JP2018174038A - Binder for lithium ion secondary battery negative electrode, negative electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery using the same - Google Patents
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Abstract
【課題】サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用負極用バインダー、それを用い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を提供すること。
【解決手段】複数の環状分子と、線状高分子とを有する高分子であって、前記線状高分子は、前記複数の環状分子を貫通してなり、前記線状高分子の両末端に前記環状分子に対して立体障害となる末端基を有する、リチウムイオン二次電池負極用バインダー。
【選択図】図2
A negative electrode binder for a lithium ion secondary battery having excellent cycle characteristics, and a negative electrode for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery using the binder.
A polymer having a plurality of cyclic molecules and a linear polymer, wherein the linear polymer penetrates the plurality of cyclic molecules and is attached to both ends of the linear polymer. The binder for lithium ion secondary battery negative electrodes which has the terminal group which becomes a steric hindrance with respect to the said cyclic molecule.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池負極用バインダー、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に関するものである。 The present invention relates to a negative electrode binder for lithium ion secondary batteries, a negative electrode for lithium ion secondary batteries, and a lithium ion secondary battery using the same.
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、負極活物質として例えばSi等の材料を用いた場合、充放電に伴う負極活物質の膨張収縮が大きいため、充放電の繰り返しにより負極合剤層内における負極活物質粒子間の導電パスの切断、負極合剤層と集電体間の剥離、などが発生し、サイクル特性の劣化が生じるとされている。そこで、負極活物質としてSi等の膨張収縮が大きい活物質を用いる場合は、ポリイミドなどの高強度のバインダーを用いるなどで電極構造を保持する工夫がなされている。 However, when a material such as Si is used as the negative electrode active material, the expansion and contraction of the negative electrode active material accompanying charge / discharge is large. Therefore, the conductive path between the negative electrode active material particles in the negative electrode mixture layer is repeatedly generated by repeated charge / discharge. It is said that cutting, peeling between the negative electrode mixture layer and the current collector, and the like occur, resulting in deterioration of cycle characteristics. Therefore, when an active material having a large expansion and contraction, such as Si, is used as the negative electrode active material, a contrivance is made to maintain the electrode structure by using a high-strength binder such as polyimide.
特許文献1には、ケイ素及び/またはケイ素合金を含む活物質粒子とバインダーとを含む活物質層を導電性金属箔からなる集電体の表面上に配置したリチウム二次電池用負極であって、前記バインダーが、引張強さ50N/mm2以上、破断伸び10%以上、歪みエネルギー密度2.5×10−3J/mm3以上、及び弾性率10000N/mm2以下の機械的特性を有することを特徴とするリチウム二次電池用負極が、開示されている。そして、前記バインダーの例としてポリイミドが開示されている。特許文献2には、環状分子、該環状分子を串刺し状に包接する直鎖状分子、該串刺し状分子から該環状分子が脱離しないように該直鎖状分子の両端に配置される封鎖基を有するポリロタキサンから本質的になる液晶性ポリロタキサンであって、該液晶性ポリロタキサンは、前記環状分子がメソゲン基を有し、かつ液晶性を有する、液晶性ポリオタキサンが開示されている。特許文献3には、環状分子の開口部が直鎖状分子によって串刺し状に包接されてなる擬ポリロタキサンの両末端に、環状分子が脱離しないように封鎖基を配置してなるポリロタキサンを複数架橋してなる架橋ポリロタキサンが開示されている。 Patent Document 1 discloses a negative electrode for a lithium secondary battery in which an active material layer containing active material particles containing silicon and / or a silicon alloy and a binder is disposed on the surface of a current collector made of a conductive metal foil. The binder has mechanical properties of a tensile strength of 50 N / mm 2 or more, a breaking elongation of 10% or more, a strain energy density of 2.5 × 10 −3 J / mm 3 or more, and an elastic modulus of 10,000 N / mm 2 or less. A negative electrode for a lithium secondary battery is disclosed. Polyimide is disclosed as an example of the binder. Patent Document 2 discloses a cyclic molecule, a linear molecule that includes the cyclic molecule in a skewered manner, and blocking groups that are arranged at both ends of the linear molecule so that the cyclic molecule is not detached from the skewered molecule. Disclosed is a liquid crystalline polyrotaxane essentially consisting of a polyrotaxane having a liquid crystal polyrotaxane, wherein the cyclic molecule has a mesogenic group and has liquid crystallinity. Patent Document 3 discloses a plurality of polyrotaxanes in which capping groups are arranged at both ends of a pseudopolyrotaxane in which openings of a cyclic molecule are included in a skewered manner by linear molecules so that the cyclic molecules are not detached. A crosslinked polyrotaxane obtained by crosslinking is disclosed.
