JP2018063920A - Negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery, and nonaqueous electrolyte secondary battery arranged by use thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非水電解質二次電池用負極及びこれを用いた非水電解質二次電池に関する。本発明に係る非水電解質二次電池用負極及びこれを用いた非水電解質二次電池は、例えば、次世代エコカーである電気自動車(EV)、燃料電池車(FCV)、エタノールFCV、プラグインFCV、プラグインハイブリッド車(PHV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)、プラグインハイブリッド電気自動車(PHEV)等の車両のモータ等の駆動用電源や補助電源に用いられる。 The present invention relates to a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery and a non-aqueous electrolyte secondary battery using the same. The negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery and the non-aqueous electrolyte secondary battery using the same according to the present invention include, for example, an electric vehicle (EV), a fuel cell vehicle (FCV), an ethanol FCV, and a plug-in that are next-generation eco cars. It is used as a driving power source or auxiliary power source for motors of vehicles such as FCV, plug-in hybrid vehicle (PHV), hybrid electric vehicle (HEV), plug-in hybrid electric vehicle (PHEV).
近年、地球温暖化に対処するために二酸化炭素量を低減することが求められている。そこで、環境負荷の少ない非水電解質二次電池は、携帯機器等だけでなく、EV、FCV、エタノールFCV、プラグインFCV、PHV、HEVおよびPHEV等の電動車両の電源装置にも利用されつつある。電動車両への適用を指向したリチウムイオン二次電池は、大容量かつ大面積であることが求められる。 In recent years, it has been required to reduce the amount of carbon dioxide in order to cope with global warming. Therefore, non-aqueous electrolyte secondary batteries with a low environmental load are being used not only for portable devices but also for power supply devices for electric vehicles such as EV, FCV, ethanol FCV, plug-in FCV, PHV, HEV, and PHEV. . A lithium ion secondary battery directed to application to an electric vehicle is required to have a large capacity and a large area.
近年、地球温暖化に対処するために二酸化炭素量を低減することが求められている。そこで、環境負荷の少ない非水電解質二次電池は、携帯機器等だけでなく、ハイブリッド自動車(HEV)、電気自動車(EV)、および燃料電池自動車等の電動車両の電源装置にも利用されつつある。電動車両への適用を指向したリチウムイオン二次電池は、大容量(高容量)かつ大面積であることが求められる。 In recent years, it has been required to reduce the amount of carbon dioxide in order to cope with global warming. Thus, non-aqueous electrolyte secondary batteries with a low environmental load are being used not only for portable devices, but also for power supply devices for electric vehicles such as hybrid vehicles (HEV), electric vehicles (EV), and fuel cell vehicles. . Lithium ion secondary batteries intended for application to electric vehicles are required to have a large capacity (high capacity) and a large area.
従来、リチウムイオン二次電池の負極には充放電サイクルの寿命やコスト面で有利な黒鉛などの炭素材料が負極活物質として用いられてきた。しかし、黒鉛などの炭素材料を用いた負極活物質ではリチウムイオンの黒鉛結晶中への吸蔵・放出により充放電がなされるため、最大リチウム導入化合物であるLiC6から得られる理論容量372mAh/g以上の充放電容量が得られないという欠点がある。このため、黒鉛などの炭素材料を用いた負極活物質のみで車両用途の実用化レベルを満足する容量、エネルギー密度を得るのは困難である。 Conventionally, carbon materials such as graphite, which are advantageous in terms of charge / discharge cycle life and cost, have been used as negative electrode active materials for negative electrodes of lithium ion secondary batteries. However, in a negative electrode active material using a carbon material such as graphite, charging and discharging are performed by occlusion / release of lithium ions into a graphite crystal. Therefore, a theoretical capacity of 372 mAh / g or more obtained from LiC 6 which is the maximum lithium introduction compound There is a disadvantage that the charge / discharge capacity cannot be obtained. For this reason, it is difficult to obtain a capacity and an energy density that satisfy a practical level for vehicle use only with a negative electrode active material using a carbon material such as graphite.
これに対し、負極活物質にLiと合金化する材料を用いた電池は、従来の黒鉛などの炭素材料を用いた電池と比較しエネルギー密度が向上するため、車両用途における負極活物質材料として期待されている。例えば、Si材料は、充放電において1molあたり3.75molのリチウムイオンを吸蔵放出し、Li15Si4(=Li3.75Si)においては理論容量3600mAh/gである。 In contrast, a battery using a material that is alloyed with Li as a negative electrode active material has higher energy density than a battery using a carbon material such as conventional graphite, and thus is expected as a negative electrode active material for vehicle applications. Has been. For example, the Si material occludes and releases 3.75 mol of lithium ions per mol in charge and discharge, and has a theoretical capacity of 3600 mAh / g in Li 15 Si 4 (= Li 3.75 Si).
しかしながら、負極にLiと合金化する材料、特にSi材料を用いたリチウムイオン二次電池は、充放電時の負極での膨張収縮が大きい。例えば、Liイオンを吸蔵した場合の体積膨張は、黒鉛材料では約1.2倍であるのに対し、Si材料ではSiとLiが合金化する際、アモルファス状態から結晶状態へ転移し約4倍の大きな体積変化を起こすため、電極のサイクル寿命を低下させる問題があった。また、Si材料を用いた負極活物質の場合、容量とサイクル耐久性はトレードオフの関係であり、高容量を示しつつサイクル耐久性を向上させることが困難であるといった問題があった。 However, a lithium ion secondary battery using a material that is alloyed with Li for the negative electrode, particularly a Si material, has a large expansion and contraction in the negative electrode during charge and discharge. For example, when Li ions are occluded, the volume expansion is about 1.2 times in the case of graphite material, whereas in the case of Si material, when Si and Li are alloyed, the transition from the amorphous state to the crystalline state is about 4 times. Therefore, there is a problem in that the cycle life of the electrode is reduced. In the case of a negative electrode active material using Si material, the capacity and cycle durability are in a trade-off relationship, and there is a problem that it is difficult to improve the cycle durability while exhibiting a high capacity.
こうした問題を解決すべく、例えば、式;SixMyAlzを有するアモルファスSi合金を含む、リチウムイオン二次電池用の負極活物質が提案されている。ここで、式中x、y、zは原子パーセント値を表し、x+y+z=100、x≧55、y<22、z>0、Mは、Mn、Mo、Nb、W、Ta、Fe、Cu、Ti、V、Cr、Ni、Co、Zr、及びYの少なくとも1種からなる金属である。かかるアモルファスSi合金を含むリチウムイオン二次電池用負極活物質では、金属Mの含有量を最小限にすることで、高容量の他に、良好なサイクル寿命を示すことが記載されている。また、膨張の小さい黒鉛材料を混合することによって、良好なサイクル寿命を示すことが記載されている。 In order to solve these problems, for example, a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery has been proposed, which includes an amorphous Si alloy having the formula: Si x M y Al z . Here, x, y, and z in the formula represent atomic percentage values, and x + y + z = 100, x ≧ 55, y <22, z> 0, M represents Mn, Mo, Nb, W, Ta, Fe, Cu, It is a metal composed of at least one of Ti, V, Cr, Ni, Co, Zr, and Y. It is described that the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery containing such an amorphous Si alloy exhibits a good cycle life in addition to a high capacity by minimizing the content of the metal M. Further, it is described that a good cycle life is exhibited by mixing a graphite material having a small expansion.
しかしながら、上記に記載のSiを含む合金(Si合金)を用いた技術、更にはSi合金と黒鉛材料を混合した技術によってもなお、十分な充放電サイクル特性が達成されないことを見出した。即ち、上記に記載の技術では、Si合金材料の大きな体積変化によって、Si合金を含む負極活物質層も大きな体積変化を起こし、活物質層と集電体の界面において剥離を起こし、電気的なネットワークを失い、サイクル耐久性を低下させる問題があった。 However, it has been found that sufficient charge / discharge cycle characteristics cannot be achieved even by the technique using the above-described alloy containing Si (Si alloy), and also by the technique of mixing the Si alloy and the graphite material. That is, in the technique described above, due to the large volume change of the Si alloy material, the negative electrode active material layer containing the Si alloy also causes a large volume change, causing separation at the interface between the active material layer and the current collector, and There was a problem of losing the network and reducing cycle durability.
この問題を解決すべく、例えば集電体付近に体積変化の小さい黒鉛層を配置し、その上にSiを含む合材層を配置することで、活物質層と集電体の界面における剥離を抑制する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In order to solve this problem, for example, a graphite layer having a small volume change is disposed near the current collector, and a composite material layer containing Si is disposed on the graphite layer, thereby peeling at the interface between the active material layer and the current collector. A suppression method has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
本発明者らの検討によれば、特許文献2に記載の技術によってもなお、十分な充放電サイクル特性が達成されないことが見出された。そして、この方法においては、活物質層と集電体の界面における剥離は抑制できるが、黒鉛層とSiを含む合材層の体積変化が大きく異なるため、黒鉛層とSiを含む合材層の界面に剥離が生じ、サイクル耐久性を低下させることがわかった。 According to the study by the present inventors, it has been found that sufficient charge / discharge cycle characteristics cannot be achieved even by the technique described in Patent Document 2. In this method, peeling at the interface between the active material layer and the current collector can be suppressed, but the volume change of the graphite layer and the composite layer containing Si is greatly different. It was found that peeling occurred at the interface and the cycle durability was lowered.
そこで、本発明は、非水電解質二次電池において、高容量を維持しつつ、十分な充放電サイクル特性を達成しうる手段(特に非水電解質二次電池用負極)を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide means (particularly, a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery) capable of achieving sufficient charge / discharge cycle characteristics while maintaining a high capacity in a non-aqueous electrolyte secondary battery. To do.
本発明者らは、活物質としてSi材料と炭素材料を含む非水電解質二次電池用負極において、炭素材料とSi材料の混合率を制御し、集電体側から正極対向側にかけてSi材料の量を徐々に増やした活物質層を用いることで、上記課題が解決されうることを見出した。かかる知見により、本発明を完成させるに至った。 In the negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery containing an Si material and a carbon material as active materials, the present inventors control the mixing ratio of the carbon material and the Si material, and the amount of the Si material from the current collector side to the positive electrode facing side. It has been found that the above-mentioned problem can be solved by using an active material layer in which the number of particles is gradually increased. This knowledge has led to the completion of the present invention.
本発明は、活物質としてSi材料及び炭素材料を含み、活物質層のSi材料の含量α、炭素材料の含量β(質量%)としたとき、炭素材料とSi材料の混合率を80≦α+β≦98、0.1≦α≦40、58≦β≦97.9を満足するように制御してなる負極である。上記要件に加え、厚み方向で活物質層断面を均等に3分割した際に、各分割された面積内におけるSi材料の面積が集電体側から正極対向面側にかけて1%以上12%以下ずつ増加してなる負極を提供する。 In the present invention, the Si material and the carbon material are included as the active material, and when the Si material content α and the carbon material content β (mass%) of the active material layer are set, the mixing ratio of the carbon material and the Si material is 80 ≦ α + β. The negative electrode is controlled to satisfy ≦ 98, 0.1 ≦ α ≦ 40, and 58 ≦ β ≦ 97.9. In addition to the above requirements, when the active material layer cross section is equally divided into three in the thickness direction, the area of the Si material within each divided area increases by 1% or more and 12% or less from the current collector side to the positive electrode facing surface side. A negative electrode is provided.
本発明では、Si材料の混合比率が集電体側から正極対向面側にかけて適量ずつ増加する傾斜電極とすることで、集電体付近に体積変化の大きいSi材料が少ないために、集電体へのダメージや活物質層の剥離が軽減される。その結果、充放電過程において電子導電性が維持されることにより、高容量を維持し、放電容量維持率を大幅に改善することができ、容量とサイクル耐久性の両立を図ることができる。 In the present invention, by using an inclined electrode in which the mixing ratio of the Si material increases by an appropriate amount from the current collector side to the positive electrode facing surface side, since there is little Si material having a large volume change in the vicinity of the current collector, Damage and active material layer peeling are reduced. As a result, by maintaining the electronic conductivity in the charge / discharge process, the high capacity can be maintained, the discharge capacity maintenance rate can be greatly improved, and both capacity and cycle durability can be achieved.
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.
本発明の一形態によれば、集電体と、前記集電体の表面に配置された負極活物質を含む負極活物質層とを有する非水電解質二次電池用負極であって、
前記負極活物質層が、下記式(1)
According to one aspect of the present invention, a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery having a current collector and a negative electrode active material layer including a negative electrode active material disposed on a surface of the current collector,
The negative electrode active material layer has the following formula (1)
(式中、Si材料は、Siを含有する合金からなる材料であり、αおよびβは負極活物質層における各成分の質量%を表し、80≦α+β≦98、0.1≦α≦40、58≦β≦97.9である。)で表される負極活物質を含有し、負極面内における任意の場所を選択した場合において、電極厚み方向で負極活物質層断面を均等に3分割した際に、各分割された面積内における前記Si材料の面積が、前記集電体側から正極対向面(表面)側にかけて、1%以上12%以下ずつ増加していることを特徴とする非水電解質二次電池用負極が提供される。また、本発明の一形態によれば、(a)前記負極と、(b)集電体と、前記集電体の表面に配置された正極活物質を含む正極活物質層とを有する正極と、(c)セパレータと、を含む発電要素を有することを特徴とする非水電解質二次電池が提供される。本形態では、こうした構成を有することにより、上記発明の効果を有効に発現することができる。 (In the formula, the Si material is a material made of an alloy containing Si, α and β represent mass% of each component in the negative electrode active material layer, and 80 ≦ α + β ≦ 98, 0.1 ≦ α ≦ 40, 58 ≦ β ≦ 97.9)), and when an arbitrary place in the negative electrode surface is selected, the cross section of the negative electrode active material layer is equally divided into three in the electrode thickness direction. The non-aqueous electrolyte is characterized in that the area of the Si material in each divided area increases from 1% to 12% from the current collector side to the positive electrode facing surface (surface) side. A negative electrode for a secondary battery is provided. Moreover, according to one form of this invention, the positive electrode which has (a) the said negative electrode, (b) current collector, and the positive electrode active material layer containing the positive electrode active material arrange | positioned on the surface of the said current collector, And (c) a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a power generation element including a separator. In this embodiment, by having such a configuration, the effects of the above invention can be effectively expressed.
