JP2010262800A - Secondary battery, electrolyte, and dicarbonyl compound - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、2つのカルボニル基を有するジカルボニル化合物、ならびにそれを用いた電解質および二次電池に関する。 The present invention relates to a dicarbonyl compound having two carbonyl groups, and an electrolyte and a secondary battery using the same.
近年、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、携帯電話あるいはノートパソコンなどのポータブル電子機器が広く普及しており、その小型化、軽量化および長寿命化が強く求められている。これに伴い、電源として、電池、特に小型かつ軽量で高エネルギー密度を得ることが可能な二次電池の開発が進められている。 In recent years, portable electronic devices such as a video camera, a digital still camera, a mobile phone, and a laptop computer have been widely used, and there is a strong demand for miniaturization, weight reduction, and long life. Accordingly, as a power source, development of a battery, in particular, a secondary battery that is small and lightweight and capable of obtaining a high energy density is in progress.
中でも、充放電反応としてリチウムイオンの吸蔵および放出を利用するリチウムイオン二次電池やリチウム金属の析出および溶解を利用するリチウム金属二次電池は、大いに期待されている。鉛電池やニッケルカドミウム電池よりも高いエネルギー密度が得られるからである。 Among these, lithium ion secondary batteries that use the insertion and release of lithium ions as charge / discharge reactions and lithium metal secondary batteries that use precipitation and dissolution of lithium metal are highly expected. This is because an energy density higher than that of a lead battery or a nickel cadmium battery can be obtained.
二次電池は、正極および負極と共に、電解質を備えている。正極は、正極集電体上に正極活物質層を有しており、負極は、負極集電体上に負極活物質層を有している。電解質は、溶媒に電解質塩などが溶解されたものである。 The secondary battery includes an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode. The positive electrode has a positive electrode active material layer on the positive electrode current collector, and the negative electrode has a negative electrode active material layer on the negative electrode current collector. The electrolyte is obtained by dissolving an electrolyte salt or the like in a solvent.
充放電反応の媒介として機能する電解質の溶媒については、二次電池の性能に大きな影響を及ぼすことから、さまざまな検討がなされている。具体的には、サイクル特性および保存特性などを向上させるために、シュウ酸フロリドなどのカルボン酸ハロゲン化物が用いられている(例えば、特許文献1参照。)。重負荷放電条件下におけるサイクル特性などを向上させるために、シュウ酸ジメチルなどのカルボン酸エステルが用いられている(例えば、特許文献2〜9参照。)。難燃性、不燃性および自己消化性などの機能を得るために、1あるいは2以上のカルボニル基を有する化合物が用いられている(例えば、特許文献10,11参照。)。 Various studies have been made on the solvent of the electrolyte that functions as a medium for the charge / discharge reaction because it greatly affects the performance of the secondary battery. Specifically, carboxylic acid halides such as oxalic acid fluoride are used in order to improve cycle characteristics and storage characteristics (see, for example, Patent Document 1). In order to improve cycle characteristics under heavy load discharge conditions, carboxylic acid esters such as dimethyl oxalate are used (see, for example, Patent Documents 2 to 9). In order to obtain functions such as flame retardancy, incombustibility, and self-digestibility, compounds having one or more carbonyl groups are used (see, for example, Patent Documents 10 and 11).
近年、ポータブル電子機器は益々高性能化および多機能化しており、その消費電力は増大する傾向にあるため、二次電池の充放電は頻繁に繰り返され、そのサイクル特性および保存特性は低下しやすい状況にある。このため、二次電池のサイクル特性および保存特性について、より一層の向上が望まれている。この場合には、優れたサイクル特性および保存特性を実現するために、初回充放電特性を向上させることも重要である。 In recent years, portable electronic devices have become more sophisticated and multifunctional, and their power consumption tends to increase. Therefore, charging and discharging of secondary batteries are frequently repeated, and their cycle characteristics and storage characteristics are likely to deteriorate. Is in the situation. For this reason, further improvement is desired for the cycle characteristics and storage characteristics of the secondary battery. In this case, it is also important to improve the initial charge / discharge characteristics in order to realize excellent cycle characteristics and storage 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、サイクル特性、保存特性および初回充放電特性を向上させることが可能なジカルボニル化合物ならびにそれを用いた電解質および二次電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a dicarbonyl compound capable of improving cycle characteristics, storage characteristics, and initial charge / discharge characteristics, and an electrolyte and a secondary battery using the same. There is to do.
本発明のジカルボニル化合物は、式(1)で表されるものである。また、本発明の電解質は、溶媒および電解質塩を含み、その溶媒が上記したジカルボニル化合物を含むものである。さらに、本発明の二次電池は、正極および負極と溶媒および電解質塩を含む電解質とを備え、その溶媒が上記したジカルボニル化合物を含むものである。 The dicarbonyl compound of the present invention is represented by the formula (1). The electrolyte of the present invention contains a solvent and an electrolyte salt, and the solvent contains the above-described dicarbonyl compound. Furthermore, the secondary battery of the present invention includes a positive electrode and a negative electrode, an electrolyte containing a solvent and an electrolyte salt, and the solvent contains the dicarbonyl compound described above.
本発明のジカルボニル化合物によれば、式(1)に示した構造を有しているので、溶媒として電解質に用いられた場合に、その電解質の化学的安定性が向上する。よって、本発明のジカルボニル化合物を用いた電解質あるいは二次電池によれば、電極反応時において電解質の分解反応が抑制されるため、サイクル特性、保存特性および初回充放電特性を向上させることができる。 According to the dicarbonyl compound of the present invention, since it has the structure shown in the formula (1), the chemical stability of the electrolyte is improved when it is used as an electrolyte in the electrolyte. Therefore, according to the electrolyte or secondary battery using the dicarbonyl compound of the present invention, since the decomposition reaction of the electrolyte is suppressed during the electrode reaction, cycle characteristics, storage characteristics, and initial charge / discharge characteristics can be improved. .
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、説明する順序は、下記の通りである。
1.ジカルボニル化合物
2.ジカルボニル化合物を用いた電解質および電気化学デバイス(二次電池)
2−1.第1の二次電池(リチウムイオン二次電池:円筒型)
2−2.第2の二次電池(リチウム金属二次電池:円筒型)
2−3.第3の二次電池(リチウムイオン二次電池:ラミネートフィルム型)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The order of explanation is as follows.
1. 1. Dicarbonyl compound Electrolytes and electrochemical devices using dicarbonyl compounds (secondary batteries)
2-1. First secondary battery (lithium ion secondary battery: cylindrical type)
2-2. Second secondary battery (lithium metal secondary battery: cylindrical type)
2-3. Third secondary battery (lithium ion secondary battery: Laminate film type)
<1.ジカルボニル化合物>
本発明の一実施の形態に係るジカルボニル化合物は、例えば電気化学デバイスの電解質などに溶媒として用いられるものであり、式(1)で表される構造を有している。このジカルボニル化合物は、中央に互いに連結された2つのカルボニル基(−C(=O)−)を有すると共に両末端の少なくとも一方にハロゲン化アルコキシ基、ハロゲン化アリールオキシ基あるいはイソシアナト基を有する鎖状の化合物である。溶媒として用いられるジカルボニル化合物の種類は、1種類でもよいし、2種類以上でもよい。
<1. Dicarbonyl Compound>
The dicarbonyl compound according to one embodiment of the present invention is used as a solvent for an electrolyte of an electrochemical device, for example, and has a structure represented by the formula (1). This dicarbonyl compound has two carbonyl groups (—C (═O) —) linked to each other at the center and a chain having a halogenated alkoxy group, a halogenated aryloxy group or an isocyanato group at at least one of both ends. It is a compound of the shape. The type of dicarbonyl compound used as the solvent may be one type or two or more types.
ジカルボニル化合物が式(1)に示した構造を有しているのは、その構造を有していない場合と比較して、電解質などの化学的安定性を向上させることができるからである。これにより、ジカルボニル化合物が電気化学デバイスとして二次電池の電解質に用いられた場合には、サイクル特性、保存特性および初回充放電特性を向上させることができる。 The reason why the dicarbonyl compound has the structure shown in Formula (1) is that the chemical stability of the electrolyte and the like can be improved as compared with the case where the dicarbonyl compound does not have the structure. Thereby, when a dicarbonyl compound is used for the electrolyte of a secondary battery as an electrochemical device, cycle characteristics, storage characteristics, and initial charge / discharge characteristics can be improved.
詳細には、中央に2つのカルボニル基を有していると、両末端における基の種類に依存せずに、サイクル特性および保存特性を向上させることができる。この場合には、さらに、両末端の少なくとも一方にハロゲン化アルコキシ基、ハロゲン化アリールオキシ基あるいはイソシアナト基を有していると、それらの基を有していない場合と比較して、初回充放電特性も向上させることができる。なお、両末端の少なくとも一方にハロゲン化アルコキシ基等を有していない場合とは、例えば、両末端がいずれもアルコキシ基あるいはハロゲン基などである場合である。 Specifically, when two carbonyl groups are provided at the center, cycle characteristics and storage characteristics can be improved without depending on the types of groups at both ends. In this case, if at least one of both ends has a halogenated alkoxy group, a halogenated aryloxy group or an isocyanato group, the initial charge / discharge is compared to the case where these groups are not present. Characteristics can also be improved. The case where there is no halogenated alkoxy group or the like at at least one of both ends is, for example, a case where both ends are an alkoxy group or a halogen group.
R1およびR2は、同じ基でもよいし、異なる基でもよい。この場合には、異なる種類の基でもよいし、同じ種類の基でありながら異なる基でもよい。異なる種類の基である場合とは、例えば、R1がハロゲン化アルコキシ基、R2がアルコキシ基の場合などである。一方、同じ種類の基でありながら異なる基である場合とは、R1およびR2がいずれもハロゲン化アルコキシ基であるが、R1がフッ素化アルコキシ基、R2が塩素化アルコキシ基の場合などである。 R1 and R2 may be the same group or different groups. In this case, different types of groups may be used, or different groups may be used although they are the same type of group. The case of different types of groups is, for example, the case where R1 is a halogenated alkoxy group and R2 is an alkoxy group. On the other hand, the case where they are the same kind of group but different groups includes the case where R1 and R2 are both halogenated alkoxy groups, but R1 is a fluorinated alkoxy group and R2 is a chlorinated alkoxy group.
アルコキシ基の炭素数は、特に限定されないが、できるだけ少ないことが好ましく、4以下であることがより好ましい。ジカルボニル化合物の溶解性および相溶性が向上するからである。 The number of carbon atoms of the alkoxy group is not particularly limited, but is preferably as small as possible, and more preferably 4 or less. This is because the solubility and compatibility of the dicarbonyl compound are improved.
ハロゲン化アルコキシ基とは、アルコキシ基のうちの少なくとも一部の水素がハロゲンにより置換された基であり、ハロゲン化アリールオキシ基とは、アリールオキシ基のうちの少なくとも一部の水素がハロゲンにより置換された基である。このハロゲン化アルコキシ基の炭素数は、上記したアルコキシ基の炭素数と同様の理由により、できるだけ少ないことが好ましく、4以下であることがより好ましい。また、ハロゲン化アルコキシ基あるいはハロゲン化アリールオキシ基におけるハロゲンの種類は、特に限定されないが、中でも、フッ素であることが好ましい。塩素などである場合と比較して、電解質などの化学的安定性をより向上させることができるからである。 A halogenated alkoxy group is a group in which at least a part of hydrogen in an alkoxy group is substituted by halogen. A halogenated aryloxy group is a group in which at least a part of hydrogen in an aryloxy group is substituted by halogen. Group. The number of carbon atoms of the halogenated alkoxy group is preferably as small as possible, and more preferably 4 or less, for the same reason as the carbon number of the alkoxy group described above. The type of halogen in the halogenated alkoxy group or halogenated aryloxy group is not particularly limited, but among these, fluorine is preferable. This is because the chemical stability of the electrolyte or the like can be further improved as compared with the case of chlorine or the like.
ハロゲン基の種類は、特に限定されないが、上記したハロゲン化アルコキシ基あるいはハロゲン化アリールオキシ基におけるハロゲンの種類と同様の理由により、フッ素であることが好ましい。 The kind of the halogen group is not particularly limited, but fluorine is preferable for the same reason as the kind of halogen in the halogenated alkoxy group or the halogenated aryloxy group described above.
ジカルボニル化合物の具体例としては、式(1−1)〜式(1−36)で表されるものが挙げられる。電解質などの化学的安定性を十分に向上させることができるからである。中でも、式(1−1)、式(1−15)、式(1−16)、式(1−23)あるいは式(1−28)に示したものが好ましい。容易に入手できると共に、多種の非水溶媒などと安定して混合できるからである。 Specific examples of the dicarbonyl compound include those represented by formula (1-1) to formula (1-36). This is because the chemical stability of the electrolyte and the like can be sufficiently improved. Among these, the compounds shown in Formula (1-1), Formula (1-15), Formula (1-16), Formula (1-23) or Formula (1-28) are preferable. This is because it can be easily obtained and can be stably mixed with various non-aqueous solvents.
もちろん、ジカルボニル化合物の具体例は、式(1)に示した構造を有していれば、式(1−1)〜式(1−36)に示したものに限られない。 Of course, the specific examples of the dicarbonyl compound are not limited to those shown in the formula (1-1) to the formula (1-36) as long as they have the structure shown in the formula (1).
このジカルボニル化合物によれば、式(1)に示した構造を有しているので、その構造を有していない場合と比較して、電気化学デバイスの電解質などに用いられた場合に、その電解質の化学的安定性が向上する。式(1)に示した構造を有していない場合とは、例えば、式(13)あるいは式(14)で表される構造を有している場合などである。よって、電極反応時における電解質の分解反応が抑制されるため、電気化学デバイスの性能向上に寄与することができる。より具体的には、ジカルボニル化合物が二次電池の電解質に用いられた場合には、サイクル特性、保存特性および初回充放電特性を向上させることができる。 According to this dicarbonyl compound, since it has the structure shown in Formula (1), compared with the case where it does not have the structure, when used in an electrolyte of an electrochemical device, the The chemical stability of the electrolyte is improved. The case where it does not have the structure shown in Formula (1) is, for example, the case where it has a structure represented by Formula (13) or Formula (14). Therefore, since the decomposition reaction of the electrolyte during the electrode reaction is suppressed, it can contribute to the performance improvement of the electrochemical device. More specifically, when a dicarbonyl compound is used for the electrolyte of the secondary battery, cycle characteristics, storage characteristics, and initial charge / discharge characteristics can be improved.
<2.ジカルボニル化合物を用いた電解質および電気化学デバイス(二次電池)>
次に、上記したジカルボニル化合物の使用例について説明する。ここで、電気化学デバイスの一例として二次電池を挙げると、上記したジカルボニル化合物は、以下のようにして二次電池の電解質に用いられる。
<2. Electrolytes and electrochemical devices using dicarbonyl compounds (secondary batteries)>
Next, usage examples of the above-mentioned dicarbonyl compound will be described. Here, when a secondary battery is given as an example of an electrochemical device, the above-described dicarbonyl compound is used for an electrolyte of a secondary battery as follows.
