい。前記第二の被覆層の厚みは、炭酸リチウムの層の厚みと酸化リチウム粒子の粒子径の和、または、炭酸リチウムの層の厚みと酸化リチウム層の厚みの和である。 A lithium powder having a thickness of the second coating layer of 59 nm to 2060 nm is preferable. The thickness of the second coating layer is the sum of the thickness of the lithium carbonate layer and the particle diameter of the lithium oxide particles, or the sum of the thickness of the lithium carbonate layer and the thickness of the lithium oxide layer.
前記第二の被膜層の厚みが59nm〜1165nmであるリチウム粉がより好ましい。 Lithium powder having a thickness of the second coating layer of 59 nm to 1165 nm is more preferable.
かかる構成によれば、被膜の厚みが前記範囲である場合、この被膜が大気中の水分、二酸化炭素、窒素などをブロックし、コアのリチウムとこれらとの反応が抑制され、大気中においてより優れた保存特性が得られる。 According to such a configuration, when the thickness of the coating is in the above range, this coating blocks moisture, carbon dioxide, nitrogen, etc. in the atmosphere, and the reaction between lithium in the core and these is suppressed, which is superior in the atmosphere. Storage characteristics are obtained.
また、前記第一の被膜層の厚みが1nm〜10nmであるリチウム粉が好ましい。 Moreover, the lithium powder whose thickness of said 1st coating layer is 1 nm-10 nm is preferable.
かかる構成によれば、前記第一の被膜層の厚みが前記範囲である場合、この被膜が大気中の水分、二酸化炭素、窒素などをブロックし、コアのリチウムとこれらとの反応が抑制され、大気中においてより優れた保存特性が得られる。 According to such a configuration, when the thickness of the first coating layer is in the above range, this coating blocks moisture, carbon dioxide, nitrogen, etc. in the atmosphere, and the reaction between lithium in the core and these is suppressed, Better storage characteristics can be obtained in the atmosphere.
前記酸化リチウムは粒子であって、前記粒子の粒子径が1nm〜2000nmであるリチウム粉が好ましい。 The lithium oxide is a particle, and a lithium powder having a particle diameter of 1 nm to 2000 nm is preferable.
前記酸化リチウムは粒子であって、前記粒子の粒子径が1nm〜1100nmであるリチウム粉がより好ましい。 The lithium oxide is a particle, and a lithium powder having a particle diameter of 1 nm to 1100 nm is more preferable.
かかる構成によれば、前記酸化リチウム粒子の粒子径が前記範囲である場合、この被膜が大気中の水分、二酸化炭素、窒素などをブロックし、コアのリチウムとこれらとの反応が抑制され、大気中においてより優れた保存特性が得られる。 According to this configuration, when the particle diameter of the lithium oxide particles is in the above range, this coating blocks moisture, carbon dioxide, nitrogen, etc. in the atmosphere, and the reaction between lithium in the core and these is suppressed, and the atmosphere Excellent storage characteristics can be obtained.
前記酸化リチウムは層状であって、前記層の厚みが1nm〜2000nmであるリチウム粉が好ましい。 The lithium oxide is layered, and lithium powder having a thickness of 1 nm to 2000 nm is preferable.
かかる構成によれば、前記酸化リチウム層の厚みが前記範囲である場合、この被膜が大気中の水分、二酸化炭素、窒素などをブロックし、コアのリチウムとこれらとの反応が抑制され、大気中においてより優れた保存特性が得られる。 According to this configuration, when the thickness of the lithium oxide layer is in the above range, this coating blocks moisture, carbon dioxide, nitrogen, etc. in the atmosphere, and the reaction between lithium in the core and these is suppressed, Better storage characteristics can be obtained.
前記リチウム粉でリチウムイオンをドープしたリチウムイオン二次電池用負極が得られる。 A negative electrode for a lithium ion secondary battery in which lithium ions are doped with the lithium powder is obtained.
前記リチウムイオン二次電池用負極、電解質、及び正極を備えたリチウムイオン二次電池が得られる。 The lithium ion secondary battery provided with the said negative electrode for lithium ion secondary batteries, electrolyte, and a positive electrode is obtained.
前記負極に用いられる負極活物質は、上述した通りである。 The negative electrode active material used for the negative electrode is as described above.
前記リチウム粉でリチウムイオンをリチウムイオン二次電池用負極にドープする方法は、以下のように実施する。まず、第一に負極上にリチウム粉を供給する。供給方法は、通常の粉体供給方法を使うことができる。すなわち、摺り切り供給、振動供給、静電スプレーなどが挙げられる。第二にリチウム粉を供給した負極をプレスする。これは、リチウム粉を負極上に固定化するためと負極とリチウム粉との接触を良好にするために実施するものである。プレスするだけで、ある程度リチウムイオンがリチウムイオン二次電池用負極にドープされる。プレスは実施してもしなくとも、どちらでも良い。第三にこの負極を、正極、電解質など電池構成要素と組合せ、電池を製造する。電解質を添加することで、十分にリチウムイオンがリチウムイオン二次電池用負極にドープされる。 The method of doping lithium ions into the negative electrode for a lithium ion secondary battery with the lithium powder is performed as follows. First, lithium powder is supplied on the negative electrode. A normal powder supply method can be used as the supply method. That is, it is possible to crush supply, vibration supply, electrostatic spraying and the like. Secondly, the negative electrode supplied with lithium powder is pressed. This is carried out in order to fix the lithium powder on the negative electrode and to improve the contact between the negative electrode and the lithium powder. Lithium ions are doped to some extent in the negative electrode for lithium ion secondary batteries simply by pressing. The press may or may not be performed. Third, the negative electrode is combined with battery components such as a positive electrode and an electrolyte to produce a battery. By adding the electrolyte, lithium ions are sufficiently doped into the negative electrode for a lithium ion secondary battery.
前記リチウムイオン二次電池用負極、電解質、及び正極を備えたリチウムイオン二次電池が得られる。 The lithium ion secondary battery provided with the said negative electrode for lithium ion secondary batteries, electrolyte, and a positive electrode is obtained.
(バインダー)
負極活物質と負極活物質、負極活物質と導電助剤、負極活物質と集電体とを接着させるために、負極合剤層にはバインダーを添加する。バインダーに要求される特性としては、電解液に溶解または極端に膨潤しないこと、耐還元性があること、接着性が良いことが挙げられる。負極合剤層に用いられるバインダーとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)またはそのコポリマー、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリアミド(PA)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリベンゾイミダゾール(PBI)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸(PA)及び共重合体、ポリアクリル酸(PA)及び共重合体の金属イオン架橋体、無水カルボン酸をグラフト化したポリプロピレン(PP)及びポリエチレン(PE)、またはこれらの混合物などが挙げられる。中でも、ポリアミドイミドが好ましい。尚、ポリイミドは、前駆体のポリアミック酸として添加し、電極形成後に熱処理してポリイミドとなる。
(binder)
In order to adhere the negative electrode active material and the negative electrode active material, the negative electrode active material and the conductive additive, and the negative electrode active material and the current collector, a binder is added to the negative electrode mixture layer. Properties required for the binder include not being dissolved or extremely swollen in the electrolytic solution, being resistant to reduction, and having good adhesion. As a binder used for the negative electrode mixture layer, polyvinylidene fluoride (PVDF) or a copolymer thereof, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyamide (PA), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), polybenzimidazole (PBI) ), Styrene butadiene rubber (SBR), carboxymethyl cellulose, polyacrylic acid (PA) and copolymer, cross-linked metal ion of polyacrylic acid (PA) and copolymer, polypropylene grafted with carboxylic anhydride (PP) And polyethylene (PE), or a mixture thereof. Of these, polyamideimide is preferable. Polyimide is added as a precursor polyamic acid, and is heat-treated after electrode formation to become polyimide.
負極合剤層24におけるバインダーの含有率は特に限定されないが、負極活物質、導電助剤及びバインダーの質量の総和を基準にして、1質量%〜15質量%であることが好ましく、3質量%〜10質量%であることがより好ましい。バインダー量が少な過ぎると、十分な接着強度の負極を形成できなくなる傾向がある。逆にバインダー量が多過ぎると、バインダーは一般には電気化学的に不活性なので放電容量に寄与せず、十分な体積または質量エネルギー密度を得ることが困難となる傾向がある。負極合剤層24における導電助剤の含有率も特に限定されないが、導電助剤を添加する場合には通常、活物質に対して0.5質量%〜20質量%であることが好ましく、1質量%〜12質量%とすることがより好ましい。 Although the content rate of the binder in the negative electrode mixture layer 24 is not particularly limited, it is preferably 1% by mass to 15% by mass based on the total mass of the negative electrode active material, the conductive additive, and the binder, and is preferably 3% by mass. More preferably, it is 10 mass%. When the amount of the binder is too small, there is a tendency that a negative electrode having sufficient adhesive strength cannot be formed. Conversely, if the amount of the binder is too large, the binder is generally electrochemically inactive, so that it does not contribute to the discharge capacity, and it tends to be difficult to obtain a sufficient volume or mass energy density. Although the content rate of the conductive support agent in the negative electrode mixture layer 24 is not particularly limited, it is usually preferably 0.5% by mass to 20% by mass with respect to the active material when the conductive auxiliary agent is added. It is more preferable to set it as mass%-12 mass%.
(導電助剤)
段落0039で述べた正極で用いた炭素材料などの導電助剤が、負極でも使用できる。
(Conductive aid)
Conductive aids such as carbon materials used in the positive electrode described in paragraph 0039 can also be used in the negative electrode.
