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JP2008251433A - Battery - Google Patents

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JP2008251433A
JP2008251433A JP2007093351A JP2007093351A JP2008251433A JP 2008251433 A JP2008251433 A JP 2008251433A JP 2007093351 A JP2007093351 A JP 2007093351A JP 2007093351 A JP2007093351 A JP 2007093351A JP 2008251433 A JP2008251433 A JP 2008251433A
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JP
Japan
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negative electrode
positive electrode
battery
current collector
lithium
Prior art date
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Pending
Application number
JP2007093351A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenichi Kawase
賢一 川瀬
Tomoo Takada
智雄 高田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a battery capable of improving a cycle characteristic while reducing the weight thereof even when an armoring can is used as a negative electrode. <P>SOLUTION: A battery element 20 having a laminate structure of a positive electrode 21, a negative electrode 22 and a separator 23 is housed in the armoring can 11. The armoring can 11 is formed of a metal material containing aluminum, and a reaction suppression layer 31 formed of copper or nickel is formed on its inside surface. An alloying reaction of lithium included in an electrolyte held to the separator 23 with aluminum included in the armoring can 11 is suppressed by the reaction suppression layer 31. Since the inside surface of the armoring can 11 faces a positive electrode collector 21A positioned at an end on a rolling outer periphery side of the battery element 20 through the reaction suppression layer 31 and the separator 23, excessive heat generation is suppressed in abnormality such as breakage. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、正極、負極および電解質がアルミニウムを含む材料からなる外装缶に収容された電池に関する。   The present invention relates to a battery accommodated in an outer can made of a material in which a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte contain aluminum.

近年、携帯電話,PDA(Personal Digital Assistant;個人用携帯型情報端末機器)あるいはノート型コンピュータに代表される携帯型電子機器の小型化、軽量化が精力的に進められ、その一環として、それらの駆動電源である電池、特に二次電池のエネルギー密度の向上が強く望まれている。高エネルギー密度を得ることができる二次電池としては、負極に炭素材料などのリチウム(Li)を吸蔵および離脱することが可能な材料を用いたリチウムイオン二次電池が商品化され、その市場が拡大している。   In recent years, mobile electronic devices such as mobile phones, PDAs (Personal Digital Assistants) or notebook computers have been energetically reduced in size and weight, and as part of these efforts, Improvement of the energy density of a battery as a driving power source, particularly a secondary battery is strongly desired. As a secondary battery capable of obtaining a high energy density, a lithium ion secondary battery using a material capable of inserting and extracting lithium (Li) such as a carbon material in a negative electrode has been commercialized, and its market is It is expanding.

リチウムイオン二次電池では、正極と負極とを隔てるセパレータとして、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどからなる合成樹脂製の多孔質膜、またはセラミック製の多孔質膜が用いられている。セパレータは両極の接触による電流の短絡を防止する一方、電解質を保持することでリチウムイオンを通過させ、両極間での電池反応を可能としている。   In a lithium ion secondary battery, a porous film made of a synthetic resin made of polytetrafluoroethylene, polypropylene, polyethylene or the like or a porous film made of a ceramic is used as a separator that separates a positive electrode and a negative electrode. The separator prevents a short circuit of current due to contact between both electrodes, while holding an electrolyte allows lithium ions to pass therethrough and allows a battery reaction between both electrodes.

また、高エネルギー密度を得ることができる他の二次電池としては、負極にリチウム金属を用い、負極反応にリチウム金属の析出および溶解反応のみを利用したリチウム金属二次電池がある。リチウム金属二次電池は、リチウム金属の理論電気化学当量が2054mAh/cm3 と大きく、リチウムイオン二次電池で用いられる黒鉛の2.5倍にも相当するので、リチウムイオン二次電池を上回る高いエネルギー密度を得られるものと期待されている。これまでも、多くの研究者等によりリチウム金属二次電池の実用化に関する研究開発がなされている(例えば、非特許文献1参照。)。 As another secondary battery capable of obtaining a high energy density, there is a lithium metal secondary battery using lithium metal for the negative electrode and utilizing only precipitation and dissolution reactions of lithium metal for the negative electrode reaction. Lithium metal secondary batteries have a large theoretical electrochemical equivalent of 2054 mAh / cm 3 of lithium metal, which is equivalent to 2.5 times that of graphite used in lithium ion secondary batteries, so it is higher than lithium ion secondary batteries. The energy density is expected to be obtained. Until now, research and development regarding practical application of lithium metal secondary batteries has been made by many researchers and the like (for example, see Non-Patent Document 1).

最近では負極の容量がリチウムの吸蔵および離脱による容量成分と、リチウムの析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表される二次電池が開発されている(例えば、特許文献1参照。)。これは、負極にリチウムを吸蔵および離脱することが可能な炭素材料を用い、充電の途中においてその炭素材料の表面にリチウムを析出させるようにしたものである。この二次電池によれば、リチウム金属二次電池と同様に高エネルギー密度を達成させることが期待できる。   Recently, a secondary battery has been developed in which the capacity of the negative electrode includes a capacity component due to insertion and extraction of lithium and a capacity component due to precipitation and dissolution of lithium, and is represented by the sum thereof (for example, see Patent Document 1). .) In this method, a carbon material capable of inserting and extracting lithium is used for the negative electrode, and lithium is deposited on the surface of the carbon material during charging. According to this secondary battery, it can be expected to achieve a high energy density as in the case of the lithium metal secondary battery.

一方、このような二次電池においては、正極や負極を収容する容器としてステンレス鋼よりも比重の小さなアルミニウムからなる外装缶を用いることで、軽量化が検討されている(例えば、特許文献2参照)。
ジャンポール・ガバノ(Jean-Paul Gabano)編,「リチウム・バッテリーズ(Lithium Batteries )」,ロンドン,ニューヨーク,アカデミック・プレス(Academic Press),1983年 国際公開第01/22519号パンフレット 特開平6−163025号公報
On the other hand, in such a secondary battery, weight reduction has been studied by using an outer can made of aluminum having a specific gravity smaller than that of stainless steel as a container for accommodating a positive electrode and a negative electrode (see, for example, Patent Document 2). ).
Edited by Jean-Paul Gabano, "Lithium Batteries", London, New York, Academic Press, 1983 International Publication No. 01/22519 Pamphlet JP-A-6-163025

しかしながら、電池反応物質としてのリチウムは、アルミニウムと合金化反応を生じる性質を有している。このため、アルミニウムによって構成した外装缶を負極とした場合には外装缶自体が浸食され、機械的強度が低下し、電池としての信頼性を損なうおそれがある。さらに、リチウムとアルミニウムとの充放電効率は比較的低いことから、サイクル特性の劣化を招く原因ともなる。   However, lithium as a battery reactant has a property of causing an alloying reaction with aluminum. For this reason, when the outer can made of aluminum is used as the negative electrode, the outer can itself is eroded, the mechanical strength is lowered, and the reliability of the battery may be impaired. Furthermore, since the charge / discharge efficiency of lithium and aluminum is relatively low, it may cause deterioration of cycle characteristics.

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、外装缶を負極とした場合であっても軽量化を図りつつサイクル特性を向上させることのできる電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a battery capable of improving cycle characteristics while achieving weight reduction even when an outer can is used as a negative electrode.

本発明の電池は、リチウムを吸蔵および放出可能な材料を含む正極と、リチウムを吸蔵および離脱可能な材料を含む負極とを有する電池素子と、この電池素子を収容する外装缶とを備えるようにしたものである。ここで、外装缶はアルミニウムを含む金属材料からなると共に負極と短絡しており、かつ、その内面にアルミニウムとリチウムとの反応を抑制する反応抑制層を有している。   The battery of the present invention includes a battery element having a positive electrode including a material capable of inserting and extracting lithium, a negative electrode including a material capable of inserting and extracting lithium, and an outer can that accommodates the battery element. It is a thing. Here, the outer can is made of a metal material containing aluminum, is short-circuited with the negative electrode, and has a reaction suppression layer that suppresses the reaction between aluminum and lithium on the inner surface thereof.

本発明の電池では、反応抑制層によって、電池反応物質としてのリチウムと、負極と接続された外装缶を構成するアルミニウムとの合金化反応が抑制される。特に、正極が正極集電体の上に正極活物質層が選択的に設けられた構造を有し、外装缶の内面と対向するように正極集電体が露出して配置される場合には、異常時における電池の安全性が向上する。   In the battery of the present invention, the reaction suppressing layer suppresses an alloying reaction between lithium as a battery reactant and aluminum constituting the outer can connected to the negative electrode. In particular, when the positive electrode has a structure in which a positive electrode active material layer is selectively provided on the positive electrode current collector, and the positive electrode current collector is exposed so as to face the inner surface of the outer can, The safety of the battery at the time of abnormality is improved.

本発明の電池によれば、外装缶の内面にアルミニウムとリチウムとの反応を抑制する反応抑制層を設けるようにしたので、外装缶を負極と短絡させる場合であっても、その外装缶の構成材料としてアルミニウムを含む金属材料を用いることができる。このため、設計上の自由度が広がるうえ、軽量化を図りつつサイクル特性を向上させることができる。   According to the battery of the present invention, since the reaction suppression layer that suppresses the reaction between aluminum and lithium is provided on the inner surface of the outer can, the structure of the outer can can be short-circuited with the negative electrode. A metal material containing aluminum can be used as the material. For this reason, the degree of freedom in design is widened, and the cycle characteristics can be improved while reducing the weight.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、各図は、各構成要素について本発明が理解できる程度の形状、大きさおよび配置関係を概略的に示したものであり、実寸とは必ずしも一致するものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Each drawing schematically shows the shape, size, and arrangement relationship to the extent that the present invention can be understood for each component, and does not necessarily match the actual size.

図1および図2は、本発明の一実施の形態としての二次電池の断面構造を表すものである。図1に示された断面と図2に示された断面とは、互いに直交する位置関係にある。すなわち、図2は、図1に示したII−II線に沿った矢視方向における断面図である。この二次電池は、いわゆる角型といわれるものであり、ほぼ中空直方体形状をなす外装缶11の内部に、扁平状の電池素子20を収容したものである。   1 and 2 show a cross-sectional structure of a secondary battery as an embodiment of the present invention. The cross section shown in FIG. 1 and the cross section shown in FIG. 2 are in a positional relationship orthogonal to each other. That is, FIG. 2 is a cross-sectional view in the arrow direction along the line II-II shown in FIG. This secondary battery is a so-called rectangular shape, and has a flat battery element 20 accommodated inside an outer can 11 having a substantially hollow rectangular parallelepiped shape.

外装缶11は、少なくともアルミニウム(Al)を含む金属材料により構成されており、負極端子としての機能も有している。具体的には、アルミニウムの単体のほか、アルミニウムに銅(Cu),ケイ素(Si),マンガン(Mn),マグネシウム(Mg),亜鉛(Zn)などの元素を適宜添加した合金を用いて外装缶11を構成することができる。外装缶11の内面には、全体に亘って反応抑制層31が設けられている。この反応抑制層31は、耐薬品性や耐還元性に優れたものであり、例えば銅の単体もしくはその合金、またはニッケル(Ni)の単体もしくはその合金などの、リチウムと合金を形成しない金属によって構成され、例えば3μm以上100μm以下の厚みを有している。リチウムと合金を形成しない金属としては、銅およびニッケルのほか、鉄(Fe)やコバルト(Co)などが挙げられる。また、反応抑制層31を構成する材料としては、上記のような金属のほか樹脂や金属酸化物等も用いることができ、さらにはそれらを複合化したものも適用可能である。具体的には、酸化アルミニウムおよび二酸化硅素などの酸化物、フッ素樹脂、ポリアミドイミド,ポリイミドおよびエポキシ樹脂などのポリマー材料、ならびに、これらを含む複合材料によって反応抑制層31を構成することもできる。その場合、例えば5μm以上100μm以下の厚みとするとよい。   The outer can 11 is made of a metal material containing at least aluminum (Al), and also has a function as a negative electrode terminal. Specifically, in addition to a simple substance of aluminum, an outer can using an alloy in which elements such as copper (Cu), silicon (Si), manganese (Mn), magnesium (Mg), and zinc (Zn) are appropriately added to aluminum. 11 can be configured. A reaction suppression layer 31 is provided on the entire inner surface of the outer can 11. The reaction suppression layer 31 is excellent in chemical resistance and reduction resistance, and is made of a metal that does not form an alloy with lithium, such as a simple substance of copper or an alloy thereof, or a simple substance of nickel (Ni) or an alloy thereof. For example, it has a thickness of 3 μm or more and 100 μm or less. Examples of the metal that does not form an alloy with lithium include iron (Fe) and cobalt (Co) in addition to copper and nickel. Moreover, as a material which comprises the reaction suppression layer 31, resin, a metal oxide, etc. other than the above metals can be used, Furthermore, what compounded them is applicable. Specifically, the reaction suppression layer 31 can also be composed of oxides such as aluminum oxide and silicon dioxide, polymer materials such as fluororesin, polyamideimide, polyimide and epoxy resin, and composite materials containing these. In that case, for example, the thickness may be 5 μm or more and 100 μm or less.

この外装缶11は、一端部が閉鎖され他端部が開放されており、開放端部に絶縁板12および電池蓋13が取り付けられることにより内部が密閉された構造となっている。絶縁板12は、ポリプロピレンなどにより構成され、電池素子20の上に巻回周面に対して垂直に配置されている。電池蓋13は、例えば、外装缶11と同様の材料により構成され、外装缶11と共に負極端子としての機能も有している。電池蓋13の外側には、正極端子となる端子板14が配置されている。また、電池蓋13の中央付近には貫通孔が設けられ、この貫通孔に、端子板14に電気的に接続された正極ピン15が挿入されている。端子板14と電池蓋13との間は絶縁ケース16により電気的に絶縁され、正極ピン15と電池蓋13との間はガスケット17により電気的に絶縁されている。絶縁ケース16は、例えばポリブチレンテレフタレートにより構成されている。ガスケット17は、例えば、絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。   The outer can 11 has a structure in which one end is closed and the other end is opened, and the inside is sealed by attaching an insulating plate 12 and a battery lid 13 to the open end. The insulating plate 12 is made of polypropylene or the like, and is disposed on the battery element 20 perpendicular to the winding peripheral surface. The battery lid 13 is made of, for example, the same material as the outer can 11 and has a function as a negative electrode terminal together with the outer can 11. A terminal plate 14 serving as a positive electrode terminal is disposed outside the battery lid 13. A through hole is provided near the center of the battery lid 13, and a positive electrode pin 15 electrically connected to the terminal plate 14 is inserted into the through hole. The terminal plate 14 and the battery lid 13 are electrically insulated by an insulating case 16, and the positive electrode pin 15 and the battery lid 13 are electrically insulated by a gasket 17. The insulating case 16 is made of, for example, polybutylene terephthalate. The gasket 17 is made of, for example, an insulating material, and asphalt is applied to the surface.