しかしながら、特許文献1に記載の技術ではサイクル特性改善としては不十分であり、さらなる改善が切望されている。 However, the technique described in Patent Document 1 is insufficient for improving the cycle characteristics, and further improvement is desired.
そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用負極用バインダー、リチウムイオン二次電池用負極及びそれ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。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and has a negative electrode binder for a lithium ion secondary battery excellent in cycle characteristics, a negative electrode for a lithium ion secondary battery, and a lithium ion secondary battery using the same. The purpose is to provide.
上記課題を解決するために、本発明は、複数の環状分子と、線状高分子とを有する高分子であって、前記線状高分子は、前記複数の環状分子を貫通してなり、前記線状高分子の両末端に前記複数の環状分子に対して立体障害となる末端基を有する、リチウムイオン二次電池負極用バインダーを提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides a polymer having a plurality of cyclic molecules and a linear polymer, wherein the linear polymer penetrates the plurality of cyclic molecules, Provided is a lithium ion secondary battery negative electrode binder having terminal groups that are sterically hindered with respect to the plurality of cyclic molecules at both ends of a linear polymer.
かかる構成によれば、この負極を用いたリチウムイオン二次電池は、優れたサイクル特性を有する。この作用効果は必ずしも明確ではないが、以下のように考えられる。本発明の高分子は、環状分子を線状高分子が貫通している構造を有する。さらに前記線状高分子の両末端に前記環状分子が前記線状分子から抜けないように立体障害となる末端基を有する。この高分子に外力が加わると、環状分子が線状高分子鎖上を移動し、線状高分子の過度な伸長を防止する。黒鉛、シリコンなどの負極活物質はリチウムイオンを吸蔵すると、膨張する。膨張すると、負極活物質に結着している高分子は負極活物質と共に伸長する。本発明の高分子は、上記のようなメカニズムにより、過度な伸長が起きない為、この高分子が結着している活物質と集電体、活物質間、活物質と導電助剤のそれぞれの結着力の低下を抑制する。その結果、この高分子を含む負極を用いたリチウムイオン二次電池のサイクル特性が向上する。これに対しポリアクリル酸のような線状高分子は、伸長が大きい場合、高分子が他の物質に結着している結着点のはがれや高分子鎖そのものの切断により、結着力が低下してしまう。結着力が低下すると、負極活物質が集電体から剥離し抵抗が大きくなり、負極活物質が充分に充放電出来なくなってしまう。 According to this configuration, the lithium ion secondary battery using this negative electrode has excellent cycle characteristics. Although this effect is not necessarily clear, it is considered as follows. The polymer of the present invention has a structure in which a linear polymer penetrates a cyclic molecule. Furthermore, it has an end group which becomes a steric hindrance so that the cyclic molecule does not escape from the linear molecule at both ends of the linear polymer. When an external force is applied to the polymer, the cyclic molecule moves on the linear polymer chain and prevents excessive elongation of the linear polymer. Negative electrode active materials such as graphite and silicon expand when they occlude lithium ions. When expanded, the polymer bound to the negative electrode active material extends together with the negative electrode active material. Since the polymer of the present invention does not cause excessive elongation due to the mechanism as described above, the active material and the current collector to which the polymer is bound, between the active materials, and the active material and the conductive auxiliary agent, respectively. Suppresses the decrease in the binding force. As a result, the cycle characteristics of the lithium ion secondary battery using the negative electrode containing the polymer are improved. On the other hand, linear polymers such as polyacrylic acid have a large elongation, and the binding force decreases due to peeling of the binding points where the polymer is bound to other substances or by breaking the polymer chain itself. Resulting in. When the binding force is reduced, the negative electrode active material is peeled off from the current collector and the resistance is increased, and the negative electrode active material cannot be sufficiently charged and discharged.