次に、本実施形態にかかる電極10、20の製造方法について説明する。本実施形態にかかる電極10、20の製造方法は、活物質、バインダー及び導電助剤を含む塗料を集電体上に塗布する工程(以下、「塗布工程」ということがある。)と、集電体上に塗布された塗料中の溶媒を除去する工程(以下、「溶媒除去工程」ということがある。)と、を備える。
Next, the manufacturing method of the
(塗布工程)
塗料を集電体12、22に塗布する塗布工程について説明する。塗料は、活物質、バインダー、導電助剤及び溶媒を含む。活物質、バインダー、導電助剤及び溶媒などの塗料を構成する成分の混合方法は特に制限されず、混合順序もまた特に制限されない。例えばまず、活物質、導電助剤を乾式混合し、得られた混合物に、バインダーを含む溶液を加えて混合し、塗料を調整する。上述した活物質、バインダー、導電助剤及び溶媒を、前記集電体12、22に塗布する。塗布方法としては、特に制限はなく、通常電極を作製する場合に採用される方法を用いることができる。例えば、スリットダイコート法、ドクターブレード法などが挙げられる。
(Coating process)
An application process for applying the paint to the
(溶媒除去工程)
続いて、集電体12、22上に塗布された塗料中の溶媒を除去する。除去法は特に限定されず、塗料が塗布された集電体12、22を、例えば60℃〜150℃で乾燥させればよい。そして、このようにして合剤層14、24が形成された電極を、その後、必要に応じて例えば、ロールプレス装置などによりプレスし、所望の電極密度にすることができる。ロールプレスの線圧は例えば、100〜2000kgf/cmとすることができる。
(Solvent removal step)
Subsequently, the solvent in the paint applied on the
以上の工程を経て、本実施形態にかかる電極を作製することができる。 The electrode concerning this embodiment can be produced through the above process.
ここで、上述のように作製した電極を用いたリチウムイオン二次電池100の他の構成要素を説明する。
Here, another component of the lithium ion
(電解質)
電解質は、正極合剤層14、負極合剤層24、及び、セパレータ18の内部に含有させるものである。電解質としては、特に限定されず、例えば、本実施形態では、リチウム塩を含む電解質溶液(有機溶媒を使用する電解質溶液)を使用することができる。電解質溶液としては、リチウム塩を非水溶媒(有機溶媒)に溶解したものが好適に使用される。リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiC2F5SO3、LiC(SO2CF3)3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiN(SO2CF3)(SO2C4F9)、LiN(COC2F5)2、LiBC4O8などの塩が使用できる。なお、これらの塩は1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
(Electrolytes)
The electrolyte is contained in the positive
また、有機溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、ジフルオロエチレンカーボネート、ジアリルカーボネート、2、5−ジオキサヘキサン2酸ジメチル、2、5−ジオキサヘキサン2酸ジエチル、フラン、2、5−ジメチルフラン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1、3−ジオキサン、1、4−ジオキサン、ジメトキシメタン、ジメトキシエタン、1、2−ジエトキシエタン、ジグライム、トリグライム、テトラグライム、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸イソプロピル、酢酸ブチル、ジフルオロ酢酸メチル、トリフルオロ酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸プロピル、蟻酸メチル、蟻酸エチル、酪酸エチル、酪酸イソプロピル、イソ酪酸メチル、シアノ酢酸メチル、酢酸ビニル、γ―ブチロラクトン、γ―バレロラクトン、δ―バレロラクトン、ε―カプロラクトン、γ―ヘキサノラクトン、γ―ウンデカラクトン、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸トリn−プロピル、リン酸トリオクチル、リン酸トリフェニル、メトキシ−ノナフルオロブタン、エトキシ−ノナフルオロブタン、1−メトキシヘプタフルオロプロパン、2−トリフルオロメチル−3−エトキシドデコフルオロヘキサン、メチルノナフルオロブチルエーテル、エチルノナフルオロブチルエーテルなどが好ましく挙げられる。これらは単独で使用してもよく、2種以上を任意の割合で混合して使用してもよい。 Examples of the organic solvent include propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, fluoroethylene carbonate, difluoroethylene carbonate, diallyl carbonate, 2,5-dioxahexane diacid dimethyl, 2, 5 -Dioxahexane diacid diethyl, furan, 2,5-dimethylfuran, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydropyran, 1,3-dioxane, 1,4-dioxane, dimethoxymethane, dimethoxyethane, 1,2-di Ethoxyethane, diglyme, triglyme, tetraglyme, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, isopropyl acetate, butyl acetate, methyl difluoroacetate, ethyl trifluoroacetate Methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, methyl formate, ethyl formate, ethyl butyrate, isopropyl butyrate, methyl isobutyrate, methyl cyanoacetate, vinyl acetate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, δ-valerolactone, ε -Caprolactone, γ-hexanolactone, γ-undecalactone, trimethyl phosphate, triethyl phosphate, tri-n-propyl phosphate, trioctyl phosphate, triphenyl phosphate, methoxy-nonafluorobutane, ethoxy-nonafluorobutane 1-methoxyheptafluoropropane, 2-trifluoromethyl-3-ethododecoforohexane, methyl nonafluorobutyl ether, ethyl nonafluorobutyl ether and the like are preferable. These may be used alone or in combination of two or more at any ratio.
また、電解質にはさらに添加剤を添加しても良い。この添加剤は、負極活物質の表面に良好なSEI(Solid Electrolyte Interface )を生成するもの、正極活物質の表面に良好なSEIを生成するもの、過充電防止に効果あるものなどが挙げられる。具体的には、アセトニトリル、プロピオニトリル、スクシノニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、ピメロニトリル、スベロニトリル、セバコニトリル、シクロヘキシルベンゼン、フルオロシクロヘキシルベンゼン化合物(1−フルオロ−2−シクロヘキシルベンゼン、1−フルオロ−3−シクロヘキシルベンゼン、1−フルオロ−4−シクロヘキシルベンゼン)、tert−ブチルベンゼン、tert−アミルベンゼン、1−フルオロ−4−tert−ブチルベンゼン、ビフェニル、ターフェニル(o−,m−,p−体)、ジフェニルエーテル、フルオロベンゼン、ジフルオロベンゼン(o−,m−,p−体)、アニソール、2,4−ジフルオロアニソール、ターフェニルの部分水素化物(1,2−ジシクロヘキシルベンゼン、2−フェニルビシクロヘキシル、1,2−ジフェニルシクロヘキサン、o−シクロヘキシルビフェニル)、メチルイソシアネート、エチルイソシアネート、ブチルイソシアネート、フェニルイソシアネート、テトラメチレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、オクタメチレンジイソシアネート、1,4−フェニレンジイソシアネート、2−イソシアナトエチル アクリレート、及び2−イソシアナトエチルメタクリレート、2−プロピニルメチルカーボネート、酢酸2−プロピニル、ギ酸2−プロピニル、メタクリル酸2−プロピニル、メタンスルホン酸2−プロピニル、ビニルスルホン酸2−プロピニル、2−(メタンスルホニルオキシ)プロピオン酸2−プロピニル、ジ(2−プロピニル)オギザレート、メチル2−プロピニルオギザレート、エチル2−プロピニルオギザレート、グルタル酸ジ(2−プロピニル)、2−ブチン−1,4−ジイルジメタンスルホネート、2−ブチン−1,4−ジイル ジホルメート、2,4−ヘキサジイン−1,6−ジイルジメタンスルホネート、1,3−プロパンスルトン、1,3−ブタンスルトン、2,4−ブタンスルトン、1,4−ブタンスルトン、1,3−プロペンスルトン、2,2−ジオキシド−1,2−オキサチオラン−4−イルアセテート、5,5−ジメチル−1,2−オキサチオラン−4−オン2,2−ジオキシド等のスルトン、エチレンサルファイト、ヘキサヒドロベンゾ[1,3,2]ジオキサチオラン−2−オキシド(1,2−シクロヘキサンジオールサイクリックサルファイトともいう)、5−ビニル−ヘキサヒドロ−1,3,2−ベンゾジオキサチオール−2−オキシド等の環状サルファイト、ブタン−2,3−ジイルジメタンスルホネート、ブタン−1,4−ジイルジメタンスルホネート、メチレンメタンジスルホネート等のスルホン酸エステル、ジビニルスルホン、1,2−ビス(ビニルスルホニル)エタン、ビス(2−ビニルスルホニルエチル)エーテル、1,3−プロパンスルトン、1,3−ブタンスルトン、1,4−ブタンスルトン、2,4−ブタンスルトン、1,3−プロペンスルトン、2,2−ジオキシド−1,2−オキサチオラン−4−イルアセテート、5,5−ジメチル−1,2−オキサチオラン−4−オン2,2−ジオキシド、メチレンメタンジスルホネート、エチレンサルファイト、及び4−(メチルスルホニルメチル)−1,3,2−ジオキサチオラン2−オキシド、ブタン−2,3−ジイルジメタンスルホネート、ブタン−1,4−ジイルジメタンスルホネート、ジメチルメタンジスルホネート、ペンタフルオロフェニルメタンスルホネート、ジビニルスルホン、及びビス(2−ビニルスルホニルエチル)エーテル、リン酸トリメチル、リン酸トリブチル、及びリン酸トリオクチル、リン酸トリス(2、2,2−トリフルオロエチル)、リン酸ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)メチル、リン酸ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)エチル、リン酸ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)2,2−ジフルオロエチル、リン酸ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)2,2,3,3−テトラフルオロプロピル、リン酸ビス(2,2−ジフルオロエチル)2,2,2−トリフルオロエチル、リン酸ビス(2,2,3,3−テトラフルオロプロピル)2,2,2−トリフルオロエチル、リン酸(2,2,2−トリフルオロエチル)(2,2,3,3−テトラフルオロプロピル)メチル、リン酸トリス(1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン−2−イル)、メチレンビスホスホン酸メチル、メチレンビスホスホン酸エチル、エチレンビスホスホン酸メチル、エチレンビスホスホン酸エチル、ブチレンビスホスホン酸メチル、ブチレンビスホスホン酸エチル、メチル2−(ジメチルホスホリル)アセテート、エチル2−(ジメチルホスホリル)アセテート、メチル2−(ジエチルホスホリル)アセテート、エチル2−(ジエチルホスホリル)アセテート、2−プロピニル2−(ジメチルホスホリル)アセテート、2−プロピニル2−(ジエチルホスホリル)アセテート、メチル2−(ジメトキシホスホリル)アセテート、エチル2−(ジメトキシホスホリル)アセテート、メチル2−(ジエトキシホスホリル)アセテート、エチル2−(ジエトキシホスホリル)アセテート、2−プロピニル2−(ジメトキシホスホリル)アセテート、2−プロピニル2−(ジエトキシホスホリル)アセテート、ピロリン酸メチル、ピロリン酸エチル、無水酢酸、無水プロピオン酸、又は無水コハク酸、無水マレイン酸、2−アリル無水コハク酸、無水グルタル酸、無水イタコン酸、3−スルホ−プロピオン酸無水物、メトキシペンタフルオロシクロトリホスファゼン、エトキシペンタフルオロシクロトリホスファゼン、フェノキシペンタフルオロシクロトリホスファゼン、エトキシヘプタフルオロシクロテトラホスファゼンなどがある。 