電池蓋13の周縁付近には開裂弁18および電解液注入孔19が設けられている。開裂弁18は、電池蓋13と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が一定以上となった場合に開裂して内圧の上昇を抑えるようになっている。電解液注入孔19は、例えばステンレス鋼球よりなる封止部材19Aにより塞がれている。   A cleavage valve 18 and an electrolyte injection hole 19 are provided near the periphery of the battery lid 13. The cleaving valve 18 is electrically connected to the battery lid 13 and is cleaved when the internal pressure of the battery exceeds a certain level due to an internal short circuit or external heating, thereby suppressing an increase in the internal pressure. . The electrolyte injection hole 19 is closed by a sealing member 19A made of, for example, a stainless steel ball.

電池素子20は、正極21と負極22とが、セパレータ23を間にして積層されて渦巻き状に巻回されたものであり、外装缶11の形状に合わせて扁平な形状に成形されている。電池素子20の最外周にはセパレータ23が位置しており、そのすぐ内側には正極21が位置している。図2では、正極21および負極22の積層構造を簡略化して示している。また、電池素子20の巻回数は、図1および図2に示したものに限定されず、任意に設定可能である。正極21の端部(例えば内終端部)にはアルミニウムなどよりなる正極リード24が接続されており、負極22(例えば外終端部)にはニッケルなどよりなる負極リード25が接続されている。正極リード24は正極ピン15の下端に溶接されることにより端子板14と電気的に接続されており、負極リード25は外装缶11に溶接され電気的に接続されている。   In the battery element 20, a positive electrode 21 and a negative electrode 22 are stacked with a separator 23 interposed therebetween and wound in a spiral shape, and the battery element 20 is formed into a flat shape according to the shape of the outer can 11. The separator 23 is located on the outermost periphery of the battery element 20, and the positive electrode 21 is located immediately inside thereof. In FIG. 2, the laminated structure of the positive electrode 21 and the negative electrode 22 is shown in a simplified manner. Further, the number of windings of the battery element 20 is not limited to that shown in FIGS. 1 and 2 and can be arbitrarily set. A positive electrode lead 24 made of aluminum or the like is connected to an end portion (for example, an inner terminal portion) of the positive electrode 21, and a negative electrode lead 25 made of nickel or the like is connected to the negative electrode 22 (for example, an outer terminal portion). The positive electrode lead 24 is electrically connected to the terminal plate 14 by being welded to the lower end of the positive electrode pin 15, and the negative electrode lead 25 is welded and electrically connected to the outer can 11.

図3は図1および図2に示した正極21を展開した断面図である。この正極21は、帯状の正極集電体21Aの両面に正極活物質層21Bを選択的に設けたものである。詳細には、正極集電体21Aの両面に正極活物質層21Bが存在する正極被覆領域21Cと、正極被覆領域21Cを挟むように巻回中心側および巻回外周側の端部に位置し、正極集電体21Aの両面とも正極活物質層21Bが存在せずに露出した状態である正極露出領域21DS,21DEとを有している。正極リード24は、巻回中心側の正極露出領域21DSに接合されている。なお、正極被覆領域21Cおよび正極露出領域21DS,DEは、正極集電体21Aの両面において一致している必要はなく、片面のみに正極活物質層21Bが設けられた領域が存在していてもよい。   FIG. 3 is a developed cross-sectional view of the positive electrode 21 shown in FIGS. 1 and 2. This positive electrode 21 is obtained by selectively providing a positive electrode active material layer 21B on both surfaces of a strip-shaped positive electrode current collector 21A. Specifically, the positive electrode active material layer 21B is present on both surfaces of the positive electrode current collector 21A, and the positive electrode coating region 21C is positioned on the winding center side and the winding outer peripheral side so as to sandwich the positive electrode coating region 21C. Both surfaces of the positive electrode current collector 21A have positive electrode exposed regions 21DS and 21DE in which the positive electrode active material layer 21B is exposed without being present. The positive electrode lead 24 is joined to the positive electrode exposed region 21DS on the winding center side. Note that the positive electrode covering region 21C and the positive electrode exposed regions 21DS, DE do not need to coincide on both surfaces of the positive electrode current collector 21A, and even if a region where the positive electrode active material layer 21B is provided on only one surface exists. Good.

正極集電体21Aは、例えば、厚みが5μm〜50μm程度であり、アルミニウム箔,ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。   The positive electrode current collector 21A has, for example, a thickness of about 5 μm to 50 μm and is made of a metal foil such as an aluminum foil, a nickel foil, or a stainless steel foil.

正極活物質層21Bは、例えば、正極活物質として、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出可能な正極材料のいずれか1種または2種以上を含んでおり、必要に応じて炭素材料などの導電材およびポリフッ化ビニリデンなどの結着剤を含んでいてもよい。 リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、例えば、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウムあるいはそれらを含む固溶体(Li(Nix Coy Mnz )O2 ;x、yおよびzの値はそれぞれ0<x<1,0<y<1,0<z<1,x+y+z=1である。)や、スピネル構造を有するマンガン酸リチウム(LiMn2 4 )あるいはその固溶体(Li(Mn2-v Niv )O4 ;vの値はv<2である。)などのリチウム複合酸化物が挙げられる。また、正極材料としては、例えば、リン酸鉄リチウム(LiFePO4 )などのオリビン構造を有するリン酸化合物も挙げられる。高いエネルギー密度が得られるからである。なお、正極材料は、上記した他、例えば、酸化チタン、酸化バナジウムあるいは二酸化マンガンなどの酸化物や、二硫化鉄、二硫化チタンあるいは硫化モリブデンなどの二硫化物や、硫黄や、ポリアニリンあるいはポリチオフェンなどの導電性高分子であってもよい。 The positive electrode active material layer 21B includes, for example, any one or more of positive electrode materials capable of occluding and releasing lithium, which is an electrode reactant, as a positive electrode active material. A conductive material and a binder such as polyvinylidene fluoride may be included. As a cathode material capable of inserting and extracting lithium, for example, lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide or a solid solution containing them (Li (Ni x Co y Mn z) O 2; x, the values of y and z 0 <x <1, 0 <y <1, 0 <z <1, x + y + z = 1), lithium manganate having a spinel structure (LiMn 2 O 4 ) or a solid solution thereof (Li (Mn 2− v Ni v ) O 4 ; the value of v is v <2.) and the like. As the cathode material, for example, a phosphate compound having an olivine structure such as lithium iron phosphate (LiFePO 4) can be cited. This is because a high energy density can be obtained. In addition to the above, the positive electrode material includes, for example, oxides such as titanium oxide, vanadium oxide, and manganese dioxide, disulfides such as iron disulfide, titanium disulfide, and molybdenum sulfide, sulfur, polyaniline, and polythiophene. The conductive polymer may be used.

図4は、図1および図2に示した負極22を展開した断面図である。負極22は、帯状の負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bが選択的に設けられたものである。詳細には、負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bが存在する負極被覆領域22Cと、負極被覆領域22Cを挟むように巻回中心側および巻回外周側の端部に位置し、負極集電体22Aの両面とも負極活物質層22Bが存在せずに露出した状態である正極露出領域22DS,22DEとを有している。負極リード25は、巻回外周側の負極露出領域22DEに接合されている。なお、負極被覆領域22Dおよび負極露出領域22DS,DEは、負極集電体22Aの両面において一致している必要はなく、片面のみに負極活物質層22Bが設けられた領域が存在していてもよい。   FIG. 4 is a developed cross-sectional view of the negative electrode 22 shown in FIGS. 1 and 2. The negative electrode 22 is obtained by selectively providing a negative electrode active material layer 22B on both surfaces of a strip-shaped negative electrode current collector 22A. Specifically, the negative electrode covering region 22C where the negative electrode active material layer 22B exists on both surfaces of the negative electrode current collector 22A, and the winding center side and the winding outer peripheral side so as to sandwich the negative electrode covering region 22C, Both surfaces of the negative electrode current collector 22A have positive electrode exposed regions 22DS and 22DE that are exposed without the negative electrode active material layer 22B. The negative electrode lead 25 is joined to the negative electrode exposed region 22DE on the winding outer periphery side. Note that the negative electrode covering region 22D and the negative electrode exposed regions 22DS and DE do not need to coincide on both surfaces of the negative electrode current collector 22A, and even if a region where the negative electrode active material layer 22B is provided on only one surface exists. Good.

負極集電体22Aは、例えば、銅箔,ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。この負極集電体22Aの厚みは、例えば5μm〜50μmである。   The negative electrode current collector 22A is made of, for example, a metal foil such as a copper foil, a nickel foil, or a stainless steel foil. The thickness of the negative electrode current collector 22A is, for example, 5 μm to 50 μm.

負極活物質層22Bは、負極活物質として、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料のいずれか1種あるいは2種以上を含んでおり、必要に応じて結着剤や導電剤などを含んでいてもよい。   The negative electrode active material layer 22B includes one or more negative electrode materials capable of inserting and extracting lithium as an electrode reactant as a negative electrode active material, and a binder as necessary. Or a conductive agent.

リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、例えば、リチウムを吸蔵および放出することが可能であると共に金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を構成元素として有する材料が挙げられる。高いエネルギー密度が得られるからである。この負極材料は、金属元素あるいは半金属元素の単体でも合金でも化合物でもよく、またはそれらの1種または2種以上の相を少なくとも一部に有するものでもよい。なお、本発明における合金には、2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素および1種以上の半金属元素を含むものも含まれる。もちろん、上記した合金は、非金属元素を含んでいてもよい。この組織には、固溶体、共晶(共融混合物)、金属間化合物あるいはそれらの2種以上が共存するものがある。   Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium include materials capable of inserting and extracting lithium and having at least one of a metal element and a metalloid element as a constituent element. . This is because a high energy density can be obtained. The negative electrode material may be a single element, alloy or compound of a metal element or metalloid element, or may have at least a part of one or more phases thereof. In addition, the alloy in the present invention includes an alloy containing one or more metal elements and one or more metalloid elements in addition to an alloy composed of two or more metal elements. Of course, the above-described alloy may contain a nonmetallic element. This structure includes a solid solution, a eutectic (eutectic mixture), an intermetallic compound, or one in which two or more of them coexist.

この負極材料を構成する金属元素および半金属元素としては、例えば、リチウムと合金を形成することが可能な金属元素および半金属元素が挙げられる。具体的には、マグネシウム、ホウ素(B)、アルミニウム、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、ケイ素、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、ビスマス(Bi)、カドミウム(Cd)、銀(Ag)、亜鉛、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、パラジウム(Pd)あるいは白金(Pt)などが挙げられる。中でも、特に好ましいのは、ケイ素およびスズのうちの少なくとも1種である。リチウムを吸蔵および放出する能力が大きいため、高いエネルギー密度が得られるからである。   Examples of the metal element and metalloid element constituting the negative electrode material include metal elements and metalloid elements capable of forming an alloy with lithium. Specifically, magnesium, boron (B), aluminum, gallium (Ga), indium (In), silicon, germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), bismuth (Bi), cadmium (Cd) Silver (Ag), zinc, hafnium (Hf), zirconium (Zr), yttrium (Y), palladium (Pd), or platinum (Pt). Among these, at least one of silicon and tin is particularly preferable. This is because a high energy density can be obtained because the ability to occlude and release lithium is large.

ケイ素およびスズのうちの少なくとも1種を含む負極材料としては、例えば、ケイ素の単体、合金、あるいは化合物、またはスズの単体、合金、あるいは化合物、またはこれらの1種あるいは2種以上の相を少なくとも一部に有する材料が挙げられる。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。   Examples of the negative electrode material containing at least one of silicon and tin include, for example, a simple substance, an alloy, or a compound of silicon, a simple substance, an alloy, or a compound of tin, or one or two or more phases thereof. The material which has in part is mentioned. These may be used alone or in combination of two or more.

ケイ素の合金としては、例えば、ケイ素以外の第2の構成元素として、スズ、ニッケル、銅、鉄、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、亜鉛、インジウム、銀、チタン(Ti)、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモン(Sb)およびクロム(Cr)からなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。スズの合金としては、例えば、スズ以外の第2の構成元素として、ケイ素、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモンおよびクロムからなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。   Examples of the silicon alloy include, as the second constituent element other than silicon, tin, nickel, copper, iron, cobalt (Co), manganese (Mn), zinc, indium, silver, titanium (Ti), germanium, and bismuth. And at least one selected from the group consisting of antimony (Sb) and chromium (Cr). As an alloy of tin, for example, as a second constituent element other than tin, among the group consisting of silicon, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, antimony and chromium The thing containing at least 1 sort (s) of these is mentioned.

ケイ素の化合物あるいはスズの化合物としては、例えば、酸素(O)あるいは炭素(C)を含むものが挙げられ、ケイ素またはスズに加えて、上記した第2の構成元素を含んでいてもよい。   Examples of the silicon compound or tin compound include those containing oxygen (O) or carbon (C), and may contain the above-described second constituent element in addition to silicon or tin.