<2−1.第1の二次電池>
図1および図2は第1の二次電池の断面構成を表しており、図2では図1に示した巻回電極体20の一部を拡大している。ここで説明する二次電池は、例えば、負極の容量が電極反応物質であるリチウムイオンの吸蔵および放出により表されるリチウムイオン二次電池である。
<2-1. First secondary battery>
1 and 2 show a cross-sectional configuration of the first secondary battery. In FIG. 2, a part of the
[二次電池の全体構成]
この二次電池は、主に、ほぼ中空円柱状の電池缶11の内部に、巻回電極体20および一対の絶縁板12,13が収納されたものである。このような電池缶11を用いた電池構造は、円筒型と呼ばれている。
[Overall structure of secondary battery]
In the secondary battery, a
電池缶11は、例えば、一端部が閉鎖されると共に他端部が開放された中空構造を有していると共に、鉄(Fe)、アルミニウム(Al)あるいはそれらの合金などにより構成されている。なお、電池缶11が鉄により構成される場合には、例えば、電池缶の11の表面にニッケル(Ni)などの鍍金処理が施されていてもよい。一対の絶縁板12,13は、巻回電極体20を上下から挟み、その巻回周面に対して垂直に延在するように配置されている。
The battery can 11 has, for example, a hollow structure in which one end is closed and the other end is opened, and is made of iron (Fe), aluminum (Al), or an alloy thereof. In the case where the battery can 11 is made of iron, for example, the surface of the battery can 11 may be plated with nickel (Ni) or the like. The pair of insulating plates 12 and 13 are arranged so as to sandwich the
電池缶11の開放端部には、電池蓋14、安全弁機構15および熱感抵抗素子(Positive Temperature Coefficient:PTC素子)16がガスケット17を介してかしめられている。これにより、電池缶11の内部は密閉されている。電池蓋14は、例えば、電池缶11と同様の材料により構成されている。安全弁機構15および熱感抵抗素子16は、電池蓋14の内側に設けられている。安全弁機構15は、熱感抵抗素子16を介して電池蓋14と電気的に接続されている。この安全弁機構15では、内部短絡、あるいは外部からの加熱などに起因して内圧が一定以上となった場合に、ディスク板15Aが反転して電池蓋14と巻回電極体20との間の電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子16は、温度の上昇に応じて抵抗が増大する(電流を制限する)ことにより、大電流に起因する異常な発熱を防止するものである。ガスケット17は、例えば、絶縁材料により構成されており、その表面には、例えば、アスファルトが塗布されている。
A
巻回電極体20は、セパレータ23を介して正極21と負極22とが積層および巻回されたものである。この巻回電極体20の中心には、例えば、センターピン24が挿入されていてもよい。巻回電極体20では、アルミニウムなどにより構成された正極リード25が正極21に接続されていると共に、ニッケルなどにより構成された負極リード26が負極22に接続されている。正極リード25は、安全弁機構15に溶接などされて電池蓋14と電気的に接続されており、負極リード26は、電池缶11に溶接などされて電気的に接続されている。
The
[正極]
正極21は、例えば、正極集電体21Aの両面に正極活物質層21Bが設けられたものである。ただし、正極活物質層21Bは、正極集電体21Aの片面だけに設けられていてもよい。
[Positive electrode]
The
正極集電体21Aは、例えば、アルミニウム、ニッケルあるいはステンレスなどにより構成されている。
The positive electrode
正極活物質層21Bは、正極活物質として、リチウムイオンを吸蔵および放出することが可能な正極材料のいずれか1種あるいは2種以上を含んでおり、必要に応じて、正極結着剤あるいは正極導電剤などの他の材料を含んでいてもよい。 The positive electrode active material layer 21B includes one or more positive electrode materials capable of inserting and extracting lithium ions as a positive electrode active material, and a positive electrode binder or a positive electrode as necessary. Other materials such as a conductive agent may be included.
正極材料としては、リチウム含有化合物が好ましい。高いエネルギー密度が得られるからである。このリチウム含有化合物としては、例えば、リチウム(Li)と遷移金属元素とを構成元素として含む複合酸化物や、リチウムと遷移金属元素とを構成元素として含むリン酸化合物などが挙げられる。中でも、遷移金属元素としてコバルト(Co)、ニッケル、マンガン(Mn)および鉄のうちの少なくとも1種を含むものが好ましい。より高い電圧が得られるからである。その化学式は、例えば、Lix M1O2 あるいはLiy M2PO4 で表される。式中、M1およびM2は、1種類以上の遷移金属元素を表す。また、xおよびyの値は、充放電状態に応じて異なり、通常、0.05≦x≦1.10、0.05≦y≦1.10である。 As the positive electrode material, a lithium-containing compound is preferable. This is because a high energy density can be obtained. Examples of the lithium-containing compound include a composite oxide containing lithium (Li) and a transition metal element as constituent elements, and a phosphate compound containing lithium and a transition metal element as constituent elements. Especially, what contains at least 1 sort (s) of cobalt (Co), nickel, manganese (Mn), and iron as a transition metal element is preferable. This is because a higher voltage can be obtained. The chemical formula is represented by, for example, Li x M1O 2 or Li y M2PO 4 . In the formula, M1 and M2 represent one or more transition metal elements. Moreover, the values of x and y vary depending on the charge / discharge state, and are generally 0.05 ≦ x ≦ 1.10 and 0.05 ≦ y ≦ 1.10.
リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物としては、例えば、リチウムコバルト複合酸化物(Lix CoO2 )、リチウムニッケル複合酸化物(Lix NiO2 )、あるいは式(15)で表されるリチウムニッケル系複合酸化物などが挙げられる。また、リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物としては、例えば、リチウム鉄リン酸化合物(LiFePO4 )あるいはリチウム鉄マンガンリン酸化合物(LiFe1-u Mnu PO4 (u<1))などが挙げられる。高い電池容量が得られると共に、優れたサイクル特性も得られるからである。 Examples of the composite oxide containing lithium and a transition metal element include lithium cobalt composite oxide (Li x CoO 2 ), lithium nickel composite oxide (Li x NiO 2 ), or lithium represented by formula (15). Examples include nickel-based composite oxides. Examples of the phosphate compound containing lithium and a transition metal element include a lithium iron phosphate compound (LiFePO 4 ) or a lithium iron manganese phosphate compound (LiFe 1-u Mn u PO 4 (u <1)). Is mentioned. This is because high battery capacity is obtained and excellent cycle characteristics are also obtained.
LiNi1-x Mx O2 …(15)
(Mはコバルト、マンガン、鉄、アルミニウム、バナジウム(V)、スズ、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、ストロンチウム(Sr)、カルシウム(Ca)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、テクネチウム(Tc)、ルテニウム(Ru)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、イッテルビウム(Y)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、バリウム(Ba)、ホウ素(B)、クロム(Cr)、ケイ素、ガリウム(Ga)、リン(P)、アンチモン(Sb)およびニオブ(Nb)のうちの少なくとも1種である。xは0.005<x<0.5である。)
LiNi 1-x M x O 2 ... (15)
(M is cobalt, manganese, iron, aluminum, vanadium (V), tin, magnesium (Mg), titanium (Ti), strontium (Sr), calcium (Ca), zirconium (Zr), molybdenum (Mo), technetium ( Tc), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), tungsten (W), rhenium (Re), ytterbium (Y), copper (Cu), zinc (Zn), barium (Ba), boron (B), chromium ( Cr), silicon, gallium (Ga), phosphorus (P), antimony (Sb), and niobium (Nb), where x is 0.005 <x <0.5.
この他、正極材料としては、例えば、酸化物、二硫化物、カルコゲン化物あるいは導電性高分子などが挙げられる。酸化物は、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である。二硫化物は、例えば、二硫化チタンあるいは硫化モリブデンなどである。カルコゲン化物は、例えば、セレン化ニオブなどである。導電性高分子は、例えば、硫黄、ポリアニリンあるいはポリチオフェンなどである。 In addition, examples of the positive electrode material include oxides, disulfides, chalcogenides, and conductive polymers. Examples of the oxide include titanium oxide, vanadium oxide, and manganese dioxide. Examples of the disulfide include titanium disulfide and molybdenum sulfide. An example of the chalcogenide is niobium selenide. Examples of the conductive polymer include sulfur, polyaniline, and polythiophene.
もちろん、正極材料は、上記以外のものでもよい。また、上記した一連の正極材料は、任意の組み合わせで2種以上混合されてもよい。 Of course, the positive electrode material may be other than the above. Further, two or more kinds of the series of positive electrode materials described above may be mixed in any combination.
正極結着剤としては、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。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。 Examples of the positive electrode binder include synthetic rubbers such as styrene butadiene rubber, fluorine rubber, and ethylene propylene diene, and polymer materials such as polyvinylidene fluoride. These may be single and multiple types may be mixed.
正極導電剤としては、例えば、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラックあるいはケチェンブラックなどの炭素材料が挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。なお、正極導電剤は、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もよい。 Examples of the positive electrode conductive agent include carbon materials such as graphite, carbon black, acetylene black, and ketjen black. These may be single and multiple types may be mixed. The positive electrode conductive agent may be a metal material or a conductive polymer as long as it is a conductive material.
[負極]
負極22は、例えば、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。ただし、負極活物質層22Bは、負極集電体22Aの片面だけに設けられていてもよい。
[Negative electrode]
In the
負極集電体22Aは、例えば、銅、ニッケルあるいはステンレスなどにより構成されている。この負極集電体22Aの表面は、粗面化されていることが好ましい。いわゆるアンカー効果により、負極集電体22Aに対する負極活物質層22Bの密着性が向上するからである。この場合には、少なくとも負極活物質層22Bと対向する領域において、負極集電体22Aの表面が粗面化されていればよい。粗面化の方法としては、例えば、電解処理により微粒子を形成する方法などが挙げられる。この電解処理とは、電解槽中において電解法により負極集電体22Aの表面に微粒子を形成して凹凸を設ける方法である。電解法により作製された銅箔は、一般に「電解銅箔」と呼ばれている。
The negative electrode
負極活物質層22Bは、負極活物質として、リチウムイオン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、負極結着剤あるいは負極導電剤などの他の材料を含んでいてもよい。なお、負極結着剤および負極導電剤に関する詳細は、例えば、それぞれ正極結着剤および正極導電剤と同様である。この負極活物質層22Bでは、例えば、充放電時においてリチウム金属が意図せずに析出することを防止するために、負極材料の充電可能な容量が正極21の放電容量よりも大きくなっていることが好ましい。
The negative electrode
負極材料としては、例えば、炭素材料が挙げられる。リチウムイオンの吸蔵および放出時における結晶構造の変化が非常に少ないため、高いエネルギー密度および優れたサイクル特性が得られると共に、負極導電剤としても機能するからである。この炭素材料は、例えば、易黒鉛化性炭素や、(002)面の面間隔が0.37nm以上の難黒鉛化性炭素や、(002)面の面間隔が0.34nm以下の黒鉛などである。より具体的には、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素繊維、有機高分子化合物焼成体、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含まれる。有機高分子化合物焼成体とは、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て炭素化したものをいう。なお、炭素材料の形状は、繊維状、球状、粒状あるいは鱗片状のいずれでもよい。 Examples of the negative electrode material include a carbon material. This is because the crystal structure changes very little during insertion and extraction of lithium ions, so that a high energy density and excellent cycle characteristics can be obtained, and it also functions as a negative electrode conductive agent. Examples of the carbon material include graphitizable carbon, non-graphitizable carbon having a (002) plane spacing of 0.37 nm or more, and graphite having a (002) plane spacing of 0.34 nm or less. is there. More specifically, there are pyrolytic carbons, cokes, glassy carbon fibers, organic polymer compound fired bodies, activated carbon or carbon blacks. Of these, the cokes include pitch coke, needle coke, petroleum coke, and the like. The organic polymer compound fired body is obtained by firing and carbonizing a phenol resin, a furan resin, or the like at an appropriate temperature. The shape of the carbon material may be any of fibrous, spherical, granular or scale-like.
また、負極材料としては、例えば、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含む材料(金属系材料)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。この金属系材料は、金属元素あるいは半金属元素の単体、合金あるいは化合物でもよいし、それらの2種以上でもよいし、それらの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種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とを含むものも含まれる。また、「合金」は、非金属元素を含んでいてもよい。その組織には、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。 Moreover, as a negative electrode material, the material (metallic material) which contains at least 1 sort (s) of a metallic element and a semimetallic element as a structural element is mentioned, for example. This is because a high energy density can be obtained. This metallic material may be a single element, alloy or compound of a metal element or metalloid element, or may be two or more of them, or may have at least a part of one or more of those phases. . 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. Further, the “alloy” may contain a nonmetallic element. The structure includes a solid solution, a eutectic (eutectic mixture), an intermetallic compound, or those in which two or more of them coexist.
上記した金属元素あるいは半金属元素は、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あるいは半金属元素であり、具体的には、以下の元素のうちの少なくとも1種である。マグネシウム、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム(In)、ケイ素、ゲルマニウム(Ge)、スズあるいは鉛(Pb)である。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、イットリウム、パラジウム(Pd)あるいは白金(Pt)である。中でも、ケイ素およびスズのうちの少なくとも一方が好ましい。リチウムイオンを吸蔵および放出する能力が優れているため、高いエネルギー密度が得られるからである。 The metal element or metalloid element described above is, for example, a metal element or metalloid element capable of forming an alloy with lithium, and specifically, is at least one of the following elements. Magnesium, boron, aluminum, gallium, indium (In), silicon, germanium (Ge), tin, or lead (Pb). Bismuth (Bi), cadmium (Cd), silver (Ag), zinc, hafnium (Hf), zirconium, yttrium, palladium (Pd) or platinum (Pt). Among these, at least one of silicon and tin is preferable. This is because a high energy density can be obtained because of its excellent ability to occlude and release lithium ions.
ケイ素およびスズのうちの少なくとも一方を含む材料は、例えば、ケイ素あるいはスズの単体、合金あるいは化合物でもよいし、それらの2種以上でもよいし、それらの1種あるいは2種以上の相を少なくとも一部に有するものでもよい。 The material containing at least one of silicon and tin may be, for example, a simple substance, an alloy or a compound of silicon or tin, or two or more of them, or at least one of those phases or two or more phases. You may have in a part.
ケイ素の合金としては、例えば、ケイ素以外の構成元素として、以下の元素のうちの少なくとも1種を含むものなどが挙げられる。スズ、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、アンチモンあるいはクロムである。ケイ素の化合物としては、例えば、ケイ素以外の構成元素として、酸素あるいは炭素を含むものが挙げられる。なお、ケイ素の化合物は、例えば、ケイ素以外の構成元素として、ケイ素の合金について説明した元素のいずれか1種あるいは2種以上を含んでいてもよい。 Examples of silicon alloys include those containing at least one of the following elements as constituent elements other than silicon. Tin, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, antimony or chromium. Examples of silicon compounds include those containing oxygen or carbon as constituent elements other than silicon. The silicon compound may contain, for example, any one or more of the elements described for the silicon alloy as a constituent element other than silicon.
ケイ素の合金あるいは化合物の一例としては、以下のものなどが挙げられる。SiB4 、SiB6 、Mg2 Si、Ni2 Si、TiSi2 、MoSi2 、CoSi2 、NiSi2 、CaSi2 、CrSi2 、Cu5 SiあるいはFeSi2 である。MnSi2 、NbSi2 、TaSi2 、VSi2 、WSi2 、ZnSi2 、SiC、Si3 N4 、Si2 N2 O、SiOv (0<v≦2)、SnOw (0<w≦2)あるいはLiSiOである。 Examples of silicon alloys or compounds include the following. SiB 4 , SiB 6 , Mg 2 Si, Ni 2 Si, TiSi 2 , MoSi 2 , CoSi 2 , NiSi 2 , CaSi 2 , CrSi 2 , Cu 5 Si or FeSi 2 . MnSi 2 , NbSi 2 , TaSi 2 , VSi 2 , WSi 2 , ZnSi 2 , SiC, Si 3 N 4 , Si 2 N 2 O, SiO v (0 <v ≦ 2), SnO w (0 <w ≦ 2) Alternatively, LiSiO.
スズの合金としては、例えば、スズ以外の構成元素として、以下の元素のうちの少なくとも1種を含むものなどが挙げられる。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、アンチモンあるいはクロムである。スズの化合物としては、例えば、酸素あるいは炭素を含むものなどが挙げられる。なお、スズの化合物は、例えば、スズ以外の構成元素として、スズの合金について説明した元素のいずれか1種あるいは2種以上を含んでいてもよい。スズの合金あるいは化合物の一例としては、SnSiO3 、LiSnOあるいはMg2 Snなどが挙げられる。 Examples of the tin alloy include those containing at least one of the following elements as constituent elements other than tin. Silicon, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, antimony or chromium. Examples of tin compounds include those containing oxygen or carbon. In addition, the compound of tin may contain any 1 type (s) or 2 or more types of the element demonstrated about the alloy of tin as structural elements other than tin, for example. Examples of tin alloys or compounds include SnSiO 3 , LiSnO, Mg 2 Sn, and the like.
特に、ケイ素を含む材料(ケイ素含有材料)としては、例えば、ケイ素の単体が好ましい。高い電池容量および優れたサイクル特性などが得られるからである。なお、「単体」とは、あくまで一般的な意味合いでの単体(微量の不純物を含んでいてもよい)であり、必ずしも純度100%を意味しているわけではない。 In particular, as a material containing silicon (silicon-containing material), for example, a simple substance of silicon is preferable. This is because a high battery capacity and excellent cycle characteristics can be obtained. Note that “single substance” is a simple substance (which may contain a small amount of impurities) in a general sense, and does not necessarily mean 100% purity.