なぜ、本発明の非水電解質二次電池用負極及びこれを用いた非水電解質二次電池により上記効果が得られるのか、詳細は不明であるが、下記のような作用メカニズム(作用機序)が考えられる。なお、下記の作用メカニズムは推測によるものであり、本発明は下記作用メカニズムに何ら限定されるものではない。 The details of the reason why the above effect can be obtained by the negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention and the non-aqueous electrolyte secondary battery using the same are unknown, but the following action mechanism (mechanism of action) is as follows. Can be considered. The following mechanism of action is speculated, and the present invention is not limited to the following mechanism of action.
本形態の負極では、Si材料の混合比率が集電体から正極対向側にかけて適量ずつ増加する傾斜電極とすることで、高容量を維持し、十分な充放電サイクル特性を発現できる。その結果、容量とサイクル耐久性の両立を図ることができる。その作用メカニズムは明らかではないが、本形態の傾斜電極では、傾斜のない(Si材料の混合比率が集電体から正極対向側にかけて増加も減少もない)電極(既存の通常電極)に比して、集電体付近に体積変化の大きいSi合金材料が少ない構成(構造)となる。そのため集電体へのダメージや活物質層の剥離が軽減され、充放電過程において電子導電性が維持されることで、高容量を維持しつつ、放電容量維持率が大幅に改善できるものと考えられる。これに対し、Si合金の混合比率が集電体から正極対向側にかけて減少する傾斜電極(逆傾斜電極)においては、集電体付近に体積変化の大きいSi合金材料が多い構成(構造)となる。そのため集電体付近で活物質層の剥離や集電体の変形を引き起こし、活物質の脱落が大きく、サイクル耐久性が低下するものと考えられる。また、Si材料の混合比率が集電体から正極対向側にかけて12%を超える傾斜電極(傾斜過多電極)においては、Si材料の混合比率の増加率が高すぎる構成(構造)となる。そのため電極厚み方向に3分割した各ブロックにおける体積変化率が大きすぎるために、ブロック間(とりわけ、増加率が大きく異なる領域間の境界付近)で剥離が生じてしまい、サイクル耐久性が低下するものと考えられる。 In the negative electrode of this embodiment, a high capacity can be maintained and sufficient charge / discharge cycle characteristics can be exhibited by using an inclined electrode in which the mixing ratio of the Si material is increased by an appropriate amount from the current collector to the positive electrode facing side. As a result, both capacity and cycle durability can be achieved. The mechanism of its action is not clear, but the tilted electrode of this embodiment is not tilted (the Si material mixing ratio does not increase or decrease from the current collector to the side facing the positive electrode) compared to an electrode (existing normal electrode). Thus, the structure (structure) is small in the amount of Si alloy material having a large volume change near the current collector. As a result, damage to the current collector and separation of the active material layer are reduced, and by maintaining electronic conductivity during the charge / discharge process, the discharge capacity maintenance rate can be significantly improved while maintaining high capacity. It is done. In contrast, an inclined electrode (reverse inclined electrode) in which the mixing ratio of the Si alloy decreases from the current collector to the positive electrode facing side has a configuration (structure) with a large volume of Si alloy material having a large volume change near the current collector. . Therefore, it is considered that the active material layer is peeled off or the current collector is deformed in the vicinity of the current collector, the active material is largely removed, and the cycle durability is lowered. In addition, in an inclined electrode (inclined excessive electrode) in which the mixing ratio of the Si material exceeds 12% from the current collector to the positive electrode facing side, the increase rate of the mixing ratio of the Si material is too high (structure). Therefore, since the volume change rate in each block divided into three in the electrode thickness direction is too large, separation occurs between the blocks (especially, near the boundary between regions where the increase rate is greatly different), resulting in reduced cycle durability. it is conceivable that.
以下、本発明に係る非水電解質二次電池用負極を用いた非水電解質二次電池の基本的な構成を説明する。本実施形態では、リチウムイオン二次電池を例示して説明する。 Hereinafter, a basic configuration of a non-aqueous electrolyte secondary battery using the negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention will be described. In the present embodiment, a lithium ion secondary battery will be described as an example.
まず、本実施形態のリチウムイオン二次電池では、セル(単電池層)の電圧が大きく、高エネルギー密度、高出力密度が達成できる。そのため本実施形態のリチウムイオン二次電池は、車両の駆動電源用や補助電源用として優れている。その結果、車両の駆動電源用等のリチウムイオン二次電池として好適に利用できる。このほかにも、携帯電話などの携帯機器向けのリチウムイオン二次電池にも十分に適用可能である。 First, in the lithium ion secondary battery of this embodiment, the voltage of the cell (single cell layer) is large, and high energy density and high output density can be achieved. Therefore, the lithium ion secondary battery of the present embodiment is excellent as a vehicle driving power source or an auxiliary power source. As a result, it can be suitably used as a lithium ion secondary battery for a vehicle driving power source or the like. In addition to this, the present invention can be sufficiently applied to lithium ion secondary batteries for portable devices such as mobile phones.
上記リチウムイオン二次電池を形態・構造で区別した場合には、例えば、積層型(扁平型)電池、巻回型(円筒型)電池など、従来公知のいずれの形態・構造にも適用し得るものである。積層型(扁平型)電池構造を採用することで簡単な熱圧着などのシール技術により長期信頼性を確保でき、コスト面や作業性の点では有利である。 When the lithium ion secondary battery is distinguished by its form / structure, it can be applied to any conventionally known form / structure such as a stacked (flat) battery or a wound (cylindrical) battery. Is. By adopting a stacked (flat) battery structure, long-term reliability can be secured by a sealing technique such as simple thermocompression bonding, which is advantageous in terms of cost and workability.
また、リチウムイオン二次電池内の電気的な接続形態(電極構造)で見た場合、非双極型(内部並列接続タイプ)電池および双極型(内部直列接続タイプ)電池のいずれにも適用しうるものである。 Moreover, when viewed in terms of electrical connection form (electrode structure) in a lithium ion secondary battery, it can be applied to both non-bipolar (internal parallel connection type) batteries and bipolar (internal series connection type) batteries. Is.
リチウムイオン二次電池内の電解質層の種類で区別した場合には、電解質層に非水系の電解液等の溶液電解質を用いた溶液電解質型電池、電解質層に高分子電解質を用いたポリマー電池など従来公知のいずれの電解質層のタイプにも適用しうるものである。該ポリマー電池は、さらに高分子ゲル電解質(単にゲル電解質ともいう)を用いたゲル電解質型電池、高分子固体電解質(単にポリマー電解質ともいう)を用いた固体高分子(全固体)型電池に分けられる。 When distinguished by the type of electrolyte layer in the lithium ion secondary battery, a solution electrolyte type battery using a solution electrolyte such as a nonaqueous electrolyte solution for the electrolyte layer, a polymer battery using a polymer electrolyte for the electrolyte layer, etc. It can be applied to any conventionally known electrolyte layer type. The polymer battery is further divided into a gel electrolyte type battery using a polymer gel electrolyte (also simply referred to as gel electrolyte) and a solid polymer (all solid) type battery using a polymer solid electrolyte (also simply referred to as polymer electrolyte). It is done.
したがって、以下の説明では、本実施形態のリチウムイオン二次電池の例として、非双極型(内部並列接続タイプ)リチウムイオン二次電池について図面を用いてごく簡単に説明する。ただし、本発明に係る非水電解質二次電池および本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の技術的範囲が、これらに制限されるべきではない。 Therefore, in the following description, a non-bipolar (internal parallel connection type) lithium ion secondary battery will be described with reference to the drawings as an example of the lithium ion secondary battery of the present embodiment. However, the technical scope of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention and the lithium ion secondary battery according to the present embodiment should not be limited to these.
<電池の全体構造>
図1は、本発明の非水電解質二次電池の代表的な一実施形態である、扁平型(積層型)のリチウムイオン二次電池(以下、単に「積層型電池」ともいう)の全体構造を模式的に表した断面概略図である。
<Overall battery structure>
FIG. 1 shows an overall structure of a flat (stacked) lithium ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as “stacked battery”), which is a typical embodiment of the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention. It is the cross-sectional schematic diagram which represented typically.
図1に示すように、本実施形態の積層型電池10は、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、外装体であるラミネートシート29の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素21は、正極集電体12の両面に正極活物質層15が配置された正極と、電解質層(セパレータ)17と、負極集電体11の両面に負極活物質層13が形成された負極とを積層した構成を有している。具体的には、1つの正極活物質層15とこれに隣接する負極活物質層13とが、電解質層17を介して対向するようにして、負極、電解質層および正極がこの順に積層されている。 As shown in FIG. 1, the stacked battery 10 of the present embodiment has a structure in which a substantially rectangular power generation element 21 in which a charge / discharge reaction actually proceeds is sealed inside a laminate sheet 29 that is an exterior body. . Here, the power generation element 21 includes a positive electrode in which the positive electrode active material layer 15 is disposed on both surfaces of the positive electrode current collector 12, an electrolyte layer (separator) 17, and a negative electrode active material layer 13 on both surfaces of the negative electrode current collector 11. It has the structure which laminated | stacked the formed negative electrode. Specifically, the negative electrode, the electrolyte layer, and the positive electrode are laminated in this order so that one positive electrode active material layer 15 and the negative electrode active material layer 13 adjacent thereto face each other with the electrolyte layer 17 therebetween. .
これにより、隣接する正極、電解質層、および負極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、図1に示す積層型電池10は、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。なお、発電要素21の両最外層に位置する最外層の負極集電体には、いずれも片面のみに負極活物質層13が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。また、図1とは正極および負極の配置を逆にすることで、発電要素21の両最外層に最外層の正極集電体が位置するようにし、該最外層の正極集電体の片面または両面に正極活物質層が配置されているようにしてもよい。 Thereby, the adjacent positive electrode, electrolyte layer, and negative electrode constitute one unit cell layer 19. Therefore, it can be said that the stacked battery 10 shown in FIG. 1 has a configuration in which a plurality of single battery layers 19 are stacked and electrically connected in parallel. Note that the negative electrode current collector 13 on the outermost layer located on both outermost layers of the power generation element 21 is provided with the negative electrode active material layer 13 only on one side, but the active material layer may be provided on both sides. . That is, instead of using a current collector dedicated to the outermost layer provided with an active material layer only on one side, a current collector having an active material layer on both sides may be used as it is as an outermost current collector. Further, by reversing the arrangement of the positive electrode and the negative electrode as compared with FIG. 1, the outermost positive electrode current collector is positioned on both outermost layers of the power generation element 21, and one side of the outermost positive electrode current collector or A positive electrode active material layer may be disposed on both sides.
正極集電体12および負極集電体11は、各電極(正極および負極)と導通される正極集電板27および負極集電板25がそれぞれ取り付けられ、ラミネートシート29の端部に挟まれるようにしてラミネートシート29の外部に導出される構造を有している。正極集電板27および負極集電板25は、それぞれ必要に応じて正極リードおよび負極リード(図示せず)を介して、各電極の正極集電体12および負極集電体11に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられていてもよい。 The positive electrode current collector 12 and the negative electrode current collector 11 are attached to the positive electrode current collector plate 27 and the negative electrode current collector plate 25 that are electrically connected to the respective electrodes (positive electrode and negative electrode), and are sandwiched between the end portions of the laminate sheet 29. Thus, it has a structure led out of the laminate sheet 29. The positive electrode current collector 27 and the negative electrode current collector 25 are ultrasonically welded to the positive electrode current collector 12 and the negative electrode current collector 11 of each electrode via a positive electrode lead and a negative electrode lead (not shown), respectively, as necessary. Or resistance welding or the like.
以下、電池の主要な構成部材について説明する。 Hereinafter, main components of the battery will be described.
<活物質層>
活物質層(13、15)は活物質を含み、必要に応じてその他の添加剤をさらに含む。
<Active material layer>
The active material layers (13, 15) contain an active material, and further contain other additives as necessary.
[正極活物質層]
正極活物質層15は、正極活物質を含む。本形態において、正極活物質は、特に制限されないが、リチウムニッケル系複合酸化物またはスピネル系リチウムマンガン複合酸化物を含むことが好ましく、リチウムニッケル系複合酸化物を含むことがより好ましい。なお、正極活物質層に含まれる正極活物質の全量100質量%に占めるリチウムニッケル系複合酸化物およびスピネル系リチウムマンガン複合酸化物の合計量の割合は、好ましくは50質量%以上であり、より好ましくは70質量%以上であり、さらに好ましくは85質量%以上であり、いっそう好ましくは90質量%以上であり、特に好ましくは95質量%以上であり、最も好ましくは100質量%である。
[Positive electrode active material layer]
The positive electrode active material layer 15 includes a positive electrode active material. In this embodiment, the positive electrode active material is not particularly limited, but preferably includes a lithium nickel composite oxide or a spinel lithium manganese composite oxide, and more preferably includes a lithium nickel composite oxide. The ratio of the total amount of the lithium nickel composite oxide and the spinel lithium manganese composite oxide in the total amount of 100% by mass of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer is preferably 50% by mass or more. Preferably it is 70 mass% or more, More preferably, it is 85 mass% or more, More preferably, it is 90 mass% or more, Most preferably, it is 95 mass% or more, Most preferably, it is 100 mass%.