金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を有する材料の具体例としては、スズを第1の構成元素とし、それに加えて第2および第3の構成元素を含むものが好ましい。第2の構成元素は、コバルト、鉄、マグネシウム、チタン、バナジウム(V)、クロム、マンガン、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ジルコニウム、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、銀、インジウム、セリウム(Ce)、ハフニウム、タンタル(Ta)、タングステン(W)、ビスマスおよびケイ素からなる群のうちの少なくとも1種である。第3の構成元素は、ホウ素、炭素、アルミニウムおよびリン(P)からなる群のうちの少なくとも1種である。これらの第2および第3の元素を含むことにより、優れたサイクル特性が得られるからである。   As a specific example of a material having at least one of a metal element and a metalloid element, a material containing tin as a first constituent element and further containing second and third constituent elements is preferable. The second constituent element is cobalt, iron, magnesium, titanium, vanadium (V), chromium, manganese, nickel, copper, zinc, gallium, zirconium, niobium (Nb), molybdenum (Mo), silver, indium, cerium ( Ce), hafnium, tantalum (Ta), tungsten (W), bismuth and silicon. The third constituent element is at least one selected from the group consisting of boron, carbon, aluminum, and phosphorus (P). This is because excellent cycle characteristics can be obtained by including these second and third elements.

中でも、スズ、コバルトおよび炭素を構成元素として含み、炭素の含有量が9.9質量%以上29.7質量%以下の範囲内であると共にスズおよびコバルトの合計に対するコバルトの割合(Co/(Sn+Co))が30質量%以上70質量%以下の範囲内であるCoSnC含有材料が好ましい。このような組成範囲において、高いエネルギー密度が得られると共に、サイクル特性が向上するからである。   Among these, tin, cobalt, and carbon are included as constituent elements, the carbon content is in the range of 9.9 mass% to 29.7 mass%, and the ratio of cobalt to the total of tin and cobalt (Co / (Sn + Co CoSnC-containing material in which)) is in the range of 30% by mass to 70% by mass is preferable. This is because in such a composition range, a high energy density is obtained and the cycle characteristics are improved.

このCoSnC含有材料は、必要に応じて、さらに他の構成元素を含んでいてもよい。他の構成元素としては、例えばケイ素、鉄、ニッケル、クロム、インジウム、ニオブ、ゲルマニウム、チタン、モリブデン、アルミニウム、リン、ガリウムあるいはビスマスなどが好ましく、それらの2種以上を含んでいてもよい。エネルギー密度およびサイクル特性がより向上するからである。   This CoSnC-containing material may further contain other constituent elements as necessary. As other constituent elements, for example, silicon, iron, nickel, chromium, indium, niobium, germanium, titanium, molybdenum, aluminum, phosphorus, gallium, bismuth, and the like are preferable, and two or more of them may be included. This is because energy density and cycle characteristics are further improved.

なお、CoSnC含有材料は、スズ、コバルトおよび炭素を含む相を有しており、この相は結晶性の低い非晶質な構造を有していることが好ましい。また、CoSnC含有材料では、構成元素である炭素の少なくとも一部が、他の構成元素である金属元素あるいは半金属元素と結合していることが好ましい。サイクル特性の低下は、スズなどが凝集あるいは結晶化することによるものであると考えられるが、炭素が他の元素と結合することにより、そのような凝集または結晶化が抑制されるからである。   The CoSnC-containing material has a phase containing tin, cobalt, and carbon, and this phase preferably has an amorphous structure with low crystallinity. In the CoSnC-containing material, it is preferable that at least a part of carbon that is a constituent element is bonded to a metal element or a metalloid element that is another constituent element. The decrease in cycle characteristics is thought to be due to aggregation or crystallization of tin or the like, but this aggregation or crystallization is suppressed when carbon is combined with other elements.

元素の結合状態を調べる測定方法としては、例えばX線光電子分光法(X-ray Photoelectron Spectroscopy;XPS)が挙げられる。このXPSでは、金原子の4f軌道(Au4f)のピークが84.0eVに得られるようにエネルギー較正された装置において、グラファイトであれば、炭素の1s軌道(C1s)のピークは284.5eVに現れる。また、表面汚染炭素であれば、284.8eVに現れる。これに対して、炭素元素の電荷密度が高くなる場合、例えば、炭素が金属元素あるいは半金属元素と結合している場合には、C1sのピークは284.5eVよりも低い領域に現れる。すなわち、CoSnC含有材料について得られるC1sの合成波のピークが284.5eVよりも低い領域に現れる場合には、CoSnC含有材料に含まれる炭素の少なくとも一部が他の構成元素である金属元素あるいは半金属元素と結合している。   As a measuring method for examining the bonding state of elements, for example, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) can be cited. In this XPS, in the apparatus calibrated so that the 4f orbit (Au4f) peak of gold atom is obtained at 84.0 eV, the peak of 1s orbit (C1s) of carbon appears at 284.5 eV in the case of graphite. . Moreover, if it is surface contamination carbon, it will appear at 284.8 eV. On the other hand, when the charge density of the carbon element is high, for example, when carbon is bonded to a metal element or a metalloid element, the peak of C1s appears in a region lower than 284.5 eV. That is, when the peak of the synthetic wave of C1s obtained for the CoSnC-containing material appears in a region lower than 284.5 eV, at least a part of the carbon contained in the CoSnC-containing material is a metal element or a half of other constituent elements. Combined with metal elements.

なお、XPSでは、例えば、スペクトルのエネルギー軸の補正に、C1sのピークを用いる。通常、表面には表面汚染炭素が存在しているので、表面汚染炭素のC1sのピークを284.8eVとし、これをエネルギー基準とする。XPSにおいて、C1sのピークの波形は、表面汚染炭素のピークとCoSnC含有材料中の炭素のピークとを含んだ形として得られるので、例えば、市販のソフトウエアを用いて解析することにより、表面汚染炭素のピークと、CoSnC含有材料中の炭素のピークとを分離する。波形の解析では、最低束縛エネルギー側に存在する主ピークの位置をエネルギー基準(284.8eV)とする。   In XPS, for example, the peak of C1s is used to correct the energy axis of the spectrum. Usually, since surface-contaminated carbon exists on the surface, the C1s peak of the surface-contaminated carbon is set to 284.8 eV, which is used as an energy standard. In XPS, the waveform of the C1s peak is obtained as a form including the surface contamination carbon peak and the carbon peak in the CoSnC-containing material. For example, by analyzing using commercially available software, the surface contamination The carbon peak and the carbon peak in the CoSnC-containing material are separated. In the waveform analysis, the position of the main peak existing on the lowest bound energy side is used as the energy reference (284.8 eV).

また、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、例えば、炭素材料も挙げられる。この炭素材料としては、例えば、易黒鉛化炭素、(002)面の面間隔が0.37nm以上の難黒鉛化炭素あるいは(002)面の面間隔が0.34nm以下の黒鉛などが挙げられる。より具体的には、熱分解炭素類、コークス類、グラファイト類、ガラス状炭素繊維、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭あるいはカーボンブラック類などがある。このうち、コークス類には、ピッチコークス、ニードルコークスあるいは石油コークスなどがあり、有機高分子化合物焼成体というのは、フェノール樹脂やフラン樹脂などを適当な温度で焼成し、炭素化したものをいう。炭素材料は、リチウムの吸蔵および放出に伴う結晶構造の変化が非常に少ないため、例えば、その他の負極材料と共に用いることにより、高エネルギー密度を得ることができると共に優れたサイクル特性を得ることができる上、さらに導電剤としても機能するので好ましい。   Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium include a carbon material. Examples of the carbon material include graphitizable carbon, non-graphitizable carbon having a (002) plane spacing of 0.37 nm or more, or graphite having a (002) plane spacing of 0.34 nm or less. More specifically, there are pyrolytic carbons, cokes, graphites, glassy carbon fibers, fired organic polymer compounds, carbon fibers, activated carbon, carbon blacks, and the like. Among these, coke includes pitch coke, needle coke, petroleum coke, and the like, and the organic polymer compound fired body is obtained by firing and carbonizing a phenol resin or a furan resin at an appropriate temperature. . Since the carbon material has very little change in crystal structure due to insertion and extraction of lithium, for example, when used with other negative electrode materials, a high energy density can be obtained and excellent cycle characteristics can be obtained. In addition, it also functions as a conductive agent, which is preferable.

さらに、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、例えば、リチウムを吸蔵および放出することが可能な金属酸化物あるいは高分子化合物なども挙げられる。金属酸化物としては、例えば、酸化鉄、酸化ルテニウムあるいは酸化モリブデンなどが挙げられ、高分子化合物としては、例えば、ポリアセチレン、ポリアニリンあるいはポリピロールなどが挙げられる。   Furthermore, examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium include metal oxides and polymer compounds capable of inserting and extracting lithium. Examples of the metal oxide include iron oxide, ruthenium oxide, and molybdenum oxide. Examples of the polymer compound include polyacetylene, polyaniline, and polypyrrole.

なお、正極21および負極22の結着剤としては、例えば、スチレンブタジエン系ゴム、フッ素系ゴムあるいはエチレンプロピレンジエンなどの合成ゴムや、ポリフッ化ビニリデンなどの高分子材料が挙げられる。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。ただし、図1に示したように、正極21および負極22が巻回されている場合には、柔軟性に富むスチレンブタジエン系ゴムあるいはフッ素系ゴムなどを用いることが好ましい。   Examples of the binder for the positive electrode 21 and the negative electrode 22 include synthetic rubbers such as styrene butadiene rubber, fluorine rubber or ethylene propylene diene, and polymer materials such as polyvinylidene fluoride. These may be used alone or in combination of two or more. However, as shown in FIG. 1, when the positive electrode 21 and the negative electrode 22 are wound, it is preferable to use a styrene butadiene rubber or a fluorine rubber having high flexibility.

また、正極21および負極22の導電剤としては、例えば、黒鉛、カーボンブラックあるいはケッチェンブラックなどの炭素材料が挙げられる。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。なお、導電剤は、導電性を有する材料であれば、金属材料あるいは導電性高分子などであってもよい。   Moreover, as a electrically conductive agent of the positive electrode 21 and the negative electrode 22, carbon materials, such as graphite, carbon black, or ketjen black, are mentioned, for example. These may be used alone or in combination of two or more. Note that the conductive agent may be a metal material or a conductive polymer as long as it is a conductive material.

もちろん、上記した一連の負極材料は、複数種が混合されて用いられてもよい。特に、CoSnC含有材料および炭素材料を併用すれば、エネルギー密度およびサイクル特性がより向上する。   Of course, the series of negative electrode materials described above may be used as a mixture of a plurality of types. In particular, when a CoSnC-containing material and a carbon material are used in combination, energy density and cycle characteristics are further improved.

この二次電池では、正極活物質と負極活物質との間で量を調整することにより、正極活物質による充電容量よりも負極活物質の充電容量の方が大きくなっている。これにより、完全充電時においても負極22にリチウム金属が析出しないようになっている。   In this secondary battery, the charge capacity of the negative electrode active material is larger than the charge capacity of the positive electrode active material by adjusting the amount between the positive electrode active material and the negative electrode active material. This prevents lithium metal from being deposited on the negative electrode 22 even during full charge.

セパレータ23は、正極21と負極22とを隔離し、両極の接触に起因する電流の短絡を防止しながら電極反応物質のイオンを通過させるものである。このセパレータ23は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどの合成樹脂からなる多孔質膜や、セラミックからなる多孔質膜などにより構成されており、これらの2種以上の多孔質膜が積層されたものであってもよい。セパレータ23の表面には高分子化合物層(図示せず)が設けられており、セパレータ23は、これを介して正極21および負極22と接着されている。   The separator 23 separates the positive electrode 21 and the negative electrode 22 and allows ions of the electrode reactant to pass through while preventing a short circuit of current due to contact between the two electrodes. The separator 23 is made of, for example, a porous film made of a synthetic resin such as polytetrafluoroethylene, polypropylene, or polyethylene, a porous film made of ceramic, or the like, and these two or more kinds of porous films are laminated. It may be what was done. A polymer compound layer (not shown) is provided on the surface of the separator 23, and the separator 23 is bonded to the positive electrode 21 and the negative electrode 22 through this layer.

高分子化合物層は、溶媒に電解質塩が溶解された電解液と、この電解液を保持する高分子化合物とを含むものである。ここで、高分子化合物が電解液を「保持する」とは、電解液に高分子化合物が膨潤した状態のほか、電解液と高分子化合物とが相互作用することなく混在した状態をも含む概念である。すなわち、高分子化合物層は、電解液に高分子化合物が膨潤したいわゆるゲル状の電解質であってもよいし、剛直な高分子化合物の空隙に電解液が相互作用を生ずることなく存在した状態の電解質であってもよい。なお、電解液は、正極21、負極22またはセパレータ23に含浸されていてもよい。   The polymer compound layer includes an electrolytic solution in which an electrolyte salt is dissolved in a solvent and a polymer compound that holds the electrolytic solution. Here, the term “holds” the electrolytic solution by the polymer compound is a concept that includes not only the state in which the polymer compound is swollen in the electrolyte solution but also the state in which the electrolyte solution and the polymer compound are mixed without interaction. It is. That is, the polymer compound layer may be a so-called gel electrolyte in which the polymer compound is swollen in the electrolyte solution, or the electrolyte solution exists in the void of the rigid polymer compound without causing interaction. It may be an electrolyte. The electrolytic solution may be impregnated in the positive electrode 21, the negative electrode 22, or the separator 23.