Further, an additive may be further added to the electrolyte. Examples of the additive include those that produce a good SEI (Solid Electrolyte Interface) on the surface of the negative electrode active material, those that produce a good SEI on the surface of the positive electrode active material, and those that are effective in preventing overcharge. Specifically, acetonitrile, propionitrile, succinonitrile, glutaronitrile, adiponitrile, pimeonitrile, suberonitrile, sebaconitrile, cyclohexylbenzene, fluorocyclohexylbenzene compound (1-fluoro-2-cyclohexylbenzene, 1-fluoro-3- Cyclohexylbenzene, 1-fluoro-4-cyclohexylbenzene), tert-butylbenzene, tert-amylbenzene, 1-fluoro-4-tert-butylbenzene, biphenyl, terphenyl (o-, m-, p-isomer), Diphenyl ether, fluorobenzene, difluorobenzene (o-, m-, p-isomer), anisole, 2,4-difluoroanisole, terphenyl partially hydride (1,2-dicyclohexylbenzene, 2 Phenylbicyclohexyl, 1,2-diphenylcyclohexane, o-cyclohexylbiphenyl), methyl isocyanate, ethyl isocyanate, butyl isocyanate, phenyl isocyanate, tetramethylene diisocyanate, hexamethylene diisocyanate, octamethylene diisocyanate, 1,4-phenylene diisocyanate, 2- Isocyanatoethyl acrylate and 2-isocyanatoethyl methacrylate, 2-propynylmethyl carbonate, 2-propynyl acetate, 2-propynyl formate, 2-propynyl methacrylate, 2-propynyl methanesulfonate, 2-propynyl vinyl sulfonate, 2, -(Methanesulfonyloxy) propionic acid 2-propynyl, di (2-propynyl) oxalate, methyl 2-pro Pinyl oxalate, ethyl 2-propynyl oxalate, di (2-propynyl) glutarate, 2-butyne-1,4-diyldimethanesulfonate, 2-butyne-1,4-diyl diformate, 2,4- Hexadiyne-1,6-diyldimethanesulfonate, 1,3-propane sultone, 1,3-butane sultone, 2,4-butane sultone, 1,4-butane sultone, 1,3-propene sultone, 2,2-dioxide-1 , 2-oxathiolan-4-yl acetate, 5,5-dimethyl-1,2-oxathiolan-4-one 2,2-dioxide, etc., ethylene sulfite, hexahydrobenzo [1,3,2] dioxathiolane- 2-oxide (also called 1,2-cyclohexanediol cyclic sulfite), 5-vinyl Such as cyclic sulfites such as hexahydro-1,3,2-benzodioxathiol-2-oxide, butane-2,3-diyldimethanesulfonate, butane-1,4-diyldimethanesulfonate, methylenemethanedisulfonate, etc. Sulfonic acid ester, divinyl sulfone, 1,2-bis (vinylsulfonyl) ethane, bis (2-vinylsulfonylethyl) ether, 1,3-propane sultone, 1,3-butane sultone, 1,4-butane sultone, 2,4 -Butane sultone, 1,3-propene sultone, 2,2-dioxide-1,2-oxathiolan-4-yl acetate, 5,5-dimethyl-1,2-oxathiolan-4-one 2,2-dioxide, methylene methane Disulfonate, ethylene sulfite, and 4- (methylsulfonylmethyl) ) -1,3,2-dioxathiolane 2-oxide, butane-2,3-diyldimethanesulfonate, butane-1,4-diyldimethanesulfonate, dimethylmethane disulfonate, pentafluorophenylmethanesulfonate, divinylsulfone, And bis (2-vinylsulfonylethyl) ether, trimethyl phosphate, tributyl phosphate, and trioctyl phosphate, tris (2,2,2-trifluoroethyl) phosphate, bis (2,2,2-triphosphate) Fluoroethyl) methyl, bis (2,2,2-trifluoroethyl) ethyl phosphate, bis (2,2,2-trifluoroethyl) phosphate, 2,2-difluoroethyl phosphate, bis (2,2,2) 2-trifluoroethyl) 2,2,3,3-tetrafluoropropyl, bis (2,2-diflurate) phosphate Roethyl) 2,2,2-trifluoroethyl, bis (2,2,3,3-tetrafluoropropyl) phosphate 2,2,2-trifluoroethyl, phosphoric acid (2,2,2-trifluoroethyl) ) (2,2,3,3-tetrafluoropropyl) methyl, tris (1,1,1,3,3,3-hexafluoropropan-2-yl) phosphate, methyl methylenebisphosphonate, ethyl methylenebisphosphonate , Methyl ethylene bisphosphonate, ethyl ethylene bisphosphonate, methyl butylene bisphosphonate, ethyl butylene bisphosphonate, methyl 2- (dimethylphosphoryl) acetate, ethyl 2- (dimethylphosphoryl) acetate, methyl 2- (diethylphosphoryl) acetate, ethyl 2 -(Diethylphosphoryl) acetate, 2-propynyl 2- Dimethylphosphoryl) acetate, 2-propynyl 2- (diethylphosphoryl) acetate, methyl 2- (dimethoxyphosphoryl) acetate, ethyl 2- (dimethoxyphosphoryl) acetate, methyl 2- (diethoxyphosphoryl) acetate, ethyl 2- (diethoxy) Phosphoryl) acetate, 2-propynyl 2- (dimethoxyphosphoryl) acetate, 2-propynyl 2- (diethoxyphosphoryl) acetate, methyl pyrophosphate, ethyl pyrophosphate, acetic anhydride, propionic anhydride, or succinic anhydride, maleic anhydride 2-allyl succinic anhydride, glutaric anhydride, itaconic anhydride, 3-sulfo-propionic anhydride, methoxypentafluorocyclotriphosphazene, ethoxypentafluorocyclotriphosphazene, phenoxype Examples include interfluorocyclotriphosphazene and ethoxyheptafluorocyclotetraphosphazene.
なお、本実施形態において、電解質は液体以外にゲル化剤を添加することにより得られるゲル電解質であってもよい。また、電解質溶液に代えて、固体電解質(固体高分子電解質又はイオン伝導性無機材料からなる電解質)が含有されていてもよい。 In the present embodiment, the electrolyte may be a gel electrolyte obtained by adding a gelling agent in addition to the liquid. Further, instead of the electrolyte solution, a solid electrolyte (a solid polymer electrolyte or an electrolyte made of an ion conductive inorganic material) may be contained.
(セパレータ)
セパレータ18は、電気絶縁性の微多孔膜であり、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンまたは他のポリオレフィンからなるフィルムの単層微多孔膜または積層微多孔膜、前記高分子の混合物フィルムの、乾式法または湿式法により作製される微多孔膜、または、セルロース、ポリエステル、ポリエチレンまたはポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも1種の構成材料からなる不織布が挙げられる。また、ガラス繊維からなる微多孔膜であっても良い。
(Separator)
The separator 18 is an electrically insulating microporous film, for example, a single layer microporous film or a laminated microporous film made of polyethylene, polypropylene or other polyolefin, or a dry method or a wet method of the polymer mixture film. Examples thereof include a microporous membrane prepared by a method, or a nonwoven fabric made of at least one constituent material selected from the group consisting of cellulose, polyester, polyethylene, or polypropylene. Moreover, the microporous film which consists of glass fibers may be sufficient.
前記セパレータの片面または両面には、耐熱層を形成しても良い。耐熱層は、アルミナなどの無機粒子とバインダーからなる。バインダーは、段落0035及び0073に記載したバインダーを使用できる。 A heat-resistant layer may be formed on one side or both sides of the separator. The heat-resistant layer is composed of inorganic particles such as alumina and a binder. As the binder, the binders described in paragraphs 0035 and 0073 can be used.