(リチウムニッケル系複合酸化物)
リチウムニッケル系複合酸化物は、リチウムとニッケルとを含有する複合酸化物である限り、その組成は具体的に限定されない。リチウムとニッケルとを含有する複合酸化物の典型的な例としては、リチウムニッケル複合酸化物(LiNiO2)が挙げられる。ただし、リチウムニッケル複合酸化物のニッケル原子の一部が他の金属原子で置換された複合酸化物がより好ましく、好ましい例として、リチウム−ニッケル−マンガン−コバルト複合酸化物(以下、単に「NMC複合酸化物」とも称する)は、リチウム原子層と遷移金属(Mn、NiおよびCoが秩序正しく配置)原子層とが酸素原子層を介して交互に積み重なった層状結晶構造を持ち、遷移金属Mの1原子あたり1個のLi原子が含まれ、取り出せるLi量が、スピネル系リチウムマンガン酸化物の2倍、つまり供給能力が2倍になり、高い容量を持つことができる。加えて、LiNiO2より高い熱安定性を有しているため、正極活物質として用いられるニッケル系複合酸化物の中でも特に有利である。
(Lithium nickel composite oxide)
The composition of the lithium nickel composite oxide is not specifically limited as long as it is a composite oxide containing lithium and nickel. A typical example of a composite oxide containing lithium and nickel is lithium nickel composite oxide (LiNiO 2 ). However, a composite oxide in which some of the nickel atoms of the lithium nickel composite oxide are substituted with other metal atoms is more preferable. As a preferable example, a lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide (hereinafter simply referred to as “NMC composite”) is preferable. (Also referred to as “oxide”) has a layered crystal structure in which a lithium atomic layer and a transition metal (Mn, Ni, and Co are arranged in order) are alternately stacked via an oxygen atomic layer. One Li atom is contained per atom, and the amount of Li that can be taken out is twice that of the spinel-type lithium manganese oxide, that is, the supply capacity is doubled, so that a high capacity can be obtained. In addition, since it has higher thermal stability than LiNiO 2 , it is particularly advantageous among the nickel-based composite oxides used as the positive electrode active material.
本明細書において、NMC複合酸化物は、遷移金属元素の一部が他の金属元素により置換されている複合酸化物も含む。その場合の他の元素としては、Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Cr、Fe、B、Ga、In、Si、Mo、Y、Sn、V、Cu、Ag、Znなどが挙げられ、好ましくは、Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Crであり、より好ましくは、Ti、Zr、P、Al、Mg、Crであり、サイクル特性向上の観点から、さらに好ましくは、Ti、Zr、Al、Mg、Crである。 In the present specification, the NMC composite oxide includes a composite oxide in which a part of the transition metal element is substituted with another metal element. Other elements in that case include Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, Cr, Fe, B, Ga, In, Si, Mo, Y, Sn, V, Cu , Ag, Zn, etc., preferably Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, Cr, more preferably Ti, Zr, P, Al, Mg, From the viewpoint of improving cycle characteristics, Ti, Zr, Al, Mg, and Cr are more preferable.
NMC複合酸化物は、理論放電容量が高いことから、好ましくは、一般式(1):LiaNibMncCodMxO2(但し、式中、a、b、c、d、xは、0.9≦a≦1.2、0<b<1、0<c≦0.5、0<d≦0.5、0≦x≦0.3、b+c+d=1を満たす。MはTi、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Crから選ばれる元素の少なくとも1種類である)で表される組成を有する。ここで、aは、Liの原子比を表し、bは、Niの原子比を表し、cは、Mnの原子比を表し、dは、Coの原子比を表し、xは、Mの原子比を表す。サイクル特性の観点からは、一般式(1)において、0.4≦b≦0.6であることが好ましい。なお、各元素の組成は、例えば、誘導結合プラズマ(ICP)発光分析法により測定できる。 Since the NMC composite oxide has a high theoretical discharge capacity, it is preferable that the general formula (1): Li a Ni b Mn c Co d M x O 2 (where a, b, c, d, x Satisfies 0.9 ≦ a ≦ 1.2, 0 <b <1, 0 <c ≦ 0.5, 0 <d ≦ 0.5, 0 ≦ x ≦ 0.3, and b + c + d = 1. And at least one element selected from Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, and Cr. Here, a represents the atomic ratio of Li, b represents the atomic ratio of Ni, c represents the atomic ratio of Mn, d represents the atomic ratio of Co, and x represents the atomic ratio of M. Represents. From the viewpoint of cycle characteristics, it is preferable that 0.4 ≦ b ≦ 0.6 in the general formula (1). The composition of each element can be measured by, for example, inductively coupled plasma (ICP) emission spectrometry.
一般に、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)およびマンガン(Mn)は、材料の純度向上および電子伝導性向上という観点から、容量および出力特性に寄与することが知られている。Ti等は、結晶格子中の遷移金属を一部置換するものである。サイクル特性の観点からは、遷移元素の一部が他の金属元素により置換されていることが好ましく、特に一般式(1)において0<x≦0.3であることが好ましい。Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、SrおよびCrからなる群から選ばれる少なくとも1種が固溶することにより結晶構造が安定化されるため、その結果、充放電を繰り返しても電池の容量低下が防止でき、優れたサイクル特性が実現し得ると考えられる。 In general, nickel (Ni), cobalt (Co), and manganese (Mn) are known to contribute to capacity and output characteristics from the viewpoint of improving the purity of materials and improving electronic conductivity. Ti or the like partially replaces the transition metal in the crystal lattice. From the viewpoint of cycle characteristics, it is preferable that a part of the transition element is substituted with another metal element, and it is particularly preferable that 0 <x ≦ 0.3 in the general formula (1). Since at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, and Cr is dissolved, the crystal structure is stabilized. It is considered that the battery capacity can be prevented from decreasing even if the above is repeated, and that excellent cycle characteristics can be realized.
より好ましい実施形態としては、一般式(1)において、b、cおよびdが、0.44≦b≦0.51、0.27≦c≦0.31、0.19≦d≦0.26であることが、容量と耐久性とのバランスに優れる点で好ましい。 As a more preferable embodiment, in the general formula (1), b, c and d are 0.44 ≦ b ≦ 0.51, 0.27 ≦ c ≦ 0.31, 0.19 ≦ d ≦ 0.26. It is preferable that it is excellent in balance between capacity and durability.
NMC複合酸化物などのリチウムニッケル系複合酸化物は、共沈法、スプレードライ法など、種々公知の方法を選択して調製することができる。本形態に係る複合酸化物の調製が容易であることから、共沈法を用いることが好ましい。具体的に、NMC複合酸化物の合成方法としては、例えば、特開2011−105588号公報に記載の方法のように、共沈法によりニッケル−コバルト−マンガン複合酸化物を製造した後、ニッケル−コバルト−マンガン複合酸化物と、リチウム化合物とを混合して焼成することにより得ることができる。以下、具体的に説明する。 Lithium nickel composite oxides such as NMC composite oxides can be prepared by selecting various known methods such as coprecipitation method and spray drying method. The coprecipitation method is preferably used because the complex oxide according to this embodiment is easy to prepare. Specifically, as a method for synthesizing the NMC composite oxide, for example, a nickel-cobalt-manganese composite oxide is manufactured by a coprecipitation method as in the method described in JP2011-105588A, and then nickel- It can be obtained by mixing and baking a cobalt-manganese composite oxide and a lithium compound. This will be specifically described below.
複合酸化物の原料化合物、例えば、Ni化合物、Mn化合物およびCo化合物を、所望の活物質材料の組成となるように水などの適当な溶媒に溶解させる。Ni化合物、Mn化合物およびCo化合物としては、例えば、当該金属元素の硫酸塩、硝酸塩、炭酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、酸化物、水酸化物、ハロゲン化物などが挙げられる。Ni化合物、Mn化合物およびCo化合物として具体的には、例えば、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガン、酢酸ニッケル、酢酸コバルト、酢酸マンガンなどが挙げられるが、これらに制限されるものではない。この過程で、必要に応じて、さらに所望の活物質の組成になるように、活物質を構成する層状のリチウム金属複合酸化物の一部を置換する金属元素として、例えば、Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、SrおよびCr等の少なくとも1種の金属元素を含む化合物をさらに混入させてもよい。 A raw material compound of the composite oxide, for example, a Ni compound, a Mn compound, and a Co compound is dissolved in an appropriate solvent such as water so as to have a desired composition of the active material. Examples of the Ni compound, Mn compound, and Co compound include sulfates, nitrates, carbonates, acetates, oxalates, oxides, hydroxides, and halides of the metal elements. Specific examples of the Ni compound, Mn compound, and Co compound include, but are not limited to, nickel sulfate, cobalt sulfate, manganese sulfate, nickel acetate, cobalt acetate, and manganese acetate. In this process, as necessary, for example, Ti, Zr, Nb as a metal element that substitutes a part of the layered lithium metal composite oxide constituting the active material so as to have a desired active material composition. , W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, and a compound containing at least one metal element such as Cr may be further mixed.
上記原料化合物とアルカリ溶液とを用いた中和、沈殿反応により共沈反応を行うことができる。これにより、上記原料化合物に含まれる金属を含有する金属複合水酸化物、金属複合炭酸塩が得られる。アルカリ溶液としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、アンモニア等の水溶液を用いることができるが、中和反応用に水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム又はそれらの混合溶液を用いることが好ましい。加えて、錯体反応用にアンモニア水溶液やアンモニウム塩を用いることが好ましい。 A coprecipitation reaction can be performed by a neutralization and precipitation reaction using the raw material compound and an alkaline solution. Thereby, the metal composite hydroxide and metal composite carbonate containing the metal contained in the said raw material compound are obtained. As the alkaline solution, for example, an aqueous solution of sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, ammonia or the like can be used, but sodium hydroxide, sodium carbonate or a mixed solution thereof is preferably used for the neutralization reaction. . In addition, an aqueous ammonia solution or an ammonium salt is preferably used for the complex reaction.
中和反応に用いるアルカリ溶液の添加量は、含有する全金属塩の中和分に対して当量比1.0でよいが、pH調整のためにアルカリ過剰分を合わせて添加することが好ましい。 The addition amount of the alkaline solution used for the neutralization reaction may be an equivalent ratio of 1.0 with respect to the neutralized amount of all the metal salts contained, but it is preferable to add the alkali excess together for pH adjustment.
錯体反応に用いるアンモニア水溶液やアンモニウム塩の添加量は、反応液中のアンモニア濃度が0.01〜2.00mol/lの範囲で添加することが好ましい。反応溶液のpHは10.0〜13.0の範囲に制御することが好適である。また、反応温度は30℃以上が好ましく、より好ましくは30〜60℃である。 As for the addition amount of the aqueous ammonia solution or ammonium salt used for the complex reaction, the ammonia concentration in the reaction solution is preferably added in the range of 0.01 to 2.00 mol / l. The pH of the reaction solution is preferably controlled in the range of 10.0 to 13.0. The reaction temperature is preferably 30 ° C. or higher, more preferably 30 to 60 ° C.
共沈反応で得られた複合水酸化物は、その後、吸引ろ過し、水洗して、乾燥することが好ましい。なお、共沈反応を行う際の条件(攪拌時間、アルカリ濃度など)を調節することで、複合水酸化物の粒子径を制御することができ、これが最終的に得られる正極活物質の二次粒子の平均粒子径(D50)に影響する。 The composite hydroxide obtained by the coprecipitation reaction is then preferably suction filtered, washed with water and dried. The particle size of the composite hydroxide can be controlled by adjusting the conditions (stirring time, alkali concentration, etc.) for carrying out the coprecipitation reaction, which is the secondary electrode of the positive electrode active material finally obtained. It affects the average particle size (D50) of the particles.
次いで、ニッケル−コバルト−マンガン複合水酸化物をリチウム化合物と混合して焼成することによりリチウム−ニッケル−マンガン−コバルト複合酸化物を得ることができる。Li化合物としては、例えば、水酸化リチウムまたはその水和物、過酸化リチウム、硝酸リチウム、炭酸リチウム等がある。 Next, the nickel-cobalt-manganese composite hydroxide is mixed with a lithium compound and fired to obtain a lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide. Examples of the Li compound include lithium hydroxide or a hydrate thereof, lithium peroxide, lithium nitrate, and lithium carbonate.