前記複数の環状分子は、シクロデキストリン、クラウンエーテル、チオクラウンエーテル、カリックスアレーン、チオカリックスアレーンから選択される少なくともひとつであるリチウムイオン二次電池負極用バインダーが好ましい。 The plurality of cyclic molecules is preferably a lithium ion secondary battery negative electrode binder that is at least one selected from cyclodextrin, crown ether, thiocrown ether, calixarene, and thiocalixarene.
かかる構成によれば、このリチウムイオン二次電池負極用バインダーを用いたリチウムイオン二次電池は、より優れたサイクル特性が得られる。 According to such a configuration, the lithium ion secondary battery using the binder for the negative electrode of the lithium ion secondary battery can obtain more excellent cycle characteristics.
前記末端基は、アダマンタンアミンまたはジニトロベンゼンであるリチウムイオン二次電池負極用バインダーが好ましい。 The terminal group is preferably a binder for a negative electrode of a lithium ion secondary battery, which is adamantaneamine or dinitrobenzene.
かかる構成によれば、この負極活物質を用いたリチウムイオン二次電池は、より優れたサイクル特性が得られる。 According to this configuration, the lithium ion secondary battery using this negative electrode active material can obtain more excellent cycle characteristics.
前記線状高分子は、ポリエチレングリコール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリプロピレンオキシド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデンから選択される少なくともひとつであるリチウム二次電池負極用バインダーが好ましい。この作用効果は必ずしも明確ではないが、前記線状高分子はリチウムイオン二次電池に用いられる電解質溶媒に溶解しない、または、程よく膨潤するためと考えられる。 The linear polymer is preferably a lithium secondary battery negative electrode binder which is at least one selected from polyethylene glycol, polyethylene, polypropylene, polypropylene oxide, polyvinyl alcohol, and polyvinylidene fluoride. Although this effect is not necessarily clear, it is considered that the linear polymer does not dissolve in the electrolyte solvent used in the lithium ion secondary battery or swells moderately.
かかる構成によれば、この負極活物質を用いたリチウムイオン二次電池は、より優れたサイクル特性が得られる。 According to this configuration, the lithium ion secondary battery using this negative electrode active material can obtain more excellent cycle characteristics.
前記線状高分子が前記環状分子同士を介して架橋しているリチウムイオン二次電池負極用バインダーが好ましい。 A binder for a lithium ion secondary battery negative electrode in which the linear polymer is cross-linked through the cyclic molecules is preferable.
かかる構成によれば、このリチウムイオン二次電池負極用バインダーを用いたリチウムイオン二次電池は、より優れたサイクル特性が得られる。この作用効果は必ずしも明確ではないが、前記線状高分子が前記環状分子同士を介して架橋していると、活物質が膨張収縮するに際し前記線状高分子が追随しやすくなるためと考えられる。 According to such a configuration, the lithium ion secondary battery using the binder for the negative electrode of the lithium ion secondary battery can obtain more excellent cycle characteristics. Although this effect is not necessarily clear, it is considered that when the linear polymer is cross-linked through the cyclic molecules, the linear polymer easily follows when the active material expands and contracts. .
前記のリチウムイオン二次電池用バインダーと活物質とを有する活物質層が集電体上に形成されたリチウムイオン二次電池用負極が好ましい。 A negative electrode for a lithium ion secondary battery in which an active material layer having the binder for a lithium ion secondary battery and an active material is formed on a current collector is preferable.
前記活物質が、黒鉛、シリコン、SiOx(0<X<2)から選択される少なくともひとつを含むリチウムイオン二次電池用負極が好ましい。 A negative electrode for a lithium ion secondary battery in which the active material contains at least one selected from graphite, silicon, and SiO x (0 <X <2) is preferable.
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好ましい。 The lithium ion secondary battery provided with the said negative electrode for lithium ion secondary batteries, electrolyte, and a positive electrode is preferable.
かかる構成によれば、前記のリチウムイオン二次電池用負極を用いると、負極合剤に含まれる前記バインダーが活物質の膨張収縮に追随するので、本発明のリチウムイオン二次電池は優れたサイクル特性を有する。 According to such a configuration, when the negative electrode for a lithium ion secondary battery is used, the binder contained in the negative electrode mixture follows the expansion and contraction of the active material. Therefore, the lithium ion secondary battery of the present invention has an excellent cycle. Has characteristics.