電解液に含まれる溶媒としては、各種の高誘電率溶媒および低粘度溶媒を用いることができる。例えば高誘電率溶媒としては、エチレンカーボネートのほか、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(フルオロエチレンカーボネート)、4−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(クロロエチレンカーボネート)、およびトリフルオロメチルエチレンカーボネートなどの環状カーボネートが好適に用いられる。高誘電率溶媒としては、上記のような環状カーボネートの代わりに、またはこれと併用して、γ−ブチロラクトン,γ−バレロラクトン,δ−バレロラクトンもしくはε−カプロラクトンなどのラクトン、N−メチルピロリドンなどのラクタム、N−メチルオキサゾリジノンなどの環状カルバミン酸エステル、テトラメチレンスルホンなどのスルホン化合物なども使用可能である。一方、低粘度溶媒としては、ジエチルカーボネートのほか、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネートおよびメチルプロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチル、トリメチル酢酸メチルおよびトリメチル酢酸エチルなどの鎖状カルボン酸エステル、N,N−ジメチルアセトアミドなどの鎖状アミド、N,N−ジエチルカルバミン酸メチルおよびN,N−ジエチルカルバミン酸エチル等の鎖状カルバミン酸エステル、ならびに1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピランおよび1,3−ジオキソランなどのエーテルを用いることができる。   As the solvent contained in the electrolytic solution, various high dielectric constant solvents and low viscosity solvents can be used. For example, as a high dielectric constant solvent, in addition to ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one (fluoroethylene carbonate), 4-chloro-1,3-dioxolane Cyclic carbonates such as 2-one (chloroethylene carbonate) and trifluoromethylethylene carbonate are preferably used. As the high dielectric constant solvent, a lactone such as γ-butyrolactone, γ-valerolactone, δ-valerolactone or ε-caprolactone, N-methylpyrrolidone, etc., instead of or in combination with the above cyclic carbonate Lactam, cyclic carbamates such as N-methyloxazolidinone, and sulfone compounds such as tetramethylene sulfone can also be used. On the other hand, as low-viscosity solvents, in addition to diethyl carbonate, chain carbonates such as dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate and methyl propyl carbonate, methyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, methyl butyrate, methyl isobutyrate, Chain carboxylic acid esters such as methyl trimethylacetate and ethyl trimethylacetate, chain amides such as N, N-dimethylacetamide, chain carbamic acid such as methyl N, N-diethylcarbamate and ethyl N, N-diethylcarbamate Esters and ethers such as 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, tetrahydropyran and 1,3-dioxolane can be used.

なお、溶媒としては、上述の高誘電率溶媒および低粘度溶媒のうちの1種を単独で、またが2種以上を任意に混合して用いることができるが、20〜50質量%の環状カーボネートと50〜80質量%の低粘度溶媒とを含むものが好ましく、特に低粘度溶媒として、沸点が130℃以下の鎖状カーボネートを含むものが好ましい。このような溶媒を用いることにより、少量の電解液で、高分子化合物を良好に膨潤させることができ、電池の膨れ抑制や漏れ防止と高いイオン伝導性との両立を図ることができる。ここで、電解液を占める低粘度溶媒の含有率が高すぎると誘電率の低下を招くこととなり、低粘度溶媒の含有率が低すぎると粘度の低下を招くこととなり、いずれの場合においても十分なイオン伝導度が得られず、良好な電池特性が得られなくなるおそれがある。   In addition, as a solvent, 1 type in the above-mentioned high-dielectric-constant solvent and low-viscosity solvent is independent, or can mix and use 2 or more types arbitrarily, However, 20-50 mass% cyclic carbonate And a low-viscosity solvent of 50 to 80% by mass are preferable, and a low-viscosity solvent including a chain carbonate having a boiling point of 130 ° C. or less is particularly preferable. By using such a solvent, the polymer compound can be swelled satisfactorily with a small amount of electrolytic solution, and it is possible to achieve both suppression of battery swelling and prevention of leakage and high ion conductivity. Here, if the content of the low-viscosity solvent occupying the electrolytic solution is too high, the dielectric constant will be lowered, and if the content of the low-viscosity solvent is too low, the viscosity will be lowered. Ionic conductivity may not be obtained, and good battery characteristics may not be obtained.

電解質塩としては、溶媒に溶解してイオンを生ずるものであればいずれを用いてもよく、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。例えばリチウム塩であれば、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )、六フッ化ヒ酸リチウム(LiAsF6 )、六フッ化アンチモン酸リチウム(LiSbF6 )、過塩素酸リチウム(LiClO4 )、四塩化アルミニウム酸リチウム(LiAlCl4 )等の無機リチウム塩や、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3 SO3 )、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホン)イミド(LiN(CF3 SO2
2 )、リチウムビス(ペンタフルオロメタンスルホン)イミド(LiN(C2 5 SO2 2 )、およびリチウムトリス(トリフルオロメタンスルホン)メチド(LiC(CF3 SO2 3 )などのパーフルオロアルカンスルホン酸誘導体のリチウム塩などが使用可能である。なかでも、六フッ化リン酸リチウムや四フッ化ホウ酸リチウムは、酸化安定性の点から好ましい。
Any electrolyte salt may be used as long as it dissolves in a solvent to generate ions, and one kind may be used alone, or two or more kinds may be mixed and used. For example, if the lithium salt, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4), lithium hexafluoroarsenate (LiAsF 6), lithium hexafluoro antimonate (LiSbF 6) Inorganic lithium salts such as lithium perchlorate (LiClO 4 ) and lithium tetrachloride aluminum oxide (LiAlCl 4 ), lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF 3 SO 3 ), lithium bis (trifluoromethanesulfone) imide (LiN (CF 3 SO 2
2 ), perfluoroalkanes such as lithium bis (pentafluoromethanesulfone) imide (LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 ) and lithium tris (trifluoromethanesulfone) methide (LiC (CF 3 SO 2 ) 3 ) Lithium salts of sulfonic acid derivatives can be used. Of these, lithium hexafluorophosphate and lithium tetrafluoroborate are preferable from the viewpoint of oxidation stability.

なお、このような電解質塩の濃度は、溶媒1dm3 に対して0.1mol以上3.0mol以下であることが好ましく、特に、溶媒1dm3 に対して0.5mol以上2.0mol以下であることが好ましい。このような範囲においてより高いイオン伝導性を得ることができるからである。 Incidentally, the concentration of such electrolyte salt is preferably at 0.1mol or more 3.0mol or less with respect to solvent 1 dm 3, in particular, 0.5 mol or more 2.0mol or less with respect to solvent 1 dm 3 Is preferred. This is because higher ion conductivity can be obtained in such a range.

高分子化合物層を構成する高分子化合物としては、電解液を保持してイオン伝導性を発揮する限り特に限定されるものではないが、アクリロニトリルの共重合体が50%以上(特に80%以上)であるアクリロニトリル系重合体、芳香族ポリアミド、アクリロニトリル/ブタジエンコポリマー、アクリレートもしくはメタクリレートの単独重合体または共重合体よりなるアクリル系重合体、アクリルアミド系重合体、フッ化ビニリデンなどの含フッ素ポリマー、ポリスルホン、ポリアリルスルホン、カルボキシメチルセルロースなどのセルロース類を挙げることができる。特にアクリロニトリルの共重合量が50%以上の重合体は、その側鎖にCN基を有しているため誘電率が高く、イオン伝導性の高いゲル状の電解質を形成可能である。これら重合体に対する電解液の担持性向上や電解質のイオン伝導性を向上させるため、アクリルニトリルとアクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸等のビニルカルボン酸、アクリルアミド、メタクリルスルホン酸、ヒドロキシアルキレングリコール(メタ)アクリレート、アルコキシアルキレングリコール(メタ)アクリレート、塩化ビニル、塩化ビニリデン、酢酸ビニル、各種(メタ)アクリレートなどを好ましくは50%以下、特に好ましくは20%以下の割合で共重合したものも用いることができる。また、芳香族ポリアミドは高耐熱性ポリマーであることから、高耐熱性が要求される場合には好適である。   The polymer compound constituting the polymer compound layer is not particularly limited as long as it retains the electrolytic solution and exhibits ionic conductivity, but the acrylonitrile copolymer is 50% or more (particularly 80% or more). Acrylonitrile polymers, aromatic polyamides, acrylonitrile / butadiene copolymers, acrylic polymers composed of homopolymers or copolymers of acrylate or methacrylate, acrylamide polymers, fluorine-containing polymers such as vinylidene fluoride, polysulfone, Examples thereof include celluloses such as polyallylsulfone and carboxymethylcellulose. In particular, a polymer having a copolymerization amount of 50% or more of acrylonitrile has a CN group in its side chain, and thus can form a gel electrolyte having a high dielectric constant and high ion conductivity. Acrylic nitriles and vinyl carboxylic acids such as acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, acrylamide, methacryl sulfonic acid, hydroxyalkylene glycol (meth) are used to improve the electrolyte support for these polymers and the ionic conductivity of the electrolyte. A copolymer obtained by copolymerizing acrylate, alkoxyalkylene glycol (meth) acrylate, vinyl chloride, vinylidene chloride, vinyl acetate, various (meth) acrylates or the like at a ratio of preferably 50% or less, particularly preferably 20% or less can also be used. . Moreover, since aromatic polyamide is a high heat resistant polymer, it is suitable when high heat resistance is required.

高分子化合物層を構成する高分子化合物としては、上記のほか、ブタジエンなどを共重合させた架橋構造を有する重合体も挙げられる。さらに、構成成分としてフッ化ビニリデンを含む重合体、すなわち単独重合体、共重合体および多元共重合体についても高分子化合物として使用可能である。具体的には、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVdF−HFP)、およびポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(PVdF−HEP−CTFE)を挙げることができる。特に、酸化還元安定性の点からは、ポリフッ化ビニリデンあるいはビニリデンフルオライドとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体などのフッ素系高分子化合物が望ましい。高分子化合物層26には、さらに、安全性向上を目的として酸化アルミニウム(Al2 3),酸化チタン(TiO2)あるいは酸化硅素(SiO2 )などの絶縁性粒子を含有させるようにしてもよい。 Examples of the polymer compound constituting the polymer compound layer include a polymer having a crosslinked structure obtained by copolymerizing butadiene or the like in addition to the above. Furthermore, polymers containing vinylidene fluoride as a constituent component, that is, homopolymers, copolymers, and multi-component copolymers can also be used as the polymer compound. Specifically, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP), and polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (PVdF-HEP-CTFE). ). In particular, from the viewpoint of redox stability, a fluorine-based polymer compound such as polyvinylidene fluoride or a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene is desirable. The polymer compound layer 26 may further contain insulating particles such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ), titanium oxide (TiO 2 ) or silicon oxide (SiO 2 ) for the purpose of improving safety. Good.

セパレータ23が高分子化合物層を介して正極21および負極22と接着されていることにより、電池反応に実質的に関与しない余剰の電解液を低減することができ、電解液が正極活物質層21Bおよび負極活物質層22Bの周囲に効率よく供給される。したがって、本実施の形態の二次電池は、電解液の総量を低減しつつ、優れたサイクル特性を発揮するものであるうえ、耐漏液性にも優れることになる。ここでは、正極集電体21Aの正極露出領域21DS,21DEおよび負極集電体22Aの負極露出領域22DS,22Eの各々と、セパレータ23との剥離強度が1mN/mm以上であることが望ましく、10mN/mm以上であることが特に望ましい。なお、この剥離強度とは、セパレータ23を支持台上に固定配置し、正極集電体21Aまたは負極集電体22Aを、セパレータ23から剥がすように10cm/分の速度で180°方向に引っ張った際、引っ張り始めてから6秒から25秒の間に、それらを剥離するのに必要とされた力の平均値を意味する。   By attaching the separator 23 to the positive electrode 21 and the negative electrode 22 through the polymer compound layer, it is possible to reduce excess electrolyte solution that is not substantially involved in the battery reaction, and the electrolyte solution is the positive electrode active material layer 21B. And efficiently supplied around the negative electrode active material layer 22B. Therefore, the secondary battery of the present embodiment exhibits excellent cycle characteristics while reducing the total amount of the electrolytic solution, and also has excellent leakage resistance. Here, the peel strength between each of the positive electrode exposed regions 21DS and 21DE of the positive electrode current collector 21A and the negative electrode exposed regions 22DS and 22E of the negative electrode current collector 22A and the separator 23 is preferably 1 mN / mm or more. / Mm or more is particularly desirable. The peel strength is determined by fixing the separator 23 on a support base and pulling the positive electrode current collector 21A or the negative electrode current collector 22A in a 180 ° direction at a speed of 10 cm / min so as to peel from the separator 23. In the meantime, it means the average value of the force required to peel them between 6 and 25 seconds after starting to pull.

この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極21からリチウムイオンが放出され、セパレータ23の上の高分子化合物層に保持された電解液を介して負極22に吸蔵される。放電を行うと、例えば、負極22からリチウムイオンが放出され、電解液を介して正極21に吸蔵される。   In the secondary battery, when charged, for example, lithium ions are released from the positive electrode 21 and inserted in the negative electrode 22 through the electrolytic solution held in the polymer compound layer on the separator 23. When discharging is performed, for example, lithium ions are released from the negative electrode 22 and inserted in the positive electrode 21 through the electrolytic solution.

この二次電池は、例えば、以下の手順により製造される。   This secondary battery is manufactured by the following procedure, for example.

まず、正極21を作製する。具体的には、正極活物質と、結着剤と、導電剤とを混合して正極合剤としたのち、有機溶剤に分散させることによりペースト状の正極合剤スラリーとする。続いて、ドクタブレードあるいはバーコータなどを用いて正極合剤スラリーを正極集電体21Aに塗布したのち、乾燥させる。最後に、必要に応じて加熱しながらロールプレス機などを用いて圧縮成型することにより、正極活物質層21Bを形成する。この場合には、圧縮成型を複数回に渡って繰り返してもよい。   First, the positive electrode 21 is produced. Specifically, a positive electrode active material, a binder, and a conductive agent are mixed to form a positive electrode mixture, and then dispersed in an organic solvent to obtain a paste-like positive electrode mixture slurry. Subsequently, the positive electrode mixture slurry is applied to the positive electrode current collector 21A using a doctor blade or a bar coater, and then dried. Finally, the cathode active material layer 21B is formed by compression molding using a roll press or the like while heating as necessary. In this case, compression molding may be repeated a plurality of times.