焼成処理は、1段階であってもよいが、2段階(仮焼成および本焼成)で行うことが好ましい。2段階の焼成により、効率よく複合酸化物を得ることができる。仮焼成条件としては、特に限定されるものではなく、リチウム原料によっても異なるため一義的に規定することは困難である。ここで、特に平均一次粒子径および結晶子径を制御するための因子としては、焼成(2段階の場合には仮焼成および本焼成)時の焼成温度および焼成時間が特に重要であり、これらを以下のような傾向に基づき調節することで、平均一次粒子径および結晶子径を制御することが可能である。すなわち、焼成時間を長くすると、平均一次粒子径および結晶子径は大きくなる。また、焼成温度を高くすると、平均一次粒子径および結晶子径は大きくなる。なお、昇温速度は室温から1〜20℃/分であることが好ましい。また、雰囲気は、空気中ないし酸素雰囲気下であることが好ましい。ここで、Li原料に炭酸リチウムを用いて、NMC複合酸化物を合成する場合において、仮焼成温度は、好ましくは500〜900℃であり、より好ましくは600〜800℃であり、さらに好ましくは650〜750℃である。さらに、仮焼成時間は、好ましくは0.5〜10時間であり、より好ましくは4〜6時間である。一方、本焼成の条件についても特に限定されるものではないが、昇温速度は室温から1〜20℃/分であることが好ましい。また、雰囲気は、空気中ないし酸素雰囲気下であることが好ましい。また、Li原料に炭酸リチウムを用いて、NMC複合酸化物を合成する場合において、焼成温度は、好ましくは800〜1200℃であり、より好ましくは850〜1100℃であり、さらに好ましくは900〜1050℃である。さらに、仮焼成時間は、好ましくは1〜20時間であり、より好ましくは8〜12時間である。 The firing process may be performed in one stage, but is preferably performed in two stages (temporary firing and main firing). A composite oxide can be obtained efficiently by two-stage firing. The pre-baking conditions are not particularly limited, and differ depending on the lithium raw material, so that it is difficult to uniquely define them. Here, the factors for controlling the average primary particle size and crystallite size are particularly important as the firing temperature and firing time during firing (temporary firing and main firing in the case of two stages). By adjusting based on the following tendency, the average primary particle diameter and crystallite diameter can be controlled. That is, when the firing time is lengthened, the average primary particle diameter and crystallite diameter increase. Further, when the firing temperature is increased, the average primary particle size and crystallite size are increased. In addition, it is preferable that a temperature increase rate is 1-20 degrees C / min from room temperature. The atmosphere is preferably in air or in an oxygen atmosphere. Here, in the case of synthesizing the NMC composite oxide using lithium carbonate as the Li raw material, the pre-baking temperature is preferably 500 to 900 ° C, more preferably 600 to 800 ° C, and further preferably 650. ~ 750 ° C. Furthermore, the pre-baking time is preferably 0.5 to 10 hours, and more preferably 4 to 6 hours. On the other hand, the conditions for the main firing are not particularly limited, but the rate of temperature rise is preferably from room temperature to 1 to 20 ° C./min. The atmosphere is preferably in air or in an oxygen atmosphere. In the case of synthesizing an NMC composite oxide using lithium carbonate as a Li raw material, the firing temperature is preferably 800 to 1200 ° C, more preferably 850 to 1100 ° C, and still more preferably 900 to 1050. ° C. Furthermore, pre-baking time becomes like this. Preferably it is 1 to 20 hours, More preferably, it is 8 to 12 hours.
必要に応じて、活物質材料を構成する層状のリチウム金属複合酸化物の一部を置換する金属元素を微量添加する場合、該方法としては、あらかじめニッケル、コバルト、マンガン酸塩と混合する方法、ニッケル、コバルト、マンガン酸塩と同時に添加する方法、反応途中で反応溶液に添加する方法、Li化合物とともにニッケル−コバルト−マンガン複合酸化物に添加する方法などいずれの手段を用いても構わない。 If necessary, when adding a trace amount of a metal element that replaces a part of the layered lithium metal composite oxide constituting the active material, as the method, a method of previously mixing with nickel, cobalt, manganate, Any means such as a method of adding nickel, cobalt and manganate simultaneously, a method of adding to the reaction solution during the reaction, a method of adding to the nickel-cobalt-manganese composite oxide together with the Li compound may be used.
リチウムニッケル系複合酸化物は、反応溶液のpH、反応温度、反応濃度、添加速度、攪拌時間などの反応条件を適宜調整することにより製造することができる。 The lithium nickel composite oxide can be produced by appropriately adjusting reaction conditions such as pH of the reaction solution, reaction temperature, reaction concentration, addition rate, and stirring time.
(スピネル系リチウムマンガン複合酸化物)
スピネル系リチウムマンガン複合酸化物は、典型的にはLiMn2O4の組成を有し、スピネル構造を有する、リチウムおよびマンガンを必須に含有する複合酸化物であり、その具体的な構成や製造方法については、特開2000−77071号公報等の従来公知の知見が適宜参照されうる。
(Spinel type lithium manganese oxide)
A spinel-based lithium manganese composite oxide is a composite oxide that typically has a composition of LiMn 2 O 4 and has a spinel structure and essentially contains lithium and manganese, and its specific configuration and manufacturing method For the above, conventionally known findings such as JP-A-2000-77071 can be appropriately referred.
なお、上述したリチウムニッケル系複合酸化物またはスピネル系リチウムマンガン複合酸化物以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。2種類以上の正極活物質を併用する場合、活物質それぞれの固有の効果を発現する上で最適な粒子径が異なる場合には、それぞれの固有の効果を発現する上で最適な粒子径同士をブレンドして用いればよく、全ての活物質の粒子径を必ずしも均一化させる必要はない。 Of course, a positive electrode active material other than the above-described lithium nickel composite oxide or spinel lithium manganese composite oxide may be used. When two or more kinds of positive electrode active materials are used in combination, if the optimum particle size is different for expressing the unique effect of each active material, the optimum particle size for expressing each unique effect is determined. What is necessary is just to blend and use, and it is not necessary to make the particle diameter of all the active materials uniform.
正極活物質層15に含まれる正極活物質の平均粒子径は特に制限されないが、高出力化の観点からは、好ましくは二次粒子径で6〜11μm、より好ましくは7〜10μmである。また、1次粒子の平均粒子径は、0.4〜0.65μm、より好ましくは0.45〜0.55μmである。なお、本明細書における「粒子径」とは、粒子の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離Lを意味する。また、「平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。なお、二次粒子径(平均粒子径D50)は、レーザー回折法により得られた値を用いてもよい。 The average particle size of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer 15 is not particularly limited, but is preferably 6 to 11 μm, more preferably 7 to 10 μm in terms of secondary particle size from the viewpoint of increasing the output. Moreover, the average particle diameter of a primary particle is 0.4-0.65 micrometer, More preferably, it is 0.45-0.55 micrometer. The “particle diameter” in the present specification means the maximum distance L among the distances between any two points on the particle outline. Moreover, as the value of “average particle diameter”, the average particle diameter of particles observed in several to several tens of fields using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). A value calculated as a value is adopted. As the secondary particle diameter (average particle diameter D50), a value obtained by a laser diffraction method may be used.
また、正極活物質層は上述した正極活物質のほか、バインダおよび導電助剤を含むことが好ましい。さらに、必要に応じて、電解質(ポリマーマトリックス、イオン伝導性ポリマー、電解液など)、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩などのその他の添加剤をさらに含む。 Moreover, it is preferable that a positive electrode active material layer contains a binder and a conductive support agent other than the positive electrode active material mentioned above. Further, if necessary, it further contains other additives such as an electrolyte (polymer matrix, ion-conductive polymer, electrolyte solution, etc.) and a lithium salt for increasing the ion conductivity.
正極活物質層中、活物質として機能しうる正極活物質の含有量は、85〜99.5質量%であることが好ましい。 In the positive electrode active material layer, the content of the positive electrode active material that can function as an active material is preferably 85 to 99.5% by mass.
(バインダ)
正極活物質層に用いられるバインダとしては、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、セルロース、カルボキシメチルセルロース(CMC)およびその塩、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−HFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFMVE−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。これらのバインダは、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
(Binder)
Although it does not specifically limit as a binder used for a positive electrode active material layer, For example, the following materials are mentioned. Polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, cellulose, carboxymethyl cellulose (CMC) and its salts, ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene-butadiene rubber (SBR) ), Isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene / propylene rubber, ethylene / propylene / diene copolymer, styrene / butadiene / styrene block copolymer and hydrogenated product thereof, styrene / isoprene / styrene block copolymer and hydrogenated product thereof Thermoplastic polymers such as products, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (F P), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE) ), Fluororesin such as polyvinyl fluoride (PVF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-based fluororubber (VDF-HFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-HFP) -TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene fluorine rubber (VDF-PFP fluorine rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene Fluorine rubber (VDF-PFP-TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene fluorine rubber (VDF-PFMVE-TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene fluorine Examples thereof include vinylidene fluoride fluorine rubber such as rubber (VDF-CTFE fluorine rubber), epoxy resin, and the like. These binders may be used independently and may use 2 or more types together.
正極活物質層におけるバインダの含有量は、好ましくは1〜10質量%であり、より好ましくは1〜8質量%である。 The binder content in the positive electrode active material layer is preferably 1 to 10% by mass, and more preferably 1 to 8% by mass.
(導電助剤)
導電助剤とは、正極活物質層または負極活物質層の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。導電助剤としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック等のカーボンブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、グラファイト等のカーボン粉末や、気相成長炭素繊維(VGCF;登録商標)等の種々の炭素繊維、膨張黒鉛などの炭素材料が挙げられる。活物質層が導電助剤を含むと、活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上に寄与しうる。
(Conductive aid)
The conductive assistant refers to an additive that is blended in order to improve the conductivity of the positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer. Conductive aids include carbon blacks such as acetylene black, ketjen black, and furnace black, carbon powders such as channel black, thermal black, and graphite, and various carbon fibers such as vapor grown carbon fiber (VGCF). And carbon materials such as expanded graphite. When the active material layer contains a conductive additive, an electronic network inside the active material layer is effectively formed, which can contribute to improvement of the output characteristics of the battery.
正極活物質層における導電助剤の含有量は、好ましくは1〜10質量%であり、より好ましくは1〜8質量%である。導電助剤の配合比(含有量)を上記範囲内に規定することで以下の効果が発現される。すなわち、電極反応を阻害することなく、電子伝導性を十分に担保することができ、電極密度の低下によるエネルギー密度の低下を抑制でき、ひいては電極密度の向上によるエネルギー密度の向上を図ることができるのである。 The content of the conductive additive in the positive electrode active material layer is preferably 1 to 10% by mass, more preferably 1 to 8% by mass. By defining the blending ratio (content) of the conductive assistant within the above range, the following effects are exhibited. That is, the electron conductivity can be sufficiently ensured without hindering the electrode reaction, the decrease in the energy density due to the decrease in the electrode density can be suppressed, and as a result, the energy density can be improved due to the increase in the electrode density. It is.
(その他の成分)
電解質塩(リチウム塩)としては、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3等が挙げられる。
(Other ingredients)
Examples of the electrolyte salt (lithium salt) include Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 and the like.
イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)系およびポリプロピレンオキシド(PPO)系のポリマーが挙げられる。 Examples of the ion conductive polymer include polyethylene oxide (PEO) -based and polypropylene oxide (PPO) -based polymers.
正極活物質層中に含まれる成分の配合比は、特に限定されない。配合比は、リチウムイオン二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。 The compounding ratio of the components contained in the positive electrode active material layer is not particularly limited. The blending ratio can be adjusted by appropriately referring to known knowledge about lithium ion secondary batteries.
正極(正極活物質層)は、通常のスラリーを塗布(コーティング)する方法のほか、混練法、スパッタ法、蒸着法、CVD法、PVD法、イオンプレーティング法および溶射法のいずれかの方法によって形成することができる。 The positive electrode (positive electrode active material layer) can be applied by any one of a kneading method, a sputtering method, a vapor deposition method, a CVD method, a PVD method, an ion plating method, and a thermal spraying method in addition to a method of applying (coating) a normal slurry. Can be formed.
[負極活物質層]
負極活物質層13は、下記式(1)
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer 13 has the following formula (1)
(式中、Si材料は、Siを含有する合金(Si合金)からなる材料であり、αおよびβは負極活物質層における負極活物質の各成分の質量%を表し、80≦α+β≦98、0.1≦α≦40、58≦β≦97.9である。)で表される負極活物質を含有することを特徴の1つとする。 (In the formula, the Si material is a material made of an alloy containing Si (Si alloy), and α and β represent mass% of each component of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer, and 80 ≦ α + β ≦ 98, 0.1 ≦ α ≦ 40, 58 ≦ β ≦ 97.9)) is included.
すなわち、負極活物質層13は、負極活物質として、Si材料であるSi合金および炭素材料を必須に含む。以下、これらの負極活物質について詳細に説明する。 That is, the negative electrode active material layer 13 essentially includes a Si alloy that is a Si material and a carbon material as a negative electrode active material. Hereinafter, these negative electrode active materials will be described in detail.
(Si合金)
負極活物質の1種であるSiを含む合金(Si合金)は、Siを含有する他の金属との合金であれば特に制限されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。ここでは、Si合金の好ましい実施形態としては、SixTiyGeza、SixTiyZnzAa、SixTiySnzAa、SixSnyAlzAa、SixSnyVzAa、SixSnyCzAa、SixZnyVzAa、SixZnySnzAa、SixZnyAlzAa、SixZnyCzAa、SixAlyCzAaおよびSixAlyNbzAa(式中、Aは、不可避不純物である。さらに、x、y、z、およびaは、質量%の値を表し、0<x<100、0<y<100、0≦z<100、および0≦a<0.5であり、x+y+z+a=100である)等の2元系合金(例えば、Si−Ti合金等)または3元系合金などが挙げられる。これらのSi合金を負極活物質として用いることで、所定の第1添加元素(2元系合金)および所定の第2添加元素(3元系合金)を適切に選択することによって、Li合金化の際に、アモルファス−結晶の相転移を抑制してサイクル寿命を向上させることができる。また、これによって、従来の負極活物質、例えば炭素系負極活物質よりも高容量のものとなる。
(Si alloy)
An alloy (Si alloy) containing Si, which is one kind of negative electrode active material, is not particularly limited as long as it is an alloy with another metal containing Si, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to. Here, as preferred embodiments of the Si alloy, Si x Ti y Ge za , Si x Ti y Zn z A a , Si x Ti y Sn z A a , Si x Sn y Al z A a , Si x Sn y V z A a , Si x Sn y C z A a , Si x Zn y V z A a , Si x Zn y Sn z A a , Si x Zn y Al z A a , Si x Zn y C zA a , Si x Al y C z a a and Si x Al y Nb z a a ( wherein, a is unavoidable impurities. further, x, y, z, and a represent the value of mass%, 0 < x <100, 0 <y <100, 0 ≦ z <100, and 0 ≦ a <0.5, and x + y + z + a = 100) or the like (for example, Si—Ti alloy) or 3 For example, ternary alloys. By using these Si alloys as the negative electrode active material, by appropriately selecting a predetermined first additive element (binary alloy) and a predetermined second additive element (ternary alloy), it is possible to form an Li alloy. In this case, the cycle life can be improved by suppressing the amorphous-crystal phase transition. This also makes the capacity higher than that of a conventional negative electrode active material, for example, a carbon-based negative electrode active material.