本発明によれば、本発明のリチウムイオン二次電池用バインダーを用いたリチウムイオン二次電池は優れたサイクル特性を有する。 According to this invention, the lithium ion secondary battery using the binder for lithium ion secondary batteries of this invention has the outstanding cycling characteristics.
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、本実施形態に係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100は、主として、積層体30、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リード60、62を備えている。
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、それぞれリード60、62が接続されており、リード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。
First, the
(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。
(Positive electrode)
The
(正極集電体)
正極集電体12は、充電によって腐食しにくく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を用いることができる。
(Positive electrode current collector)
The positive electrode
(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。
(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 (such as MnO 2 and V 2 O 5 ), lithium-free metal sulfides (such as MoS 2 ), and lithium-free fluorides (such as FeF 3 and VF 3 ) 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、無水マレイン酸をグラフト化したポリプロピレン(PP)、無水マレイン酸をグラフト化したポリエチレン(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 grafted with maleic anhydride (PP), Examples thereof include polyethylene (PE) grafted with maleic anhydride 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。
(Negative electrode)
The
(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。
(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.
(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 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.
(バインダー)
複数の環状分子と、線状高分子とを有する高分子であって、前記線状高分子は、前記複数の環状分子を貫通してなり、前記線状高分子の両末端に前記環状分子に対して立体障害となる末端基を有する、リチウムイオン二次電池負極用バインダーであることが好ましい。一般的に線状分子が環状分子の環の中を通り、線状分子の両端が大きな末端基で固定されている分子をポリロタキサンと言う。このような高分子は、アドバンスト・ソフトマテリアルズ株式会社から「セルム スーパーポリマー」という商品名で販売されている。この高分子は、環状分子(シクロデキストリン)が線状高分子(ポリエチレングリコール)を貫通していて、前記線状高分子の両末端に前記環状分子に対して立体障害となる末端基を有する高分子である。線状高分子は、例えば、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレングリコール、ポリプロピレンオキシド、ポリエチレン、ポリプロピレン、その他オレフィン系単量体との共重合樹脂などのポリオレフィン系樹脂、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルピロリドン、ポリ(メタ)アクリル酸、カゼイン、ポリエステル樹脂、ポリスチレンやアクリロニトリル−スチレン共重合樹脂等のポリスチレン系樹脂、ポリメチルメタクリレートや(メタ)アクリル酸エステル共重合体、アクリロニトリル−メチルアクリレート共重合樹脂などのアクリル系樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ポリイソブチレン、ポリテトラヒドロフラン、ポリアニリン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体(ABS樹脂)、ナイロンなどのポリアミド類、ポリイミド類、からなる群から選ばれる。末端基は、ジニトロフェニル基類、シクロデキストリン類、アダマンタン基類、トリチル基類、フルオレセイン類、シルセスキオキサン類、ピレン類、ベンゼン類からなる群から選ばれる。環状分子のシクロデキストリンをイソシアネート基、チオイソシアネート基、オキシラン基、オキセタン基、カルボジイミド基、シラノール基、オキサゾリン基、及びアジリジン基からなる群から選ばれる化合物で修飾したものは、環状分子同士を架橋することができる。
(binder)
A polymer having a plurality of cyclic molecules and a linear polymer, wherein the linear polymer penetrates the plurality of cyclic molecules, and the cyclic molecules are attached to both ends of the linear polymer. It is preferable that it is a binder for lithium ion secondary battery negative electrodes which has the terminal group used as a steric hindrance. In general, a molecule in which a linear molecule passes through a ring of a cyclic molecule and both ends of the linear molecule are fixed with large end groups is called a polyrotaxane. Such a polymer is sold by Advanced Soft Materials Co., Ltd. under the trade name “Celum Superpolymer”. In this polymer, a cyclic molecule (cyclodextrin) penetrates a linear polymer (polyethylene glycol), and both ends of the linear polymer have terminal groups that are sterically hindered with respect to the cyclic molecule. Is a molecule. Linear polymers include, for example, polyethylene glycol, polyethylene oxide, polypropylene glycol, polypropylene oxide, polyethylene, polypropylene, other polyolefin resins such as copolymer resins with olefin monomers, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, polyvinyl pyrrolidone. , Poly (meth) acrylic acid, casein, polyester resin, polystyrene resins such as polystyrene and acrylonitrile-styrene copolymer resin, polymethyl methacrylate, (meth) acrylic acid ester copolymer, acrylonitrile-methyl acrylate copolymer resin, etc. Acrylic resin, polyvinyl butyral resin, polyisobutylene, polytetrahydrofuran, polyaniline, acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer ABS resin), polyamides such as nylon, polyimides, selected from the group consisting of. The terminal group is selected from the group consisting of dinitrophenyl groups, cyclodextrins, adamantane groups, trityl groups, fluoresceins, silsesquioxanes, pyrenes, and benzenes. Cyclic dextrin of a cyclic molecule modified with a compound selected from the group consisting of an isocyanate group, a thioisocyanate group, an oxirane group, an oxetane group, a carbodiimide group, a silanol group, an oxazoline group, and an aziridine group crosslinks the cyclic molecules. be able to.