次に、負極22を作製する。具体的には、負極活物質と、結着剤とを混合して負極合剤としたのち、有機溶剤に分散させることによりペースト状の負極合剤スラリーとする。こののち、負極合剤スラリーを負極集電体22Aに塗布して乾燥させたのちに圧縮成型することにより、負極活物質層22Bを形成する。ここで、ケイ素やスズ、またはリチウムを含む負極活物質によって負極活物質層22Bを形成する場合には、必要に応じて圧縮成型やアニール処理を行うなどして負極集電体22Aと負極活物質層22Bとの密着性を向上させることが望ましい。こうすることで負極集電体22Aからの負極活物質層22Bの剥離を抑制し、良好なサイクル特性が得られるからである。   Next, the negative electrode 22 is produced. Specifically, a negative electrode active material and a binder are mixed to form a negative electrode mixture, and then dispersed in an organic solvent to obtain a paste-like negative electrode mixture slurry. After that, the negative electrode mixture slurry is applied to the negative electrode current collector 22A, dried, and then compression molded to form the negative electrode active material layer 22B. Here, when the negative electrode active material layer 22B is formed of a negative electrode active material containing silicon, tin, or lithium, the negative electrode current collector 22A and the negative electrode active material are subjected to compression molding or annealing treatment as necessary. It is desirable to improve the adhesion with the layer 22B. By doing so, peeling of the negative electrode active material layer 22B from the negative electrode current collector 22A is suppressed, and good cycle characteristics can be obtained.

次に、正極集電体21Aおよび負極集電体22Aの所定位置にそれぞれ正極リード24および負極リード25を溶接などにより取り付ける。その一方で、セパレータ23の片面または両面に高分子化合物層を選択的に形成する。具体的には、まず、セパレータ23の片面または両面に、ポリフッ化ビニリデンやカルボキシメチルセルロースなどの高分子化合物をN−メチル−2−ピロリドンや水などの溶剤に溶解した高分子溶液を塗布する。その際、巻回体20の最外周における外側の面となる領域、すなわち、外装缶11と対向する面となる領域には塗布しないようにするとよい。次いで、塗布した高分子溶液を乾燥させて溶剤を除去することで高分子化合物層を選択的に形成する。こののち、正極21と負極22とを高分子化合物層が形成されたセパレータ23を間にして積層し、図3および図4に示した巻回方向Rに複数回巻回したのち成形することで扁平な形状の巻回体20を得る。   Next, the positive electrode lead 24 and the negative electrode lead 25 are attached to predetermined positions of the positive electrode current collector 21A and the negative electrode current collector 22A, respectively, by welding or the like. On the other hand, a polymer compound layer is selectively formed on one side or both sides of the separator 23. Specifically, first, a polymer solution in which a polymer compound such as polyvinylidene fluoride or carboxymethylcellulose is dissolved in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone or water is applied to one or both surfaces of the separator 23. In that case, it is good not to apply | coat to the area | region used as the outer surface in the outermost periphery of the wound body 20, ie, the area | region used as the surface facing the exterior can 11. Next, the applied polymer solution is dried to remove the solvent, thereby selectively forming a polymer compound layer. After that, the positive electrode 21 and the negative electrode 22 are laminated with the separator 23 formed with the polymer compound layer interposed therebetween, wound in the winding direction R shown in FIGS. 3 and 4 and then molded. A flat wound body 20 is obtained.

さらに、内面が反応抑制層31によって覆われた外装缶11を用意する。反応抑制層31については、その種類に応じて例えば以下の方法で形成することができる。まず、銅やニッケルからなる反応抑制層31を形成するには、無電解めっき法を用いるとよい。その場合、めっき処理を行う前に外装缶11の内面に亜鉛皮膜を形成するジンケート処理(亜鉛置換)を行うことが望ましい。これは、外装缶11を構成するアルミニウムが、その表面に強固な酸化皮膜を形成することにより銅やニッケルなどのめっき膜との接着性を弱めてしまう性質を有しているので、その接着性を向上させることを目的として行うものである。   Furthermore, the outer can 11 whose inner surface is covered with the reaction suppression layer 31 is prepared. About the reaction suppression layer 31, it can form with the following method according to the kind, for example. First, in order to form the reaction suppression layer 31 made of copper or nickel, an electroless plating method may be used. In that case, it is desirable to perform a zincate treatment (zinc substitution) for forming a zinc film on the inner surface of the outer can 11 before the plating treatment. This is because the aluminum constituting the outer can 11 has a property of weakening the adhesion to a plating film such as copper or nickel by forming a strong oxide film on its surface. It is performed for the purpose of improving.

フッ素樹脂を含有する酸化アルミニウムによって反応抑制層31を形成するには、以下のようにする。まず、硫酸水溶液中において外装缶11を陽極として通電することにより、外装缶11の内面に酸化アルミニウム層を形成する(アルマイト処理)。次いで、酸化アルミニウム層を形成した外装缶11を、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)水性分散液(ディスパージョン)に浸漬させつつ熱処理を行うことで、フッ素樹脂含有酸化アルミニウムからなる反応抑制層31を形成する。   The reaction suppression layer 31 is formed by aluminum oxide containing a fluororesin as follows. First, an aluminum oxide layer is formed on the inner surface of the outer can 11 by energizing the outer can 11 as an anode in an aqueous sulfuric acid solution (alumite treatment). Next, the outer can 11 on which the aluminum oxide layer is formed is subjected to heat treatment while being immersed in an aqueous polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion (dispersion), thereby forming a reaction suppression layer 31 made of fluororesin-containing aluminum oxide. To do.

また、ポリイミドからなる反応抑制層31を形成するには、ポリアミド酸を有機溶媒(N−メチル−2−ピロリドンなど)に分散させたものを外装缶11の内面にスプレーコートし、アルゴン雰囲気において熱処理を行うようにすればよい。その他の種類の樹脂からなる反応抑制層31についても同様である。   In addition, in order to form the reaction suppression layer 31 made of polyimide, the inner surface of the outer can 11 is spray-coated with a polyamic acid dispersed in an organic solvent (N-methyl-2-pyrrolidone or the like), and heat treatment is performed in an argon atmosphere. Should be done. The same applies to the reaction suppression layer 31 made of other types of resins.

最後に、二次電池を組み立てる。具体的には、反応抑制層31を有する外装缶11の内部に電池素子20を収納したのち、その電池素子20上に絶縁板12を配置する。続いて、溶接などにより、正極リード24を正極ピン15に接続すると共に負極リード25を外装缶11に接続させたのち、レーザ溶接などにより外装缶11の開放端部に電池蓋13を固定する。最後に、注入孔19から外装缶11の内部に電解液を注入してセパレータ23に含浸させたのち、その注入孔19を封止部材19Aで塞ぐ。これにより、図1および図2に示した二次電池が完成する。   Finally, the secondary battery is assembled. Specifically, after the battery element 20 is accommodated in the outer can 11 having the reaction suppression layer 31, the insulating plate 12 is disposed on the battery element 20. Subsequently, the positive electrode lead 24 is connected to the positive electrode pin 15 and the negative electrode lead 25 is connected to the outer can 11 by welding or the like, and then the battery lid 13 is fixed to the open end of the outer can 11 by laser welding or the like. Finally, after injecting the electrolyte into the outer can 11 from the injection hole 19 and impregnating the separator 23, the injection hole 19 is closed with a sealing member 19A. Thereby, the secondary battery shown in FIGS. 1 and 2 is completed.

この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極21からリチウムイオンが放出され、セパレータ23に保持された電解液を経由して負極22に吸蔵される。一方、放電を行うと、例えば、負極22からリチウムイオンが放出され、セパレータ23に保持された電解液を経由して正極21に吸蔵される。   In the secondary battery, when charged, for example, lithium ions are released from the positive electrode 21 and inserted in the negative electrode 22 via the electrolytic solution held in the separator 23. On the other hand, when discharging is performed, for example, lithium ions are released from the negative electrode 22 and inserted in the positive electrode 21 via the electrolytic solution held in the separator 23.

この二次電池によれば、外装缶11の内面に反応抑制層31を設けるようにしたので、電池反応物質としてのリチウムと、負極22と接続された外装缶11を構成するアルミニウムとの合金化反応が抑制される。その結果、軽量化を図りつつサイクル特性を向上させることができる。なお、従来においては、使用時における外装缶自体の浸食という問題を回避するため、アルミニウムを用いた外装缶を正極と短絡させる必要があったが、本実施の形態の二次電池によれば、そのような制約条件が解消され、設計上の自由度を広げることができる。さらに、正極集電体21Aが外装缶11の内面と対向するように配置したので、反応抑制層31が導電性を有する場合には、破損などの異常時における電池の安全性をいっそう向上させることができる。すなわち、外装缶11を負極22と短絡させ、そのすぐ内側にセパレータ23を介して正極集電体21Aを露出させた正極21を配置するようにしたので、電池が圧壊するなどの異常時には負極端子としての外装缶11が正極21と短絡することで速やかに電池反応が収束する。この結果、電池素子20の過度な発熱や発火を防止することができる。   According to this secondary battery, since the reaction suppression layer 31 is provided on the inner surface of the outer can 11, alloying of lithium as the battery reactant and aluminum constituting the outer can 11 connected to the negative electrode 22 is performed. The reaction is suppressed. As a result, the cycle characteristics can be improved while reducing the weight. In the past, in order to avoid the problem of erosion of the outer can itself during use, it was necessary to short-circuit the outer can using aluminum with the positive electrode, but according to the secondary battery of the present embodiment, Such constraints are eliminated, and the degree of freedom in design can be expanded. Furthermore, since the positive electrode current collector 21A is disposed so as to face the inner surface of the outer can 11, when the reaction suppression layer 31 has conductivity, the safety of the battery at the time of abnormality such as breakage is further improved. Can do. That is, since the outer can 11 is short-circuited with the negative electrode 22 and the positive electrode 21 with the positive electrode current collector 21A exposed through the separator 23 is disposed immediately inside the outer can 11, the negative electrode terminal is used at the time of abnormality such as battery collapse As the outer can 11 is short-circuited with the positive electrode 21, the battery reaction quickly converges. As a result, excessive heat generation and ignition of the battery element 20 can be prevented.

次に、第2および第3の電池について説明するが、第1の電池と共通の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。   Next, the second and third batteries will be described. Components that are the same as those of the first battery are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

(第2の電池)
第2の電池は、負極22の構成が異なる点を除き、第1の電池と同様の構成、作用および効果を有しており、同様の手順により製造される。
(Second battery)
The second battery has the same configuration, operation, and effect as the first battery except that the configuration of the negative electrode 22 is different, and is manufactured by the same procedure.

負極22は、第1の電池と同様に、負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bが設けられたものである。負極活物質層22Bは、例えば、ケイ素あるいはスズを構成元素として含む負極活物質を含有している。具体的には、例えば、ケイ素の単体、合金あるいは化合物、またはスズの単体、合金あるいは化合物を含有しており、それらの2種以上を含有していてもよい。   The negative electrode 22 has a negative electrode active material layer 22B provided on both surfaces of a negative electrode current collector 22A, as in the first battery. The negative electrode active material layer 22B contains, for example, a negative electrode active material containing silicon or tin as a constituent element. Specifically, for example, it contains a silicon simple substance, an alloy or a compound, or a tin simple substance, an alloy or a compound, and may contain two or more of them.

この負極活物質層22Bは、気相法、液相法、溶射法あるいは焼成法、またはそれらの2種以上の方法を任意に用いて形成されたものであり、負極活物質層22Bと負極集電体22Aとが界面の少なくとも一部において合金化していることが好ましい。具体的には、界面において負極集電体22Aの構成元素が負極活物質層22Bに拡散し、あるいは負極活物質層22Bの構成元素が負極集電体22Aに拡散し、またはそれらの構成元素が互いに拡散し合っていることが好ましい。充放電に伴う負極活物質層22Bの膨張および収縮による破壊を抑制することができると共に、負極活物質層22Bと負極集電体22Aとの間の電子伝導性を向上させることができるからである。   This negative electrode active material layer 22B is formed by arbitrarily using a vapor phase method, a liquid phase method, a thermal spraying method or a firing method, or two or more of these methods. The electrical conductor 22A is preferably alloyed at least at a part of the interface. Specifically, the constituent elements of the negative electrode current collector 22A diffuse into the negative electrode active material layer 22B at the interface, the constituent elements of the negative electrode active material layer 22B diffuse into the negative electrode current collector 22A, or the constituent elements thereof It is preferable that they diffuse to each other. This is because breakage due to expansion and contraction of the negative electrode active material layer 22B due to charging / discharging can be suppressed, and electronic conductivity between the negative electrode active material layer 22B and the negative electrode current collector 22A can be improved. .

なお、気相法としては、例えば、物理堆積法あるいは化学堆積法、具体的には真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法、熱化学気相成長(CVD;Chemical Vapor Deposition )法あるいはプラズマ化学気相成長法などが挙げられる。液相法としては、電気鍍金あるいは無電解鍍金などの公知の手法を用いることができる。焼成法とは、例えば、粒子状の負極活物質を結着剤などと混合して溶剤に分散させることにより塗布したのち、結着剤などの融点よりも高い温度で熱処理する方法である。焼成法に関しても公知の手法が利用可能であり、例えば、雰囲気焼成法、反応焼成法あるいはホットプレス焼成法が挙げられる。   As the vapor phase method, for example, physical deposition method or chemical deposition method, specifically, vacuum vapor deposition method, sputtering method, ion plating method, laser ablation method, thermal chemical vapor deposition (CVD; Chemical Vapor Deposition) Or plasma chemical vapor deposition. As the liquid phase method, a known method such as electroplating or electroless plating can be used. The firing method is, for example, a method in which a particulate negative electrode active material is mixed with a binder and dispersed in a solvent and then heat treated at a temperature higher than the melting point of the binder. A known method can also be used for the firing method, for example, an atmospheric firing method, a reactive firing method, or a hot press firing method.