(外装体)
外装体50は、その内部に積層体30及び電解質溶液を密封するものである。外装体50は、電解液の外部への漏出や、外部からの電気化学デバイス100内部への水分などの侵入などを抑止できる物であれば特に限定されない。例えば、外装体50として、図1に示すように、金属箔52を高分子フィルム54で両側からコーティングした金属ラミネートフィルムを利用できる。金属箔52としては例えばアルミニウム箔、ステンレス箔などが利用できる。外側の高分子フィルム54としては融点の高い高分子例えばポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアミドなどが好ましく、内側の高分子フィルム54の材料としてはポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などが好ましい。
(Exterior body)
The
(端子)
端子60、62は、アルミニウム、ニッケルなどの導電材料から形成されている。
(Terminal)
The
そして、公知の方法により、端子60、62を正極集電体12、負極集電体22にそれぞれ溶接し、正極10の正極合剤層14と負極20の負極合剤層24との間にセパレータ18を挟んだ状態で、電解質と共に外装体50内に挿入し、外装体50の開口部を熱シールすればよい。
Then, the
以上、リチウム粉、これを用いたリチウムイオン二次電池用負極、及び、これを用いたリチウムイオン二次電池の好適な一実施形態について詳細に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。 As described above, the lithium powder, the negative electrode for the lithium ion secondary battery using the lithium powder, and the preferred embodiment of the lithium ion secondary battery using the lithium powder have been described in detail. However, the invention is limited to the embodiment. It is not something.
例えば、前記負極は、リチウムイオン二次電池以外の電気化学素子にも用いることができる。例えばリチウムイオンキャパシタの負極に用いることができる。これらの電気化学素子は、携帯電話(スマートフォンを含む)、ノートブックパーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、電動工具、車両、据置型電源などの用途に使用することが可能である。 For example, the negative electrode can also be used for electrochemical elements other than lithium ion secondary batteries. For example, it can be used for the negative electrode of a lithium ion capacitor. These electrochemical elements can be used for applications such as mobile phones (including smart phones), notebook personal computers, digital cameras, power tools, vehicles, and stationary power sources.
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。各実施例及び比較例におけるリチウム粉の製造条件を表1、リチウム粉の性状及び大気中における保存安定性をそれぞれ表2にまとめた。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example. The production conditions of the lithium powder in each Example and Comparative Example are summarized in Table 1, and the properties of the lithium powder and the storage stability in the air are summarized in Table 2, respectively.
<リチウム粉の調製>
以下の方法でリチウム粉を作製し、評価を行った。
<Preparation of lithium powder>
Lithium powder was produced by the following method and evaluated.
(実施例1)
リチウム粉の製造は、アルゴンガスを循環している露点−99℃及び酸素濃度0.01ppmのグローブボックス内で行った。グローボックス内に設置したステンレス容器に流動パラフィンを6L及びリチウムインゴットを200g投入し、撹拌羽根が付いたステンレス蓋で蓋をした。ステンレス容器をヒーターで加熱し、流動パラフィンを185℃に昇温させリチウムを溶解させた。すなわち反応溶液温度は185℃である。次に、撹拌羽根を10,000rpmで回転させ15分間保持した。続いて、10,000rpmで回転させながら、始めに二酸化炭素ガスを添加速度155cm3/分で240秒間供給し、次に酸素ガスを添加速度1cm3/分で60秒間供給した。前記の二酸化炭素ガス添加速度155cm3/分は、標準状態すなわち0℃、1気圧に換算したときの二酸化炭素ガスの体積を1分間当たりに供給する速度である。その時のニ酸化炭素ガス添加量は、155cm3/分×4分=620cm3となる。酸素ガスの場合も同様である。その後、撹拌羽根の回転を止め、反応溶液温度が50℃になるまで冷却し、フィルター(孔径2μm)でろ過した。フィルター上に残ったリチウム粉をヘキサンで洗浄しリチウム粉から流動パラフィンを取り除いた。フィルターからガラス瓶にリチウム粉を移し、さらにアルミラミネート袋で封入した。
Example 1
The lithium powder was produced in a glove box having a dew point of -99 ° C and an oxygen concentration of 0.01 ppm in which argon gas was circulated. 6 L of liquid paraffin and 200 g of lithium ingot were put into a stainless steel container installed in the glow box, and the stainless steel lid with a stirring blade was covered. The stainless steel container was heated with a heater, and liquid paraffin was heated to 185 ° C. to dissolve lithium. That is, the reaction solution temperature is 185 ° C. Next, the stirring blade was rotated at 10,000 rpm and held for 15 minutes. Subsequently, while rotating at 10,000 rpm, carbon dioxide gas was first supplied at an addition rate of 155 cm 3 / min for 240 seconds, and then oxygen gas was supplied at an addition rate of 1 cm 3 / min for 60 seconds. The carbon dioxide gas addition rate of 155 cm 3 / min is a rate at which the volume of carbon dioxide gas is supplied per minute in the standard state, that is, converted to 0 ° C. and 1 atm. The amount of carbon dioxide gas added at that time is 155 cm 3 / min × 4 min = 620 cm 3 . The same applies to oxygen gas. Thereafter, the rotation of the stirring blade was stopped, the reaction solution was cooled to 50 ° C., and filtered through a filter (pore size 2 μm). The lithium powder remaining on the filter was washed with hexane to remove liquid paraffin from the lithium powder. Lithium powder was transferred from the filter to a glass bottle and further sealed with an aluminum laminate bag.
<リチウム粉の表面、断面観察、表面分析、粒径測定及び熱分析>
コアがリチウムで、リチウムの表面を炭酸リチウムの被膜(厚み58nm)が被覆しており、炭酸リチウムの表面に酸化リチウムの粒子(粒子径1nm)を含有する被膜が存在していた。リチウム金属含有率は90質量%であった。また平均粒径は25μmであった。これらの結果を表2にまとめた。
<Lithium powder surface, cross-sectional observation, surface analysis, particle size measurement and thermal analysis>
The core was lithium, and the lithium surface was coated with a lithium carbonate film (thickness: 58 nm), and a film containing lithium oxide particles (particle diameter: 1 nm) was present on the lithium carbonate surface. The lithium metal content was 90% by mass. The average particle size was 25 μm. These results are summarized in Table 2.
<リチウム粉の保存安定性>
ドライルーム(温度:23℃、露点−50℃)内にデシケータを置き、デシケータ内にふっ化セシウム飽和水溶液500cm3を入れた。この水溶液の蒸気圧により、このデシケータ内の相対湿度は3.8%となった(この状態を以後、湿潤雰囲気と呼ぶ)。このデシケータ内の目皿の上にステンレスバットを置き、そこにリチウム粉を1g計りとり、デシケータの蓋をして3時間静置した。このリチウム粉を熱分析したところ、リチウム金属含有率は88質量%であった。従って、湿潤雰囲気保存前後のリチウム金属含有率の差(湿潤雰囲気保存前のリチウム金属含有率−湿潤雰囲気保存後のリチウム金属含有率)は、2質量%と小さかった。このように、湿潤雰囲気に保存してもリチウム金属含有率の減少は小さかった。従って、本実施例のリチウム粉は、大気中において優れた保存特性が得られた。
<Storage stability of lithium powder>
A desiccator was placed in a dry room (temperature: 23 ° C., dew point −50 ° C.), and 500 cm 3 of a saturated cesium fluoride aqueous solution was placed in the desiccator. Due to the vapor pressure of the aqueous solution, the relative humidity in the desiccator was 3.8% (this state is hereinafter referred to as a humid atmosphere). A stainless steel bat was placed on the eye plate in the desiccator, 1 g of lithium powder was weighed there, and the desiccator was covered and left for 3 hours. When this lithium powder was subjected to thermal analysis, the lithium metal content was 88% by mass. Therefore, the difference in lithium metal content before and after storage in a wet atmosphere (lithium metal content before storage in a wet atmosphere−lithium metal content after storage in a wet atmosphere) was as small as 2% by mass. Thus, even when stored in a humid atmosphere, the decrease in lithium metal content was small. Therefore, the lithium powder of this example has excellent storage characteristics in the air.
(実施例2)
本実施例以下の実施例及び比較例においては、露点、ニ酸化炭素ガス供給量、酸素ガス供給量及び反応溶液温度を表1に示すように制御し、実施例1と同様にリチウム粉を製造した。本実施例では、酸素ガスを添加速度12cm3/分で60秒間供給したこと以外は、全て実施例1と同様に行った。出来上がったリチウム粉は、実施例1と同様にコアがリチウムで、リチウムの表面を炭酸リチウムの被膜(厚み60nm)が被覆しており、炭酸リチウムの表面に酸化リチウムの粒子(粒子径10nm)を含有する被膜が存在していた。リチウム金属含有率は92質量%で、平均粒径は22μmであった。湿潤雰囲気保存前後のリチウム金属含有率の差は、2質量%と小さかった。このように、湿潤雰囲気に保存してもリチウム金属含有率の減少は小さかった。従って、本実施例のリチウム粉は、大気中において優れた保存特性が得られた。
(Example 2)
In the following examples and comparative examples, the dew point, carbon dioxide supply amount, oxygen gas supply amount and reaction solution temperature were controlled as shown in Table 1, and lithium powder was produced in the same manner as in Example 1. did. In this example, everything was performed in the same manner as in Example 1 except that oxygen gas was supplied for 60 seconds at an addition rate of 12 cm 3 / min. The finished lithium powder has a lithium core as in Example 1 and a lithium carbonate coating (
(実施例3)
酸素ガスを添加速度55cm3/分で60秒間供給したこと以外は、全て実施例1と同様に行った。出来上がったリチウム粉は、実施例1と同様にコアがリチウムで、リチウムの表面を炭酸リチウムの被膜(厚み63nm)が被覆しており、炭酸リチウムの表面に酸化リチウムの粒子(粒子径115nm)を含有する被膜が存在していた。リチウム金属含有率は90質量%で、平均粒径は26μmであった。湿潤雰囲気保存前後のリチウム金属含有率の差は、2質量%と小さかった。このように、湿潤雰囲気に保存してもリチウム金属含有率の減少は小さかった。従って、本実施例のリチウム粉は、大気中において優れた保存特性が得られた。
(Example 3)
The same procedure as in Example 1 was performed except that oxygen gas was supplied at an addition rate of 55 cm 3 / min for 60 seconds. The resulting lithium powder has a lithium core as in Example 1 and a lithium carbonate coating (thickness 63 nm) on the lithium surface, and lithium oxide particles (particle diameter 115 nm) on the lithium carbonate surface. There was a coating to contain. The lithium metal content was 90% by mass and the average particle size was 26 μm. The difference in lithium metal content before and after storage in a wet atmosphere was as small as 2% by mass. Thus, even when stored in a humid atmosphere, the decrease in lithium metal content was small. Therefore, the lithium powder of this example has excellent storage characteristics in the air.