また、スズを含む材料(スズ含有材料)としては、例えば、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、例えば、以下の元素のうちの少なくとも1種である。コバルト、鉄、マグネシウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウムあるいはジルコニウムである。ニオブ、モリブデン、銀、インジウム、セリウム(Ce)、ハフニウム、タンタル、タングステン、ビスマスあるいはケイ素である。第3の構成元素は、例えば、ホウ素、炭素、アルミニウムおよびリンのうちの少なくとも1種である。第2および第3の構成元素を有することにより、高い電池容量および優れたサイクル特性などが得られるからである。 Moreover, as a material containing tin (tin-containing material), for example, a material containing tin as the first constituent element and further containing the second and third constituent elements is preferable. The second constituent element is, for example, at least one of the following elements. Cobalt, iron, magnesium, titanium, vanadium, chromium, manganese, nickel, copper, zinc, gallium or zirconium. Niobium, molybdenum, silver, indium, cerium (Ce), hafnium, tantalum, tungsten, bismuth or silicon. The third constituent element is, for example, at least one of boron, carbon, aluminum, and phosphorus. This is because by having the second and third constituent elements, a high battery capacity and excellent cycle characteristics can be obtained.
中でも、スズ、コバルトおよび炭素を含む材料(SnCoC含有材料)が好ましい。このSnCoC含有材料の組成としては、例えば、炭素の含有量が9.9質量%以上29.7質量%以下、スズおよびコバルトの含有量の割合(Co/(Sn+Co))が20質量%以上70質量%以下である。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からである。 Among these, a material containing Sn, cobalt, and carbon (SnCoC-containing material) is preferable. As the composition of this SnCoC-containing material, for example, the carbon content is 9.9 mass% to 29.7 mass%, and the content ratio of tin and cobalt (Co / (Sn + Co)) is 20 mass% to 70 mass%. It is below mass%. This is because a high energy density can be obtained in such a composition range.
このSnCoC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、その相は、低結晶性あるいは非晶質であることが好ましい。この相は、リチウムと反応可能な反応相であり、その反応相の存在により優れた特性が得られるようになっている。この相のX線回折により得られる回折ピークの半値幅は、特定X線としてCuKα線を用いると共に、挿引速度を1°/minとした場合において、回折角2θで1.0°以上であることが好ましい。リチウムイオンがより円滑に吸蔵および放出されると共に、電解質などとの反応性が低減するからである。なお、SnCoC含有材料は、低結晶性あるいは非晶質の相に加えて、各構成元素の単体あるいは一部を含む相を含んでいる場合もある。 This SnCoC-containing material has a phase containing tin, cobalt and carbon, and the phase is preferably low crystalline or amorphous. This phase is a reaction phase capable of reacting with lithium, and excellent characteristics can be obtained by the presence of the reaction phase. The half width of the diffraction peak obtained by X-ray diffraction of this phase is 1.0 ° or more at a diffraction angle 2θ when CuKα ray is used as the specific X-ray and the drawing speed is 1 ° / min. It is preferable. This is because lithium ions are occluded and released more smoothly, and the reactivity with the electrolyte and the like is reduced. Note that the SnCoC-containing material may contain a phase containing a simple substance or a part of each constituent element in addition to the low crystalline or amorphous phase.
X線回折により得られた回折ピークがリチウムと反応可能な反応相に対応するものであるか否かは、リチウムとの電気化学的反応の前後におけるX線回折チャートを比較すれば、容易に判断することができる。例えば、リチウムとの電気化学的反応の前後において回折ピークの位置が変化すれば、リチウムと反応可能な反応相に対応するものである。この場合には、例えば、低結晶性あるいは非晶質の反応相の回折ピークが2θ=20°〜50°の間に見られる。このような反応相は、上記した構成元素を含んでおり、主に、炭素の存在に起因して低結晶化あるいは非晶質化しているものと考えられる。 Whether the diffraction peak obtained by X-ray diffraction corresponds to the reaction phase capable of reacting with lithium can be easily determined by comparing X-ray diffraction charts before and after the electrochemical reaction with lithium. can do. For example, if the position of the diffraction peak changes before and after the electrochemical reaction with lithium, it corresponds to a reaction phase capable of reacting with lithium. In this case, for example, a diffraction peak of a low crystalline or amorphous reaction phase is observed between 2θ = 20 ° and 50 °. Such a reaction phase contains the above-described constituent elements, and is considered to be low crystallized or amorphous mainly due to the presence of carbon.
SnCoC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。スズなどの凝集あるいは結晶化が抑制されるからである。元素の結合状態については、例えば、X線光電子分光法(X-ray Photoelectron Spectroscopy;XPS)により確認できる。市販の装置では、例えば、軟X線としてAl−Kα線あるいはMg−Kα線などが用いられる。炭素の少なくとも一部が金属元素あるいは半金属元素などと結合している場合には、炭素の1s軌道(C1s)の合成波のピークは284.5eVよりも低い領域に現れる。なお、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ているものとする。この際、通常、物質表面には表面汚染炭素が存在しているため、表面汚染炭素のC1sのピークを284.8eVとし、それをエネルギー基準とする。XPS測定では、C1sのピークの波形が表面汚染炭素のピークとSnCoC含有材料中の炭素のピークとを含んだ形で得られるため、例えば、市販のソフトウエアを用いて解析し、両者のピークを分離する。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 the SnCoC-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. This is because aggregation or crystallization of tin or the like is suppressed. The bonding state of elements can be confirmed by, for example, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). In a commercially available apparatus, for example, Al—Kα ray or Mg—Kα ray is used as the soft X-ray. When at least a part of carbon is bonded to a metal element or a metalloid element, the peak of the synthetic wave of carbon 1s orbital (C1s) appears in a region lower than 284.5 eV. It is assumed that the energy calibration is performed so that the peak of 4f orbit (Au4f) of gold atom is obtained at 84.0 eV. At this time, since the surface contamination carbon usually exists on the surface of the substance, the C1s peak of the surface contamination carbon is set to 284.8 eV, which is used as the energy standard. In the XPS measurement, the waveform of the C1s peak is obtained in a form including the surface contamination carbon peak and the carbon peak in the SnCoC-containing material. For example, the analysis is performed using commercially available software. To separate. 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).
なお、SnCoC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。このような他の構成元素としては、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、ガリウムおよびビスマスのうちの少なくとも1種が挙げられる。 Note that the SnCoC-containing material may further contain other constituent elements as necessary. Examples of such other constituent elements include at least one of silicon, iron, nickel, chromium, indium, niobium, germanium, titanium, molybdenum, aluminum, phosphorus, gallium, and bismuth.
このSnCoC含有材料の他、スズ、コバルト、鉄および炭素を含む材料(SnCoFeC含有材料)も好ましい。このSnCoFeC含有材料の組成は、任意に設定可能である。例えば、鉄の含有量を少なめに設定する場合の組成は、以下の通りである。炭素の含有量は9.9質量%以上29.7質量%以下、鉄の含有量は0.3質量%以上5.9質量%以下、スズおよびコバルトの含有量の割合(Co/(Sn+Co))は30質量%以上70質量%以下である。また、例えば、鉄の含有量を多めに設定する場合の組成は、以下の通りである。炭素の含有量は11.9質量%以上29.7質量%以下である。また、スズ、コバルトおよび鉄の含有量の割合((Co+Fe)/(Sn+Co+Fe))は26.4質量%以上48.5質量%以下、コバルトおよび鉄の含有量の割合(Co/(Co+Fe))は9.9質量%以上79.5質量%以下である。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からである。このSnCoFeC含有材料の物性等(半値幅など)は、上記したSnCoC含有材料と同様である。 In addition to this SnCoC-containing material, a material containing tin, cobalt, iron and carbon (SnCoFeC-containing material) is also preferable. The composition of the SnCoFeC-containing material can be arbitrarily set. For example, the composition when the content of iron is set to be small is as follows. The carbon content is 9.9 mass% or more and 29.7 mass% or less, the iron content is 0.3 mass% or more and 5.9 mass% or less, and the content ratio of tin and cobalt (Co / (Sn + Co)) ) Is 30% by mass or more and 70% by mass or less. For example, the composition in the case where the content of iron is set to be large is as follows. The carbon content is 11.9% by mass or more and 29.7% by mass or less. Further, the content ratio of tin, cobalt and iron ((Co + Fe) / (Sn + Co + Fe)) is 26.4 mass% to 48.5 mass%, and the content ratio of cobalt and iron (Co / (Co + Fe)). Is 9.9 mass% or more and 79.5 mass% or less. This is because a high energy density can be obtained in such a composition range. The physical properties and the like (half width, etc.) of this SnCoFeC-containing material are the same as those of the above-described SnCoC-containing material.
また、他の負極材料としては、例えば、金属酸化物あるいは高分子化合物が挙げられる。金属酸化物は、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である。高分子化合物は、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である。 Moreover, as another negative electrode material, a metal oxide or a high molecular compound is mentioned, for example. Examples of the metal oxide include iron oxide, ruthenium oxide, and molybdenum oxide. Examples of the polymer compound include polyacetylene, polyaniline, and polypyrrole.
もちろん、負極材料は、上記以外のものでもよい。また、一連の負極活物質は、任意の組み合わせで2種以上混合されてもよい。 Of course, the negative electrode material may be other than the above. A series of negative electrode active materials may be mixed in any combination of two or more.
負極活物質層22Bは、例えば、塗布法、気相法、液相法、溶射法あるいは焼成法(焼結法)、またはそれらの2種以上の方法により形成されている。塗布法とは、例えば、粒子状の負極活物質を結着剤などと混合したのち、溶剤に分散させて塗布する方法である。気相法の一例としては、物理堆積法あるいは化学堆積法などが挙げられる。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(chemical vapor deposition :CVD)法あるいはプラズマ化学気相成長法などである。液相法の一例としては、電解鍍金法あるいは無電解鍍金法などが挙げられる。溶射法とは、負極活物質を溶融状態あるいは半溶融状態で噴き付ける方法である。焼成法とは、例えば、塗布法と同様の手順で塗布したのち、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。焼成法については、公知の手法を用いることができる。一例としては、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などが挙げられる。
The negative electrode
負極活物質は、例えば、複数の粒子状である。この場合には、負極活物質層22Bは、複数の粒子状の負極活物質(以下、単に「負極活物質粒子」という。)を含んでおり、その負極活物質粒子は、例えば、気相法などにより形成されている。ただし、負極活物質粒子は、気相法以外の方法により形成されていてもよい。
The negative electrode active material is, for example, a plurality of particles. In this case, the negative electrode
負極活物質粒子が気相法などの堆積法により形成される場合には、その負極活物質粒子は、単一の堆積工程により形成された単層構造を有していてもよいし、複数回の堆積工程により形成された多層構造を有していてもよい。ただし、堆積時に高熱を伴う蒸着法などを用いる場合には、負極活物質粒子は多層構造を有していることが好ましい。負極材料の堆積工程が複数回に分割して行われる(負極材料が順次薄く形成して堆積される)ため、その堆積工程を1回で行う場合よりも、負極集電体22Aが高熱に晒される時間が短くなるからである。これにより、負極集電体22Aが熱的ダメージを受けにくくなる。
When the negative electrode active material particles are formed by a deposition method such as a vapor phase method, the negative electrode active material particles may have a single-layer structure formed by a single deposition process, It may have a multilayer structure formed by the deposition process. However, when using a vapor deposition method with high heat during deposition, the negative electrode active material particles preferably have a multilayer structure. Since the deposition process of the negative electrode material is performed in a plurality of times (the negative electrode material is sequentially formed and deposited thinly), the negative electrode
この負極活物質粒子は、例えば、負極集電体22Aの表面から負極活物質層22Bの厚さ方向に成長しており、その根元において負極集電体22Aの表面に連結されていることが好ましい。充放電時において負極活物質層22Bの膨張および収縮が抑制されるからである。また、負極活物質粒子は、気相法、液相法、溶射法あるいは焼成法などにより形成されており、負極集電体22Aとの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。この場合には、両者の界面において、負極集電体22Aの構成元素が負極活物質粒子に拡散していてもよいし、負極活物質粒子の構成元素が負極集電体22Aに拡散していてもよいし、両者の構成元素が拡散しあっていてもよい。
For example, the negative electrode active material particles are preferably grown from the surface of the negative electrode
特に、負極活物質層22Bは、必要に応じて、負極活物質粒子の表面(酸化物含有膜を設けないとしたならば電解質と接することとなる領域)を被覆する酸化物含有膜を含んでいることが好ましい。酸化物含有膜が電解質に対する保護膜として機能するため、充放電時において電解質の分解反応が抑制されるからである。これにより、サイクル特性および保存特性などが向上する。なお、酸化物含有膜は、負極活物質粒子の表面の全部を被覆していてもよいし、一部だけを被覆していてもよいが、中でも、全部を被覆していることが好ましい。電解質の分解反応がより抑制されるからである。
In particular, the negative electrode
この酸化物含有膜は、例えば、ケイ素の酸化物、ゲルマニウムの酸化物およびスズの酸化物のうちの少なくとも1種を含んでおり、中でも、ケイ素の酸化物を含んでいることが好ましい。負極活物質粒子の表面を全体に渡って容易に被覆しやすいと共に、優れた保護作用が得られるからである。もちろん、酸化物含有膜は、上記以外の他の酸化物を含んでいてもよい。 The oxide-containing film includes, for example, at least one of a silicon oxide, a germanium oxide, and a tin oxide, and preferably includes a silicon oxide. This is because the entire surface of the negative electrode active material particles can be easily covered and an excellent protective action can be obtained. Of course, the oxide-containing film may contain an oxide other than the above.
酸化物含有膜は、例えば、気相法あるいは液相法などにより形成されており、中でも、液相法により形成されていることが好ましい。負極活物質粒子の表面を広い範囲に渡って容易に被覆しやすいからである。液相法としては、液相析出法、ゾルゲル法、塗布法あるいはディップコーティング法などが挙げられ、中でも、液相析出法、ゾルゲル法あるいはディップコーティング法が好ましく、液相析出法がより好ましい。より高い効果が得られるからである。なお、酸化物含有膜は、上記した一連の形成方法のうち、単独の形成方法により形成されていてもよいし、2種以上の形成方法により形成されていてもよい。 The oxide-containing film is formed by, for example, a gas phase method or a liquid phase method, and among these, it is preferably formed by a liquid phase method. This is because the surface of the negative electrode active material particles can be easily covered over a wide range. Examples of the liquid phase method include a liquid phase precipitation method, a sol-gel method, a coating method, or a dip coating method. Among these, the liquid phase precipitation method, the sol-gel method, or the dip coating method is preferable, and the liquid phase precipitation method is more preferable. This is because a higher effect can be obtained. Note that the oxide-containing film may be formed by a single formation method among the above-described series of formation methods, or may be formed by two or more types of formation methods.