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、負極に良好な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、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、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、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、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 negative electrode, 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, 2-isocyanatoethyl methacrylate, 2-propynylmethyl carbonate, 2-propynyl acetate, 2-propynyl formate, 2-propynyl methacrylate, 2-propynyl methanesulfonate, 2-propynyl vinylsulfonate, 2- (Methanesulfonyloxy) propionic acid 2-propynyl, di (2-propynyl) oxalate, methyl 2-propini Luogizarate, ethyl 2-propynyl oxalate, di (2-propynyl) glutarate, 2-butyne-1,4-diyldimethanesulfonate, 2-butyne-1,4-diyldiformate, 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, Sultone such as 2-oxathiolan-4-yl acetate, 5,5-dimethyl-1,2-oxathiolan-4-one 2,2-dioxide, ethylene sulfite, hexahydrobenzo [1,3,2] dioxathiolane-2 -Oxide (also called 1,2-cyclohexanediol cyclic sulfite), 5-vinyl-hex Cyclic sulfites such as hydro-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, 4- (methylsulfonylmethyl) -1 3,2-dioxathiolane 2-oxide, butane-2,3-diyldimethanesulfonate, butane-1,4-diyldimethanesulfonate, dimethylmethane disulfonate, pentafluorophenylmethanesulfonate, divinylsulfone, bis (2-vinyl Sulfonylethyl) ether, trimethyl phosphate, tributyl phosphate, trioctyl phosphate, tris (2,2,2-trifluoroethyl) phosphate, bis (2,2,2-trifluoroethyl) methyl phosphate, phosphoric acid Bis (2,2,2-trifluoroethyl) ethyl, bis (2,2,2-trifluoroethyl) phosphate 2,2-difluoroethyl, bis (2,2,2-trifluoroethyl) phosphate 2 , 2,3,3-tetrafluoropropyl, bis (2,2-difluoroethyl) phosphate 2,2 , 2-trifluoroethyl, bis (2,2,3,3-tetrafluoropropyl) phosphate, 2,2,2-trifluoroethyl phosphate, (2,2,2-trifluoroethyl) phosphate (2,2 , 3,3-tetrafluoropropyl) methyl, tris phosphate (1,1,1,3,3,3-hexafluoropropan-2-yl), methyl methylene bisphosphonate, ethyl methylene bisphosphonate, 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- (dimethylphosphori ) Acetate, 2-propynyl 2- (diethylphosphoryl) acetate, methyl 2- (dimethoxyphosphoryl) acetate, ethyl 2- (dimethoxyphosphoryl) acetate, methyl 2- (diethoxyphosphoryl) acetate, ethyl 2- (diethoxyphosphoryl) 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, phenoxypentafluorosic Torihosufazen, there is an ethoxy heptafluoro cyclotetrasiloxane phosphazene.
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 polyolefin, or a dry method or a wet method using a mixture film of the polymer. Examples include a microporous membrane to be produced, 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を高分子膜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を、高分子膜54としてはポリプロピレンなどの膜を利用できる。例えば、外側の高分子膜54の材料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、内側の高分子膜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
(リード)
リード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。
(Lead)
The leads 60 and 62 are made of a conductive material such as aluminum or nickel.