(実施例4)
酸素ガスを添加速度400cm3/分で60秒間供給したこと以外は、全て実施例1と同様に行った。出来上がったリチウム粉は、実施例1と同様にコアがリチウムで、リチウムの表面を炭酸リチウムの被膜(厚み62nm)が被覆しており、炭酸リチウムの表面に酸化リチウムの粒子(粒子径530nm)を含有する被膜が存在していた。リチウム金属含有率は89質量%で、平均粒径は25μmであった。湿潤雰囲気保存前後のリチウム金属含有率の差は、3質量%と小さかった。このように、湿潤雰囲気に保存してもリチウム金属含有率の減少は小さかった。従って、本実施例のリチウム粉は、大気中において優れた保存特性が得られた。
Example 4
The same procedure as in Example 1 was performed except that oxygen gas was supplied at an addition rate of 400 cm 3 / min for 60 seconds. As in Example 1, the finished lithium powder has a lithium core and a lithium carbonate coating (thickness: 62 nm) on the surface of lithium, and lithium oxide particles (particle diameter: 530 nm) on the lithium carbonate surface. There was a coating to contain. The lithium metal content was 89% by mass and the average particle size was 25 μm. The difference in lithium metal content before and after storage in a wet atmosphere was as small as 3% by mass. Thus, even when stored in a humid atmosphere, the decrease in lithium metal content was small. Therefore, the lithium powder of this example has excellent storage characteristics in the air.
(実施例5)
酸素ガスを添加速度700cm3/分で60秒間供給したこと以外は、全て実施例1と同様に行った。出来上がったリチウム粉は、実施例1と同様にコアがリチウムで、リチウムの表面を炭酸リチウムの被膜(厚み65nm)が被覆しており、炭酸リチウムの表面に酸化リチウムの粒子(粒子径1100nm)を含有する被膜が存在していた。リチウム金属含有率は88質量%で、平均粒径は26μmであった。湿潤雰囲気保存前後のリチウム金属含有率の差は、2質量%と小さかった。このように、湿潤雰囲気に保存してもリチウム金属含有率の減少は小さかった。従って、本実施例のリチウム粉は、大気中において優れた保存特性が得られた。
(Example 5)
All operations were performed in the same manner as in Example 1 except that oxygen gas was supplied at an addition rate of 700 cm 3 / min for 60 seconds. The resulting lithium powder has a lithium core as in Example 1 and a lithium carbonate coating (thickness 65 nm) on the lithium surface, and lithium oxide particles (particle size 1100 nm) on the lithium carbonate surface. There was a coating to contain. The lithium metal content was 88% by mass and the average particle size was 26 μm. The difference in lithium metal content before and after storage in a wet atmosphere was as small as 2% by mass. Thus, even when stored in a humid atmosphere, the decrease in lithium metal content was small. Therefore, the lithium powder of this example has excellent storage characteristics in the air.
(実施例6)
酸素ガスを添加速度1300cm3/分で60秒間供給したこと以外は、全て実施例1と同様に行った。出来上がったリチウム粉は、実施例1と同様にコアがリチウムで、リチウムの表面を炭酸リチウムの被膜(厚み60nm)が被覆しており、炭酸リチウムの表面に酸化リチウムの粒子(粒子径2000nm)を含有する被膜が存在していた。リチウム金属含有率は87質量%で、平均粒径は28μmであった。湿潤雰囲気保存前後のリチウム金属含有率の差は、1質量%と小さかった。このように、湿潤雰囲気に保存してもリチウム金属含有率の減少は小さかった。従って、本実施例のリチウム粉は、大気中において優れた保存特性が得られた。
(Example 6)
All operations were performed in the same manner as in Example 1 except that oxygen gas was supplied at an addition rate of 1300 cm 3 / min for 60 seconds. The resulting lithium powder has a lithium core as in Example 1 and a lithium carbonate coating (
(実施例7)
酸素ガスを添加速度400cm3/分で60秒間供給し及び反応溶液温度を200℃としたこと以外は、全て実施例1と同様に行った。出来上がったリチウム粉は、実施例1と同様にコアがリチウムで、リチウムの表面をリチウムカーバイド(厚み1nm)の被膜、リチウムカーバイドの表面を炭酸リチウムの被膜(厚み62nm)が被覆しており、炭酸リチウムの表面に酸化リチウムの粒子(粒子径500nm)を含有する被膜が存在していた。リチウム金属含有率は90質量%で、平均粒径は22μmであった。湿潤雰囲気保存前後のリチウム金属含有率の差は、2質量%と小さかった。このように、湿潤雰囲気に保存してもリチウム金属含有率の減少は小さかった。従って、本実施例のリチウム粉は、大気中において優れた保存特性が得られた。
(Example 7)
All were performed in the same manner as in Example 1 except that oxygen gas was supplied at an addition rate of 400 cm 3 / min for 60 seconds and the reaction solution temperature was 200 ° C. The resulting lithium powder has a lithium core as in Example 1, a lithium carbide coating (thickness 1 nm) on the surface of lithium, and a lithium carbonate coating (
(実施例8)
酸素ガスを添加速度400cm3/分で60秒間供給し及び反応溶液温度を210℃としたこと以外は、全て実施例1と同様に行った。出来上がったリチウム粉は、実施例1と同様にコアがリチウムで、リチウムの表面をリチウムカーバイド(厚み3nm)の被膜、リチウムカーバイドの表面を炭酸リチウムの被膜(厚み60nm)が被覆しており、炭酸リチウムの表面に酸化リチウムの粒子(粒子径510nm)を含有する被膜が存在していた。リチウム金属含有率は92質量%で、平均粒径は23μmであった。湿潤雰囲気保存前後のリチウム金属含有率の差は、3質量%と小さかった。このように、湿潤雰囲気に保存してもリチウム金属含有率の減少は小さかった。従って、本実施例のリチウム粉は、大気中において優れた保存特性が得られた。
(Example 8)
All were performed in the same manner as in Example 1 except that oxygen gas was supplied at an addition rate of 400 cm 3 / min for 60 seconds and the reaction solution temperature was 210 ° C. The resulting lithium powder has a lithium core as in Example 1, a lithium carbide coating (thickness 3 nm) on the surface of lithium, and a lithium carbonate coating (
(実施例9)
酸素ガスを添加速度400cm3/分で60秒間供給し及び反応溶液温度を220℃としたこと以外は、全て実施例1と同様に行った。出来上がったリチウム粉は、実施例1と同様にコアがリチウムで、リチウムの表面にリチウムカーバイド(厚み6nm)の被膜、リチウムカーバイドの表面を炭酸リチウムの被膜(厚み61nm)が被覆しており、炭酸リチウムの表面に酸化リチウムの粒子(粒子径520nm)を含有する被膜が存在していた。リチウム金属含有率は91質量%で、平均粒径は21μmであった。湿潤雰囲気保存前後のリチウム金属含有率の差は、2質量%と小さかった。このように、湿潤雰囲気に保存してもリチウム金属含有率の減少は小さかった。従って、本実施例のリチウム粉は、大気中において優れた保存特性が得られた。
Example 9
All were performed in the same manner as in Example 1 except that oxygen gas was supplied at an addition rate of 400 cm 3 / min for 60 seconds and the reaction solution temperature was 220 ° C. The resulting lithium powder has a lithium core as in Example 1, a lithium carbide coating (thickness 6 nm) on the lithium surface, and a lithium carbonate coating (thickness 61 nm) on the lithium carbide surface. A film containing lithium oxide particles (particle size: 520 nm) was present on the surface of lithium. The lithium metal content was 91% by mass and the average particle size was 21 μm. The difference in lithium metal content before and after storage in a wet atmosphere was as small as 2% by mass. Thus, even when stored in a humid atmosphere, the decrease in lithium metal content was small. Therefore, the lithium powder of this example has excellent storage characteristics in the air.
(実施例10)
酸素ガスを添加速度400cm3/分で60秒間供給し及び反応溶液温度を230℃としたこと以外は、全て実施例1と同様に行った。出来上がったリチウム粉は、実施例1と同様にコアがリチウムで、リチウムの表面にリチウムカーバイド(厚み8nm)の被膜、リチウムカーバイドの表面を炭酸リチウムの被膜(厚み63nm)が被覆しており、炭酸リチウムの表面に酸化リチウムの粒子(粒子径480nm)を含有する被膜が存在していた。リチウム金属含有率は90質量%で、平均粒径は26μmであった。湿潤雰囲気保存前後のリチウム金属含有率の差は、2質量%と小さかった。このように、湿潤雰囲気に保存してもリチウム金属含有率の減少は小さかった。従って、本実施例のリチウム粉は、大気中において優れた保存特性が得られた。
(Example 10)
All were performed in the same manner as in Example 1 except that oxygen gas was supplied at an addition rate of 400 cm 3 / min for 60 seconds and the reaction solution temperature was 230 ° C. The resulting lithium powder has a core of lithium as in Example 1, a lithium carbide coating (thickness 8 nm) on the surface of lithium, and a lithium carbonate coating (thickness 63 nm) on the surface of lithium carbide. A film containing lithium oxide particles (particle diameter 480 nm) was present on the surface of lithium. The lithium metal content was 90% by mass and the average particle size was 26 μm. The difference in lithium metal content before and after storage in a wet atmosphere was as small as 2% by mass. Thus, even when stored in a humid atmosphere, the decrease in lithium metal content was small. Therefore, the lithium powder of this example has excellent storage characteristics in the air.