(Si合金の平均粒子径(二次粒子径)D50)
Si合金の平均粒子径は、既存の負極活物質層13に含まれる負極活物質の平均粒子径と同程度であればよく、特に制限されない。耐久性および高出力化の観点からは、好ましくは、上記Si合金の平均粒子径(二次粒子径)D50が1〜20μm、より好ましくは1〜15μm、更に好ましくは1〜10μmの範囲である。また、好ましくは、上記Si合金の平均粒子径(二次粒子径)D90が5〜100μmの範囲である。ここでSi合金の二次粒子径はレーザー回折法により得られた値を用いる。ただし、上記範囲に何ら制限されるものではなく、本実施形態の作用効果を有効に発現できるものであれば、上記範囲を外れていてもよいことは言うまでもない。また、Si合金の形状としては、特に制限はなく、球状、楕円状、円柱状、多角柱状、鱗片状、不定形などでありうる。本実施形態において、D50値は、レーザー式粒度分布計により算出された、粒度分布データをもとに、D50;メディアン径、すなわち中間値の粒子径を算出し、その値を採用する。また、本実施形態において、レーザー式粒度分布計はレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置(株式会社堀場製作所製、型式:LA−920)など、これと同様の測定原理を用いてなるレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置を用いることができる。当該測定方法は、他の粒子、例えば、正極活物質粒子、負極活物質粒子(Si合金粉末、炭素材料粉末)、導電助剤等に幅広く適用し得るものである。
(Average particle diameter of Si alloy (secondary particle diameter) D50)
The average particle diameter of Si alloy should just be comparable with the average particle diameter of the negative electrode active material contained in the existing negative electrode active material layer 13, and is not restrict | limited in particular. From the viewpoint of durability and high output, the average particle diameter (secondary particle diameter) D50 of the Si alloy is preferably in the range of 1 to 20 μm, more preferably 1 to 15 μm, and still more preferably 1 to 10 μm. . Preferably, the average particle diameter (secondary particle diameter) D90 of the Si alloy is in the range of 5 to 100 μm. Here, the value obtained by the laser diffraction method is used as the secondary particle diameter of the Si alloy. However, it is not limited at all to the above range, and it goes without saying that it may be outside the above range as long as the effects of the present embodiment can be effectively expressed. Further, the shape of the Si alloy is not particularly limited, and may be spherical, elliptical, cylindrical, polygonal, scaly, indeterminate, or the like. In the present embodiment, the D50 value is calculated based on the particle size distribution data calculated by a laser particle size distribution meter, and D50; median diameter, that is, an intermediate particle diameter is calculated. In the present embodiment, the laser particle size distribution meter is a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device (manufactured by HORIBA, Ltd., model: LA-920). A scattering type particle size distribution measuring apparatus can be used. The measurement method can be widely applied to other particles, for example, positive electrode active material particles, negative electrode active material particles (Si alloy powder, carbon material powder), conductive assistants, and the like.
(Si合金表面への炭素系材料の担持(被覆))
本実施形態では、前記Si合金が炭素被覆処理されていることが好ましい。Si合金が炭素被覆処理されて表面に炭素系材料が担持(被覆)されたSi合金(以下、単に「炭素担持Si合金」または「炭素被覆Si合金」とも称する)を含む負極活物質を用いたリチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池は、高いサイクル耐久性を有する点で優れている。なお、ここで用いる炭素系材料には、繰り返し充放電できないので活物質にあたらない(導電性)炭素材料、即ち、Liイオンの挿入脱離の起こりにくいまたは起こらない低結晶性を有する、活物質の定義にあてはまらない(導電性)炭素材料を用いるのがよい。
(Support (coating) of carbon-based material on Si alloy surface)
In this embodiment, it is preferable that the Si alloy is carbon-coated. A negative electrode active material containing a Si alloy (hereinafter, also simply referred to as “carbon-supported Si alloy” or “carbon-coated Si alloy”) in which a Si alloy is carbon-coated and a carbon-based material is supported (coated) on the surface is used. Nonaqueous electrolyte secondary batteries such as lithium ion secondary batteries are excellent in that they have high cycle durability. Note that the carbon-based material used here is a carbon material that is not an active material because it cannot be repeatedly charged and discharged (conductive), that is, an active material that has low crystallinity that is unlikely to cause insertion or desorption of Li ions. (Conductive) carbon materials that do not fit the definition of
本明細書において、「担持」または「被覆」とは、上記炭素系材料がSi合金の少なくとも一部の表面に化学的または物理的に結合していることを意味する。Si合金の表面に炭素系材料が担持(被覆)したか否かは、製造した又は電極から採取(分離)した炭素担持Si合金において、上記炭素系材料がSi合金粒子に付着した状態で観察されることによって確認できる。本実施形態ではSi合金粒子の上記炭素系材料による被覆率が15mol%以上である場合を「Si合金の表面に炭素系材料が担持(被覆)した」状態であるとする。このため、従来、行っているような負極活物質、導電助剤(炭素系材料;この導電助剤も通常、活物質にあたらない(導電性)炭素材料が用いられている)及びバインダとの単純な混合によっては、導電助剤は負極活物質には担持されない又はSi合金の上記炭素系材料による被覆率が15mol%未満でしか担持されない。なお、炭素系材料のSi合金表面への担持(被覆)状態は、走査型電子顕微鏡(SEM)等の公知の手段によって、容易に確認できる。 In this specification, “support” or “coating” means that the carbon-based material is chemically or physically bonded to at least a part of the surface of the Si alloy. Whether or not the carbon-based material is supported (coated) on the surface of the Si alloy is observed in the carbon-supported Si alloy manufactured or collected (separated) from the electrode in a state where the carbon-based material adheres to the Si alloy particles. Can be confirmed. In this embodiment, the case where the coverage of the Si alloy particles with the carbon-based material is 15 mol% or more is assumed to be a state in which the carbon-based material is supported (coated) on the surface of the Si alloy. For this reason, the conventional negative electrode active material, conductive auxiliary agent (carbon-based material; this conductive auxiliary agent usually does not correspond to the active material (conductive) carbon material is used) and the binder. Depending on simple mixing, the conductive auxiliary agent is not supported on the negative electrode active material or is supported only when the coverage of the Si alloy with the carbon-based material is less than 15 mol%. In addition, the carrying | support (coating) state to the Si alloy surface of a carbonaceous material can be confirmed easily by well-known means, such as a scanning electron microscope (SEM).
なぜ、上記のようなSi合金が炭素被覆処理されてなる炭素担持Si合金を用いたリチウムイオン二次電池等のサイクル耐久性が向上するのか、詳細な理由は不明であるが、以下の理由が考えられる。 The reason why the cycle durability of a lithium ion secondary battery or the like using a carbon-supported Si alloy in which the above Si alloy is carbon-coated is improved is unknown, but the following reason Conceivable.
上述したように、Si材料であるSi合金は、活物質である炭素材料(黒鉛等)と比較して充放電時の膨張収縮が激しいため、微粉化したり、表面積増加に伴う電解液との反応(酸化)などが原因でサイクル耐久性の劣化が問題とされている。また、上記した「背景技術」に記載の式:SixMyAlzを有するアモルファス合金を有する負極を用いたリチウムイオン二次電池では、式:SixMyAlzを有するアモルファス合金であっても、純度の高いSi活物質と同様、十分に膨張収縮を抑えることができない。このため、充放電時の膨張収縮による活物質(粒子)の微細化により、活物質の比表面積が増加し、電解液の分解が促進され、電解液の枯渇や電解液の分解による副反応生成物が生成し、導電性の妨げとなる。 As described above, the Si alloy, which is a Si material, has a greater expansion and contraction during charge / discharge than a carbon material (such as graphite), which is an active material. Deterioration of cycle durability is a problem due to (oxidation) and the like. Further, in the lithium ion secondary battery using the negative electrode having the amorphous alloy having the formula: Si x M y Al z described in the “background art”, the amorphous alloy having the formula: Si x M y Al z is used. However, the expansion and contraction cannot be sufficiently suppressed as in the case of the high purity Si active material. For this reason, the active material (particles) is refined due to expansion and contraction during charge and discharge, the specific surface area of the active material is increased, decomposition of the electrolyte is promoted, and side reactions are generated due to electrolyte depletion and electrolyte decomposition. An object is formed, which hinders conductivity.
また、上記のアモルファス合金は、Si(半導体)を含むため、十分な導電性が確保されない。このため、当該アモルファス合金を活物質として使用する場合には、導電助剤の添加が必要となるが、従来の導電助剤の添加では均一に分散させることが難しく、局所的に導電性の高い活物質と低い活物質が混在する構造になることが多かった。これらの理由により、従来の技術では、高いサイクル特性を維持することが困難であった。 Moreover, since said amorphous alloy contains Si (semiconductor), sufficient electroconductivity is not ensured. For this reason, when the amorphous alloy is used as an active material, it is necessary to add a conductive additive. However, it is difficult to uniformly disperse the conventional conductive additive, and locally highly conductive. In many cases, the active material and the low active material are mixed. For these reasons, it has been difficult for conventional techniques to maintain high cycle characteristics.
これに対して、本実施形態では、負極活物質として、カーボンリッチな炭素材料と、Si材料であるSi合金を併用し、更にSi合金表面に上記炭素系材料を担持(被覆)させることで、本形態の作用効果をより顕著に発現することができる。即ち、Si合金表面の上記炭素系材料の存在により、Si合金(粒子)表面と電解液との反応性をより一層抑制することができる。そのため、過剰な電解液の分解反応、およびそれに伴う副反応物の生成をより一層抑制することが可能となる。また、導電助剤を添加するだけの従来の方法とは異なり、導電性の高い上記炭素系材料がSi合金(粒子)表面に存在するため、Si合金(粒子)の導電性が確保され、Si合金全体に高い導電性を付与することができる。これにより、例えば、リチウムイオン二次電池に適用される場合には、Liイオン挿入時において、Si合金粒子の充電深度の均一化をより一層促す効果をもたらし、過度にLiイオンが挿入されて劣化しやすくなるSi合金粒子をより一層排除することができる。 On the other hand, in the present embodiment, as the negative electrode active material, a carbon-rich carbon material and a Si alloy that is a Si material are used in combination, and further, the carbon-based material is supported (coated) on the Si alloy surface. The effect of this form can be expressed more notably. That is, the presence of the carbon-based material on the surface of the Si alloy can further suppress the reactivity between the surface of the Si alloy (particles) and the electrolytic solution. For this reason, it is possible to further suppress the decomposition reaction of the excess electrolyte and the accompanying generation of by-products. Further, unlike the conventional method in which only a conductive auxiliary agent is added, the carbon-based material having high conductivity exists on the surface of the Si alloy (particles), so that the conductivity of the Si alloy (particles) is ensured, and Si High conductivity can be imparted to the entire alloy. Thereby, for example, when applied to a lithium ion secondary battery, when Li ions are inserted, the effect of further promoting uniform charge depth of the Si alloy particles is brought about, and excessive deterioration of Li ions is inserted. Si alloy particles that are easy to be removed can be further eliminated.
すなわち、負極活物質に炭素材料と、上記した炭素担持Si合金を用いた場合、Si合金粒子ではなく炭素系材料が電解液と接触するため、電解液の(特にケイ素による)分解反応をより一層抑制でき、上記炭素系材料が最表面に存在することにより導電性をより一層向上できる。したがって、負極活物質に炭素材料と、上記した炭素担持Si合金を用いた場合、サイクル特性、さらには初期容量及びサイクル特性をより一層向上できる点で優れている。 That is, when the carbon material and the above-mentioned carbon-supported Si alloy are used as the negative electrode active material, the carbon-based material, not the Si alloy particles, comes into contact with the electrolytic solution, so that the decomposition reaction of the electrolytic solution (particularly due to silicon) is further enhanced. The conductivity can be further improved by the presence of the carbon-based material on the outermost surface. Therefore, when the carbon material and the above-described carbon-supported Si alloy are used as the negative electrode active material, the cycle characteristics, and further, the initial capacity and the cycle characteristics can be further improved.
なお、上記作用メカニズムは推測によるものであり、本形態は上記作用メカニズムに何ら制限されるものではない。 In addition, the said action mechanism is based on estimation, and this form is not restrict | limited to the said action mechanism at all.
上記したように、本形態ではSi合金(粒子)表面に上記炭素系材料が担持(被覆)するのが望ましい。ここで、Si合金の上記炭素系材料による被覆率(担持率)は、上記の通り15mol%以上であれば特に制限されない。サイクル特性(サイクル耐久性)のより一層の向上効果、導電性のより一層の向上効果などを考慮すると、Si合金の上記炭素系材料による被覆率は、好ましくは50〜400mol%であり、より好ましくは100〜400mol%であり、さらにより好ましくは250〜400mol%である。 As described above, in this embodiment, it is desirable that the carbon-based material is supported (coated) on the surface of the Si alloy (particles). Here, the coverage (support rate) of the Si alloy with the carbon-based material is not particularly limited as long as it is 15 mol% or more as described above. In consideration of a further improvement effect of cycle characteristics (cycle durability) and a further improvement effect of conductivity, the coverage of the Si alloy with the carbon-based material is preferably 50 to 400 mol%, more preferably. Is 100 to 400 mol%, and more preferably 250 to 400 mol%.