そして、公知の方法により、リード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、電解液と共に外装体50内に挿入し、外装体50の入り口を熱シールすればよい。
Then, the
以上、リチウムイオン二次電池用負極用バインダー、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。 The preferred embodiments of the negative electrode binder for lithium ion secondary batteries, the negative electrode for lithium ion secondary batteries using the same, and the lithium ion secondary battery using the same have been described above in detail. It is not limited to the embodiment.
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。各実施例または比較例に使用したバインダーの種類を表1に示した。 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. Table 1 shows the types of binder used in each example or comparative example.
(実施例1)
<負極の作製>
Si(平均粒子径5μm)、バインダーとしてポリロタキサン(アドバンスト・ソフトマテリアルズ社製、商品名:セルム スーパーポリマーSH3400P、重量平均分子量700、000)、及びカーボンブラック(電気化学工業(株)製、DAB50)をそれぞれ83質量部、15質量部、2質量部を、樹脂製容器に秤量し、さらに溶剤としてDMF(ジメチルホルム網戸)を適当量添加し、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)で混合し負極塗料を作製した。SH3400Pの構造式を図2に示した。SH3400Pは、線状高分子がポリエチレングリコール、環状分子がポリカプロラクトングラフトα−シクロデキストリン、末端基がアダマンタンアミンである。尚、α−シクロデキストリンの−OH基の一部を、ヒドロキシプロピル基で置換している。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(リード)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。一方の片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。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 1
<Production of negative electrode>
Si (average particle size 5 μm), polyrotaxane (manufactured by Advanced Soft Materials, trade name: Celm superpolymer SH3400P, weight average molecular weight 700,000), and carbon black (DAB50, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) as binders , 83 parts by weight, 15 parts by weight, and 2 parts by weight, respectively, are weighed in a resin container, and an appropriate amount of DMF (dimethylform screen) is added as a solvent, and the agitator (revolution made by Keyence Co., Ltd.) : Hybrid mixer) to prepare a negative electrode paint. The structural formula of SH3400P is shown in FIG. In SH3400P, the linear polymer is polyethylene glycol, the cyclic molecule is polycaprolactone-grafted α-cyclodextrin, and the end group is adamantaneamine. In addition, a part of —OH group of α-cyclodextrin is substituted with a hydroxypropyl group. This negative electrode paint was applied to a copper foil (width 99 mm,
<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(リード)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(0117)で作製した負極、段落(0118)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質膜)を準備し、所定の寸法に切断した。続いて、前記正極、前記負極、及び前記セパレータをこの順序で積層した。積層体は、正極、負極、及びセパレータ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溶液(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電解液)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 negative electrode prepared in paragraph (0117), a positive electrode prepared in paragraph (0118), and a separator (polyethylene microporous film) were prepared and cut into predetermined dimensions. Subsequently, the positive electrode, the negative electrode, and the separator were laminated in this order. The laminate was fixed with tape so that the positive electrode, the negative electrode, and the separator were not displaced. An aluminum foil (width 4 mm, length 40 mm,
(実施例2)
<負極の作製>
バインダーをポリロタキサンの品種を変更したこと及び熱処理したこと以外は、実施例1と同様に実施した。バインダーは、アドバンスト・ソフトマテリアルズ社製、商品名:セルム スーパーポリマーSH3400M(重量平均分子量400、000)を用いた。SH3400Mは、実施例1のポリロタキサン(SH3400P)と基本的に同じ構造であるが、架橋剤が含まれている。SH3400Mは、線状高分子がポリエチレングリコール、環状分子がポリカプロラクトングラフトα−シクロデキストリン、末端基がアダマンタンアミンであり。SH3400Mには、さらに架橋剤としてポリカーボネートジオールが含まれている。作製した負極を170℃で2時間、真空下で熱処理した。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 2)
<Production of negative electrode>
The binder was used in the same manner as in Example 1 except that the polyrotaxane varieties were changed and heat-treated. As a binder, a product name: Celm superpolymer SH3400M (weight average molecular weight 400,000) manufactured by Advanced Soft Materials, Inc. was used. SH3400M has basically the same structure as the polyrotaxane (SH3400P) of Example 1, but contains a crosslinking agent. In SH3400M, the linear polymer is polyethylene glycol, the cyclic molecule is polycaprolactone-grafted α-cyclodextrin, and the end group is adamantaneamine. SH3400M further contains polycarbonate diol as a crosslinking agent. The prepared negative electrode was heat-treated at 170 ° C. for 2 hours under vacuum. Next, this negative electrode was pressed with a roll press so as to have a predetermined density.