(実施例11)
酸素ガスを添加速度400cm3/分で60秒間供給し及び反応溶液温度を240℃としたこと以外は、全て実施例1と同様に行った。出来上がったリチウム粉は、実施例1と同様にコアがリチウムで、リチウムの表面にリチウムカーバイド(厚み9nm)の被膜、リチウムカーバイドの表面を炭酸リチウムの被膜(厚み65nm)が被覆しており、炭酸リチウムの表面に酸化リチウムの粒子(粒子径500nm)を含有する被膜が存在していた。リチウム金属含有率は89質量%で、平均粒径は25μmであった。湿潤雰囲気保存前後のリチウム金属含有率の差は、3質量%と小さかった。このように、湿潤雰囲気に保存してもリチウム金属含有率の減少は小さかった。従って、本実施例のリチウム粉は、大気中において優れた保存特性が得られた。
(Example 11)
All were performed in the same manner as in Example 1 except that oxygen gas was supplied at an addition rate of 400 cm 3 / min for 60 seconds and the reaction solution temperature was 240 ° C. The resulting lithium powder has a lithium core as in Example 1, a lithium carbide coating (thickness 9 nm) on the lithium surface, and a lithium carbonate coating (thickness 65 nm) on the lithium carbide surface. A film containing lithium oxide particles (particle diameter 500 nm) was present on the surface of lithium. The lithium metal content was 89% by mass and the average particle size was 25 μm. The difference in lithium metal content before and after storage in a wet atmosphere was as small as 3% by mass. Thus, even when stored in a humid atmosphere, the decrease in lithium metal content was small. Therefore, the lithium powder of this example has excellent storage characteristics in the air.
(実施例12)
露点を−65℃、反応溶液温度を210℃、始めに二酸化炭素ガスを添加速度155cm3/分で550秒間供給し、次に酸素ガスを添加速度400cm3/分で60秒間供給したこと以外は、全て実施例1と同様に行った。出来上がったリチウム粉は、実施例1と同様にコアがリチウムで、リチウムの表面をリチウムカーバイド(厚み3nm)の被膜、リチウムカーバイドの表面を炭酸リチウムの被膜(厚み230nm)が被覆しており、酸化リチウムの粒子(粒子径510nm)及び水酸化リチウムを含有する被膜が存在していた。リチウム金属含有率は89質量%で、平均粒径は23μmであった。湿潤雰囲気保存前後のリチウム金属含有率の差は、2質量%と小さかった。このように、湿潤雰囲気に保存してもリチウム金属含有率の減少は小さかった。従って、本実施例のリチウム粉は、大気中において優れた保存特性が得られた。
(Example 12)
Except that the dew point was -65 ° C, the reaction solution temperature was 210 ° C, carbon dioxide gas was first supplied at an addition rate of 155 cm 3 / min for 550 seconds, and then oxygen gas was supplied at an addition rate of 400 cm 3 / min for 60 seconds. All were performed in the same manner as in Example 1. The resulting lithium powder has a lithium core as in Example 1, a lithium carbide coating (thickness 3 nm) on the surface of lithium, and a lithium carbonate coating (thickness 230 nm) on the surface of lithium carbide. A coating containing lithium particles (particle diameter 510 nm) and lithium hydroxide was present. The lithium metal content was 89% by mass and the average particle size was 23 μm. The difference in lithium metal content before and after storage in a wet atmosphere was as small as 2% by mass. Thus, even when stored in a humid atmosphere, the decrease in lithium metal content was small. Therefore, the lithium powder of this example has excellent storage characteristics in the air.
(実施例13)
露点を−65℃、反応溶液温度を210℃、始めに二酸化炭素ガスを添加速度155cm3/分で453秒間供給し、次に酸素ガスを添加速度400cm3/分で60秒間供給したこと以外は、全て実施例1と同様に行った。出来上がったリチウム粉は、実施例1と同様にコアがリチウムで、リチウムの表面をリチウムカーバイド(厚み2nm)の被膜、リチウムカーバイドの表面を炭酸リチウムの被膜(厚み170nm)が被覆しており、酸化リチウムの粒子(粒子径490nm)及び水酸化リチウムを含有する被膜が存在していた。リチウム金属含有率は90質量%で、平均粒径は22μmであった。湿潤雰囲気保存前後のリチウム金属含有率の差は、3質量%と小さかった。このように、湿潤雰囲気に保存してもリチウム金属含有率の減少は小さかった。従って、本実施例のリチウム粉は、大気中において優れた保存特性が得られた。
(Example 13)
Except that the dew point was -65 ° C, the reaction solution temperature was 210 ° C, carbon dioxide gas was first supplied for 453 seconds at an addition rate of 155 cm 3 / min, and then oxygen gas was supplied for 60 seconds at an addition rate of 400 cm 3 / min. All were performed in the same manner as in Example 1. The resulting lithium powder has a lithium core as in Example 1, a lithium carbide coating (thickness 2 nm) on the surface of lithium, and a lithium carbonate coating (thickness 170 nm) on the surface of lithium carbide. A coating containing lithium particles (particle diameter 490 nm) and lithium hydroxide was present. The lithium metal content was 90% by mass and the average particle size was 22 μm. The difference in lithium metal content before and after storage in a wet atmosphere was as small as 3% by mass. Thus, even when stored in a humid atmosphere, the decrease in lithium metal content was small. Therefore, the lithium powder of this example has excellent storage characteristics in the air.
(実施例14)
露点を−65℃、反応溶液温度を210℃、始めに二酸化炭素ガスを添加速度155cm3/分で348秒間供給し、次に酸素ガスを添加速度400cm3/分で60秒間供給したこと以外は、全て実施例1と同様に行った。出来上がったリチウム粉は、実施例1と同様にコアがリチウムで、リチウムの表面をリチウムカーバイド(厚み1nm)の被膜、リチウムカーバイドの表面を炭酸リチウムの被膜(厚み110nm)が被覆しており、酸化リチウムの粒子(粒子径520nm)及び水酸化リチウムを含有する被膜が存在していた。リチウム金属含有率は91質量%で、平均粒径は25μmであった。湿潤雰囲気保存前後のリチウム金属含有率の差は、2質量%と小さかった。このように、湿潤雰囲気に保存してもリチウム金属含有率の減少は小さかった。従って、本実施例のリチウム粉は、大気中において優れた保存特性が得られた。
(Example 14)
Except that the dew point was -65 ° C, the reaction solution temperature was 210 ° C, carbon dioxide gas was first supplied at an addition rate of 155 cm 3 / min for 348 seconds, and then oxygen gas was supplied at an addition rate of 400 cm 3 / min for 60 seconds. All were performed in the same manner as in Example 1. The finished lithium powder has a core of lithium as in Example 1, a lithium carbide coating (thickness 1 nm) on the surface of lithium, and a lithium carbonate coating (thickness 110 nm) on the surface of lithium carbide. There was a coating containing lithium particles (particle size 520 nm) and lithium hydroxide. The lithium metal content was 91% by mass and the average particle size was 25 μm. The difference in lithium metal content before and after storage in a wet atmosphere was as small as 2% by mass. Thus, even when stored in a humid atmosphere, the decrease in lithium metal content was small. Therefore, the lithium powder of this example has excellent storage characteristics in the air.
(実施例15)
露点を−65℃、反応溶液温度を210℃、始めに二酸化炭素ガスを添加速度155cm3/分で240秒間供給し、次に酸素ガスを添加速度400cm3/分で60秒間供給したこと以外は、全て実施例1と同様に行った。出来上がったリチウム粉は、実施例1と同様にコアがリチウムで、リチウムの表面をリチウムカーバイド(厚み3nm)の被膜、リチウムカーバイドの表面を炭酸リチウムの被膜(厚み60nm)が被覆しており、酸化リチウムの粒子(粒子径540nm)及び水酸化リチウムを含有する被膜が存在していた。リチウム金属含有率は96質量%で、平均粒径は21μmであった。湿潤雰囲気保存前後のリチウム金属含有率の差は、3質量%と小さかった。このように、湿潤雰囲気に保存してもリチウム金属含有率の減少は小さかった。従って、本実施例のリチウム粉は、大気中において優れた保存特性が得られた。
(Example 15)
The dew point was -65 ° C, the reaction solution temperature was 210 ° C, carbon dioxide gas was first supplied for 240 seconds at an addition rate of 155 cm 3 / min, and then oxygen gas was supplied for 60 seconds at an addition rate of 400 cm 3 / min. All were performed in the same manner as in Example 1. The resulting lithium powder has a core of lithium as in Example 1, a lithium carbide coating (thickness 3 nm) on the surface of lithium, and a lithium carbonate coating (
(実施例16)
露点を−65℃、反応溶液温度を210℃、始めに二酸化炭素ガスを添加速度155cm3/分で120秒間供給し、次に酸素ガスを添加速度400cm3/分で60秒間供給したこと以外は、全て実施例1と同様に行った。出来上がったリチウム粉は、実施例1と同様にコアがリチウムで、リチウムの表面をリチウムカーバイド(厚み3nm)の被膜、リチウムカーバイドの表面を炭酸リチウムの被膜(厚み30nm)が被覆しており、酸化リチウムの粒子(粒子径500nm)及び水酸化リチウムを含有する被膜が存在していた。リチウム金属含有率は97質量%で、平均粒径は23μmであった。湿潤雰囲気保存前後のリチウム金属含有率の差は、2質量%と小さかった。このように、湿潤雰囲気に保存してもリチウム金属含有率の減少は小さかった。従って、本実施例のリチウム粉は、大気中において優れた保存特性が得られた。
(Example 16)
The dew point is -65 ° C, the reaction solution temperature is 210 ° C, carbon dioxide gas is first supplied for 120 seconds at an addition rate of 155 cm 3 / min, and then oxygen gas is supplied for 60 seconds at an addition rate of 400 cm 3 / min. All were performed in the same manner as in Example 1. The resulting lithium powder has a lithium core as in Example 1, a lithium carbide coating (thickness 3 nm) on the surface of lithium, and a lithium carbonate coating (thickness 30 nm) on the surface of lithium carbide. A coating containing lithium particles (particle diameter 500 nm) and lithium hydroxide was present. The lithium metal content was 97% by mass and the average particle size was 23 μm. The difference in lithium metal content before and after storage in a wet atmosphere was as small as 2% by mass. Thus, even when stored in a humid atmosphere, the decrease in lithium metal content was small. Therefore, the lithium powder of this example has excellent storage characteristics in the air.