また、負極活物質層22Bは、必要に応じて、負極活物質層22Bの内部の隙間に、リチウムと合金化しない金属元素を構成元素として含む金属材料(以下、単に「金属材料」という。)を含んでいることが好ましい。金属材料を介して複数の負極活物質粒子が結着されると共に、負極活物質層22Bの膨張および収縮が抑制されるからである。これにより、サイクル特性および保存特性などが向上する。なお、「負極活物質層22Bの内部の隙間」の詳細については、後述する(図5および図6参照)。
Further, the negative electrode
上記した金属元素としては、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛および銅のうちの少なくとも1種が挙げられ、中でも、コバルトが好ましい。負極活物質層22B内の隙間に金属材料が容易に入り込みやすいと共に、優れた結着作用が得られるからである。もちろん、金属元素は、上記以外の他の金属元素でもよい。ただし、ここで言う「金属材料」とは、単体に限らず、合金あるいは金属化合物まで含む広い概念である。
Examples of the metal element described above include at least one of iron, cobalt, nickel, zinc, and copper. Of these, cobalt is preferable. This is because the metal material can easily enter the gap in the negative electrode
金属材料は、例えば、気相法あるいは液相法などにより形成されており、中でも、液相法により形成されていることが好ましい。負極活物質層22B内の隙間に金属材料が入り込みやすいからである。液相法としては、例えば、電解鍍金法あるいは無電解鍍金法などが挙げられ、中でも、電解鍍金法が好ましい。上記した隙間に金属材料がより入り込みやすいと共に、その形成時間が短くて済むからである。この金属材料は、上記した一連の形成方法のうち、単独の形成方法により形成されていてもよいし、2種以上の形成方法により形成されていてもよい。
The metal material is formed by, for example, a gas phase method or a liquid phase method, and it is preferable that the metal material is formed by a liquid phase method. This is because the metal material easily enters the gap in the negative electrode
なお、負極活物質層22Bは、酸化物含有膜あるいは金属材料のいずれか一方だけを含んでいてもよいし、双方を含んでいてもよい。ただし、サイクル特性などをより向上させるためには、双方を含んでいることが好ましい。いずれか一方だけを含む場合において、サイクル特性などをより向上させるためには、酸化物含有膜を含んでいることが好ましい。酸化物含有膜および金属材料の双方を含む場合には、どちらを先に形成してもよいが、サイクル特性などをより向上させるためには、酸化物含有膜を先に形成することが好ましい。
Note that the negative electrode
ここで、図3〜図6を参照して、負極22の詳細な構成について説明する。
Here, the detailed configuration of the
まず、負極活物質層22Bが複数の負極活物質粒子と共に酸化物含有膜を含む場合について説明する。図3および図4は、負極22の断面構造を模式的に表している。ここでは、負極活物質粒子が単層構造を有している場合を示している。
First, the case where the negative electrode
図3に示した場合には、例えば、蒸着法などの気相法により負極集電体22A上に負極材料が堆積されると、その負極集電体22A上に複数の負極活物質粒子221が形成される。この場合には、負極集電体22Aの表面が粗面化され、その表面に複数の突起部(例えば電解処理により形成された微粒子)が存在すると、負極活物質粒子221が上記した突起部ごとに厚さ方向に成長する。このため、複数の負極活物質粒子221は、負極集電体22Aの表面で配列されると共に、その根元において負極集電体22Aの表面に連結される。こののち、例えば、液相析出法などの液相法により負極活物質粒子221の表面に酸化物含有膜222が形成されると、その酸化物含有膜222は、負極活物質粒子221の表面をほぼ全体に渡って被覆する。この場合には、負極活物質粒子221の頭頂部から根元に至る広い範囲が被覆される。このような広範囲の被覆状態は、酸化物含有膜222が液相法により形成された場合に得られる特徴である。すなわち、液相法を用いて酸化物含有膜222を形成すると、被覆作用が負極活物質粒子221の頭頂部だけでなく根元まで広く及ぶため、その根元まで酸化物含有膜222により被覆される。
In the case shown in FIG. 3, for example, when a negative electrode material is deposited on the negative electrode
これに対して、図4に示した場合には、例えば、気相法により複数の負極活物質粒子221が形成されたのち、同様に気相法により酸化物含有膜223が形成されると、その酸化物含有膜223は、負極活物質粒子221の頭頂部だけを被覆する。このような狭範囲の被覆状態は、酸化物含有膜223が気相法により形成された場合に得られる特徴である。すなわち、気相法を用いて酸化物含有膜223を形成すると、被覆作用が負極活物質粒子221の頭頂部に及ぶものの根元まで及ばないため、その根元までは酸化物含有膜223により被覆されない。
On the other hand, in the case shown in FIG. 4, for example, after the plurality of negative electrode
なお、図3では、気相法により負極活物質層22Bが形成される場合について説明したが、塗布法あるいは焼結法などの他の形成方法により負極活物質層22Bが形成される場合においても、同様である。これらの場合においても、複数の負極活物質粒子の表面をほぼ全体に渡って被覆するように酸化物含有膜222が形成される。
3 illustrates the case where the negative electrode
次に、負極活物質層22Bが複数の負極活物質粒子と共に金属材料を含む場合について説明する。図5および図6は、負極22の断面構造を拡大して表している。図5および図6において、(A)は走査型電子顕微鏡(scanning electron microscope:SEM)写真(二次電子像)、(B)は(A)に示したSEM像の模式絵である。ここでは、複数の負極活物質粒子221が多層構造を有している場合を示している。
Next, the case where the negative electrode
図5に示したように、負極活物質粒子221が多層構造を有する場合には、その配列構造、多層構造および表面構造に起因して、負極活物質層22Bの内部に複数の隙間224が生じている。この隙間224は、主に、発生原因に応じて分類された2種類の隙間224A,224Bを含んでいる。隙間224Aは、隣り合う負極活物質粒子221間に生じたものであり、隙間224Bは、負極活物質粒子221の各階層間に生じたものである。
As shown in FIG. 5, when the negative electrode
なお、負極活物質粒子221の露出面(最表面)には、空隙225が生じる場合がある。この空隙225は、負極活物質粒子221の表面にひげ状の微細な突起部(図示せず)が形成されるため、その突起部間に生じるものである。この空隙225は、負極活物質粒子221の露出面において、全体に渡って生じる場合もあれば、一部だけに生じる場合もある。ただし、上記したひげ状の突起部は、負極活物質粒子221の形成時ごとにその表面に生じるため、空隙225は、負極活物質粒子221の露出面だけでなく、各階層間にも生じる場合がある。
Note that a void 225 may be formed on the exposed surface (outermost surface) of the negative electrode
図6に示したように、負極活物質層22Bは、隙間224A,224Bに、金属材料226を有している。この場合には、隙間224A,224Bのうちのいずれか一方だけに金属材料226を有していてもよいが、双方に金属材料226を有していることが好ましい。より高い効果が得られるからである。
As shown in FIG. 6, the negative electrode
この金属材料226は、隣り合う負極活物質粒子221間の隙間224Aに入り込んでいる。詳細には、気相法などにより負極活物質粒子221が形成される場合には、上記したように、負極集電体22Aの表面に存在する突起部ごとに負極活物質粒子221が成長するため、隣り合う負極活物質粒子221間に隙間224Aが生じる。この隙間224Aは、負極活物質層22Bの結着性を低下させる原因となるため、その結着性を高めるために、隙間224Aに金属材料226が埋め込まれている。この場合には、隙間224Aの一部でも埋められていればよいが、その充填量は多いほど好ましい。負極活物質層22Bの結着性がより向上するからである。金属材料226の充填量は、20%以上が好ましく、40%以上がより好ましく、80%以上がさらに好ましい。
The
また、金属材料226は、負極活物質粒子221内の隙間224Bに入り込んでいる。詳細には、負極活物質粒子221が多層構造を有する場合には、各階層間に隙間224Bが生じる。この隙間224Bは、隙間224Aと同様に、負極活物質層22Bの結着性を低下させる原因となるため、その結着性を高めるために、隙間224Bに金属材料226が埋め込まれている。この場合には、隙間224Bの一部でも充填されていればよいが、その充填量が多いほど好ましい。負極活物質層22Bの結着性がより向上するからである。
In addition, the
なお、負極活物質層22Bは、最上層の負極活物質粒子221の露出面に生じるひげ状の微細な突起部(図示せず)が二次電池の性能に悪影響を及ぼすことを抑えるために、空隙225に金属材料226を有していてもよい。詳細には、気相法などにより負極活物質粒子221が形成される場合には、その表面にひげ状の微細な突起部が生じるため、その突起部間に空隙225が生じる。この空隙225は、負極活物質粒子221の表面積の増加を招き、その表面に形成される不可逆性の被膜の量も増加させるため、充放電反応の進行度を低下させる原因となる可能性がある。そこで、充放電反応の進行度の低下を抑えるために、空隙225に金属材料226が埋め込まれている。この場合には、空隙225の一部でも埋め込まれていればよいが、その埋め込み量が多いほど好ましい。充放電反応の進行度の低下がより抑えられるからである。図6において、最上層の負極活物質粒子221の表面に金属材料226が点在していることは、その点在箇所に上記した微細な突起部が存在していること表している。もちろん、金属材料226は、必ずしも負極活物質粒子221の表面に点在していなければならないわけではなく、その表面全体を被覆していてもよい。
Note that the negative electrode
特に、隙間224Bに入り込んだ金属材料226は、各階層における空隙225を埋め込む機能も果たしている。詳細には、負極材料が複数回に渡って堆積される場合には、その堆積時ごとに負極活物質粒子221の表面に微細な突起部が生じる。このため、金属材料226は、各階層における隙間224Bに埋め込まれているだけでなく、各階層における空隙225にも埋め込まれている。
In particular, the
なお、図5および図6では、負極活物質粒子221が多層構造を有しており、負極活物質層22B中に隙間224A,224Bの双方が存在している場合について説明した。このため、負極活物質層22Bは、隙間224A,224Bに金属材料226を有している。これに対して、負極活物質粒子221が単層構造を有しており、負極活物質層22B中に隙間224Aだけが存在する場合には、負極活物質層22Bが隙間224Aだけに金属材料226を有することとなる。もちろん、空隙225は両者の場合において生じるため、いずれの場合においても空隙225に金属材料226を有することとなる。
5 and 6, the case where the negative electrode
[セパレータ]
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リチウムイオンを通過させるものである。このセパレータ23には、液状の電解質(電解液)として、上記した電解質が含浸されている。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、それらの2種以上の多孔質膜が積層されたものでもよい。
[Separator]
The
[電解液]
電解液は、上記したジカルボニル化合物を含む溶媒に、電解質塩が溶解されたものである。溶媒中におけるジカルボニル化合物の含有量は、特に限定されないが、中でも、0.01重量%以上10重量%であることが好ましい。高い電池容量を維持しつつ、優れたサイクル特性、保存特性および初回充放電特性が得られるからである。
[Electrolyte]
The electrolytic solution is obtained by dissolving an electrolyte salt in a solvent containing the dicarbonyl compound described above. The content of the dicarbonyl compound in the solvent is not particularly limited, but is preferably 0.01% by weight or more and 10% by weight. This is because excellent cycle characteristics, storage characteristics, and initial charge / discharge characteristics can be obtained while maintaining a high battery capacity.
溶媒は、ジカルボニル化合物を含んでいれば、他の材料を含んでいてもよい。このような他の材料は、例えば、以下で説明する有機溶媒などの非水溶媒のいずれか1種あるいは2種以上である。 The solvent may contain other materials as long as it contains a dicarbonyl compound. Such other materials are any 1 type or 2 types or more of non-aqueous solvents, such as an organic solvent demonstrated below, for example.
非水溶媒の一例としては、以下のものなどが挙げられる。炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、炭酸メチルプロピル、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、1,2−ジメトキシエタンあるいはテトラヒドロフランである。2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、1,3−ジオキサンあるいは1,4−ジオキサンである。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あるいはトリメチル酢酸エチルである。アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、3−メトキシプロピオニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリジノンあるいはN−メチルオキサゾリジノンである。N,N’−ジメチルイミダゾリジノン、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホラン、燐酸トリメチルあるいはジメチルスルホキシドである。優れた電池容量、サイクル特性および保存特性などが得られるからである。 Examples of the non-aqueous solvent include the following. Ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, methyl propyl carbonate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, 1,2-dimethoxyethane or tetrahydrofuran. 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydropyran, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, 1,3-dioxane or 1,4-dioxane. Methyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, methyl butyrate, methyl isobutyrate, methyl trimethyl acetate or ethyl trimethyl acetate. Acetonitrile, glutaronitrile, adiponitrile, methoxyacetonitrile, 3-methoxypropionitrile, N, N-dimethylformamide, N-methylpyrrolidinone or N-methyloxazolidinone. N, N'-dimethylimidazolidinone, nitromethane, nitroethane, sulfolane, trimethyl phosphate or dimethyl sulfoxide. This is because excellent battery capacity, cycle characteristics, storage characteristics, and the like can be obtained.
中でも、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチルおよび炭酸エチルメチルのうちの少なくとも1種が好ましい。優れた電池容量、サイクル特性および保存特性などが得られるからである。この場合には、炭酸エチレンあるいは炭酸プロピレンなどの高粘度(高誘電率)溶媒(例えば比誘電率ε≧30)と、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチルあるいは炭酸ジエチルなどの低粘度溶媒(例えば粘度≦1mPa・s)との組み合わせがより好ましい。電解質塩の解離性およびイオンの移動度が向上するからである。 Among these, at least one of ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate is preferable. This is because excellent battery capacity, cycle characteristics, storage characteristics, and the like can be obtained. In this case, a high viscosity (high dielectric constant) solvent such as ethylene carbonate or propylene carbonate (for example, a relative dielectric constant ε ≧ 30) and a low viscosity solvent such as dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate or diethyl carbonate (for example, viscosity ≦ 1 mPas). -A combination with s) is more preferred. This is because the dissociation property of the electrolyte salt and the ion mobility are improved.
特に、溶媒は、式(2)〜式(4)で表される不飽和炭素結合環状炭酸エステルのうちの少なくとも1種を含んでいることが好ましい。充放電時において負極22などの表面に安定な保護膜が形成されるため、電解液の分解反応が抑制されるからである。この「不飽和炭素結合環状炭酸エステル」とは、1あるいは2以上の不飽和炭素結合を有する環状炭酸エステルである。溶媒中における不飽和炭素結合環状炭酸エステルの含有量は、例えば、0.01重量%〜10重量%である。なお、不飽和炭素結合環状炭酸エステルの種類は、以下で説明するものに限られず、他のものでもよい。
In particular, the solvent preferably contains at least one of unsaturated carbon-bonded cyclic carbonates represented by the formulas (2) to (4). This is because a stable protective film is formed on the surface of the
式(2)に示した不飽和炭素結合環状炭酸エステルは、炭酸ビニレン系化合物である。この炭酸ビニレン系化合物の一例としては、以下のものなどが挙げられる。炭酸ビニレン、炭酸メチルビニレンあるいは炭酸エチルビニレンである。また、4,5−ジメチル−1,3−ジオキソール−2−オン、4,5−ジエチル−1,3−ジオキソール−2−オン、4−フルオロ−1,3−ジオキソール−2−オンあるいは4−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソール−2−オンである。中でも、炭酸ビニレンが好ましい。容易に入手できると共に、高い効果が得られるからである。 The unsaturated carbon bond cyclic carbonate represented by the formula (2) is a vinylene carbonate compound. Examples of this vinylene carbonate compound include the following. Vinylene carbonate, methyl vinylene carbonate or ethyl vinylene carbonate. 4,5-dimethyl-1,3-dioxol-2-one, 4,5-diethyl-1,3-dioxol-2-one, 4-fluoro-1,3-dioxol-2-one or 4- Trifluoromethyl-1,3-dioxol-2-one. Among these, vinylene carbonate is preferable. This is because it can be easily obtained and a high effect can be obtained.
式(3)に示した不飽和炭素結合環状炭酸エステルは、炭酸ビニルエチレン系化合物である。この炭酸ビニルエチレン系化合物の一例としては、以下のものなどが挙げられる。炭酸ビニルエチレン、4−メチル−4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オンあるいは4−エチル−4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オンである。また、4−n−プロピル−4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、5−メチル−4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4,4−ジビニル−1,3−ジオキソラン−2−オンあるいは4,5−ジビニル−1,3−ジオキソラン−2−オンである。中でも、炭酸ビニルエチレンが好ましい。容易に入手できると共に、高い効果が得られるからである。もちろん、R23〜R26としては、全てがビニル基でもよいし、全てがアリル基でもよいし、ビニル基とアリル基とが混在してもよい。 The unsaturated carbon bond cyclic carbonate represented by the formula (3) is a vinyl ethylene carbonate compound. Examples of the vinyl carbonate-based compound include the following. Vinylethylene carbonate, 4-methyl-4-vinyl-1,3-dioxolan-2-one or 4-ethyl-4-vinyl-1,3-dioxolan-2-one. Further, 4-n-propyl-4-vinyl-1,3-dioxolan-2-one, 5-methyl-4-vinyl-1,3-dioxolan-2-one, 4,4-divinyl-1,3- Dioxolan-2-one or 4,5-divinyl-1,3-dioxolan-2-one. Of these, vinyl ethylene carbonate is preferred. This is because it can be easily obtained and a high effect can be obtained. Of course, as R23 to R26, all may be vinyl groups, all may be allyl groups, or vinyl groups and allyl groups may be mixed.
式(4)に示した不飽和炭素結合環状炭酸エステルは、炭酸メチレンエチレン系化合物である。この炭酸メチレンエチレン系化合物の一例としては、以下のものなどが挙げられる。4−メチレン−1,3−ジオキソラン−2−オン、4,4−ジメチル−5−メチレン−1,3−ジオキソラン−2−オンあるいは4,4−ジエチル−5−メチレン−1,3−ジオキソラン−2−オンである。この炭酸メチレンエチレン系化合物としては、1つのメチレン基を有するもの(式(4)に示した化合物)の他、2つのメチレン基を有するものでもよい。 The unsaturated carbon bond cyclic carbonate represented by the formula (4) is a methylene ethylene carbonate compound. Examples of the methylene ethylene carbonate compound include the following. 4-methylene-1,3-dioxolan-2-one, 4,4-dimethyl-5-methylene-1,3-dioxolan-2-one or 4,4-diethyl-5-methylene-1,3-dioxolane- 2-one. As this methylene ethylene carbonate compound, one having two methylene groups may be used in addition to one having one methylene group (compound shown in Formula (4)).
なお、不飽和炭素結合環状炭酸エステルとしては、式(2)〜式(4)に示したものの他、ベンゼン環を有する炭酸カテコール(カテコールカーボネート)などであってもよい。 In addition, as unsaturated carbon bond cyclic carbonate ester, the catechol carbonate (catechol carbonate) etc. which have a benzene ring other than what was shown to Formula (2)-Formula (4) may be sufficient.