(比較例1)
<負極の作製>
バインダーをポリアクリル酸(重量平均分子量798、000)に変更したこと及び熱処理したこと以外は、実施例1と同様に実施した。作製した負極を200℃で15時間、真空下で熱処理した。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。
(Comparative Example 1)
<Production of negative electrode>
The same procedure as in Example 1 was performed except that the binder was changed to polyacrylic acid (weight average molecular weight of 798,000) and heat treatment was performed. The prepared negative electrode was heat-treated at 200 ° C. for 15 hours under vacuum. Next, this negative electrode was pressed with a roll press so as to have a predetermined density.
(電池試験方法)
段落(0119)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。充放電電流の表記は、以降C(シー)レート表記を使う。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。
(Battery test method)
Evaluation of the lithium ion secondary battery produced in the paragraph (0119) was carried out by a charge / discharge cycle test. The charge / discharge test was performed in a constant temperature bath at 25 ° C. Hereinafter, the charge / discharge current is expressed in C (sea) rate. 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).
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。 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、200サイクル後の放電容量を規格化した容量維持率を表2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、以下のように考えられる。バインダーであるポリロタキサンは、環状分子を線状高分子が貫通している構造を有する。この高分子に外力が加わると、環状分子が線状高分子鎖上を移動し、線状高分子の過度な伸長を防止する。一方、負極活物質であるSiはリチウムイオンを吸蔵すると、膨張する。膨張すると、負極活物質に結着している高分子は負極活物質と共に伸長する。本発明の高分子は、上記のようなメカニズムにより、過度な伸長が起きない為、この高分子が結着している活物質と集電体、活物質間、活物質と導電助剤のそれぞれの結着力の低下を抑制する。その結果、この高分子を含む負極を用いたリチウムイオン二次電池のサイクル特性が向上する。これに対しポリアクリル酸のような線状高分子は、伸長が大きい場合、高分子が他の物質に結着している結着点の剥がれや高分子鎖そのものの切断により、結着力が低下してしまう。結着力が低下すると、負極活物質が集電体から剥離し抵抗が大きくなり、負極活物質が充分に充放電出来なくなってしまう。 Table 2 shows the capacity retention ratio obtained by standardizing the discharge capacity after 200 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 as follows. A polyrotaxane as a binder has a structure in which a linear polymer penetrates a cyclic molecule. When an external force is applied to the polymer, the cyclic molecule moves on the linear polymer chain and prevents excessive elongation of the linear polymer. On the other hand, Si, which is a negative electrode active material, expands when lithium ions are occluded. When expanded, the polymer bound to the negative electrode active material extends together with the negative electrode active material. Since the polymer of the present invention does not cause excessive elongation due to the mechanism as described above, the active material and the current collector to which the polymer is bound, between the active materials, and the active material and the conductive auxiliary agent, respectively. Suppresses the decrease in the binding force. As a result, the cycle characteristics of the lithium ion secondary battery using the negative electrode containing the polymer are improved. On the other hand, linear polymers such as polyacrylic acid, when stretched, have a lower binding force due to peeling of the binding points where the polymer is bound to other substances or by breaking the polymer chain itself. Resulting in. When the binding force is reduced, the negative electrode active material is peeled off from the current collector and the resistance is increased, and the negative electrode active material cannot be sufficiently charged and discharged.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上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 that exhibits the same effects. Are included in the technical scope.
本発明に係る、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これを用いた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。 The negative electrode for lithium ion secondary batteries excellent in cycle characteristics and a lithium ion secondary battery using the same according to the present invention are 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…正極リード、60…負極リード、100…リチウムイオン二次電池
DESCRIPTION OF
Claims (8)
The lithium ion secondary battery provided with the negative electrode for lithium ion secondary batteries of Claim 7, an electrolyte, and a positive electrode.
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