第2の電池では、上記第1の電池のように塗布法により形成した場合と比べて、負極集電体22Aと負極活物質層22Bとの密着性がより強固であることから、一旦形成された負極活物質層22Bを負極集電体22Aの上から選択的に除去することは極めて困難である。また、予め不要な領域には形成しないよう高精度なマスキングを施して選択的に負極活物質層22Bを形成することは、工程数や処理時間の増加を招き、生産性を低下させる原因となる。したがって、外装缶11を正極21と短絡させ、そのすぐ内側にセパレータ23を介して負極集電体22Aを露出させた負極22を配置するのではなく、図1に示したように、外装缶11を負極22と短絡させ、そのすぐ内側にセパレータ23を介して正極集電体21Aを露出させた正極21を配置することで電池の安全性を確保することが製造上、望ましい。なお、負極集電体22Aの一端に負極リード25を取り付ける際には、負極活物質層22Bを除去せずに、負極リード25を負極活物質層22Bの上から強く押し付ける(かしめる)ことにより負極集電体22Aと圧接接合させるようにすればよい。   The second battery is formed once because the adhesion between the negative electrode current collector 22A and the negative electrode active material layer 22B is stronger than when formed by a coating method as in the first battery. It is extremely difficult to selectively remove the negative electrode active material layer 22B from above the negative electrode current collector 22A. In addition, when the negative electrode active material layer 22B is selectively formed by performing high-precision masking so as not to be formed in an unnecessary region in advance, the number of processes and the processing time are increased, which causes a decrease in productivity. . Therefore, instead of short-circuiting the outer can 11 with the positive electrode 21 and disposing the negative electrode 22 with the negative electrode current collector 22A exposed via the separator 23 immediately inside the outer can 11, as shown in FIG. It is desirable in manufacturing to secure the safety of the battery by arranging the positive electrode 21 with the positive electrode current collector 21 </ b> A exposed through the separator 23 immediately inside the short circuit with the negative electrode 22. When the negative electrode lead 25 is attached to one end of the negative electrode current collector 22A, the negative electrode lead 25 is strongly pressed (caulked) from above the negative electrode active material layer 22B without removing the negative electrode active material layer 22B. What is necessary is just to carry out press-contact joining with 22 A of negative electrode collectors.

この二次電池によれば、上記第1の電池と同様に、軽量化を図りつつサイクル特性を向上させることができ、かつ、高い安全性を確保することができる。   According to this secondary battery, as with the first battery, it is possible to improve the cycle characteristics while achieving weight reduction and to ensure high safety.

(第3の電池)
第3の電池は、負極22の容量がリチウムの析出および溶解に基づく容量成分により表される二次電池(いわゆるリチウム金属二次電池)である。この二次電池は、負極活物質層22Bが金属リチウムにより構成されている点を除き、第1または第2の電池と同様の構成を有している。
(Third battery)
The third battery is a secondary battery (so-called lithium metal secondary battery) in which the capacity of the negative electrode 22 is represented by a capacity component based on precipitation and dissolution of lithium. This secondary battery has the same configuration as the first or second battery except that the negative electrode active material layer 22B is made of metallic lithium.

この二次電池は、負極活物質として金属リチウムを用いることで、より高いエネルギー密度を得ることができるようになっている。   This secondary battery can obtain a higher energy density by using metallic lithium as a negative electrode active material.

負極活物質層22Bとしては例えば金属リチウム箔を用い、これを銅箔などの負極集電体22Aと貼り合わせるようにする。あるいは、気相法や液相法などを利用して、負極集電体22Aの上に金属リチウムからなる負極活物質層22Bを形成することもできる。   For example, a metal lithium foil is used as the negative electrode active material layer 22B, and this is bonded to a negative electrode current collector 22A such as a copper foil. Alternatively, the negative electrode active material layer 22B made of metallic lithium can be formed on the negative electrode current collector 22A using a vapor phase method, a liquid phase method, or the like.

この二次電池では、充電を行うと、正極21からリチウムイオンが放出され、電解液を介して負極集電体22Aの表面に金属リチウムとなって析出する。一方、放電を行うと、負極活物質層22Bから金属リチウムがリチウムイオンとなって溶出し、電解液を介して正極21に吸蔵される。   In this secondary battery, when charged, lithium ions are released from the positive electrode 21 and deposited as metallic lithium on the surface of the negative electrode current collector 22A through the electrolytic solution. On the other hand, when discharging is performed, metallic lithium is eluted as lithium ions from the negative electrode active material layer 22B and is occluded in the positive electrode 21 through the electrolytic solution.

なお、負極活物質層22Bについては組み立て段階において設けるようにしてもよいが、組み立て時には設けずに、充電時に析出した金属リチウムによって構成するようにしてもよい。また、金属リチウム箔そのものを負極活物質層22Bと共に負極集電体22Aとしても利用することにより、負極集電体22Aとしての銅箔を省略するようにしてもよい。   Note that the negative electrode active material layer 22B may be provided at the assembly stage, but may be configured by metallic lithium deposited during charging without being provided at the time of assembly. Further, by using the metal lithium foil itself as the negative electrode current collector 22A together with the negative electrode active material layer 22B, the copper foil as the negative electrode current collector 22A may be omitted.

この二次電池によれば、負極22の容量がリチウムの析出および溶解に基づく容量成分により表される場合に、上記第1および第2の電池と同様に、軽量化を図りつつサイクル特性を向上させることができ、かつ、高い安全性を確保することができる。   According to this secondary battery, when the capacity of the negative electrode 22 is expressed by a capacity component based on the precipitation and dissolution of lithium, the cycle characteristics are improved while reducing the weight as in the first and second batteries. And high safety can be ensured.

次に、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。   Next, specific examples of the present invention will be described in detail.

(実施例1−1〜1−10)
本実施例として、図1および図2に示した角型の二次電池を作製した。但し、負極22については以下に述べるタイプA〜Dの4種類とし、外装缶11の内面に設けた反応抑制層31については以下に述べるタイプI〜IVの4種類とした。さらに、セパレータ23には高分子化合物層を設けることなく、電解液をセパレータ23に直接含浸させるようにした。
(Examples 1-1 to 1-10)
As this example, the square secondary battery shown in FIGS. 1 and 2 was produced. However, the negative electrode 22 has four types A to D described below, and the reaction suppression layer 31 provided on the inner surface of the outer can 11 has four types I to IV described below. Further, the separator 23 was directly impregnated with the electrolytic solution without providing the separator 23 with a polymer compound layer.

まず、正極21を作製した。具体的には、炭酸リチウム(Li2 CO3 )と炭酸コバルト(CoCO3 )とを、Li2 CO3 :CoCO3 =0.5:1のモル比で混合し、空気中において900℃で5時間焼成して、正極活物質としてのリチウム・コバルト複合酸化物(LiCoO2 )を得た。次いで、このリチウム・コバルト複合酸化物91質量部と、導電剤であるグラファイト6質量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン3質量部とを混合して正極合剤を調整した。続いて、この正極合剤を溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させて正極合剤スラリーとし、厚み12μmのアルミニウム箔よりなる正極集電体21Aの両面に選択的に塗布して乾燥させ、ロールプレス機で圧縮成型して正極活物質層21Bを形成し正極21を作製した。この際、正極21の巻回中心側および巻回外周側にそれぞれ正極露出領域21DS,21DE(図3)を設けるようにした。続いて、正極露出領域21DSの正極集電体21Aにアルミニウム製の正極リード24を取り付けた。 First, the positive electrode 21 was produced. Specifically, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and cobalt carbonate (CoCO 3 ) are mixed at a molar ratio of Li 2 CO 3 : CoCO 3 = 0.5: 1, and 5 ° C. at 900 ° C. in the air. After firing for a time, lithium-cobalt composite oxide (LiCoO 2 ) as a positive electrode active material was obtained. Next, 91 parts by mass of this lithium / cobalt composite oxide, 6 parts by mass of graphite as a conductive agent, and 3 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder were mixed to prepare a positive electrode mixture. Subsequently, the positive electrode mixture is dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent to form a positive electrode mixture slurry, which is selectively applied to both surfaces of a positive electrode current collector 21A made of an aluminum foil having a thickness of 12 μm and dried. Then, the cathode active material layer 21B was formed by compression molding with a roll press machine, and the cathode 21 was produced. At this time, the positive electrode exposed regions 21DS and 21DE (FIG. 3) are provided on the winding center side and the winding outer peripheral side of the positive electrode 21, respectively. Subsequently, an aluminum positive electrode lead 24 was attached to the positive electrode current collector 21A in the positive electrode exposed region 21DS.

次に、以下のようにしてタイプA〜Dの負極22をそれぞれ作製した。   Next, the negative electrodes 22 of types A to D were produced as follows.

<タイプA>
まず、1μmの平均粒径を有する純度99%のケイ素粉末と、6μmの平均粒径を有する鱗片状人造黒鉛粉末と、ポリアミド酸とを80:10:10の質量比で混合して負極合剤を調整した。続いて、この負極合剤を溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させて負極合剤スラリーとし、電解銅箔よりなる負極集電体22Aの両面に均一に塗布して乾燥させた。ここで、電解銅箔としては、15μmの厚みを有すると共に、表面粗度がRa値で0.4μmのものを用いた。乾燥後、アルゴン雰囲気中において350℃の温度下で12時間に亘って熱処理を行うことで、ケイ素、黒鉛およびポリイミドが混合してなる負極活物質層22Bを負極集電体22Aの上に形成した。さらに、負極集電体22Aの一端に、ニッケル製の負極リード25を取り付けた。この際、負極リード25を負極活物質層22Bの上から強く押し付ける(かしめる)ことにより負極集電体22Aと圧接接合させた。
<Type A>
First, a 99% pure silicon powder having an average particle diameter of 1 μm, a flaky artificial graphite powder having an average particle diameter of 6 μm, and polyamic acid are mixed at a mass ratio of 80:10:10 to form a negative electrode mixture. Adjusted. Subsequently, the negative electrode mixture was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent to form a negative electrode mixture slurry, which was uniformly applied to both surfaces of the negative electrode current collector 22A made of an electrolytic copper foil and dried. Here, as the electrolytic copper foil, one having a thickness of 15 μm and a surface roughness of Ra value of 0.4 μm was used. After drying, a negative electrode active material layer 22B formed by mixing silicon, graphite, and polyimide was formed on the negative electrode current collector 22A by performing heat treatment in an argon atmosphere at a temperature of 350 ° C. for 12 hours. . Further, a nickel negative electrode lead 25 was attached to one end of the negative electrode current collector 22A. At this time, the negative electrode lead 25 was pressed and joined to the negative electrode current collector 22A by strongly pressing (caulking) the negative electrode lead 25 from above the negative electrode active material layer 22B.

<タイプB>
電解銅箔からなる負極集電体21Aの両面に、電子ビーム蒸着法を用いて7μmの厚みを有するケイ素の薄膜を蒸着したのち、アルゴン雰囲気中において300℃の温度下で6時間に亘る熱処理を行うことで負極活物質層22Bを形成した。ここでは、電解銅箔として、15μmの厚みを有すると共に、表面粗度がRa値で0.3μmのものを用いた。さらに、タイプAと同様にして、負極集電体21Aの一端に、ニッケル製の負極リード25を取り付けた。
<Type B>
A thin film of silicon having a thickness of 7 μm is deposited on both surfaces of the negative electrode current collector 21A made of electrolytic copper foil by using an electron beam deposition method, and then heat treatment is performed at a temperature of 300 ° C. for 6 hours in an argon atmosphere. By performing, the negative electrode active material layer 22B was formed. Here, as the electrolytic copper foil, one having a thickness of 15 μm and a surface roughness Ra value of 0.3 μm was used. Further, in the same manner as in Type A, a negative electrode lead 25 made of nickel was attached to one end of the negative electrode current collector 21A.

<タイプC>
電解銅箔からなる負極集電体21Aの両面に、電解めっき法を用いて6μmの厚みを有するスズのめっき膜を形成し、そのめっき膜の上に、電子ビーム蒸着法を用いて2μmの厚みを有するコバルト(Co)の薄膜を蒸着した。こののち、アルゴン雰囲気中において200℃の温度下で24時間に亘る熱処理を行うことで負極活物質層22Bを形成した。ここでは、電解銅箔として、15μmの厚みを有すると共に、表面粗度がRa値で0.3μmのものを用いた。さらに、タイプAと同様にして、負極集電体21Aの一端に、ニッケル製の負極リード25を取り付けた。
<Type C>
A tin plating film having a thickness of 6 μm is formed on both surfaces of the negative electrode current collector 21A made of an electrolytic copper foil using an electrolytic plating method, and a thickness of 2 μm is formed on the plating film using an electron beam evaporation method. A thin film of cobalt (Co) was deposited. After that, the negative electrode active material layer 22B was formed by performing heat treatment for 24 hours at a temperature of 200 ° C. in an argon atmosphere. Here, as the electrolytic copper foil, one having a thickness of 15 μm and a surface roughness Ra value of 0.3 μm was used. Further, in the same manner as in Type A, a negative electrode lead 25 made of nickel was attached to one end of the negative electrode current collector 21A.

<タイプD>
平均粒子径が25μmの球状人造黒鉛の粒子と、黒鉛化気相成長炭素繊維と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンとを90:3:7の質量比で混合して負極合剤を調整した。続いて、この負極合剤を溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させて負極合剤スラリーとし、電解銅箔よりなる負極集電体22Aの両面に選択的に塗布して乾燥させた。ここで、電解銅箔としては、15μmの厚みを有すると共に、表面粗度がRa値で0.1μmのものを用いた。乾燥後、ロールプレス機でプレス成型することで負極活物質層22Bを形成した。そののち、負極活物質層22Bに覆われていない負極集電体22Aの一端にニッケル製の負極リード25を取り付けた。
<Type D>
Spherical artificial graphite particles having an average particle size of 25 μm, graphitized vapor-grown carbon fiber, and polyvinylidene fluoride as a binder were mixed at a mass ratio of 90: 3: 7 to prepare a negative electrode mixture. . Subsequently, the negative electrode mixture was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent to form a negative electrode mixture slurry, which was selectively applied to both surfaces of the negative electrode current collector 22A made of electrolytic copper foil and dried. . Here, as the electrolytic copper foil, one having a thickness of 15 μm and a surface roughness of Ra of 0.1 μm was used. After drying, the negative electrode active material layer 22B was formed by press molding with a roll press. After that, a nickel negative electrode lead 25 was attached to one end of the negative electrode current collector 22A not covered with the negative electrode active material layer 22B.