また、溶媒は、式(5)で表されるハロゲン化鎖状炭酸エステルおよび式(6)で表されるハロゲン化環状炭酸エステルのうちの少なくとも1種を含んでいることが好ましい。充放電時において負極22などの表面に安定な保護膜が形成されるため、電解液の分解反応が抑制されるからである。この「ハロゲン化鎖状炭酸エステル」とは、ハロゲンを構成元素として含む鎖状炭酸エステルであり、「ハロゲン化環状炭酸エステル」とは、ハロゲンを構成元素として含む環状炭酸エステルである。なお、R21〜R26は、同じ基でもよいし、異なる基でもよい。このことは、R27〜R30についても、同様である。溶媒中におけるハロゲン化鎖状炭酸エステルおよびハロゲン化環状炭酸エステルの含有量は、例えば、0.01重量%以上50重量%以下である。ハロゲン化鎖状炭酸エステルあるいはハロゲン化環状炭酸エステルの種類は、必ずしも下記で説明するものに限られず、他のものでもよい。
Moreover, it is preferable that the solvent contains at least 1 sort (s) of the halogenated chain carbonate represented by Formula (5), and the halogenated cyclic carbonate represented by Formula (6). This is because a stable protective film is formed on the surface of the
ハロゲンの種類は、特に限定されないが、中でも、フッ素、塩素あるいは臭素が好ましく、フッ素がより好ましい。他のハロゲンよりも高い効果が得られるからである。ただし、ハロゲンの数は、1つよりも2つが好ましく、さらに3つ以上でもよい。保護膜を形成する能力が高くなり、より強固で安定な保護膜が形成されるため、電解質の分解反応がより抑制されるからである。 The kind of halogen is not particularly limited, but among them, fluorine, chlorine or bromine is preferable, and fluorine is more preferable. This is because an effect higher than that of other halogens can be obtained. However, the number of halogens is preferably two rather than one, and may be three or more. This is because the ability to form a protective film increases, and a stronger and more stable protective film is formed, so that the decomposition reaction of the electrolyte is further suppressed.
ハロゲン化鎖状炭酸エステルの一例としては、炭酸フルオロメチルメチル、炭酸ビス(フルオロメチル)あるいは炭酸ジフルオロメチルメチルなどが挙げられる。また、ハロゲン化環状炭酸エステルの一例としては、式(6−1)〜式(6−21)で表されるものなどが挙げられる。このハロゲン化環状炭酸エステルには、幾何異性体も含まれる。中でも、式(6−1)に示した4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンあるいは式(6−3)に示した4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンが好ましく、後者がより好ましい。特に、4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンでは、シス異性体よりもトランス異性体が好ましい。容易に入手できると共に、高い効果が得られるからである。 Examples of the halogenated chain carbonate include fluoromethyl methyl carbonate, bis (fluoromethyl) carbonate, and difluoromethyl methyl carbonate. In addition, examples of the halogenated cyclic carbonate include those represented by Formula (6-1) to Formula (6-21). This halogenated cyclic carbonate includes geometric isomers. Among them, 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one represented by the formula (6-1) or 4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one represented by the formula (6-3) is preferable. The latter is preferred and the latter is more preferred. In particular, in 4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one, the trans isomer is preferable to the cis isomer. This is because it can be easily obtained and a high effect can be obtained.
また、溶媒は、スルトン(環状スルホン酸エステル)を含んでいることが好ましい。電解液の化学的安定性がより向上するからである。このスルトンの一例としては、プロパンスルトンあるいはプロペンスルトンなどが挙げられる。溶媒中におけるスルトンの含有量は、例えば、0.5重量%以上5重量%以下である。ただし、スルトンの種類は、必ずしも上記したものに限られない。 Moreover, it is preferable that the solvent contains sultone (cyclic sulfonate ester). This is because the chemical stability of the electrolytic solution is further improved. Examples of this sultone include propane sultone and propene sultone. The content of sultone in the solvent is, for example, 0.5% by weight or more and 5% by weight or less. However, the type of sultone is not necessarily limited to the above.
さらに、溶媒は、酸無水物を含んでいることが好ましい。電解液の化学的安定性がより向上するからである。酸無水物としては、例えば、例えば、カルボン酸無水物、ジスルホン酸無水物、あるいはカルボン酸とスルホン酸との無水物などが挙げられる。カルボン酸無水物は、例えば、無水コハク酸、無水グルタル酸あるいは無水マレイン酸などである。ジスルホン酸無水物は、例えば、無水エタンジスルホン酸あるいは無水プロパンジスルホン酸などである。カルボン酸とスルホン酸との無水物は、例えば、無水スルホ安息香酸、無水スルホプロピオン酸あるいは無水スルホ酪酸などである。溶媒中における酸無水物の含有量は、例えば、0.5重量%以上5重量%以下である。ただし、酸無水物の種類は、必ずしも上記したものに限られない。 Furthermore, it is preferable that the solvent contains an acid anhydride. This is because the chemical stability of the electrolytic solution is further improved. Examples of the acid anhydride include carboxylic acid anhydride, disulfonic acid anhydride, and anhydride of carboxylic acid and sulfonic acid. Examples of the carboxylic acid anhydride include succinic anhydride, glutaric anhydride, and maleic anhydride. Examples of the disulfonic anhydride include ethane disulfonic anhydride and propane disulfonic anhydride. Examples of the anhydride of carboxylic acid and sulfonic acid include anhydrous sulfobenzoic acid, anhydrous sulfopropionic acid, and anhydrous sulfobutyric acid. The content of the acid anhydride in the solvent is, for example, 0.5% by weight or more and 5% by weight or less. However, the type of acid anhydride is not necessarily limited to the above.
[電解質塩]
電解質塩は、例えば、リチウム塩などの軽金属塩のいずれか1種類あるいは2種類以上を含んでいる。ただし、電解質塩は、例えば、軽金属塩以外の他の塩を含んでいてもよい。
[Electrolyte salt]
The electrolyte salt includes, for example, any one or more of light metal salts such as lithium salts. However, the electrolyte salt may contain other salts other than the light metal salt, for example.
リチウム塩の一例としては、以下のものなどが挙げられる。六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウムあるいは六フッ化ヒ酸リチウムである。テトラフェニルホウ酸リチウム(LiB(C6 H5 )4 )、メタンスルホン酸リチウム(LiCH3 SO3 )、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3 SO3 )あるいはテトラクロロアルミン酸リチウム(LiAlCl4 )である。六フッ化ケイ酸二リチウム(Li2 SiF6 )、塩化リチウム(LiCl)あるいは臭化リチウム(LiBr)である。モノフルオロリン酸リチウム(LiPFO3 )あるいはジフルオロリン酸リチウム(LiPF2 O2 )である。優れた電池容量、サイクル特性および保存特性などが得られるからである。電解質塩の種類は、必ずしも上記したものに限られず、他のものでもよい。 Examples of lithium salts include the following. Lithium hexafluorophosphate, lithium tetrafluoroborate, lithium perchlorate or lithium hexafluoroarsenate. Lithium tetraphenylborate (LiB (C 6 H 5 ) 4 ), lithium methanesulfonate (LiCH 3 SO 3 ), lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF 3 SO 3 ) or lithium tetrachloroaluminate (LiAlCl 4 ) . It is dilithium hexafluorosilicate (Li 2 SiF 6 ), lithium chloride (LiCl) or lithium bromide (LiBr). Lithium monofluorophosphate (LiPFO 3 ) or lithium difluorophosphate (LiPF 2 O 2 ). This is because excellent battery capacity, cycle characteristics, storage characteristics, and the like can be obtained. The type of electrolyte salt is not necessarily limited to the above, and other types may be used.
中でも、六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウムおよび六フッ化ヒ酸リチウムのうちの少なくとも1種が好ましく、六フッ化リン酸リチウムがより好ましい。内部抵抗が低下するため、より高い効果が得られるからである。 Among these, at least one of lithium hexafluorophosphate, lithium tetrafluoroborate, lithium perchlorate, and lithium hexafluoroarsenate is preferable, and lithium hexafluorophosphate is more preferable. This is because a higher effect can be obtained because the internal resistance is lowered.
特に、電解質塩は、式(7)〜式(9)で表される化合物のうちの少なくとも1種を含んでいることが好ましい。より高い効果が得られるからである。なお、R31およびR33は、同じ基でもよいし、異なる基でもよい。このことは、R41〜R43およびR51およびR52についても、同様である。ただし、電解質塩の種類は、必ずしも下記で説明するものに限られず、他のものでもよい。 In particular, the electrolyte salt preferably contains at least one of the compounds represented by the formulas (7) to (9). This is because a higher effect can be obtained. R31 and R33 may be the same group or different groups. The same applies to R41 to R43 and R51 and R52. However, the type of electrolyte salt is not necessarily limited to those described below, and other types may be used.
なお、1族元素とは、水素、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムおよびフランシウムである。2族元素とは、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムおよびラジウムである。13族元素とは、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウムおよびタリウムである。14族元素とは、炭素、ケイ素、ゲルマニウム、スズおよび鉛である。15族元素とは、窒素、リン、ヒ素、アンチモンおよびビスマスである。
Group 1 elements are hydrogen, lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, and francium. Group 2 elements are beryllium, magnesium, calcium, strontium, barium and radium. Group 13 elements are boron, aluminum, gallium, indium and thallium.
式(7)に示した化合物の一例としては、式(7−1)〜式(7−6)で表されるものなどが挙げられる。式(8)に示した化合物の一例としては、式(8−1)〜式(8−8)で表されるものなどが挙げられる。式(9)に示した化合物の一例としては、式(9−1)で表されるものなどが挙げられる。 Examples of the compound represented by the formula (7) include those represented by the formula (7-1) to the formula (7-6). Examples of the compound represented by the formula (8) include those represented by the formula (8-1) to the formula (8-8). An example of the compound represented by the formula (9) includes a compound represented by the formula (9-1).
また、電解質塩は、式(10)〜式(12)で表される化合物のうちの少なくとも1種を含んでいることが好ましい。より高い効果が得られるからである。なお、mおよびnは、同じ値でもよいし、異なる値でもよい。このことは、p、qおよびrについても、同様である。電解質塩の種類は、必ずしも下記で説明するものに限られず、他のものでもよい。 Moreover, it is preferable that electrolyte salt contains at least 1 sort (s) of the compounds represented by Formula (10)-Formula (12). This is because a higher effect can be obtained. Note that m and n may be the same value or different values. The same applies to p, q and r. The type of electrolyte salt is not necessarily limited to those described below, and other types of electrolyte salts may be used.
LiN(Cm F2m+1SO2 )(Cn F2n+1 SO2 )…(10)
(mおよびnは1以上の整数である。)
LiN (C m F 2m + 1 SO 2) (C n F 2n + 1 SO 2) ... (10)
(M and n are integers of 1 or more.)
LiC(Cp F2p+1SO2 )(Cq F2q+1SO2 )(Cr F2r+1SO2 )…(12)
(p、qおよびrは1以上の整数である。)
LiC (C p F 2p + 1 SO 2 ) (C q F 2q + 1 SO 2 ) (C r F 2r + 1 SO 2 ) (12)
(P, q and r are integers of 1 or more.)
式(10)に示した化合物は、鎖状のイミド化合物である。この化合物の一例としては、以下のものなどが挙げられる。ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )2 )あるいはビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(C2 F5 SO2 )2 )である。(トリフルオロメタンスルホニル)(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )(C2 F5 SO2 ))である。(トリフルオロメタンスルホニル)(ヘプタフルオロプロパンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )(C3 F7 SO2 ))である。(トリフルオロメタンスルホニル)(ノナフルオロブタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )(C4 F9 SO2 ))である。 The compound shown in Formula (10) is a chain imide compound. Examples of this compound include the following. Bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium (LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ) or bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide lithium (LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 ). (Trifluoromethanesulfonyl) (pentafluoroethanesulfonyl) imidolithium (LiN (CF 3 SO 2 ) (C 2 F 5 SO 2 )). (Trifluoromethanesulfonyl) (heptafluoropropanesulfonyl) imidolithium (LiN (CF 3 SO 2 ) (C 3 F 7 SO 2 )). (Trifluoromethanesulfonyl) (nonafluorobutanesulfonyl) imidolithium (LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 )).
式(11)に示した化合物は、環状のイミド化合物である。この化合物の一例としては、式(11−1)〜式(11−4)で表されるものなどが挙げられる。 The compound shown in Formula (11) is a cyclic imide compound. Examples of this compound include those represented by formula (11-1) to formula (11-4).
式(12)に示した化合物は、鎖状のメチド化合物である。この化合物の一例としては、リチウムトリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチド(LiC(CF3 SO2 )3 )などが挙げられる。 The compound represented by the formula (12) is a chain methide compound. Examples of this compound include lithium tris (trifluoromethanesulfonyl) methide (LiC (CF 3 SO 2 ) 3 ).
電解質塩の含有量は、溶媒に対して0.3mol/kg〜3.0mol/kgであることが好ましい。高いイオン伝導性が得られるからである。 The content of the electrolyte salt is preferably 0.3 mol / kg to 3.0 mol / kg with respect to the solvent. This is because high ionic conductivity is obtained.
[二次電池の動作]
この二次電池では、充電時において、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に含浸された電解液を介して負極22に吸蔵される。一方、放電時において、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に含浸された電解液を介して正極21に吸蔵される。
[Operation of secondary battery]
In this secondary battery, at the time of charging, for example, lithium ions are released from the
[二次電池の製造方法]
この二次電池は、例えば、以下の手順により製造される。
[Method for producing secondary battery]
This secondary battery is manufactured by the following procedure, for example.
まず、正極21を作製する。最初に、正極活物質と、必要に応じて正極結着剤および正極導電剤などとを混合して正極合剤としたのち、有機溶剤に分散させてペースト状の正極合剤スラリーとする。続いて、正極集電体21Aの両面に正極合剤スラリーを均一に塗布してから乾燥させて、正極活物質層21Bを形成する。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正極活物質層21Bを圧縮成型する。この場合には、複数回に渡って圧縮成型を繰り返してもよい。
First, the
次に、上記した正極21と同様の手順により、負極22を作製する。この場合には、負極活物質と、必要に応じて負極結着剤および負極導電剤などとを混合した負極合剤を有機溶剤に分散させて、ペースト状の負極合剤スラリーとする。こののち、負極集電体22Aの両面に負極合剤スラリーを均一に塗布して負極活物質層22Bを形成したのち、その負極活物質層22Bを圧縮成型する。
Next, the
なお、正極21とは異なる手順により、負極22を作製してもよい。この場合には、最初に、蒸着法などの気相法を用いて負極集電体22Aの両面に負極材料を堆積させて、複数の負極活物質粒子を形成する。こののち、必要に応じて、液相析出法などの液相法を用いて酸化物含有膜を形成し、あるいは電解鍍金法などの液相法を用いて金属材料を形成し、または双方を形成して、負極活物質層22Bを形成する。
Note that the
次に、ジカルボニル化合物を含む溶媒に電解質塩を溶解させて、電解液を調製する。 Next, an electrolyte salt is dissolved in a solvent containing a dicarbonyl compound to prepare an electrolytic solution.
最後に、正極21および負極22と共に電解液を用いて二次電池を組み立てる。最初に、正極集電体21Aに正極リード25を溶接などして取り付けると共に、負極集電体22Aに負極リード26を溶接などして取り付ける。続いて、セパレータ23を介して正極21と負極22とを積層および巻回させて巻回電極体20を作製したのち、その巻回中心にセンターピン24を挿入する。続いて、一対の絶縁板12,13で挟みながら、巻回電極体20を電池缶11の内部に収納する。この場合には、正極リード25の先端部を安全弁機構15に溶接などして取り付けると共に、負極リード26の先端部を電池缶11に溶接などして取り付ける。続いて、電池缶11の内部に電解液を注入して、セパレータ23に含浸させる。最後に、ガスケット17を介して電池缶11の開口端部に電池蓋14、安全弁機構15および熱感抵抗素子16をかしめる。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, a secondary battery is assembled using the electrolytic solution together with the
この第1の二次電池によれば、負極22の容量がリチウムイオンの吸蔵および放出により表される場合において、電解液が上記したジカルボニル化合物を含んでいるので、充放電時において電解液の分解反応が抑制される。よって、サイクル特性、保存特性および初回充放電特性を向上させることができる。この場合には、電解液の溶媒中におけるジカルボニル化合物の含有量が0.01重量%以上10重量%以下であれば、より高い効果を得ることができる。
According to the first secondary battery, when the capacity of the
また、電解液の溶媒が不飽和炭素結合環状炭酸エステル、ハロゲン化鎖状炭酸エステル、ハロゲン化環状炭酸エステル、スルトンおよび酸無水物のうちの少なくとも1種を含んでいれば、より高い効果を得ることができる。また、電解質塩が六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウム、六フッ化ヒ酸リチウムおよび式(7)〜式(12)に示した化合物のうちの少なくとも1種を含んでいれば、より高い効果を得ることができる。 Further, when the solvent of the electrolytic solution contains at least one of unsaturated carbon bond cyclic carbonate, halogenated chain carbonate, halogenated cyclic carbonate, sultone, and acid anhydride, higher effects are obtained. be able to. Further, the electrolyte salt is at least one of lithium hexafluorophosphate, lithium tetrafluoroborate, lithium perchlorate, lithium hexafluoroarsenate, and compounds represented by formulas (7) to (12). If it contains, a higher effect can be acquired.