本明細書において、「Si合金の炭素系材料による被覆率(担持率)」は、以下のような方法で測定・算出した値を採用する。なお、本明細書では、「Si合金の炭素系材料による被覆率(担持率)(mol%)」を単に「炭素被覆率(mol%)」とも称する。 In this specification, a value measured and calculated by the following method is adopted as the “coverage (support rate) of the Si alloy with the carbon-based material”. In the present specification, “the coverage ratio (support rate) (mol%) of a Si alloy with a carbon-based material” is also simply referred to as “carbon coverage (mol%)”.
<Si合金の炭素系材料による被覆率(担持率)の測定>
上記炭素系材料が担持されたSi合金の炭素被覆率は、下記測定条件で、オージェ電子分光法を用いて、ケイ素のモル比率及び炭素のモル比率を測定する。
<Measurement of Si alloy carbon coverage (support rate)>
The carbon coverage of the Si alloy on which the carbon-based material is supported is determined by measuring the molar ratio of silicon and the molar ratio of carbon using Auger electron spectroscopy under the following measurement conditions.
次に、上記で測定されたケイ素のモル比率及び炭素のモル比率を用いて、下記式に従って、ケイ素のモル比率に対する炭素のモル比率を算出し、得られた値を炭素被覆率(mol%)とする。 Next, using the mole ratio of silicon and the mole ratio of carbon measured above, the mole ratio of carbon to the mole ratio of silicon is calculated according to the following formula, and the obtained value is the carbon coverage (mol%). And
ここで、Si合金の炭素系材料による被覆率(担持率)を上記好ましい範囲に制御する方法は、特に制限されない。具体的には、Si合金および上記炭素系材料を適当な割合で混合した後、物理的または化学的に処理して、上記炭素系材料をSi合金表面に化学的または物理的に結合(担持)させる方法が使用できる。 Here, the method for controlling the coverage (support rate) of the Si alloy with the carbon-based material within the above preferable range is not particularly limited. Specifically, after mixing the Si alloy and the carbon-based material in an appropriate ratio, the carbon-based material is chemically or physically bonded (supported) to the surface of the Si alloy by physical or chemical treatment. Can be used.
上記方法において、Si合金および上記炭素系材料の混合比は、特に制限されない。具体的には、上記炭素系材料を、Si合金および炭素系材料の合計量を100重量部とした場合に、好ましくは1〜25重量部の割合で、より好ましくは5〜25重量部の割合で、特に好ましくは10〜25重量部の割合で、Si合金と混合する。このような混合比によると、Si合金の炭素系材料による被覆率(担持率)を上記したような好ましい範囲に容易に制御できる。また、このような混合比によれば、炭素系材料がSi合金表面に均一に担持(被覆)できる。 In the above method, the mixing ratio of the Si alloy and the carbon-based material is not particularly limited. Specifically, when the total amount of the Si alloy and the carbon-based material is 100 parts by weight, the carbon-based material is preferably 1 to 25 parts by weight, more preferably 5 to 25 parts by weight. In particular, it is preferably mixed with the Si alloy at a ratio of 10 to 25 parts by weight. According to such a mixing ratio, the coverage (support rate) of the Si alloy with the carbon-based material can be easily controlled within the preferable range as described above. Further, according to such a mixing ratio, the carbon-based material can be uniformly supported (coated) on the surface of the Si alloy.
炭素系材料は、特に制限されず、通常、導電助剤として使用される炭素系材料が使用できる。具体的には、アセチレンブラック、ファーネスブラック、カーボンブラック、チャンネルブラック、グラファイト(導電助剤と同程度に微粉化されたものであって、活物質である炭素材料とは粒子サイズの観点から明確に区別されるものである)などが挙げられる。これらのうち、担持維持性の観点から、上記炭素系材料は、上記したように繰り返し充放電できないので活物質にあたらない導電性炭素材料、即ち、Liイオンの挿入脱離の起こりにくいまたは起こらない低結晶性を有する導電性炭素材料であることが好ましい。具体的には、アセチレンブラック、炭素繊維を使用することが好ましい。また、炭素系材料の形状もまた、特に制限されず、粒子形態でも繊維形態でもよい。担持のしやすさの点から、粒子形態が好ましく、導電性の点からは、繊維形態が好ましい。炭素系材料の大きさもまた、導電助剤と同程度に微粉化されたものであって、活物質である炭素材料とは粒子サイズの観点から明確に区別されるものであれば、特に制限されない。例えば、上記炭素系材料が粒子形態の場合には、平均粒子径(2次粒子径)が、好ましくは10〜200nmであり、より好ましくは20〜150nmである。また、上記炭素系材料が繊維形態の場合には、直径が、好ましくは20〜500nmであり、より好ましくは50〜300nmであり、長さが、好ましくは5〜20μmであり、より好ましくは8〜15μmである。このような大きさであれば、上記炭素系材料が容易にSi合金表面に担持できる。また、このような大きさであれば、上記炭素系材料がSi合金表面に均一に担持できる。 The carbon-based material is not particularly limited, and a carbon-based material that is usually used as a conductive additive can be used. Specifically, acetylene black, furnace black, carbon black, channel black, graphite (pulverized to the same extent as the conductive additive, and the carbon material as the active material is clearly from the viewpoint of particle size. For example). Among these, from the viewpoint of supporting maintenance, the carbon-based material cannot be repeatedly charged and discharged as described above, and therefore, the conductive carbon material that does not correspond to the active material, that is, the insertion or desorption of Li ions hardly occurs or does not occur. A conductive carbon material having low crystallinity is preferable. Specifically, it is preferable to use acetylene black or carbon fiber. Further, the shape of the carbon-based material is not particularly limited, and may be in a particle form or a fiber form. From the viewpoint of easy loading, a particle form is preferable, and from a conductive point, a fiber form is preferable. The size of the carbon-based material is not particularly limited as long as it is finely divided to the same degree as the conductive additive and can be clearly distinguished from the carbon material as the active material from the viewpoint of the particle size. . For example, when the carbonaceous material is in the form of particles, the average particle size (secondary particle size) is preferably 10 to 200 nm, more preferably 20 to 150 nm. Moreover, when the said carbonaceous material is a fiber form, a diameter becomes like this. Preferably it is 20-500 nm, More preferably, it is 50-300 nm, Length is preferably 5-20 micrometers, More preferably, it is 8 ~ 15 μm. With such a size, the carbon-based material can be easily supported on the Si alloy surface. Moreover, if it is such a magnitude | size, the said carbonaceous material can carry | support uniformly on the Si alloy surface.
また、上記方法において、上記炭素系材料をSi合金表面に化学的または物理的に結合(担持)させるための物理的または化学的な処理方法は、特に制限されない。例えば、剪断によりSi合金中に炭素系材料の少なくとも一部を埋設する方法、Si合金および上記炭素系材料表面の官能基を介して化学的に結合させる方法などが挙げられる。より具体的には、メカノケミカル法、液相法、焼結法、気相蒸着(CVD)法などが挙げられる。 In the above method, the physical or chemical treatment method for chemically or physically bonding (supporting) the carbon-based material to the Si alloy surface is not particularly limited. For example, a method of embedding at least a part of the carbon-based material in the Si alloy by shearing, a method of chemically bonding the Si alloy and a functional group on the surface of the carbon-based material, and the like can be given. More specifically, a mechanochemical method, a liquid phase method, a sintering method, a vapor deposition (CVD) method, and the like can be given.
上記炭素系材料をSi合金表面に化学的または物理的に結合(担持)させるための物理的または化学的な処理条件は、特に制限されず、使用される方法によって適切に選択できる。例えば、メカノケミカル法を使用する場合には、回転速度(処理回転速度)が、好ましく3000〜8000rpm、より好ましくは4000〜7000rpmである。また、負荷動力が、好ましく200〜400W、より好ましくは250〜300Wである。処理時間は、好ましく10〜60分、より好ましくは20〜50分である。このような条件であれば、炭素系材料を、上記好ましい被覆率(担持率)でSi合金表面に担持(被覆)できる。また、炭素系材料がSi合金表面に均一に担持できる。 The physical or chemical treatment conditions for chemically or physically bonding (supporting) the carbon-based material to the Si alloy surface are not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the method used. For example, when the mechanochemical method is used, the rotation speed (processing rotation speed) is preferably 3000 to 8000 rpm, more preferably 4000 to 7000 rpm. Further, the load power is preferably 200 to 400 W, more preferably 250 to 300 W. The treatment time is preferably 10 to 60 minutes, more preferably 20 to 50 minutes. Under such conditions, the carbon-based material can be supported (coated) on the surface of the Si alloy at the preferable coverage (supporting rate). Further, the carbon-based material can be uniformly supported on the surface of the Si alloy.
(Si合金の製造方法)
本形態に係るSi合金の製造方法としては、特に制限されるものではなく、従来公知の各種の製造を利用して製造することができる。Si合金の製造方法の一例として、以下のような製造方法が挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。
(Si alloy production method)
The method for producing the Si alloy according to the present embodiment is not particularly limited, and can be produced using various conventionally known production methods. Examples of the Si alloy production method include the following production methods, but are not limited thereto.
まず、Si合金の原料を混合して混合粉末を得る工程を行う。この工程では、得られるSi合金の組成を考慮して、当該合金の原料を混合する。当該合金の原料としては、Si合金として必要な元素の比率を実現できれば、その形態などは特に限定されない。例えば、Si合金を構成する元素単体を、目的とする比率に混合したものや、目的とする元素比率を有する合金、固溶体、または金属間化合物を用いることができる。また、通常は粉末状態の原料を混合する。これにより、原料からなる混合粉末が得られる。 First, a step of obtaining a mixed powder by mixing raw materials of Si alloy is performed. In this step, the raw material of the alloy is mixed in consideration of the composition of the obtained Si alloy. The form of the alloy is not particularly limited as long as the ratio of elements necessary for the Si alloy can be realized. For example, the element simple substance which comprises Si alloy can be mixed with the target ratio, the alloy which has the target element ratio, a solid solution, or an intermetallic compound can be used. Usually, raw materials in a powder state are mixed. Thereby, the mixed powder which consists of a raw material is obtained.
続いて、上記で得られた混合粉末に対して合金化処理を行う。これにより、非水電解質二次電池用負極活物質として用いることが可能なSi合金が得られる。 Subsequently, an alloying process is performed on the mixed powder obtained above. Thereby, Si alloy which can be used as a negative electrode active material for nonaqueous electrolyte secondary batteries is obtained.
合金化処理の手法としては、固相法、液相法、気相法があるが、例えば、メカニカルアロイ法やアークプラズマ溶融法、鋳造法、ガスアトマイズ法、液体急冷法、イオンビームスパッタリング法、真空蒸着法、メッキ法、気相化学反応法などが挙げられる。なかでも、メカニカルアロイ法を用いて合金化処理を行うことが好ましい。メカニカルアロイ法により合金化処理を行うことで、相の状態の制御を容易に行うことができるため好ましい。また、合金化処理を行う前に、原材料を溶融する工程や前記溶融した溶融物を急冷して凝固させる工程が含まれてもよい。 Examples of alloying methods include a solid phase method, a liquid phase method, and a gas phase method. For example, a mechanical alloy method, an arc plasma melting method, a casting method, a gas atomizing method, a liquid quenching method, an ion beam sputtering method, a vacuum method, and the like. Examples include vapor deposition, plating, and gas phase chemical reaction. Especially, it is preferable to perform an alloying process using a mechanical alloy method. The alloying process is preferably performed by a mechanical alloy method because the phase state can be easily controlled. Further, before the alloying treatment, a step of melting the raw material and a step of rapidly cooling and solidifying the molten material may be included.
上述した合金化処理を行うことにより、母相/シリサイド相からなる構造とすることができる。特に、合金化処理の時間が12時間以上であれば、所望のサイクル耐久性を発揮させうる非水電解質二次電池を得ることができる。なお、合金化処理の時間は、好ましくは24時間以上であり、より好ましくは30時間以上であり、さらに好ましくは36時間以上であり、さらにより好ましくは42時間以上であり、特に好ましくは48時間以上である。なお、合金化処理のための時間の上限値は特に設定されないが、通常は72時間以下であればよい。また、上述した合金化処理のうち、メカニカルアロイング法により合金化処理の場合、従来公知の方法を用いて行うことができる。例えばボールミル装置(例えば、遊星ボールミル装置)を用いて、粉砕ポットに粉砕ボールおよび合金の原料粉末を投入し、回転数を高くして高エネルギーを付与することで、合金化を図ることができる。ボールミル装置の回転数(回転速度)は、例えば、500rpm以上、好ましくは600rpm以上である。 By performing the alloying process described above, a structure composed of a parent phase / silicide phase can be obtained. In particular, when the alloying time is 12 hours or longer, a nonaqueous electrolyte secondary battery capable of exhibiting desired cycle durability can be obtained. The alloying treatment time is preferably 24 hours or more, more preferably 30 hours or more, still more preferably 36 hours or more, still more preferably 42 hours or more, and particularly preferably 48 hours. That's it. In addition, although the upper limit of the time for alloying process is not set in particular, it may usually be 72 hours or less. Moreover, in the case of the alloying process by the mechanical alloying method among the alloying processes mentioned above, it can carry out using a conventionally well-known method. For example, by using a ball mill device (for example, a planetary ball mill device), a pulverized ball and an alloy raw material powder are put into a pulverizing pot, and a high energy is applied by increasing the number of rotations, thereby achieving alloying. The rotation speed (rotation speed) of the ball mill device is, for example, 500 rpm or more, preferably 600 rpm or more.