(実施例17)
露点を−65℃、反応溶液温度を210℃、始めに二酸化炭素ガスを添加速度155cm3/分で60秒間供給し、次に酸素ガスを添加速度400cm3/分で60秒間供給したこと以外は、全て実施例1と同様に行った。出来上がったリチウム粉は、実施例1と同様にコアがリチウムで、リチウムの表面をリチウムカーバイド(厚み2nm)の被膜、リチウムカーバイドの表面を炭酸リチウムの被膜(厚み10nm)が被覆しており、酸化リチウムの粒子(粒子径490nm)及び水酸化リチウムを含有する被膜が存在していた。リチウム金属含有率は98質量%で、平均粒径は27μmであった。湿潤雰囲気保存前後のリチウム金属含有率の差は、1質量%と小さかった。このように、湿潤雰囲気に保存してもリチウム金属含有率の減少は小さかった。従って、本実施例のリチウム粉は、大気中において優れた保存特性が得られた。
(Example 17)
Except that the dew point was -65 ° C, the reaction solution temperature was 210 ° C, carbon dioxide gas was first supplied at an addition rate of 155 cm 3 / min for 60 seconds, and then oxygen gas was supplied at an addition rate of 400 cm 3 / min for 60 seconds. All were performed in the same manner as in Example 1. The finished lithium powder has a core of lithium as in Example 1, a lithium carbide coating (thickness 2 nm) on the surface of lithium, and a lithium carbonate coating (
(比較例1)
酸素ガスを供給しないこと以外は全て実施例1と同様に行った。出来上がったリチウム粉は、コアがリチウムで、リチウムの表面を炭酸リチウムの被膜(厚み60nm)が被覆していた。リチウム金属含有率は90質量%で、平均粒径は26μmであった。湿潤雰囲気保存前後のリチウム金属含有率の差は、12質量%と大きかった。このように、湿潤雰囲気気に保存するとリチウム金属含有率の減少は大きかった。従って、本比較例のリチウム粉は、大気中において優れた保存特性は得られなかった。
(Comparative Example 1)
The same procedure as in Example 1 was performed except that oxygen gas was not supplied. The finished lithium powder had a lithium core and a lithium carbonate coating (
(比較例2)
始めに酸素ガスを添加速度55cm3/分で60秒間供給し、次に二酸化炭素ガスを添加速度155cm3/分で240秒間供給したこと以外は、全て実施例1と同様に行った。出来上がったリチウム粉は、コアがリチウムで、リチウムの表面を酸化リチウムの被膜(厚み115nm)が被覆しており、酸化リチウムの表面に炭酸リチウムの粒子(粒子径61nm)を含有する被膜が存在していた。リチウム金属含有率は91質量%で、平均粒径は25μmであった。湿潤雰囲気保存前後のリチウム金属含有率の差は、11質量%と大きかった。このように、湿潤雰囲気気に保存するとリチウム金属含有率の減少は大きかった。従って、本比較例のリチウム粉は、大気中において優れた保存特性は得られなかった。
(Comparative Example 2)
The same procedure as in Example 1 was performed except that oxygen gas was first supplied for 60 seconds at an addition rate of 55 cm 3 / min, and then carbon dioxide gas was supplied for 240 seconds at an addition rate of 155 cm 3 / min. The finished lithium powder has a core of lithium and a lithium oxide coating (thickness 115 nm) on the surface of lithium, and a coating containing lithium carbonate particles (particle diameter 61 nm) is present on the lithium oxide surface. It was. The lithium metal content was 91% by mass and the average particle size was 25 μm. The difference in lithium metal content before and after storage in a humid atmosphere was as large as 11% by mass. Thus, the lithium metal content decreased greatly when stored in a humid atmosphere. Therefore, the lithium powder of this comparative example did not have excellent storage characteristics in the atmosphere.
(実施例18)
<負極の作製>
SiOX、カーボンブラック(電気化学工業(株)製、DAB50)及びポリアクリル酸バインダーの15質量%水溶液をそれぞれ10g、0.231g及び7.584g樹脂製容器に秤量し、自転公転する撹拌装置((株)キーエンス製 商品名:ハイブリッドミキサー)で混合して負極塗料を作製した。この負極塗料を集電体である銅箔(幅99mm、厚み10μm)にドクターブレード法で塗布、続いて110℃で乾燥し片面に負極合剤層がある負極を作製した。なお、銅集電体には外部引き出し端子を溶接するために、塗料を塗布しない部分を設けておいた。もう一方の面にも同様に負極塗料を塗布し、両面に負極合剤層がある負極を作製した。この負極を真空雰囲気下、150℃で20時間熱処理した。次にこの負極を所定の密度になるように、ロールプレスでプレスした。
(Example 18)
<Production of negative electrode>
Stirrers that weigh SiO x , carbon black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., DAB50), and 15% by weight aqueous solution of polyacrylic acid binder in 10 g, 0.231 g, and 7.584 g resin containers, respectively. A negative electrode paint was prepared by mixing with a product of Keyence Co., Ltd. (trade name: hybrid mixer). This negative electrode paint was applied to a copper foil (width 99 mm,
<負極の不可逆容量の測定>
段落(0124)で作製した負極の片面の負極合剤を取り除き、外部引き出し電極を溶接できる部分を設けた所定形状に打抜いた。また、リチウム箔を貼り付ける銅箔を準備し、外部引き出し電極を溶接できる部分を設けた所定形状に打抜いた。前記負極、セパレータ(ポリエチレン製の微多孔膜)、リチウム箔(厚み100μm)及び前記銅箔を準備し、この順序で積層した。尚、負極の負極合剤とリチウム箔とは、セパレータを挟んで対向するようにした。負極及び銅箔には、それぞれ、外部引き出し端子としてニッケル箔(幅4mm、長さ40mm、厚み100μm )を超音波溶接した。外部端子と外装体とのシール性を向上させるために、この外部引き出し端子に、無水マレイン酸をグラフト化したポリプロピレンフィルムを巻き付け熱接着させた。負極、セパレータ、リチウム箔及び銅箔を積層した電池要素を封入する電池外装体はアルミニウムラミネート材料からなり、その構成は、ポリエチレンテレフタレート(厚さ12μm)/アルミニウム(厚さ40μm)/ポリプロピレン(厚さ50μm)のものを用意した。この時、ポリプロピレンが内側となるように製袋した。この外装体の中に前記電池要素を挿入し電解質を適当量添加し、外装体を真空密封しいわゆるハーフセルを作製した。電解質は、フルオロエチレンカーボネート(FECと略記)とジエチルカーボネート(DECと略記)の混合溶媒(FEC:DEC=30:70vol%)にLiPF6を1M(備考:M=moldm−3)になるように溶解させたものを用いた。このハーフセルを0.05Cの電流で5mVまで充電し、引き続き2Vまで放電した。この時の充放電容量を、第1サイクルの充電容量及び第1サイクルの放電容量と呼ぶ。そして、下式(8)により、不可逆容量を求めた。
不可逆容量(mAh)=第1サイクルの充電容量(mAh)−第1サイクルの放電容量(mAh)
(8)
ここで、C(シー)レート表記の説明をする。nC(mA)は、公称容量(mAh)を1/n(h)で充放電できる電流である。例えば、公称容量70mAhの電池の場合、0.05Cの電流は3.5mA(計算式70×0.05=3.5)である。
<Measurement of irreversible capacity of negative electrode>
The negative electrode mixture on one side of the negative electrode prepared in paragraph (0124) was removed, and punched into a predetermined shape provided with a portion where the external lead electrode could be welded. Moreover, the copper foil which affixes lithium foil was prepared, and it punched in the predetermined shape which provided the part which can weld an external extraction electrode. The negative electrode, separator (polyethylene microporous film), lithium foil (
Irreversible capacity (mAh) = first cycle charge capacity (mAh) −first cycle discharge capacity (mAh)
(8)
Here, the C (sea) rate notation will be described. nC (mA) is a current that can charge and discharge the nominal capacity (mAh) at 1 / n (h). For example, in the case of a battery with a nominal capacity of 70 mAh, the current of 0.05 C is 3.5 mA (calculation formula 70 × 0.05 = 3.5).