また、負極22の負極活物質として高容量化に有利な金属系材料(ケイ素の単体あるいはSnCoC含有材料など)を用いた場合においてサイクル特性等が向上するため、炭素材料などの他の負極材料を用いた場合よりも高い効果を得ることができる。
In addition, when a metal material (such as a simple substance of silicon or a SnCoC-containing material) that is advantageous for increasing the capacity is used as the negative electrode active material of the
<2−2.第2の二次電池>
第2の二次電池は、負極の容量がリチウム金属の析出および溶解により表され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がリチウム金属により構成されていることを除き、第1の二次電池と同様の構成を有していると共に、同様の手順により製造される。
<2-2. Second secondary battery>
The second secondary battery is a lithium metal secondary battery in which the capacity of the negative electrode is expressed by precipitation and dissolution of lithium metal. This secondary battery has the same configuration as the first secondary battery except that the negative electrode
この二次電池は、負極活物質としてリチウム金属を用いており、それに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。負極活物質層22Bは、組み立て時から既に存在するようにしてもよいが、組み立て時には存在せず、充電時に析出したリチウム金属により構成されるようにしてもよい。また、負極活物質層22Bを集電体としても利用して、負極集電体22Aを省略してもよい。
This secondary battery uses lithium metal as a negative electrode active material, and can thereby obtain a high energy density. The negative electrode
この二次電池では、充電時において、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に含浸された電解液を介して負極集電体22Aの表面にリチウム金属となって析出する。一方、放電時において、例えば、負極活物質層22Bからリチウム金属がリチウムイオンとなって溶出し、セパレータ23に含浸された電解液を介して正極21に吸蔵される。
In this secondary battery, at the time of charging, for example, lithium ions are released from the
この第2の二次電池によれば、負極22の容量がリチウム金属の析出および溶解により表される場合において、電解液が上記したジカルボニル化合物を含んでいる。よって、第1の二次電池と同様の作用により、サイクル特性、保存特性および初回充放電特性を向上させることができる。この第2の二次電池に関する他の効果は、第1の二次電池と同様である。
According to the second secondary battery, when the capacity of the
<2−3.第3の二次電池>
図7は第3の二次電池の分解斜視構成を表しており、図8は図7に示した巻回電極体30のVIII−VIII線に沿った断面を拡大して示している。
<2-3. Third secondary battery>
FIG. 7 illustrates an exploded perspective configuration of the third secondary battery, and FIG. 8 illustrates an enlarged cross section taken along line VIII-VIII of the spirally
この二次電池は、例えば、第1の二次電池と同様にリチウムイオン二次電池であり、主に、フィルム状の外装部材40の内部に、正極リード31および負極リード32が取り付けられた巻回電極体30が収納されたものである。このような外装部材40を用いた電池構造は、ラミネートフィルム型と呼ばれている。
This secondary battery is, for example, a lithium ion secondary battery as in the case of the first secondary battery, and is mainly a winding in which the
正極リード31および負極リード32は、例えば、外装部材40の内部から外部に向かって同一方向に導出されている。ただし、巻回電極体30に対する正極リード31および負極リード32の設置位置や、それらの導出方向などは、特に限定されない。正極リード31は、例えば、アルミニウムなどにより構成されており、負極リード32は、例えば、銅、ニッケルあるいはステンレスなどにより構成されている。これらの材料は、例えば、薄板状あるいは網目状になっている。
For example, the
外装部材40は、例えば、融着層、金属層および表面保護層がこの順に積層されたラミネートフィルムである。この場合には、例えば、融着層が巻回電極体30と対向するように、2枚のフィルムの融着層における外縁部同士が融着、あるいは接着剤などにより貼り合わされている。融着層は、例えば、ポリエチレンあるいはポリプロピレンなどの高分子フィルムである。金属層は、例えば、アルミニウム箔などの金属箔である。表面保護層は、例えば、ナイロンあるいはポリエチレンテレフタレートなどの高分子フィルムである。
The
中でも、外装部材40としては、ポリエチレンフィルム、アルミニウム箔およびナイロンフィルムがこの順に積層されたアルミラミネートフィルムが好ましい。ただし、外装部材40は、上記したアルミラミネートフィルムに代えて、他の積層構造を有するラミネートフィルムでもよいし、ポリプロピレンなどの高分子フィルムあるいは金属フィルムでもよい。
Among these, as the
外装部材40と正極リード31および負極リード32との間には、外気の侵入を防止するための密着フィルム41が挿入されている。この密着フィルム41は、正極リード31および負極リード32に対して密着性を有する材料により構成されている。このような材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレンあるいは変性ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂が挙げられる。
An
巻回電極体30は、セパレータ35および電解質層36を介して正極33と負極34とが積層および巻回されたものであり、その最外周部は、保護テープ37により保護されている。正極33は、例えば、正極集電体33Aの両面に正極活物質層33Bが設けられたものである。正極集電体33Aおよび正極活物質層33Bの構成は、それぞれ第1の二次電池における正極集電体21Aおよび正極活物質層21Bと同様である。負極34は、例えば、負極集電体34Aの両面に負極活物質層34Bが設けられたものである。負極集電体34Aおよび負極活物質層34Bの構成は、それぞれ第1の二次電池における負極集電体22Aおよび負極活物質層22Bの構成と同様である。
The
なお、セパレータ35の構成は、第1の二次電池におけるセパレータ23の構成と同様である。
The configuration of the
電解質層36は、高分子化合物により電解液が保持されたものであり、必要に応じて、各種添加剤などの他の材料を含んでいてもよい。この電解質層36は、いわゆるゲル状の電解質である。ゲル状の電解質は、高いイオン伝導率(例えば、室温で1mS/cm以上)が得られると共に電解液の漏液が防止されるので好ましい。
The
高分子化合物としては、例えば、以下の高分子材料うちの少なくとも1種が挙げられる。ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリフォスファゼン、ポリシロキサンあるいはポリフッ化ビニルである。ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、スチレン−ブタジエンゴム、ニトリル−ブタジエンゴム、ポリスチレンあるいはポリカーボネートである。フッ化ビニリデンとヘキサフルオロピレンとの共重合体である。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。中でも、ポリフッ化ビニリデン、あるいはフッ化ビニリデンとヘキサフルオロピレンとの共重合体が好ましい。電気化学的に安定だからである。 Examples of the polymer compound include at least one of the following polymer materials. Polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyphosphazene, polysiloxane, or polyvinyl fluoride. Polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polymethyl methacrylate, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, styrene-butadiene rubber, nitrile-butadiene rubber, polystyrene or polycarbonate. It is a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropyrene. These may be single and multiple types may be mixed. Among these, polyvinylidene fluoride or a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropyrene is preferable. This is because it is electrochemically stable.
電解液の組成は、第1の二次電池における電解液の組成と同様である。ただし、ゲル状の電解質である電解質層36において、電解液の溶媒とは、液状の溶媒だけでなく、電解質塩を解離させることが可能なイオン伝導性を有するものまで含む広い概念である。よって、イオン伝導性を有する高分子化合物を用いる場合には、その高分子化合物も溶媒に含まれる。
The composition of the electrolytic solution is the same as the composition of the electrolytic solution in the first secondary battery. However, in the
なお、高分子化合物により電解液が保持されたゲル状の電解質層36に代えて、電解液をそのまま用いてもよい。この場合には、電解液がセパレータ35に含浸される。
In place of the
この二次電池では、充電時において、例えば、正極33からリチウムイオンが放出され、電解質層36を介して負極34に吸蔵される。一方、放電時において、例えば、負極34からリチウムイオンが放出され、電解質層36を介して正極53に吸蔵される。
In this secondary battery, at the time of charging, for example, lithium ions are released from the
このゲル状の電解質層36を備えた二次電池は、例えば、以下の3種類の手順により製造される。
The secondary battery provided with the
第1の製造方法では、最初に、第1の二次電池における正極21および負極22と同様の手順により、正極33および負極34を作製する。具体的には、正極集電体33Aの両面に正極活物質層33Bを形成して正極33を作製すると共に、負極集電体34Aの両面に負極活物質層34Bを形成して負極34を作製する。続いて、電解液、高分子化合物および溶剤を含む前駆溶液を調製して正極33および負極34に塗布したのち、その溶剤を揮発させてゲル状の電解質層36を形成する。続いて、正極集電体33Aに正極リード31を溶接などして取り付けると共に、負極集電体34Aに負極リード32を溶接などして取り付ける。続いて、電解質層36が形成された正極33と負極34とをセパレータ35を介して積層および巻回したのち、その最外周部に保護テープ37を接着させて、巻回電極体30を作製する。最後に、2枚のフィルム状の外装部材40の間に巻回電極体30を挟み込んだのち、その外装部材40の外縁部同士を熱融着などで接着させて、巻回電極体30を封入する。この際、正極リード31および負極リード32と外装部材40との間に、密着フィルム41を挿入する。これにより、図7および図8に示した二次電池が完成する。
In the first manufacturing method, first, the
第2の製造方法では、最初に、正極33に正極リード31を取り付けると共に、負極34に負極リード32を取り付ける。続いて、セパレータ35を介して正極33と負極34とを積層して巻回させたのち、その最外周部に保護テープ37を接着させて、巻回電極体30の前駆体である巻回体を作製する。続いて、2枚のフィルム状の外装部材40の間に巻回体を挟み込んだのち、一辺の外周縁部を除いた残りの外周縁部を熱融着などで接着させて、袋状の外装部材40の内部に巻回体を収納する。続いて、電解液と、高分子化合物の原料であるモノマーと、重合開始剤と、必要に応じて重合禁止剤などの他の材料とを含む電解質用組成物を調製して袋状の外装部材40の内部に注入したのち、その外装部材40の開口部を熱融着などで密封する。最後に、モノマーを熱重合させて高分子化合物とし、ゲル状の電解質層36を形成する。これにより、二次電池が完成する。
In the second manufacturing method, first, the
第3の製造方法では、最初に、高分子化合物が両面に塗布されたセパレータ35を用いることを除き、上記した第2の製造方法と同様に、巻回体を形成して袋状の外装部材40の内部に収納する。このセパレータ35に塗布する高分子化合物としては、例えば、フッ化ビニリデンを成分とする重合体(単独重合体、共重合体、あるいは多元共重合体など)が挙げられる。具体的には、ポリフッ化ビニリデンや、フッ化ビニリデンおよびヘキサフルオロプロピレンを成分とする二元系共重合体や、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレンおよびクロロトリフルオロエチレンを成分とする三元系共重合体などである。なお、高分子化合物は、上記したフッ化ビニリデンを成分とする重合体と共に、他の1種あるいは2種以上の高分子化合物を含んでいてもよい。続いて、電解液を調製して外装部材40の内部に注入したのち、その外装部材40の開口部を熱融着などで密封する。最後に、外装部材40に加重をかけながら加熱して、高分子化合物を介してセパレータ35を正極33および負極34に密着させる。これにより、電解液が高分子化合物に含浸し、その高分子化合物がゲル化して電解質層36が形成されるため、二次電池が完成する。
In the third manufacturing method, a wound body is formed by forming a wound body in the same manner as in the second manufacturing method described above except that the
この第3の製造方法では、第1の製造方法よりも電池膨れが抑制される。また、第3の製造方法では、第2の製造方法よりも高分子化合物の原料であるモノマーあるいは溶媒などが電解質層36中にほとんど残らず、しかも高分子化合物の形成工程が良好に制御される。このため、正極33、負極34およびセパレータ35と電解質層36との間において十分な密着性が得られる。
In the third manufacturing method, battery swelling is suppressed more than in the first manufacturing method. Further, in the third manufacturing method, almost no monomer or solvent, which is a raw material of the polymer compound, remains in the
この第3の二次電池によれば、負極34の容量がリチウムイオンの吸蔵および放出により表される場合において、電解質層36の電解液が上記したジカルボニル化合物を含んでいる。よって、第1の二次電池と同様の作用により、サイクル特性、保存特性および初回充放電特性を向上させることができる。この第3の二次電池に関する他の効果は、第1の二次電池と同様である。なお、第3の二次電池は、第1の二次電池と同様の構成を有している場合に限られず、第2の二次電池と同様の構成を有していてもよい。
According to the third secondary battery, when the capacity of the
本発明の具体的な実施例について、詳細に説明する。 Specific examples of the present invention will be described in detail.
(実験例1−1〜1−16)
以下の手順により、図7および図8に示したラミネートフィルム型のリチウムイオン二次電池を作製した。
(Experimental Examples 1-1 to 1-16)
The laminate film type lithium ion secondary battery shown in FIGS. 7 and 8 was produced by the following procedure.
まず、正極33を作製した。最初に、炭酸リチウム(Li2 CO3 )と炭酸コバルト(CoCO3 )とを0.5:1のモル比で混合したのち、空気中で900℃×5時間焼成してリチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2 )を得た。続いて、正極活物質としてリチウムコバルト複合酸化物91質量部と、正極導電剤としてグラファイト6質量部と、正極結着剤としてポリフッ化ビニリデン3質量部とを混合して、正極合剤とした。続いて、正極合剤をN−メチル−2−ピロリドンに分散させて、ペースト状の正極合剤スラリーとした。続いて、コーティング装置を用いて正極集電体33Aの両面に正極合剤スラリーを均一に塗布してから乾燥させて、正極活物質層33Bを形成した。この正極集電体33Aとしては、帯状のアルミニウム箔(厚さ=20μm)を用いた。最後に、ロールプレス機を用いて正極活物質層33Bを圧縮成型した。
First, the
次に、負極34を作製した。最初に、負極活物質として人造黒鉛90質量部と、負極結着剤としてポリフッ化ビニリデン10質量部とを混合して、負極合剤とした。続いて、負極合剤をN−メチル−2−ピロリドンに分散させて、ペースト状の負極合剤スラリーとした。続いて、コーティング装置を用いて負極集電体34Aの両面に負極合剤スラリーを均一に塗布してから乾燥させて、負極活物質層34Bを形成した。この負極集電体34Aとしては、帯状の電解銅箔(厚さ=15μm)を用いた。最後に、ロールプレス機を用いて負極活物質層34Bを圧縮成型した。
Next, the
次に、液状の電解質である電解液を調製した。最初に、溶媒として炭酸エチレン(EC)および炭酸ジエチル(DEC)と、他の溶媒としてジカルボニル化合物とを混合した。この場合には、ECおよびDECの混合比を重量比でEC:DEC=50:50とし、ジカルボニル化合物の種類および含有量を表1に示したように設定した。こののち、溶媒に電解質塩として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )を溶解させた。この場合には、電解質塩の含有量を溶媒に対して1mol/kgとした。 Next, an electrolytic solution that is a liquid electrolyte was prepared. First, ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) were mixed as a solvent, and a dicarbonyl compound was mixed as another solvent. In this case, the mixing ratio of EC and DEC was set to EC: DEC = 50: 50 by weight, and the type and content of the dicarbonyl compound were set as shown in Table 1. After that, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was dissolved in the solvent as an electrolyte salt. In this case, the content of the electrolyte salt was 1 mol / kg with respect to the solvent.