正極21および負極22を作製したのち、アルミニウム合金製の角型の外装缶11(0.3mm厚)を用意し、その内面にタイプI〜IVの反応抑制層31を以下のようにしてそれぞれ作製した。   After preparing the positive electrode 21 and the negative electrode 22, a rectangular outer can 11 (0.3 mm thickness) made of an aluminum alloy is prepared, and reaction suppression layers 31 of type I to IV are respectively formed on the inner surface thereof as follows. did.

<タイプI>
まず、外装缶11をトリクロロエチレンで脱脂洗浄したのち、硝酸浴中で洗浄した。次いで、市販の亜鉛合金置換剤を用いて外装缶11の内面に亜鉛皮膜を形成するジンケート処理を行い、一旦、硝酸浴に浸漬させたのち、再び同様のジンケート処理を行った。こののち、85℃に保持された塩化ニッケル、次亜リン酸ナトリウムおよびオキシ酢酸ナトリウムの混合溶液に浸漬させ、無電解めっき法により20μmの厚みを有するニッケルめっき膜からなる反応抑制層31を形成した。
<Type I>
First, the outer can 11 was degreased and washed with trichlorethylene and then washed in a nitric acid bath. Subsequently, the zincate process which forms a zinc membrane | film | coat on the inner surface of the armored can 11 was performed using the commercially available zinc alloy substitution agent, and after making it immersed once in a nitric acid bath, the same zincate process was performed again. After that, it was immersed in a mixed solution of nickel chloride, sodium hypophosphite and sodium oxyacetate maintained at 85 ° C., and a reaction suppressing layer 31 made of a nickel plating film having a thickness of 20 μm was formed by an electroless plating method. .

<タイプII>
まず、硫酸水溶液中において外装缶11を陽極として通電することにより、外装缶11の内面に酸化アルミニウム層を形成した(アルマイト処理)。次いで、酸化アルミニウム層を形成した外装缶11を、0.3μmの平均粒径を有するポリテトラフルオロエチレン水性分散液に浸漬させつつ熱処理を行うことで、フッ素樹脂含有酸化アルミニウムからなる反応抑制層31を形成した。熱処理については、アルゴン雰囲気中において350℃の温度下で12時間に亘って実施した。なお、ここでの反応抑制層31の厚みは30μmとした。
<Type II>
First, an aluminum oxide layer was formed on the inner surface of the outer can 11 by energizing the outer can 11 as an anode in a sulfuric acid aqueous solution (alumite treatment). Subsequently, the outer can 11 on which the aluminum oxide layer is formed is subjected to heat treatment while being immersed in an aqueous polytetrafluoroethylene dispersion having an average particle diameter of 0.3 μm, whereby the reaction suppression layer 31 made of fluororesin-containing aluminum oxide is performed. Formed. The heat treatment was performed in an argon atmosphere at a temperature of 350 ° C. for 12 hours. In addition, the thickness of the reaction suppression layer 31 here was 30 micrometers.

<タイプIII>
ポリアミド酸をN−メチル−2−ピロリドンに分散させたものを外装缶11の内面にスプレーコートしたのち、アルゴン雰囲気において熱処理を行い、再度、スプレーコートおよび熱処理の操作を繰り返し行うことで、ポリイミドからなる反応抑制層31を形成した。最初の熱処理については300℃の温度下で3時間に亘って実施し、2回目の熱処理については450℃の温度下で12時間に亘って実施した。なお、ここでの反応抑制層31の厚みは20μmとした。
<Type III>
After the polyamic acid dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone is spray-coated on the inner surface of the outer can 11, heat treatment is performed in an argon atmosphere, and the operation of spray coating and heat treatment is repeated again, so that the polyimide can be removed. The reaction suppression layer 31 was formed. The first heat treatment was performed at a temperature of 300 ° C. for 3 hours, and the second heat treatment was performed at a temperature of 450 ° C. for 12 hours. Here, the thickness of the reaction suppression layer 31 was 20 μm.

<タイプIV>
まず、硫酸水溶液中において外装缶11を陽極として通電することにより、外装缶11の内面に酸化アルミニウム層を形成した(アルマイト処理)。次いで、酸化アルミニウム層を形成した外装缶11の内面に、ペルヒドロポリシラザン(PHPS)を10重量%含むキシレン溶液をスプレーしたのち、大気中の水分とペルヒドロポリシラザンとを反応させることにより二酸化硅素層を形成し、酸化アルミニウム層と二酸化硅素層との積層構造からなる反応抑制層31を得た。なお、ここでの反応抑制層31の厚みは40μmとした。
<Type IV>
First, an aluminum oxide layer was formed on the inner surface of the outer can 11 by energizing the outer can 11 as an anode in a sulfuric acid aqueous solution (alumite treatment). Next, after spraying a xylene solution containing 10% by weight of perhydropolysilazane (PHPS) on the inner surface of the outer can 11 on which the aluminum oxide layer is formed, the silicon dioxide layer is obtained by reacting moisture in the air with perhydropolysilazane. The reaction suppression layer 31 having a laminated structure of an aluminum oxide layer and a silicon dioxide layer was obtained. Here, the thickness of the reaction suppression layer 31 was 40 μm.

反応抑制層31を形成したのち、16μm厚の微孔性ポリエチレンフィルムよりなるセパレータ23を用意し、正極21および負極22を、セパレータ23を介して積層して積層体を形成したのち、この積層体を渦巻状に複数回巻回し、扁平な形状に成型することで電池素子20を得た。この際、正極集電体21Aの正極露出領域21DEが負極22よりも電池素子20の外周側に位置するようにした。   After forming the reaction suppression layer 31, a separator 23 made of a microporous polyethylene film having a thickness of 16 μm is prepared. After the positive electrode 21 and the negative electrode 22 are stacked with the separator 23 interposed therebetween, a stacked body is formed. The battery element 20 was obtained by winding the battery in a spiral shape and molding it into a flat shape. At this time, the positive electrode exposed region 21DE of the positive electrode current collector 21A was positioned on the outer peripheral side of the battery element 20 with respect to the negative electrode 22.

次に、電池素子20を外装缶11の内部に収容したのち、電池素子20の上に絶縁板12を配置し、負極リード25を外装缶11に溶接すると共に、正極リード24を正極ピン15の下端に溶接して、外装缶11の開放端部に電池蓋13をレーザ溶接により固定した。そののち、注入孔19から外装缶11の内部に電解液を注入した。電解液には、炭酸エチレン30体積%と炭酸ジエチル70体積%とを混合した溶媒に、電解質塩としてLiPF6 を1mol/dm3 の濃度で溶解させたものを用いた。最後に、注入孔19を封止部材19Aで塞ぐことにより、角型の二次電池を得た。 Next, after the battery element 20 is accommodated in the outer can 11, the insulating plate 12 is disposed on the battery element 20, the negative electrode lead 25 is welded to the outer can 11, and the positive electrode lead 24 is connected to the positive electrode pin 15. The battery lid 13 was fixed to the open end of the outer can 11 by laser welding. After that, an electrolytic solution was injected into the outer can 11 from the injection hole 19. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving LiPF 6 as an electrolyte salt at a concentration of 1 mol / dm 3 in a solvent in which 30% by volume of ethylene carbonate and 70% by volume of diethyl carbonate were mixed was used. Finally, the injection hole 19 was closed with a sealing member 19A to obtain a square secondary battery.

各実施例における負極22および反応抑制層31の各タイプについては表1(後出)に示した通りである。   Each type of the negative electrode 22 and the reaction suppression layer 31 in each example is as shown in Table 1 (described later).

実施例1−1〜1−10に対する比較例1−1〜1−8として、反応抑制層を形成しなかったことを除き、他は実施例1−1〜1−8と同様にして電池を作製した。但し、比較例1−5〜1−8については、外装缶11を正極と短絡させるようにすると共に、電池素子20の最外周に負極22が位置するように作製した。なお、各比較例における負極22のタイプについては表1に示した通りである。   As Comparative Examples 1-1 to 1-8 with respect to Examples 1-1 to 1-10, except that the reaction suppression layer was not formed, the battery was manufactured in the same manner as in Examples 1-1 to 1-8. Produced. However, Comparative Examples 1-5 to 1-8 were prepared such that the outer can 11 was short-circuited with the positive electrode, and the negative electrode 22 was positioned on the outermost periphery of the battery element 20. The type of the negative electrode 22 in each comparative example is as shown in Table 1.

得られた各実施例および各比較例の二次電池について、2mA/cm2 の電流密度を維持しつつ電池電圧が4.2Vに達するまで定電流充電を行ったのち、4.2Vの定電圧で定電圧充電を行い、電流密度が0.2mA/cm2 に達した時点で停止した。引き続き、2mA/cm2 の電流密度で電池電圧が2.5Vに達するまで定電流放電を行い、初回の充放電効率(初回の放電容量/初回の充電容量)を求めた。その結果を表1に示す。 About the obtained secondary battery of each Example and each comparative example, constant current charging was performed until the battery voltage reached 4.2 V while maintaining a current density of 2 mA / cm 2 , and then a constant voltage of 4.2 V Was stopped at the time when the current density reached 0.2 mA / cm 2 . Subsequently, constant current discharge was performed until the battery voltage reached 2.5 V at a current density of 2 mA / cm 2 , and the initial charge / discharge efficiency (initial discharge capacity / initial charge capacity) was determined. The results are shown in Table 1.

Figure 2008251433
Figure 2008251433

表1に示したように、実施例1−1〜1−10では、外装缶11の内面に反応抑制層31を形成することで、これを設けなかった比較例1−1〜1−4よりも大幅に初回充放電効率が向上した。すなわち、実施例1−1〜1−10では、アルミニウムを含む外装缶11自体が負極端子として電池反応を生じることなく、外装缶11を正極と短絡させた比較例1−5〜1−8とほぼ同等の性能を維持することができた。   As shown in Table 1, in Examples 1-1 to 1-10, by forming the reaction suppression layer 31 on the inner surface of the outer can 11, from Comparative Examples 1-1 to 1-4 in which this was not provided The initial charge / discharge efficiency was also greatly improved. In other words, in Examples 1-1 to 1-10, Comparative Examples 1-5 to 1-8 in which the outer can 11 itself was short-circuited with the positive electrode without causing a battery reaction as the negative electrode terminal. Almost the same performance could be maintained.

(実施例2−1〜2−3)
次に、釘刺試験を行って状態変化を観察することにより、電池破損時の安全性を調べた。結果を表2に示す。
(Examples 2-1 to 2-3)
Next, the nail penetration test was performed and the change in the state was observed to examine the safety when the battery was damaged. The results are shown in Table 2.

この釘刺試験では、常温下で設計定格容量の1Cに相当する電流で4.2Vまで定電流定電圧充電を行い満充電状態としたのち、外装缶11のほぼ中央を貫通するように釘(Φ2.5mm)を突き刺し、その30秒後の外装缶11の表面温度を計測すると共に外観を観察するようにした。ここでは、外観および表面温度の変化に基づいて、試験後の電池状態を3段階(レベル0〜レベル2)に分類評価した。レベル0は表面温度50℃以下で発煙・発火なし、レベル1は表面温度90℃以下で発煙・発火なし、レベル2は表面温度90℃以上で発煙・発火ありの状態をそれぞれ表している。このうち、発煙・発火が生じなかったレベル0,1が電池破損時の安全性として許容可能なレベルである。   In this nail penetration test, a constant current / constant voltage charge is performed up to 4.2V with a current corresponding to a design rated capacity of 1C at room temperature, and then the nail is inserted so as to penetrate almost the center of the outer can 11. Φ2.5 mm) was stabbed, and after 30 seconds, the surface temperature of the outer can 11 was measured and the appearance was observed. Here, the battery state after the test was classified and evaluated in three stages (level 0 to level 2) based on changes in appearance and surface temperature. Level 0 represents a state where the surface temperature is 50 ° C. or less, no smoke or ignition, level 1 represents a state where the surface temperature is 90 ° C. or less and no smoke or ignition, and level 2 represents a state where the surface temperature is 90 ° C. or more and smoke or ignition occurs. Among these, levels 0 and 1 at which no smoke or ignition occurred are acceptable levels as safety when the battery is broken.

実施例2−1〜2−3の電池では、外装缶11を負極22と短絡させ、負極22の構成を上記のタイプBとし、外装缶11の内面には上記のタイプIの反応抑制層31を形成した。さらに、実施例2−1では、負極集電体22Aの露出部および正極集電体21Aの露出部を設けないようにした。実施例2−2では、図1のように、負極集電体22Aの露出部を設けずに、電池素子20の巻回外周側端部において正極集電体21Aの露出部を設けるようにした。実施例2−3では、電池素子20の巻回外周側端部において、負極集電体22Aおよび正極集電体21Aの双方について露出部を設けるようにした。   In the batteries of Examples 2-1 to 2-3, the outer can 11 is short-circuited with the negative electrode 22, the configuration of the negative electrode 22 is the above type B, and the reaction suppression layer 31 of the above type I is provided on the inner surface of the outer can 11. Formed. Further, in Example 2-1, the exposed portion of the negative electrode current collector 22A and the exposed portion of the positive electrode current collector 21A were not provided. In Example 2-2, as illustrated in FIG. 1, the exposed portion of the positive electrode current collector 21 </ b> A is provided at the winding outer peripheral side end portion of the battery element 20 without providing the exposed portion of the negative electrode current collector 22 </ b> A. . In Example 2-3, an exposed portion was provided for both the negative electrode current collector 22A and the positive electrode current collector 21A at the winding outer peripheral side end of the battery element 20.

実施例2−1〜2−3に対する比較例2−1〜2−2,2−4として、外装缶11を正極と短絡させると共に反応抑制層を形成しなかったことを除き、他は実施例2−1〜2−3と同様にして電池を作製した。さらに、比較例2−3として、正極集電体21Aの露出部を設けずに、電池素子20の巻回外周側端部において負極集電体22Aの露出部を設けるようにしたことを除き、他は比較例2−4と同様にして電池を作製した。なお、比較例2−1〜2−4では、いずれも、実施例2−1〜2−3とは逆に、電池素子20の最外周が負極22となるように作製した。   As Comparative Examples 2-1 to 2-2 and 2-4 with respect to Examples 2-1 to 2-3, except that the outer can 11 was short-circuited with the positive electrode and the reaction suppression layer was not formed. Batteries were produced in the same manner as in 2-1 to 2-3. Furthermore, as Comparative Example 2-3, except that the exposed portion of the negative electrode current collector 22A was provided at the winding outer peripheral side end portion of the battery element 20 without providing the exposed portion of the positive electrode current collector 21A, Otherwise, a battery was fabricated in the same manner as in Comparative Example 2-4. In Comparative Examples 2-1 to 2-4, the battery element 20 was fabricated such that the outermost periphery of the battery element 20 was the negative electrode 22, contrary to Examples 2-1 to 2-3.