<プレドープ負極の作製>
段落(0124)で作製した負極の両面上に、実施例1で製造したリチウム粉を散布し、その後、ハンドプレスによって20kNで加圧して負極へリチウム粉を固定化した。この負極をプレドープ負極と呼ぶことにする。リチウム粉の単位面積当たりの散布量は、負極の片面の単位面積当たりの不可逆容量に相当する質量を散布した。散布量は下式(9)によって求めた。
散布量(g/cm2)×3862mAh/g×保存前のリチウム金属含有率(%)/100
=不可逆容量(mAh/cm2) (9)
<Preparation of pre-doped negative electrode>
Lithium powder produced in Example 1 was sprayed on both sides of the negative electrode prepared in paragraph (0124), and then pressed with a hand press at 20 kN to fix the lithium powder to the negative electrode. This negative electrode is called a pre-doped negative electrode. For the amount of lithium powder sprayed per unit area, a mass corresponding to the irreversible capacity per unit area of one side of the negative electrode was sprayed. The amount of application was determined by the following formula (9).
Application rate (g / cm 2 ) × 3862 mAh / g × lithium metal content before storage (%) / 100
= Irreversible capacity (mAh / cm 2 ) (9)
<正極の作製>
正極活物質としてLiNi0.8Co0.15Al0.05O2を85g、カーボンブラック(電気化学工業(株)製、DAB50)を5g、黒鉛(ティムカル(株)製 、商品名:KS−6)を5g、及びバインダーのポリフッ化ビニリデン(PVDF)溶液(呉羽化学工業(株)製、商品名:KF7305、PVDFを5質量%含んだNMP溶液)を50g、樹脂製容器に秤量し、ハイブリッドミキサーで混合して正極塗料を作製した。この正極塗料を集電体であるアルミニウム箔(厚み20μm)にドクターブレード法で塗布後、110℃で乾燥して片面に正極合剤層がある正極を作製した。なお、アルミニウム集電体には外部引き出し端子を溶接するために、正極塗料を塗布しない部分を設けておいた。一方の片面にも同様に正極塗料を塗布し、両面に正極合剤層がある正極を作製した。次にこの正極を所定の密度になるように、ロールプレスでプレスした。
<Preparation of positive electrode>
LiNi 0.8 Co 0 . 85 g of 15 Al 0.05 O 2 , 5 g of carbon black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., DAB50), 5 g of graphite (manufactured by Timcal Co., Ltd., trade name: KS-6), and polyvinylidene fluoride as a binder 50 g of (PVDF) solution (manufactured by Kureha Chemical Industry Co., Ltd., trade name: KF7305, NMP solution containing 5% by mass of PVDF) was weighed in a resin container and mixed with a hybrid mixer to prepare a positive electrode paint. This positive electrode paint was applied to an aluminum foil (
<電池の作製>
段落(0126)で作製したプレドープ負極、段落(0127)で作製した正極及びセパレータ(ポリエチレン製の微多孔膜)を準備し、所定の寸法に切断した。続いて、前記正極、前記セパレータ、及び前記プレドープ負極をこの順序で積層した。積層体は、正極、セパレータ、及び負極がずれないようにテープで固定した。正極及び負極には、それぞれ、外部引き出し端子としてアルミニウム箔(幅4mm、長さ40mm、厚み100μm)、ニッケル箔(幅4mm、長さ40mm、厚み100μm )を超音波溶接した。外部端子と外装体とのシール性を向上させるために、この外部引き出し端子に、無水マレイン酸をグラフト化したポリプロピレンフィルムを巻き付け熱接着させた。正極、負極、及びセパレータを積層した電池要素を封入する電池外装体はアルミニウムラミネート材料からなり、その構成は、ポリエチレンテレフタレート(厚さ12μm)/アルミニウム(厚さ40μm)/ポリプロピレン(厚さ50μm)のものを用意した。この時、ポリプロピレンが内側となるように製袋した。この外装体の中に前記電池要素を挿入し電解質(FECとDECとの混合溶媒(FEC:DEC=30:70vol%)にLiPF6を1M(備考M=moldm−3)になるように溶解させた)を適当量添加し、外装体を真空密封しリチウムイオン二次電池を作製した。
<Production of battery>
A pre-doped negative electrode prepared in paragraph (0126), a positive electrode prepared in paragraph (0127), and a separator (polyethylene microporous film) were prepared and cut into predetermined dimensions. Subsequently, the positive electrode, the separator, and the pre-doped negative electrode were laminated in this order. The laminate was fixed with tape so that the positive electrode, the separator, and the negative electrode were not displaced. An aluminum foil (width 4 mm, length 40 mm,
(電池試験方法)
段落(0128)で作製したリチウムイオン二次電池の評価は、充放電サイクル試験を実施した。充放電試験は、25℃の恒温槽内にて行った。充放電サイクル試験条件は、第1サイクルは、0.05Cで3時間充電後、0.2Cで4.2VまでCCCV充電した。放電は、0.2Cで3.0Vまで放電した。第2サイクル以降は、0.5Cで4.2VまでCCCV充電を行い、1Cで3.0Vまで放電した。尚CCCV充電とは、始めに所定の定電流で所定電圧まで充電し、所定電圧に到達後は所定電流に減衰するまで充電を行う充電方法である。今回の充放電サイクル試験では、前記所定電流は0.05Cとした。この充放電サイクル試験を500サイクルまで繰り返した。
(Battery test method)
Evaluation of the lithium ion secondary battery produced in the paragraph (0128) was carried out by a charge / discharge cycle test. The charge / discharge test was performed in a constant temperature bath at 25 ° C. The charge / discharge cycle test conditions were as follows. In the first cycle, the battery was charged at 0.05 C for 3 hours, and then charged at C to 0.2 V at 0.2 C. Discharge was discharged to 3.0V at 0.2C. After the second cycle, the CCCV charge was performed up to 4.2V at 0.5C and discharged to 3.0V at 1C. The CCCV charging is a charging method in which charging is first performed to a predetermined voltage with a predetermined constant current, and charging is performed until the voltage is attenuated to a predetermined current after reaching the predetermined voltage. In the current charge / discharge cycle test, the predetermined current was set to 0.05C. This charge / discharge cycle test was repeated up to 500 cycles.
第1サイクルの放電容量を100として、500サイクル後の放電容量を規格化した容量維持率を表3に示した。実施例が比較例よりも高い容量維持率を示している。これは、リチウム粉の大気中における保存安定性によるものと考えられる。大気中での保存安定性に優れるリチウム粉では、不可逆容量の原因となっている化学種とリチウムとを十分電気化学反応させることが可能である。しかし、保存安定性に優れないリチウム粉では、不可逆容量の原因となっている化学種とリチウムとを十分電気化学反応させることができないためと考えられる。 Table 3 shows capacity retention ratios obtained by standardizing the discharge capacity after 500 cycles, assuming that the discharge capacity of the first cycle is 100. The example shows a higher capacity retention rate than the comparative example. This is considered to be due to the storage stability of lithium powder in the atmosphere. Lithium powder having excellent storage stability in the air can sufficiently cause a chemical reaction between a chemical species causing irreversible capacity and lithium. However, it is considered that the lithium powder that is not excellent in storage stability cannot sufficiently cause the electrochemical reaction between the chemical species causing the irreversible capacity and lithium.
(実施例19〜34及び比較例3〜4)
負極合剤層に散布するリチウム粉を実施例2〜17及び比較例1〜2で得られたリチウム粉を用いたことを除いて、実施例18と同様に実施例19〜34及び比較例3〜4のリチウムイオン二次電池を作製し、充放電サイクル試験を行った。
(Examples 19 to 34 and Comparative Examples 3 to 4)
Examples 19 to 34 and Comparative Example 3 were the same as Example 18, except that the lithium powder dispersed in the negative electrode mixture layer was the lithium powder obtained in Examples 2 to 17 and Comparative Examples 1 and 2. The lithium ion secondary battery of -4 was produced and the charge / discharge cycle test was done.
なお本発明は、前記実施形態に限定されるものではない。前記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has any configuration that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and exhibits the same function and effect. Are included in the technical scope.
本発明に係る、大気中での保存安定性に優れたリチウム粉、これを用いたサイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用負極及びリチウムイオン二次電池が得られる。これは、携帯電子機器の電源として好適に用いられ、電気自動車や家庭及び産業用蓄電池としても用いられる。 According to the present invention, a lithium powder excellent in storage stability in the air, a negative electrode for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery excellent in cycle characteristics using the lithium powder can be obtained. This is suitably used as a power source for portable electronic devices, and is also used as an electric vehicle, a household battery, and an industrial storage battery.
10…正極、12…正極集電体、14…正極活物質層、18…セパレータ、20…負極、22…負極集電体、24…負極活物質層、30…積層体、50…外装体、62…正極端子、60…負極端子、100…リチウムイオン二次電池
DESCRIPTION OF
Claims (10)
The lithium ion secondary battery provided with the negative electrode for lithium ion secondary batteries of Claim 9, an electrolyte, and a positive electrode.
Priority Applications (2)
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| JP2022525771A (en) * | 2019-04-25 | 2022-05-19 | 浙江鋒▲り▼新能源科技有限公司 | Lithium metal negative electrode, its manufacturing method, and lithium battery using the negative electrode |
| US20220407183A1 (en) * | 2021-06-03 | 2022-12-22 | Global Graphene Group, Inc. | Multi-Layer Solid Electrolyte Separator for a Lithium Secondary Battery and Manufacturing Method |
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-
2018
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