最後に、正極33および負極34と共に電解液を用いて二次電池を組み立てた。最初に、正極集電体33Aの一端にアルミニウム製の正極リード31を溶接すると共に、負極集電体34Aの一端にニッケル製の負極リード32を溶接した。続いて、正極33と、セパレータ35と、負極34と、セパレータ35とをこの順に積層してから長手方向に巻回させたのち、粘着テープからなる保護テープ37で巻き終わり部分を固定して、巻回電極体30の前駆体である巻回体を形成した。このセパレータ35としては、多孔性ポリプロピレンを主成分とするフィルムにより多孔性ポリエチレンを主成分とするフィルムが挟まれた3層構造体(厚さ=23μm)を用いた。続いて、外装部材40の間に巻回体を挟み込んだのち、一辺を除く外縁部同士を熱融着して、袋状の外装部材40の内部に巻回体を収納した。この外装部材40としては、外側から、ナイロンフィルム(厚さ=30μm)と、アルミニウム箔(厚さ=40μm)と、無延伸ポリプロピレンフィルム(厚さ=30μm)とが積層された3層構造のラミネートフィルム(総厚=100μm)を用いた。続いて、外装部材40の開口部から電解液を注入してセパレータ35に含浸させて、巻回電極体30を作製した。最後に、真空雰囲気中で外装部材40の開口部を熱融着して封止することにより、ラミネートフィルム型の二次電池が完成した。この二次電池を作製する場合には、正極活物質層33Bの厚さを調節して、満充電時において負極34にリチウム金属が析出しないようにした。
Finally, a secondary battery was assembled using the electrolytic solution together with the
(実験例1−17〜1−19)
表1に示したように、ジカルボニル化合物を用いなかったことを除き、実験例1−3と同様の手順を経た。
(Experimental Examples 1-17 to 1-19)
As shown in Table 1, the same procedure as in Experimental Example 1-3 was performed except that the dicarbonyl compound was not used.
これらの実験例1−1〜1−19の二次電池について、サイクル特性、保存特性および初回充放電特性を調べたところ、表1に示した結果が得られた。 For the secondary batteries of Examples 1-1 to 1-19, the cycle characteristics, the storage characteristics, and the initial charge / discharge characteristics were examined. The results shown in Table 1 were obtained.
サイクル特性を調べる場合には、最初に、23℃の雰囲気中で2サイクル充放電させて、2サイクル目の放電容量を測定した。続いて、同雰囲気中でサイクル数の合計が300サイクルとなるまで繰り返し充放電させて、300サイクル目の放電容量を測定した。最後に、サイクル維持率(%)=(300サイクル目の放電容量/2サイクル目の放電容量)×100を算出した。充電時には、0.2Cの電流で上限電圧4.2Vまで定電流定電圧充電した。放電時には、0.2Cの電流で終止電圧2.7Vまで定電流放電した。この「0.2C」とは、理論容量を5時間で放電しきる電流値である。 When examining the cycle characteristics, first, charging and discharging were performed for 2 cycles in an atmosphere at 23 ° C., and the discharge capacity at the second cycle was measured. Subsequently, the battery was repeatedly charged and discharged in the same atmosphere until the total number of cycles reached 300 cycles, and the discharge capacity at the 300th cycle was measured. Finally, the cycle retention ratio (%) = (discharge capacity at the 300th cycle / discharge capacity at the second cycle) × 100 was calculated. At the time of charging, constant current constant voltage charging was performed up to an upper limit voltage of 4.2 V with a current of 0.2C. At the time of discharge, constant current discharge was performed with a current of 0.2 C to a final voltage of 2.7 V. This “0.2 C” is a current value at which the theoretical capacity can be discharged in 5 hours.
保存特性を調べる場合には、最初に、23℃の雰囲気中で2サイクル充放電させて、保存前の放電容量を測定した。続いて、再度充電させた状態で80℃の恒温槽中に10日間保存したのち、23℃の雰囲気中で放電させて、保存後の放電容量を測定した。最後に、保存維持率(%)=(保存後の放電容量/保存前の放電容量)×100を算出した。充放電の条件は、サイクル特性を調べた場合と同様である。 When examining the storage characteristics, first, charging and discharging were performed for 2 cycles in an atmosphere at 23 ° C., and the discharge capacity before storage was measured. Subsequently, the battery was stored again in a constant temperature bath at 80 ° C. for 10 days while being charged again, and then discharged in an atmosphere at 23 ° C., and the discharge capacity after storage was measured. Finally, storage retention ratio (%) = (discharge capacity after storage / discharge capacity before storage) × 100 was calculated. The charge / discharge conditions are the same as in the case of examining the cycle characteristics.
初回充放電特性を調べる場合には、23℃の雰囲気中で1サイクル充放電させてから、引き続き充電させて充電容量を測定したのち、放電させて放電容量を測定した。こののち、初回効率(%)=(放電容量/充電容量)×100を算出した。充放電の条件は、サイクル特性を調べた場合と同様である。 When investigating the initial charge / discharge characteristics, the battery was charged and discharged for one cycle in an atmosphere at 23 ° C., then charged and measured for charge capacity, and then discharged and measured for discharge capacity. Thereafter, the initial efficiency (%) = (discharge capacity / charge capacity) × 100 was calculated. The charge / discharge conditions are the same as in the case of examining the cycle characteristics.
なお、上記したサイクル特性、保存特性および初回充放電特性を調べる場合の手順および条件は、以降においても、同様である。 The procedure and conditions for examining the above-described cycle characteristics, storage characteristics, and initial charge / discharge characteristics are the same in the following.
負極活物質として炭素材料(人造黒鉛)を用いた二次電池では、ジカルボニル化合物を用いると、それを用いない場合と比較して、高い初回効率を維持しつつ、サイクル維持率および保存維持率が高くなった。この場合には、ジカルボニル化合物の含有量が0.01重量%以上10重量%以下であれば、より良好な結果が得られた。これらのことから、本発明の二次電池では、負極活物質として人造黒鉛を用いた場合において、電解液の溶媒がジカルボニル化合物を含むことにより、サイクル特性、保存特性および初回充放電特性が向上する。 In a secondary battery using a carbon material (artificial graphite) as the negative electrode active material, the cycle maintenance rate and the storage maintenance rate are maintained when a dicarbonyl compound is used, while maintaining a high initial efficiency compared to the case where it is not used. Became high. In this case, better results were obtained when the content of the dicarbonyl compound was 0.01 wt% or more and 10 wt% or less. For these reasons, in the secondary battery of the present invention, when artificial graphite is used as the negative electrode active material, the cycle characteristics, storage characteristics, and initial charge / discharge characteristics are improved when the electrolyte solvent contains a dicarbonyl compound. To do.
(実験例2−1〜2−14)
表2に示したように、電解液における溶媒の組成を変更したことを除き、実験例1−3,1−17と同様の手順を経た。この場合には、溶媒として、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸エチルメチル(EMC)あるいは炭酸プロピレン(PC)を用いた。炭酸ビニレン(VC)、炭酸ビス(フルオロメチル)(DFDMC)、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(FEC)あるいはトランス−4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(DFEC)を用いた。プロペンスルトン(PRS)、無水スルホ安息香酸(SBAH)あるいは無水スルホプロピオン酸(SPAH)を用いた。この場合には、EC、PCおよびDECの混合比を重量比でEC:PC:DEC=10:20:70とした。VCおよびDFECの含有量を2重量%、DFDMCおよびFECの含有量を5重量%、PRS、SBAHおよびSPAHの含有量を1重量%とした。これらの実験例2−1〜2−14の二次電池についてサイクル特性および保存特性を調べたところ、表2に示した結果が得られた。
(Experimental examples 2-1 to 2-14)
As shown in Table 2, the same procedure as in Experimental Examples 1-3 and 1-17 was performed, except that the composition of the solvent in the electrolytic solution was changed. In this case, dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC) or propylene carbonate (PC) was used as a solvent. Vinylene carbonate (VC), bis (fluoromethyl) carbonate (DFDMC), 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one (FEC) or trans-4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one (DFEC) was used. Propene sultone (PRS), sulfobenzoic anhydride (SBAH) or sulfopropionic anhydride (SPAH) was used. In this case, the mixing ratio of EC, PC, and DEC was EC: PC: DEC = 10: 20: 70 by weight. The contents of VC and DFEC were 2% by weight, the contents of DFDMC and FEC were 5% by weight, and the contents of PRS, SBAH and SPAH were 1% by weight. When the cycle characteristics and storage characteristics of the secondary batteries of Examples 2-1 to 2-14 were examined, the results shown in Table 2 were obtained.
溶媒の組成を変更しても、表1と同様の結果が得られた。特に、VC等を加えると、それらを加えなかった場合と比較して、サイクル維持率および保存維持率が高くなった。これらのことから、負極活物質として人造黒鉛を用いた本発明の二次電池では、溶媒の組成を変更しても、サイクル特性および保存特性が向上する。また、溶媒として不飽和炭素結合環状炭酸エステル、ハロゲン化鎖状炭酸エステル、ハロゲン化環状炭酸エステル、スルトンあるいは酸無水物を用いれば、一連の特性がより向上する。 Even when the composition of the solvent was changed, the same results as in Table 1 were obtained. In particular, when VC or the like was added, the cycle maintenance rate and the storage maintenance rate were higher than when no VC was added. For these reasons, in the secondary battery of the present invention using artificial graphite as the negative electrode active material, cycle characteristics and storage characteristics are improved even if the composition of the solvent is changed. Further, if an unsaturated carbon bond cyclic carbonate, halogenated chain carbonate, halogenated cyclic carbonate, sultone or acid anhydride is used as a solvent, a series of characteristics are further improved.
(実験例3−1〜3−4)
表3に示したように、電解液における電解質塩の種類を変更したことを除き、実験例1−3と同様の手順を経た。この場合には、電解質塩として、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )、あるいは式(8−8)に示した(4,4,4−トリフルオロブチル酸オキサラト)ホウ酸リチウム(LiTFOB)を用いた。ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )2 :LiTFSI)、あるいはジフルオロリン酸リチウム(LiPF2 O2 )を用いた。また、LiPF6 の含有量を溶媒に対して0.9mol/kgとし、LiBF4 等の含有量を溶媒に対して0.1mol/kgとした。これらの実験例3−1〜3−4の二次電池についてサイクル特性および保存特性を調べたところ、表3に示した結果が得られた。
(Experimental examples 3-1 to 3-4)
As shown in Table 3, the same procedure as in Experimental Example 1-3 was performed except that the type of the electrolyte salt in the electrolytic solution was changed. In this case, lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) or (4,4,4-trifluorobutyrate oxalate) lithium borate (LiTFOB) represented by the formula (8-8) is used as an electrolyte salt. Using. Bis (trifluoromethanesulfonyl) imidolithium (LiN (CF 3 SO 2 ) 2 : LiTFSI) or lithium difluorophosphate (LiPF 2 O 2 ) was used. Further, the content of LiPF 6 was 0.9 mol / kg with respect to the solvent, and the content of LiBF 4 and the like was 0.1 mol / kg with respect to the solvent. When the cycle characteristics and storage characteristics of the secondary batteries of Examples 3-1 to 3-4 were examined, the results shown in Table 3 were obtained.
電解質塩の種類を変更しても、表1と同様の結果が得られた。これらのことから、負極活物質として人造黒鉛を用いた本発明の二次電池では、電解質塩の種類を変更しても、サイクル特性および保存特性が向上する。 Even when the type of the electrolyte salt was changed, the same results as in Table 1 were obtained. For these reasons, in the secondary battery of the present invention using artificial graphite as the negative electrode active material, cycle characteristics and storage characteristics are improved even if the type of electrolyte salt is changed.
(実験例4−1〜4−17)
負極活物質としてケイ素を用いて負極34を作製すると共に、表4に示したように他の溶媒の含有量を変更したことを除き、実験例1−1〜1−19と同様の手順を経た。負極34を作製する場合には、蒸着法(電子ビーム蒸着法)を用いて負極集電体34Aの表面にケイ素を堆積させて、複数の負極活物質粒子を含む負極活物質層34Bを形成した。この場合には、10回の堆積工程を繰り返して、負極活物質層22Bの総厚を6μmとした。これらの実験例4−1〜4−17の二次電池についてサイクル特性、保存特性および初回充放電特性を調べたところ、表4に示した結果が得られた。
(Experimental examples 4-1 to 4-17)
The
負極活物質として金属系材料(ケイ素)を用いた二次電池では、表1と同様の結果が得られた。すなわち、ジカルボニル化合物を用いると、それを用いない場合と比較して、高い初回効率を維持しつつ、サイクル維持率および保存維持率が高くなった。これらのことから、本発明の二次電池では、負極活物質としてケイ素を用いた場合において、電解液の溶媒がジカルボニル化合物を含むことにより、サイクル特性、保存特性および初回充放電特性が向上する。 In the secondary battery using a metal material (silicon) as the negative electrode active material, the same results as in Table 1 were obtained. That is, when the dicarbonyl compound was used, the cycle maintenance ratio and the storage maintenance ratio were increased while maintaining a high initial efficiency as compared with the case where it was not used. From these facts, in the secondary battery of the present invention, when silicon is used as the negative electrode active material, the cycle characteristics, the storage characteristics, and the initial charge / discharge characteristics are improved when the solvent of the electrolytic solution contains a dicarbonyl compound. .
(実験例5−1〜5−14)
表5に示したように、実験例4−1〜4−17と同様に負極活物質としてケイ素を用いたことを除き、実験例2−1〜2−14と同様の手順を経た。これらの実験例5−1〜5−14の二次電池についてサイクル特性および保存特性を調べたところ、表5に示した結果が得られた。
(Experimental examples 5-1 to 5-14)
As shown in Table 5, the same procedure as in Experimental Examples 2-1 to 2-14 was performed except that silicon was used as the negative electrode active material in the same manner as in Experimental Examples 4-1 to 4-17. When the cycle characteristics and the storage characteristics of the secondary batteries of Examples 5-1 to 5-14 were examined, the results shown in Table 5 were obtained.
溶媒の組成を変更しても、表4と同様の結果が得られた。これらのことから、負極活物質としてケイ素を用いた本発明の二次電池では、溶媒の組成を変更しても、サイクル特性および保存特性が向上する。 Even when the composition of the solvent was changed, the same results as in Table 4 were obtained. For these reasons, in the secondary battery of the present invention using silicon as the negative electrode active material, cycle characteristics and storage characteristics are improved even if the composition of the solvent is changed.
(実験例6−1〜6−4)
表6に示したように、実験例4−1〜4−17と同様に負極活物質としてケイ素を用いたことを除き、実験例3−1〜3−4と同様の手順を経た。これらの実験例6−1〜6−4の二次電池についてサイクル特性および保存特性を調べたところ、表6に示した結果が得られた。
(Experimental examples 6-1 to 6-4)
As shown in Table 6, the same procedure as in Experimental Examples 3-1 to 3-4 was performed except that silicon was used as the negative electrode active material in the same manner as in Experimental Examples 4-1 to 4-17. When the cycle characteristics and storage characteristics of the secondary batteries of Examples 6-1 to 6-4 were examined, the results shown in Table 6 were obtained.
電解質塩の種類を変更しても、表4と同様の結果が得られた。これらのことから、負極活物質としてケイ素を用いた本発明の二次電池では、電解質塩の種類を変更しても、サイクル特性および保存特性が向上する。 Even when the type of the electrolyte salt was changed, the same results as in Table 4 were obtained. For these reasons, in the secondary battery of the present invention using silicon as the negative electrode active material, the cycle characteristics and the storage characteristics are improved even if the type of the electrolyte salt is changed.
(実験例7−1〜7−6)
負極活物質としてSnCoC含有材料を用いて負極34を作製したことを除き、実験例4−3,5−7,4−15〜4−17,5−13と同様の手順を経た。
(Experimental examples 7-1 to 7-6)
A procedure similar to that in Experimental Examples 4-3, 5-7, 4-15 to 4-17, and 5-13 was performed except that the
負極34を作製する場合には、最初に、コバルト粉末およびスズ粉末を合金化してコバルト・スズ合金粉末としたのち、炭素粉末を加えて乾式混合した。続いて、伊藤製作所製の遊星ボールミルの反応容器中に、上記した混合物10gを直径9mmの鋼玉約400gと一緒にセットした。続いて、反応容器中をアルゴン雰囲気に置換したのち、毎分250回転の回転速度による10分間の運転と10分間の休止とを運転時間の合計が20時間になるまで繰り返した。続いて、反応容器を室温まで冷却してSnCoC含有材料を取り出したのち、280メッシュのふるいを通して粗粉を取り除いた。
In producing the
得られたSnCoC含有材料の組成を分析したところ、スズの含有量は49.5質量%、コバルトの含有量は29.7質量%、炭素の含有量は19.8質量%、スズおよびコバルトの割合(Co/(Sn+Co))は37.5質量%であった。この際、スズおよびコバルトの含有量については誘導結合プラズマ(Inductively Coupled Plasma:ICP)発光分析で測定し、炭素の含有量については炭素・硫黄分析装置で測定した。また、X線回折法によりSnCoC含有材料を分析したところ、2θ=20°〜50°の範囲に半値幅を有する回折ピークが観察された。さらに、XPSによりSnCoC含有材料を分析したところ、図9に示したように、ピークP1が得られた。このピークP1を解析すると、表面汚染炭素のピークP2と、それよりも低エネルギー側(284.5eVよりも低い領域)にSnCoC含有材料中におけるC1sのピークP3とが得られた。この結果から、SnCoC含有材料中の炭素は他の元素と結合していることが確認された。 When the composition of the obtained SnCoC-containing material was analyzed, the content of tin was 49.5% by mass, the content of cobalt was 29.7% by mass, the content of carbon was 19.8% by mass, the content of tin and cobalt The ratio (Co / (Sn + Co)) was 37.5% by mass. At this time, the tin and cobalt contents were measured by inductively coupled plasma (ICP) emission analysis, and the carbon content was measured by a carbon / sulfur analyzer. Further, when the SnCoC-containing material was analyzed by the X-ray diffraction method, a diffraction peak having a half width in the range of 2θ = 20 ° to 50 ° was observed. Further, when the SnCoC-containing material was analyzed by XPS, a peak P1 was obtained as shown in FIG. When this peak P1 was analyzed, a peak P2 of surface contamination carbon and a peak P3 of C1s in the SnCoC-containing material on the lower energy side (region lower than 284.5 eV) were obtained. From this result, it was confirmed that carbon in the SnCoC-containing material was bonded to other elements.