上述した手法による合金化処理は、通常乾式雰囲気下で行われるが、合金化処理後の粒度分布は大小の幅が非常に大きい場合がある。このため、粒度を整えるための粉砕処理および/または分級処理を行うことが好ましい。 The alloying treatment by the above-described method is usually performed in a dry atmosphere, but the particle size distribution after the alloying treatment may have a very large or small width. For this reason, it is preferable to perform the grinding | pulverization process and / or classification process for adjusting a particle size.
合金化処理により得られた粒子を、適宜、分級、粉砕等の処理を行うことによって粒子径を制御することができる。分級方法としては、風力分級、メッシュ濾過法、沈降法などが挙げられる。また、粉砕条件は特に限定されるものではなく、適当な粉砕機(例えば、メカニカルアロイ法でも使用可能な装置、例えば、遊星ボールミル等)による粉砕時間、回転速度などを適宜設定すればよい。粉砕条件の一例を挙げれば、遊星ボールミル等の粉砕機を用い、回転速度200〜400rpmにて30分〜4時間粉砕を行う例が挙げられる。 The particle diameter can be controlled by appropriately subjecting the particles obtained by the alloying treatment to classification, pulverization and the like. Examples of classification methods include wind classification, mesh filtration, and sedimentation. The pulverization conditions are not particularly limited, and the pulverization time, rotation speed, and the like using an appropriate pulverizer (for example, a device that can be used in a mechanical alloy method, such as a planetary ball mill) may be set as appropriate. An example of pulverization conditions is an example in which pulverization is performed at a rotational speed of 200 to 400 rpm for 30 minutes to 4 hours using a pulverizer such as a planetary ball mill.
また、負極活物質層は、負極活物質、バインダ、導電助剤、溶媒などを含む負極活物質スラリーを集電体上に塗布して形成することができるが、負極活物質スラリーを調製する際にさらに粉砕処理を行ってもよい。粉砕手段は特に制限されず、公知の手段を適宜採用することができる。粉砕条件は特に限定されるものではなく、粉砕時間、回転速度などを適宜設定すればよい。粉砕条件の一例を挙げれば、遊星ボールミル等の粉砕機を用い、回転速度200〜400rpmにて30分〜4時間粉砕を行う例が挙げられる。また、粉砕処理は粉砕処理によって溶媒が加熱されて変性することを防ぐ目的で、冷却時間を挟んで数回に分けて行ってもよい。 In addition, the negative electrode active material layer can be formed by applying a negative electrode active material slurry containing a negative electrode active material, a binder, a conductive additive, a solvent, and the like on a current collector. Further, pulverization may be performed. The pulverizing means is not particularly limited, and known means can be appropriately employed. The pulverization conditions are not particularly limited, and pulverization time, rotation speed, and the like may be set as appropriate. An example of pulverization conditions is an example in which pulverization is performed at a rotational speed of 200 to 400 rpm for 30 minutes to 4 hours using a pulverizer such as a planetary ball mill. Further, the pulverization treatment may be performed in several times with a cooling time in between for the purpose of preventing the solvent from being heated and denatured by the pulverization treatment.
(炭素材料)
負極活物質の1種である炭素材料は、特に制限されないが、天然黒鉛、人造黒鉛等の高結晶性カーボンである黒鉛(グラファイト);ソフトカーボン(易黒鉛化炭素)、ハードカーボン(難黒鉛化炭素)等の低結晶性カーボン;ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、オイルファーネスブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック(非定形炭素);フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンフィブリル等の炭素材料が挙げられる。これらのうち、天然黒鉛、人造黒鉛等の高結晶性カーボンである黒鉛(グラファイト)を用いることが好ましい。これら炭素材料は、1種単独で用いてもよいし2種以上を併用してもよい。炭素材料が二次電池の活物質として利用し得るには、Liイオンの挿入脱離が起こりやすい(繰り返し充放電できる)炭素材料であればよい。
(Carbon material)
The carbon material that is one kind of the negative electrode active material is not particularly limited, but is graphite (graphite) that is highly crystalline carbon such as natural graphite or artificial graphite; soft carbon (graphitizable carbon), hard carbon (non-graphitizable) Low crystalline carbon such as carbon); carbon black (amorphous carbon) such as ketjen black, acetylene black, channel black, lamp black, oil furnace black, thermal black; fullerene, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, Examples thereof include carbon materials such as carbon fibrils. Among these, it is preferable to use graphite (graphite) which is highly crystalline carbon such as natural graphite and artificial graphite. These carbon materials may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. In order for the carbon material to be used as the active material of the secondary battery, any carbon material may be used as long as insertion and desorption of Li ions easily occur (can be repeatedly charged and discharged).
本実施形態では、負極活物質として、上記Si合金と共に、カーボンリッチとなるように炭素材料を併用することにより、高容量を維持し、より高い充放電サイクル特性を発現でき、容量とサイクル耐久性の両立を図ることができる。 In the present embodiment, as a negative electrode active material, together with the Si alloy, a carbon material is used so as to be rich in carbon, so that a high capacity can be maintained and higher charge / discharge cycle characteristics can be exhibited, and the capacity and cycle durability can be achieved. Can be achieved.
炭素材料の形状としては、特に制限はなく、球状、楕円状、円柱状、多角柱状、鱗片状、不定形などでありうる。 There is no restriction | limiting in particular as a shape of a carbon material, A spherical shape, an ellipse shape, a column shape, a polygonal column shape, a scale shape, an indefinite shape etc. may be sufficient.
(炭素材料の平均粒子径(二次粒子径)D50)
また、炭素材料の平均粒子径としては、特に制限されないが、平均粒子径(二次粒子径)D50が5〜50μmであることが好ましく、5〜25μmであることがより好ましく、12〜25μmであることが更に好ましい。ここで炭素材料の平均粒子径(二次粒子径)はレーザー回折法により得られた値を用いる。本実施形態において、D50値は、レーザー式粒度分布計により算出された、粒度分布データをもとに、D50;メディアン径、すなわち中間値の粒子径を算出し、その値を採用する。また、本実施形態において、レーザー式粒度分布計はレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置(株式会社堀場製作所製、型式:LA−920)など、これと同様の測定原理を用いてなるレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置を用いることができる。この際、上述のSi合金との平均粒子径との対比については、炭素材料の平均粒子径は、Si合金の平均粒子径と同一であっても、異なっていてもよいが、異なることが好ましい。特に、Si材料であるSi合金の平均粒子径が、前記炭素材料の平均粒子径よりも小さいことがより好ましい。さらに、炭素材料の平均粒子径(二次粒子径)D50(C)に対するSi材料であるSi合金の平均粒子径(二次粒子径)D50(A)の比(A/C)が、0.5未満であることが好ましく、0.3以下であることがより好ましく、0.1以下であることがさらに好ましい。炭素材料の平均粒子径(二次粒子径)D50(C)がSi材料であるSi合金の平均粒子径(二次粒子径)D50(A)よりも相対的に大きいと、均一に炭素材料の粒子が配置され、当該炭素材料の粒子間の隙間にSi合金粒子が配置した構成を有する。更に本形態では、電極(負極活物質層)厚さ方向で負極活物質層断面を均等に3分割した際に、各分割された面積内におけるSi材料であるSi合金の面積が、集電体側から正極対向面(表面)側にかけて、1%以上12%以下ずつ増加するように配置した構成を有する。即ち、集電体側よりも正極対向面(表面)側の炭素材料の粒子間の隙間により多くのSi合金が配置した構成を有する。かかる構成は、例えば、実施例に示すように負極活物質(水系)スラリーの固形分濃度を所定の(狭い)範囲に調整し、更にその後の乾燥温度も所定の(狭い)範囲に調整することで達成できる(実施例参照のこと)。上記に加えて、容量が相対的に大きいSi材料であるSi合金の粒子径が、容量が小さい炭素材料の粒子径と同等であった場合、見かけ上均一に分散できたとしても、負極活物質層面内(方向)での容量分布には若干のバラつきが生じやすくなってしまう。そのため、容量が相対的に大きいSi材料であるSi合金の粒子径を小さくすることで、負極活物質層面内(方向)での容量のばらつきをより一層低減することもできる。なお、炭素材料の平均粒子径(二次粒子径)D50(C)に対するSi合金の平均粒子径(二次粒子径)D50(A)の比(A/C)の下限値は特に制限されないが、例えば、0.01以上である。以上のことから、容量が相対的に大きいSi材料であるSi合金の粒子径を炭素材料の粒子径よりも小さくすることで、より均一な充放電反応を進めることができ、性能(容量及び耐久性)の更なる向上を図ることができる。また、負極活物質層面内での容量のばらつきをより一層低減することができ、性能(容量及び耐久性)のより一層の向上を図ることができる。
(Average particle diameter of carbon material (secondary particle diameter) D50)
The average particle size of the carbon material is not particularly limited, but the average particle size (secondary particle size) D50 is preferably 5 to 50 μm, more preferably 5 to 25 μm, and 12 to 25 μm. More preferably it is. Here, the value obtained by the laser diffraction method is used as the average particle size (secondary particle size) of the carbon material. In the present embodiment, the D50 value is calculated based on the particle size distribution data calculated by a laser particle size distribution meter, and D50; median diameter, that is, an intermediate particle diameter is calculated. In the present embodiment, the laser particle size distribution meter is a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device (manufactured by HORIBA, Ltd., model: LA-920). A scattering type particle size distribution measuring apparatus can be used. At this time, regarding the comparison with the average particle diameter of the Si alloy described above, the average particle diameter of the carbon material may be the same as or different from the average particle diameter of the Si alloy, but is preferably different. . In particular, it is more preferable that the average particle diameter of the Si alloy as the Si material is smaller than the average particle diameter of the carbon material. Furthermore, the ratio (A / C) of the average particle diameter (secondary particle diameter) D50 (A) of the Si alloy as the Si material to the average particle diameter (secondary particle diameter) D50 (C) of the carbon material is 0. It is preferably less than 5, more preferably 0.3 or less, and even more preferably 0.1 or less. If the average particle diameter (secondary particle diameter) D50 (C) of the carbon material is relatively larger than the average particle diameter (secondary particle diameter) D50 (A) of the Si alloy that is the Si material, the carbon material is uniformly distributed. The particles are arranged, and the Si alloy particles are arranged in the gaps between the carbon material particles. Further, in this embodiment, when the cross section of the negative electrode active material layer is equally divided into three in the electrode (negative electrode active material layer) thickness direction, the area of the Si alloy as the Si material within each divided area is the current collector side. To the positive electrode facing surface (front surface) side, the structure is arranged so as to increase by 1% or more and 12% or less. That is, it has a configuration in which more Si alloys are arranged in the gaps between the carbon material particles on the positive electrode facing surface (front surface) side than on the current collector side. In such a configuration, for example, as shown in the examples, the solid content concentration of the negative electrode active material (aqueous) slurry is adjusted to a predetermined (narrow) range, and the subsequent drying temperature is also adjusted to a predetermined (narrow) range. Can be achieved (see Examples). In addition to the above, when the particle diameter of the Si alloy, which is a Si material having a relatively large capacity, is equivalent to the particle diameter of the carbon material having a small capacity, even if it can be dispersed evenly in appearance, the negative electrode active material The capacity distribution in the layer plane (direction) tends to vary slightly. Therefore, by reducing the particle diameter of the Si alloy, which is a Si material having a relatively large capacity, the capacity variation in the negative electrode active material layer plane (direction) can be further reduced. The lower limit of the ratio (A / C) of the average particle diameter (secondary particle diameter) D50 (A) of the Si alloy to the average particle diameter (secondary particle diameter) D50 (C) of the carbon material is not particularly limited. For example, it is 0.01 or more. From the above, by making the particle size of the Si alloy, which is a Si material having a relatively large capacity, smaller than the particle size of the carbon material, a more uniform charge / discharge reaction can be promoted, and the performance (capacity and durability) Property) can be further improved. In addition, variation in capacity within the negative electrode active material layer surface can be further reduced, and performance (capacity and durability) can be further improved.
Si材料であるSi合金は、上記したように負極活物質層面内(方向)において、若干のバラつき(負極活物質層面内の全ての炭素材料の粒子間の隙間にSi合金粒子が全て均等に配置されない場合に生じ得る若干のバラつき)により均一に配置されない場合がある。このような場合、それぞれのSiOxおよびSi合金が発現する電位や容量は個別に異なる。その結果、負極活物質層内のSiOxおよびSi合金の中には、過度にリチウムイオンと反応するSiOxおよびSi合金と、リチウムイオンと反応しないSiOxおよびSi合金が生じる。すなわち、負極活物質層内のSiOxおよびSi合金のリチウムイオンとの反応の不均一性が発生する。そうすると、上記負極活物質層内のSiOxおよびSi合金のうち、過度にリチウムイオンと反応するSiOxおよびSi合金が過度に作用することによって、電解液との著しい反応による電解液の分解や過剰な膨張によるSiOxおよびSi合金の構造の破壊が生じうる。その結果として、優れた特性を有するSiOxおよびSi合金を使用した場合であっても、均一にSiOxおよびSi合金が配置されていない等の場合には、非水電解質二次電池としてサイクル特性が低下しうる。 As described above, the Si alloy, which is a Si material, has a slight variation in the negative electrode active material layer surface (direction) (all Si alloy particles are evenly arranged in the gaps between all the carbon material particles in the negative electrode active material layer surface). May not be evenly arranged due to slight variations that may occur if not. In such a case, the potentials and capacities expressed by the respective SiO x and Si alloys are individually different. As a result, in the SiO x and Si alloy of the anode active material layer includes a SiO x and Si alloy that reacts with excessive lithium ion, SiO x and Si alloy that does not react with lithium ions occur. That is, non-uniformity of reaction between the SiO x in the negative electrode active material layer and the lithium ions of the Si alloy occurs. Then, the negative electrode active of SiO x and Si alloy material layer, by SiO x and Si alloy acts excessively react excessively lithium ion, significant decomposition reaction and excess electrolyte by the electrolyte The structure of the SiO x and Si alloy can be destroyed due to proper expansion. As a result, excellent even when using SiO x and Si alloys has a characteristic, uniform in the case of such SiO x and Si alloy is not disposed, the cycle characteristics as the non-aqueous electrolyte secondary battery Can be reduced.