Figure 2008251433
Figure 2008251433

表2に示したように、本実施例では、レベル0またはレベル1であり、いずれも許容可能なレベルとなった。特に、正極集電体21Aの露出部を設け、負極端子としての外装缶11の内面と対向するようにした実施例2−2,2−3ではレベル0となり、より良好な結果が得られた。また、実施例2−2と実施例2−3との比較により、負極集電体22Aの露出部を敢えて設けなくとも十分に高い安全性を確保することができることがわかった。一方、外装缶11を正極21と短絡させた場合には、負極集電体22Aの露出部を設けないとレベル2となる(比較例2−1,2−2)ので、十分な安全性を確保するには比較例2−3,2−4のように負極集電体22Aの露出部を設ける必要がある。すなわち、本実施例のように負極端子としての外装缶11を機能させることにより、負極活物質層22Bを除去、あるいは選択的な負極活物質層22Bの形成という煩雑な作業を行わなくとも十分な安全性の確保が実現可能であることがわかった。   As shown in Table 2, in this example, the level was 0 or 1, and both were acceptable levels. In particular, in Examples 2-2 and 2-3 in which the exposed portion of the positive electrode current collector 21A was provided and opposed to the inner surface of the outer can 11 serving as the negative electrode terminal, the level was 0, and a better result was obtained. . Moreover, it was found from comparison between Example 2-2 and Example 2-3 that sufficiently high safety can be ensured without intentionally providing the exposed portion of the anode current collector 22A. On the other hand, when the outer can 11 is short-circuited with the positive electrode 21, the level 2 is obtained unless the exposed portion of the negative electrode current collector 22A is provided (Comparative Examples 2-1 and 2-2). In order to ensure, it is necessary to provide the exposed part of 22 A of negative electrode collectors like Comparative example 2-3 and 2-4. That is, the outer can 11 as the negative electrode terminal is made to function as in this embodiment, so that the negative electrode active material layer 22B is removed or a complicated operation of selectively forming the negative electrode active material layer 22B is sufficient. It was found that ensuring safety was feasible.

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記した実施の形態および実施例において説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記した実施の形態および実施例では、電解液を高分子化合物に保持させたゲル状電解質を用いる場合、および電解液をセパレータに含浸させて用いる場合について説明したが、他の種類の電解質を用いるようにしてもよい。他の電解質としては、例えば、高分子化合物に保持しない電解液のほか、イオン伝導性セラミックス、イオン伝導性ガラスあるいはイオン性結晶などのイオン伝導性無機化合物と電解液とを混合したものや、他の無機化合物と電解液とを混合したものや、これらの無機化合物とゲル状電解質とを混合したものなどが挙げられる。   The present invention has been described with reference to the embodiments and examples. However, the present invention is not limited to the embodiments described in the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiments and examples, the case where a gel electrolyte in which an electrolytic solution is held in a polymer compound is used and the case where a separator is impregnated with an electrolytic solution are used. However, other types of electrolytes are used. May be used. Other electrolytes include, for example, electrolyte solutions that are not retained in a polymer compound, a mixture of an ion conductive ceramic compound such as ion conductive ceramics, ion conductive glass, or ionic crystals, and an electrolyte solution, and others. Or a mixture of these inorganic compounds and a gel electrolyte.

また、上記した実施の形態および実施例では、本発明の電池として、負極の容量がリチウムの吸蔵および放出に基づく容量成分により表されるリチウムイオン二次電池、あるいは負極活物質にリチウム金属を用い、負極の容量がリチウムの析出および溶解に基づく容量成分により表されるリチウム金属二次電池について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。本発明の電池は、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の充電容量を正極の充電容量よりも小さくすることにより、負極の容量がリチウムの吸蔵および放出に基づく容量成分とリチウムの析出および溶解に基づく容量成分とを含み、かつ、それらの容量成分の和により表される二次電池についても同様に適用可能である。   In the above-described embodiments and examples, the battery of the present invention is a lithium ion secondary battery in which the capacity of the negative electrode is represented by a capacity component based on insertion and extraction of lithium, or lithium metal is used for the negative electrode active material. The lithium metal secondary battery in which the capacity of the negative electrode is represented by a capacity component based on the precipitation and dissolution of lithium has been described, but is not necessarily limited thereto. In the battery of the present invention, the negative electrode material capable of occluding and releasing lithium has a smaller charge capacity than the positive electrode, so that the capacity of the negative electrode is determined based on the storage and release of lithium and the deposition of lithium. Further, the present invention can be similarly applied to a secondary battery that includes a capacity component based on dissolution and is expressed by the sum of the capacity components.

また、上記した実施の形態または実施例では、正極の最外周部分において正極活物質層を設けずに正極集電体の両面を露出させるようにしたが、これに限定されるものではない。例えば図5の第1の変形例のように、最外周部分の正極集電体21Aのうち、その内側に位置する負極22の最外周部分と対向する面には負極活物質層22Bと対応する位置に正極活物質層21Bを設けるようにすることが望ましい。こうすることで、より電池容量を向上させることができる。また、最外周部分の正極集電体の両面を露出させた場合には、例えば図6に示した第2の変形例のように、正極集電体21Aの最外周部分と対向する負極集電体22Aを露出させるようにするとよい。こうすることで、異常時には、外装缶11と正極集電体21Aの最外周面とが接触することに加え、正極集電体21Aおよび負極集電体22Aの最外周部分同士の接触がなされるので、より迅速に電池反応を収束させることができ、安全性の面でいっそう有利なものとなる。   In the above-described embodiment or example, both surfaces of the positive electrode current collector are exposed without providing the positive electrode active material layer in the outermost peripheral portion of the positive electrode. However, the present invention is not limited to this. For example, as in the first modification of FIG. 5, the surface of the positive electrode current collector 21 </ b> A at the outermost peripheral portion that faces the outermost peripheral portion of the negative electrode 22 located inside thereof corresponds to the negative electrode active material layer 22 </ b> B. It is desirable to provide the positive electrode active material layer 21B at the position. By doing so, the battery capacity can be further improved. Further, when both surfaces of the positive electrode current collector at the outermost peripheral part are exposed, the negative electrode current collector facing the outermost peripheral part of the positive electrode current collector 21A, for example, as in the second modification shown in FIG. The body 22A may be exposed. By doing so, in an abnormal state, in addition to the outer can 11 and the outermost peripheral surface of the positive electrode current collector 21A being in contact, the outermost peripheral portions of the positive electrode current collector 21A and the negative electrode current collector 22A are brought into contact with each other. Therefore, the battery reaction can be converged more quickly, which is more advantageous in terms of safety.

また、上記した実施の形態または実施例では、本発明の電池の電池構造として、角型を例に挙げて説明したが、本発明の電池は、円筒型、ラミネートフィルム型、コイン型あるいはボタン型などの他の電池構造を有する二次電池についても同様に適用可能である。さらに、上記した実施の形態または実施例では巻回型の電池素子を例示して説明したが、積層型の電池素子を用いた二次電池についても同様に適用可能である。また、本発明の電池は、二次電池に限らず、一次電池などの他の種類の電池についても同様に適用可能である。   In the above-described embodiments or examples, the battery structure of the battery of the present invention has been described by taking a square shape as an example. However, the battery of the present invention can be a cylindrical shape, a laminate film type, a coin type, or a button type. The present invention can be similarly applied to secondary batteries having other battery structures. Furthermore, in the above-described embodiment or example, the winding type battery element is described as an example, but the present invention can be similarly applied to a secondary battery using a stacked type battery element. Further, the battery of the present invention is not limited to the secondary battery, but can be similarly applied to other types of batteries such as a primary battery.

本発明における一実施の形態としての電池を表す断面図である。It is sectional drawing showing the battery as one embodiment in this invention. 図1に示した電池のII−II線に沿った構成を表す断面図である。It is sectional drawing showing the structure along the II-II line of the battery shown in FIG. 図1に示した正極を展開した断面図である。It is sectional drawing which expand | deployed the positive electrode shown in FIG. 図1に示した負極を展開した断面図である。It is sectional drawing which expand | deployed the negative electrode shown in FIG. 図1に示した電池の第1の変形例の構成を表す断面図である。It is sectional drawing showing the structure of the 1st modification of the battery shown in FIG. 図1に示した電池の第2の変形例の構成を表す断面図である。It is sectional drawing showing the structure of the 2nd modification of the battery shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

11…外装缶、12…絶縁板、13…電池蓋、14…端子板、15…正極ピン、16…絶縁ケース、17…ガスケット、18…開裂弁、19…注入孔、19A…封止部材、20…電池素子、21…正極、21A…正極集電体、21B…正極活物質層、22…負極、22A…負極集電体、22B…負極活物質層、23…セパレータ、24…正極リード、25…負極リード、31…反応抑制層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Exterior can, 12 ... Insulating plate, 13 ... Battery cover, 14 ... Terminal board, 15 ... Positive electrode pin, 16 ... Insulating case, 17 ... Gasket, 18 ... Cleavage valve, 19 ... Injection hole, 19A ... Sealing member, DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 ... Battery element, 21 ... Positive electrode, 21A ... Positive electrode collector, 21B ... Positive electrode active material layer, 22 ... Negative electrode, 22A ... Negative electrode collector, 22B ... Negative electrode active material layer, 23 ... Separator, 24 ... Positive electrode lead, 25 ... Negative electrode lead, 31 ... Reaction suppression layer.

Claims (9)

リチウム(Li)を吸蔵および放出可能な材料を含む正極と、リチウムを吸蔵および離脱可能な材料を含む負極とを有する電池素子と、
前記電池素子を収容する外装缶とを備え、
前記外装缶はアルミニウム(Al)を含む金属材料からなると共に前記負極と短絡しており、かつ、その内面にアルミニウムとリチウムとの反応を抑制する反応抑制層を有している
ことを特徴とする電池。
A battery element having a positive electrode including a material capable of inserting and extracting lithium (Li) and a negative electrode including a material capable of inserting and extracting lithium;
An outer can that houses the battery element;
The outer can is made of a metal material containing aluminum (Al), is short-circuited to the negative electrode, and has a reaction suppression layer that suppresses a reaction between aluminum and lithium on an inner surface thereof. battery.
前記反応抑制層はリチウムと合金を形成しない金属を含む
ことを特徴とする請求項1記載の電池。
The battery according to claim 1, wherein the reaction suppression layer includes a metal that does not form an alloy with lithium.
前記反応抑制層は銅(Cu)およびニッケル(Ni)のうちの少なくとも一方を含む
ことを特徴とする請求項2記載の電池。
The battery according to claim 2, wherein the reaction suppression layer includes at least one of copper (Cu) and nickel (Ni).
前記反応抑制層はポリアミドイミド,ポリイミド,フッ素含有樹脂,エポキシ樹脂のうちの少なくとも一種を含む
ことを特徴とする請求項1記載の電池。
The battery according to claim 1, wherein the reaction suppression layer includes at least one of polyamideimide, polyimide, fluorine-containing resin, and epoxy resin.
前記反応抑制層は金属酸化物を含むことを特徴とする請求項1記載の電池。   The battery according to claim 1, wherein the reaction suppression layer includes a metal oxide. 前記正極は、正極集電体のうちの前記外装缶の内面と対向する対向面以外の面の少なくとも一部を覆うように正極活物質層が設けられたものであり、
前記正極集電体の前記対向面は、セパレータによって前記外装缶の内面と隔てられている
ことを特徴とする請求項1記載の電池。
The positive electrode is one in which a positive electrode active material layer is provided so as to cover at least a part of the surface of the positive electrode current collector other than the facing surface facing the inner surface of the outer can
The battery according to claim 1, wherein the facing surface of the positive electrode current collector is separated from an inner surface of the outer can by a separator.
前記電池素子は、前記正極および負極がセパレータを介して積層された積層構造を有する巻回体であり、
前記正極の最外周部分は前記負極の最外周部分と前記外装缶との間に位置し、
前記負極は、負極集電体における最外周面以外の面の少なくとも一部を覆うように負極活物質層が設けられたものであり、
前記正極は、正極集電体における最外周部分の両面以外の面の少なくとも一部を覆うように正極活物質層が設けられたものであり、
前記外装缶の内面と前記正極集電体の最外周面とは、前記セパレータによって隔てられている
ことを特徴とする請求項1記載の電池。
The battery element is a wound body having a laminated structure in which the positive electrode and the negative electrode are laminated via a separator,
The outermost peripheral part of the positive electrode is located between the outermost peripheral part of the negative electrode and the outer can,
The negative electrode is provided with a negative electrode active material layer so as to cover at least a part of a surface other than the outermost peripheral surface of the negative electrode current collector,
The positive electrode is provided with a positive electrode active material layer so as to cover at least a part of a surface other than both surfaces of the outermost peripheral portion of the positive electrode current collector,
The battery according to claim 1, wherein an inner surface of the outer can and an outermost peripheral surface of the positive electrode current collector are separated by the separator.
前記負極は、負極集電体の上に、ケイ素(Si)およびスズ(Sn)のうちの少なくとも一方または金属リチウムを含む負極活物質層が設けられたものである
ことを特徴とする請求項1記載の電池。
The negative electrode is obtained by providing a negative electrode active material layer containing at least one of silicon (Si) and tin (Sn) or metallic lithium on a negative electrode current collector. The battery described.
前記負極集電体と前記負極活物質とは、界面の少なくとも一部において合金化している
ことを特徴とする請求項8記載の電池。
The battery according to claim 8, wherein the negative electrode current collector and the negative electrode active material are alloyed in at least a part of an interface.
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