SnCoC含有材料を得たのち、負極活物質としてSnCoC含有材料80質量部と、負極結着剤としてポリフッ化ビニリデン8質量部と、負極導電剤としてグラファイト11質量部およびアセチレンブラック1質量部とを混合して、負極合剤とした。続いて、負極合剤をN−メチル−2−ピロリドンに分散させて、ペースト状の負極合剤スラリーとした。最後に、コーティング装置を用いて負極集電体22Aの両面に負極合剤スラリーを均一に塗布してから乾燥させて負極活物質層34Bを形成したのち、ロールプレス機を用いて塗膜を圧縮成型した。
After obtaining the SnCoC-containing material, 80 parts by mass of the SnCoC-containing material as the negative electrode active material, 8 parts by mass of polyvinylidene fluoride as the negative electrode binder, 11 parts by mass of graphite and 1 part by mass of acetylene black as the negative electrode conductive agent Thus, a negative electrode mixture was obtained. Subsequently, the negative electrode mixture was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone to obtain a paste-like negative electrode mixture slurry. Finally, the negative electrode mixture slurry is uniformly applied to both surfaces of the negative electrode
これらの実験例7−1〜7−6の二次電池についてサイクル特性、保存特性および初回充放電特性を調べたところ、表7に示した結果が得られた。 When the cycle characteristics, storage characteristics, and initial charge / discharge characteristics of the secondary batteries of Experimental Examples 7-1 to 7-6 were examined, the results shown in Table 7 were obtained.
負極活物質として金属系材料(SnCoC含有材料)を用いた二次電池では、表4と同様の結果が得られた。すなわち、ジカルボニル化合物を用いると、それを用いた場合と比較して、高い初回効率を維持しつつ、サイクル維持率および保存維持率が高くなった。これらのことから、本発明の二次電池では、負極活物質としてSnCoC含有材料を用いた場合において、電解液の溶媒がジカルボニル化合物を含むことにより、サイクル特性、保存特性および初回充放電特性が向上する。 In the secondary battery using a metal-based material (SnCoC-containing material) as the negative electrode active material, the same results as in Table 4 were obtained. That is, when the dicarbonyl compound was used, the cycle maintenance ratio and the storage maintenance ratio were increased while maintaining a high initial efficiency as compared with the case where it was used. Therefore, in the secondary battery of the present invention, when the SnCoC-containing material is used as the negative electrode active material, the cycle characteristics, the storage characteristics, and the initial charge / discharge characteristics are improved because the solvent of the electrolytic solution contains a dicarbonyl compound. improves.
(実験例8−1〜8−10)
表8に示したように、酸化物含有膜および金属材料の双方あるいはいずれか一方を形成したことを除き、実験例4−3,5−7,5−8,4−15〜4−17,5−13,5−14と同様の手順を経た。
(Experimental examples 8-1 to 8-10)
As shown in Table 8, Experimental Examples 4-3, 5-7, 5-8, 4-15 to 4-17, except that both or one of the oxide-containing film and the metal material was formed. The same procedure as 5-13 and 5-14 was performed.
酸化物含有膜を形成する場合には、最初に、4−1〜4−17と同様の手順により、複数の負極活物質粒子を形成した。こののち、液相析出法を用いて負極活物質粒子の表面にケイ素の酸化物(SiO2 )を析出させた。この場合には、ケイフッ化水素酸にアニオン補足剤としてホウ素を溶解させた溶液中に、負極活物質粒子が形成された負極集電体34Aを3時間浸積し、その負極活物質粒子の表面にケイ素の酸化物を析出させたのち、水洗してから減圧乾燥した。
In the case of forming the oxide-containing film, first, a plurality of negative electrode active material particles were formed by the same procedure as in 4-1 to 4-17. Thereafter, a silicon oxide (SiO 2 ) was deposited on the surface of the negative electrode active material particles by using a liquid phase deposition method. In this case, the negative electrode
金属材料を形成する場合には、電解鍍金法を用いて、鍍金浴にエアーを供給しながら通電して、負極活物質粒子間の隙間等にコバルト(Co)の鍍金膜を成長させた。この場合には、鍍金液として日本高純度化学株式会社製のコバルト鍍金液を用いると共に、電流密度を2A/dm2 〜5A/dm2 、鍍金速度を10nm/秒とした。 In the case of forming a metal material, an electrolytic plating method was used to energize while supplying air to the plating bath, and a cobalt (Co) plating film was grown in the gaps between the negative electrode active material particles. In this case, a cobalt plating solution manufactured by Japan High-Purity Chemical Co., Ltd. was used as the plating solution, the current density was 2 A / dm 2 to 5 A / dm 2 , and the plating rate was 10 nm / second.
これらの実施例8−1〜8−10の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表8に示した結果が得られた。 When the cycle characteristics of the secondary batteries of Examples 8-1 to 8-10 were examined, the results shown in Table 8 were obtained.
酸化物含有膜および金属材料を形成しても、表4と同様の結果が得られた。特に、酸化物含有膜および金属材料の双方を形成すると、いずれか一方だけを形成した場合と比較して、サイクル維持率が高くなった。また、酸化物含有膜だけを形成すると、金属材料だけを形成した場合と比較して、サイクル維持率が高くなった。これらのことから、本発明の二次電池では、酸化物含有膜および金属材料を形成すれば、サイクル特性がより向上する。 Even when the oxide-containing film and the metal material were formed, the same results as in Table 4 were obtained. In particular, when both the oxide-containing film and the metal material were formed, the cycle retention rate was higher than when only one of them was formed. In addition, when only the oxide-containing film was formed, the cycle retention rate was higher than when only the metal material was formed. For these reasons, in the secondary battery of the present invention, if the oxide-containing film and the metal material are formed, the cycle characteristics are further improved.
上記した表1〜表8の結果から、本発明の二次電池では、電解液の溶媒がジカルボニル化合物を含んでいる。このため、負極活物質の種類、溶媒の組成、電解質塩の種類、あるいは酸化物含有膜および金属材料の有無などに依存せずに、サイクル特性、保存特性および初回充放電特性が向上する。 From the results shown in Tables 1 to 8, in the secondary battery of the present invention, the solvent of the electrolytic solution contains a dicarbonyl compound. Therefore, cycle characteristics, storage characteristics, and initial charge / discharge characteristics are improved without depending on the type of the negative electrode active material, the composition of the solvent, the type of electrolyte salt, or the presence or absence of the oxide-containing film and the metal material.
この場合には、負極活物質として炭素材料(人造黒鉛)を用いた場合よりも金属系材料(ケイ素あるいはSnCoC含有材料)を用いた場合において、サイクル維持率および保存維持率の増加率が大きくなった。このことから、前者の場合よりも後者の場合において、より高い効果を得ることができる。この結果は、負極活物質として高容量化に有利な金属系材料を用いると、炭素材料を用いる場合よりも電解液が分解しやすくなるため、電解液の分解抑制効果が際立って発揮されたものと考えられる。 In this case, when the metal material (silicon or SnCoC-containing material) is used as compared with the case where the carbon material (artificial graphite) is used as the negative electrode active material, the increase rate of the cycle maintenance rate and the storage maintenance rate is increased. It was. Therefore, a higher effect can be obtained in the latter case than in the former case. This result shows that the use of a metal material that is advantageous for increasing the capacity as the negative electrode active material makes the electrolyte solution more easily decomposed than when a carbon material is used. it is conceivable that.
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で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、本発明のジカルボニル化合物の使用用途は、必ずしも二次電池に限らず、他の電気化学デバイスでよい。他の用途としては、例えば、キャパシタなどが挙げられる。 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, the use application of the dicarbonyl compound of the present invention is not necessarily limited to the secondary battery, but may be other electrochemical devices. Other applications include, for example, capacitors.
また、上記した実施の形態および実施例では、二次電池の種類としてリチウムイオン二次電池あるは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。本発明の二次電池は、負極の容量がリチウムイオンの吸蔵および放出による容量とリチウム金属の析出および溶解に伴う容量とを含み、かつ、それらの容量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。この場合には、負極活物質として、リチウムイオンを吸蔵および放出することが可能な負極材料が用いられると共に、負極材料の充電可能な容量は、正極の放電容量よりも小さくなるように設定される。 In the above-described embodiments and examples, the lithium ion secondary battery or the lithium metal secondary battery has been described as the type of the secondary battery, but is not necessarily limited thereto. The secondary battery of the present invention also includes a secondary battery in which the capacity of the negative electrode includes a capacity due to insertion and extraction of lithium ions and a capacity due to precipitation and dissolution of lithium metal, and is represented by the sum of these capacities. , As well as applicable. In this case, a negative electrode material capable of inserting and extracting lithium ions is used as the negative electrode active material, and the chargeable capacity of the negative electrode material is set to be smaller than the discharge capacity of the positive electrode. .
また、上記した実施の形態および実施例では、電池構造が円筒型あるいはラミネートフィルム型である場合、ならびに電池素子が巻回構造を有する場合を例に挙げて説明したが、必ずしもこれに限られない。本発明の二次電池は、角型、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場合や、電池素子が積層構造などの他の構造を有する場合についても、同様に適用可能である。 In the above-described embodiments and examples, the case where the battery structure is a cylindrical type or a laminate film type and the case where the battery element has a winding structure have been described as examples, but the present invention is not necessarily limited thereto. . The secondary battery of the present invention can be similarly applied to a case where it has another battery structure such as a square shape, a coin shape or a button shape, and a case where the battery element has another structure such as a laminated structure.
また、上記した実施の形態および実施例では、電極反応物質の元素としてリチウムを用いる場合について説明したが、必ずしもこれに限られない。電極反応物質の元素は、例えば、ナトリウム(Na)あるいはカリウム(K)などの他の1族元素や、マグネシウムあるいはカルシウムなどの2族元素や、アルミニウムなどの他の軽金属でもよい。本発明の効果は、電極反応物質の元素の種類に依存せずに得られるはずであるため、その種類を変更しても、同様の効果を得ることができる。 In the above-described embodiments and examples, the case where lithium is used as the element of the electrode reactant is described, but the present invention is not necessarily limited thereto. The element of the electrode reactant may be, for example, another group 1 element such as sodium (Na) or potassium (K), a group 2 element such as magnesium or calcium, or another light metal such as aluminum. Since the effect of the present invention should be obtained without depending on the element type of the electrode reactant, the same effect can be obtained even if the type is changed.
また、上記した実施の形態および実施例では、ジカルボニル化合物の含有量について、実施例の結果から導き出された適正範囲を説明しているが、その説明は、含有量が上記した範囲外となる可能性を完全に否定するものではない。すなわち、上記した適正範囲は、あくまで本発明の効果を得る上で特に好ましい範囲であるため、本発明の効果が得られるのであれば、上記した範囲から含有量が多少外れてもよい。 In the above-described embodiments and examples, the appropriate range derived from the results of the examples is described for the content of the dicarbonyl compound, but the description is outside the above-described range. The possibility is not completely denied. In other words, the appropriate range described above is a particularly preferable range for obtaining the effects of the present invention. Therefore, as long as the effects of the present invention can be obtained, the content may slightly deviate from the above ranges.
また、上記した実施の形態および実施例では、ジカルボニル化合物の構造について、一般式である式(1)を挙げて説明しているが、そのジカルボニル化合物の構造は、式(1)から外れる可能性を完全に否定するものではない。すなわち、式(1)は、あくまで本発明の効果を得る上で特に好ましい構造を表したものであるため、本発明の作用および効果が得られるのであれば、ジカルボニル化合物の構造は式(1)から多少外れてもよい。より具体的には、ジカルボニル化合物は、式(1)に示した構造に1あるいは2以上の置換基などが導入された誘導体でもよい。 In the above-described embodiments and examples, the structure of the dicarbonyl compound is described with reference to the general formula (1), but the structure of the dicarbonyl compound deviates from the formula (1). The possibility is not completely denied. That is, since the formula (1) represents a particularly preferable structure for obtaining the effects of the present invention, the structure of the dicarbonyl compound can be represented by the formula (1) as long as the functions and effects of the present invention can be obtained. ) May be slightly off. More specifically, the dicarbonyl compound may be a derivative in which one or two or more substituents are introduced into the structure represented by the formula (1).
11…電池缶、12,13…絶縁板、14…電池蓋、15…安全弁機構、15A…ディスク板、16…熱感抵抗素子、17…ガスケット、20,30…巻回電極体、21,33…正極、21A,33A…正極集電体、21B,33B…正極活物質層、22,34…負極、22A,34A…負極集電体、22B,34B…負極活物質層、23,35…セパレータ、24…センターピン、25,31…正極リード、26,32…負極リード、36…電解質、37…保護テープ、40…外装部材、41…密着フィルム、221…負極活物質粒子、222…酸化物含有膜、224(224A,224B)…隙間、225…空隙、226…金属材料。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Battery can, 12, 13 ... Insulation board, 14 ... Battery cover, 15 ... Safety valve mechanism, 15A ... Disc board, 16 ... Heat sensitive resistance element, 17 ... Gasket, 20, 30 ... Winding electrode body, 21, 33 ... Positive electrode, 21A, 33A ... Positive electrode current collector, 21B, 33B ... Positive electrode active material layer, 22, 34 ... Negative electrode, 22A, 34A ... Negative electrode current collector, 22B, 34B ... Negative electrode active material layer, 23, 35 ... Separator 24 ... Center pin, 25, 31 ... Positive electrode lead, 26, 32 ... Negative electrode lead, 36 ... Electrolyte, 37 ... Protective tape, 40 ... Exterior member, 41 ... Adhesive film, 221 ... Negative electrode active material particle, 222 ... Oxide Containing film, 224 (224A, 224B) ... gap, 225 ... gap, 226 ... metal material.
Claims (16)
前記SnCoC含有材料において、炭素の含有量は9.9質量%以上29.7質量%以下、スズおよびコバルトの割合(Co/(Sn+Co))は20質量%以上70質量%以下であると共に、X線回折により得られる回折ピークの半値幅は1.0°以上である、請求項8記載の二次電池。 The material containing at least one of silicon and tin as a constituent element is a simple substance of silicon or a SnCoC-containing material containing tin, cobalt (Co), and carbon (C) as constituent elements,
In the SnCoC-containing material, the carbon content is 9.9 mass% to 29.7 mass%, the ratio of tin and cobalt (Co / (Sn + Co)) is 20 mass% to 70 mass%, and X The secondary battery according to claim 8, wherein a half width of a diffraction peak obtained by line diffraction is 1.0 ° or more.
LiN(Cm F2m+1SO2 )(Cn F2n+1 SO2 ) …(10)
(mおよびnは1以上の整数である。)
LiC(Cp F2p+1SO2 )(Cq F2q+1 SO2 )(Cr F2r+1 SO2 ) …(12)
(p、qおよびrは1以上の整数である。) The electrolyte salt includes lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluoroarsenate (LiAsF 6 ), and a formula ( The secondary battery according to claim 1, comprising at least one of compounds represented by 7) to formula (12).
LiN (C m F 2m + 1 SO 2) (C n F 2n + 1 SO 2) ... (10)
(M and n are integers of 1 or more.)
LiC (C p F 2p + 1 SO 2 ) (C q F 2q + 1 SO 2 ) (C r F 2r + 1 SO 2 ) (12)
(P, q and r are integers of 1 or more.)
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