しかしながら、当該SiOxおよびSi合金を炭素材料と混合すると、上記問題が解決されうる。より詳細には、SiOxおよびSi合金を炭素材料と混合することにより、負極活物質層内にSiOxおよびSi合金をバランスよく(比較的均一に散在(分散)して)配置することが可能となりうる。その結果、負極活物質層内におけるSiOxおよびSi合金はいずれも同等の反応性を示し、サイクル特性の低下を防止することができると考えられるのである。これは、含有量の多い炭素材料の粒子同士の隙間にSiOx粒子やSi合金粒子が入り込むことができ、これによりSiOxおよびSi合金をバランスよく(比較的均一に散在(分散)して)配置することができると考えられる。これにより、各粒子間の接触面積が増え、電気導電性を確保でき、更にSiOxおよびSi合金がいずれも同等の反応性を示す(反応の不均一性を防止する)ことができるため、サイクル特性の低下を防止できると考えられる。すなわち、但し、本形態では、上記した発明の効果を奏するように負極活物質層厚さ方向には積極的にSi合金に濃度勾配を設けているが、上記の通り負極活物質層面内(方向)は、バラつきがないことが好ましいといえる。 However, the above problem can be solved by mixing the SiO x and Si alloy with a carbon material. More specifically, by mixing SiO x and Si alloy with a carbon material, it is possible to arrange the SiO x and Si alloy in a balanced manner (with relatively uniform distribution (dispersion)) in the negative electrode active material layer. It can be. As a result, it is considered that both SiO x and the Si alloy in the negative electrode active material layer exhibit the same reactivity and can prevent deterioration of cycle characteristics. This is because the SiO x particles and Si alloy particles can enter the gaps between the carbon material particles having a high content, and thereby the SiO x and Si alloy are well balanced (relatively uniformly dispersed (dispersed)). It can be arranged. As a result, the contact area between each particle increases, electrical conductivity can be ensured, and furthermore, both SiO x and Si alloy can exhibit the same reactivity (prevent reaction non-uniformity). It is thought that deterioration of characteristics can be prevented. That is, in this embodiment, however, a concentration gradient is positively provided in the Si alloy in the negative electrode active material layer thickness direction so that the above-described effects of the invention can be obtained. ) Is preferably free of variation.
なお、カーボンリッチとなるように炭素材料が混合される結果、負極活物質層内におけるSi合金の含有量が相対的に低下することによって、初期容量は低下しうる。しかしながら、炭素材料自体も活物質でありリチウムイオンとの反応性を有する(Liイオンの挿入脱離が起こりやすい)ため、初期容量の低下の度合いは相対的に小さくなる。すなわち、本形態に係る負極活物質は、初期容量の低下の作用と比べて、サイクル特性の向上効果が大きいのである。 In addition, as a result of mixing the carbon material so as to be carbon-rich, the initial capacity can be reduced by relatively reducing the content of the Si alloy in the negative electrode active material layer. However, since the carbon material itself is an active material and has reactivity with lithium ions (Li ion insertion / desorption tends to occur), the degree of decrease in the initial capacity is relatively small. That is, the negative electrode active material according to the present embodiment has a large effect of improving the cycle characteristics as compared with the effect of reducing the initial capacity.
また、炭素材料は、Si材料であるSi合金と対比すると、リチウムイオンと反応する際の体積変化が生じにくい。そのため、Si材料であるSi合金の体積変化が大きい場合であっても、カーボンリッチとなるように炭素材料が混合される結果、負極活物質を全体としてみると、リチウム反応に伴う負極活物質の体積変化の影響を相対的に軽微なものとすることができる。なお、このような効果は、炭素材料の含有率が大きいほど(Si材料の含有率が小さいほど)、サイクル特性が高くなる実施例の結果からも理解することができる。 Further, the carbon material is unlikely to undergo a volume change when reacting with lithium ions, as compared with a Si alloy that is a Si material. Therefore, even when the volume change of the Si alloy that is the Si material is large, the carbon material is mixed so as to be carbon-rich. The influence of the volume change can be made relatively minor. Such an effect can also be understood from the results of Examples in which the cycle characteristics increase as the carbon material content increases (the Si material content decreases).
また、炭素材料を含有することによって、消費電気量(Wh)を向上させることができる。より詳細には、炭素材料は、Si材料(Si合金)と対比して相対的に電位が低い。その結果、Si材料が有する相対的に高い電位を低減することができる。そうすると、負極全体の電位が低下するため、消費電力量(Wh)を向上させることができるのである。このような作用は、例えば、車両の用途に使用する際に特に有利である。 Moreover, the amount of electricity consumed (Wh) can be improved by containing a carbon material. More specifically, the carbon material has a relatively low potential compared to the Si material (Si alloy). As a result, the relatively high potential of the Si material can be reduced. Then, since the electric potential of the whole negative electrode falls, power consumption (Wh) can be improved. Such an action is particularly advantageous when used for a vehicle application, for example.
本形態の作用効果に影響しない(損なわない)範囲であれば、場合によっては、上述した2種の負極活物質以外の負極活物質が併用されてもよい。併用可能な負極活物質としては、例えば、リチウム−遷移金属複合酸化物(例えば、Li4Ti5O12)、金属材料、リチウム合金系負極材料などが挙げられる。これ以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。 A negative electrode active material other than the above-described two types of negative electrode active materials may be used in combination as long as it does not affect (does not damage) the operational effects of this embodiment. Examples of the negative electrode active material that can be used in combination include lithium-transition metal composite oxides (for example, Li 4 Ti 5 O 12 ), metal materials, lithium alloy negative electrode materials, and the like. Of course, other negative electrode active materials may be used.
負極活物質層は、下記式(1)で表される負極活物質を含有する。 The negative electrode active material layer contains a negative electrode active material represented by the following formula (1).
式(1)において、カッコ内のSi材料および炭素材料は、負極活物質の必須の成分を示す。ここで前記Si材料は、Siを含有する合金(Si合金)からなる材料である。また、αおよびβは負極活物質層におけるSi材料および炭素材料の含有量(質量%)を表しを表し、80≦α+β≦98、0.1≦α≦40、58≦β≦97.9である。 In the formula (1), the Si material and the carbon material in parentheses indicate essential components of the negative electrode active material. Here, the Si material is a material made of an alloy containing Si (Si alloy). Α and β represent the contents (mass%) of the Si material and the carbon material in the negative electrode active material layer, and 80 ≦ α + β ≦ 98, 0.1 ≦ α ≦ 40, 58 ≦ β ≦ 97.9. is there.
式(1)から明らかなように、負極活物質層におけるSi材料の含有量(α)は0.1〜40質量%である。また、炭素材料の含有量(β)は58〜97.9質量%である。さらに、これらの合計含有量(α+β)は80〜98質量%である。 As apparent from the formula (1), the content (α) of the Si material in the negative electrode active material layer is 0.1 to 40% by mass. Moreover, content ((beta)) of a carbon material is 58-97.9 mass%. Furthermore, these total content ((alpha) + (beta)) is 80-98 mass%.
なお、負極活物質のSi材料および炭素材料の混合比は、上記の含有量の規定を満足する限り特に制限はなく、所望の用途等に応じて適宜選択できる。本形態では、Si材料および炭素材料の混合比として、Si材料の含有量を相対的に少なめにし、炭素材料の含有量を相対的に多めにする(更に厚さ方向にSi材料の特定の濃度勾配を形成する)ことで、本形態の作用効果を有効に発現できることができるものである。なかでも、前記負極活物質中のSi材料(α)の含有量は、好ましくは0.5〜40質量%、より好ましくは1〜30質量%、更に好ましくは1〜20質量%の範囲である。前記負極活物質層中のSi材料の含有量が0.1質量%未満であると、高い初期容量が得られにくい。一方、前記Si材料の含有量が40質量%を超えると、高いサイクル特性が得られない。また、前記負極活物質中の炭素材料(β)の含有量は、好ましくは58〜97.5質量%、より好ましくは68〜97質量%、更に好ましくは78〜97質量%の範囲である。前記負極活物質層中の炭素材料の含有量が58質量%未満であると、高いサイクル特性が得られない。一方、前記炭素材料の含有量が97.9質量%を超えると、高い初期容量が得られにくい。 In addition, the mixing ratio of the Si material and the carbon material of the negative electrode active material is not particularly limited as long as the content specification is satisfied, and can be appropriately selected according to a desired use. In this embodiment, as the mixing ratio of the Si material and the carbon material, the content of the Si material is relatively small, and the content of the carbon material is relatively large (further, a specific concentration of the Si material in the thickness direction). By forming a gradient), the effect of this embodiment can be effectively expressed. Especially, content of Si material ((alpha)) in the said negative electrode active material becomes like this. Preferably it is 0.5-40 mass%, More preferably, it is 1-30 mass%, More preferably, it is the range of 1-20 mass%. . When the content of the Si material in the negative electrode active material layer is less than 0.1% by mass, it is difficult to obtain a high initial capacity. On the other hand, when the content of the Si material exceeds 40% by mass, high cycle characteristics cannot be obtained. In addition, the content of the carbon material (β) in the negative electrode active material is preferably in the range of 58 to 97.5% by mass, more preferably 68 to 97% by mass, and still more preferably 78 to 97% by mass. When the content of the carbon material in the negative electrode active material layer is less than 58% by mass, high cycle characteristics cannot be obtained. On the other hand, when the content of the carbon material exceeds 97.9% by mass, it is difficult to obtain a high initial capacity.
負極活物質層におけるSi材料と炭素材料の合計含有量(α+β)は、上記各成分の含有量(αおよびβ)の規定を満足する限り特に制限はなく、所望の用途等に応じて適宜選択できる。なかでも、負極活物質層におけるSi材料と炭素材料の合計含有量(α+β)は、好ましくは80〜98質量%、より好ましくは85〜97質量%、更に好ましくは90〜97質量%の範囲である。前記負極活物質層におけるSi材料と炭素材料の合計含有量(α+β)が80質量%未満であると、重量エネルギー密度が低くなるため好ましくない。一方、前記負極活物質層におけるSi材料と炭素材料の合計含有量(α+β)が98質量%を超えると、バインダと導電助剤が不足し電池性能の低下の原因となるため好ましくない。 The total content (α + β) of the Si material and the carbon material in the negative electrode active material layer is not particularly limited as long as it satisfies the above specifications of the content (α and β) of each component, and is appropriately selected according to the desired application. it can. Especially, the total content (α + β) of the Si material and the carbon material in the negative electrode active material layer is preferably in the range of 80 to 98% by mass, more preferably 85 to 97% by mass, and still more preferably 90 to 97% by mass. is there. When the total content (α + β) of the Si material and the carbon material in the negative electrode active material layer is less than 80% by mass, the weight energy density is lowered, which is not preferable. On the other hand, when the total content (α + β) of the Si material and the carbon material in the negative electrode active material layer exceeds 98% by mass, the binder and the conductive auxiliary agent are insufficient, which causes a decrease in battery performance.
(バインダ)
本形態において、負極活物質層は、バインダを含むのが好ましい。負極活物質層に含まれるバインダとしては、水系バインダを含むのが好ましい。水系バインダは、原料としての水の調達が容易であることに加え、乾燥時に発生するのは水蒸気であるため、製造ラインへの設備投資が大幅に抑制でき、環境負荷の低減を図ることができるという利点がある。
(Binder)
In this embodiment, the negative electrode active material layer preferably contains a binder. The binder contained in the negative electrode active material layer preferably contains an aqueous binder. In addition to the easy procurement of water as a raw material, water-based binders can be greatly reduced in capital investment on the production line and can reduce the environmental burden because water is generated during drying. There is an advantage.
水系バインダとは水を溶媒もしくは分散媒体とするバインダをいい、具体的には熱可塑性樹脂、ゴム弾性を有するポリマー、水溶性高分子など、またはこれらの混合物が該当する。ここで、水を分散媒体とするバインダとは、ラテックスまたはエマルジョンと表現される全てを含み、水と乳化または水に懸濁したポリマーを指し、例えば自己乳化するような系で乳化重合したポリマーラテックス類が挙げられる。 The water-based binder refers to a binder using water as a solvent or a dispersion medium, and specifically includes a thermoplastic resin, a polymer having rubber elasticity, a water-soluble polymer, or a mixture thereof. Here, the binder containing water as a dispersion medium refers to a polymer that includes all expressed as latex or emulsion and is emulsified or suspended in water. For example, a polymer latex that is emulsion-polymerized in a system that self-emulsifies. Kind.
水系バインダとしては、具体的にはスチレン系高分子(スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、スチレン−酢酸ビニル共重合体、スチレン−アクリル共重合体等)、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、メタクリル酸メチル−ブタジエンゴム、(メタ)アクリル系高分子(ポリエチルアクリレート、ポリエチルメタクリレート、ポリプロピルアクリレート、ポリメチルメタクリレート(メタクリル酸メチルゴム)、ポリプロピルメタクリレート、ポリイソプロピルアクリレート、ポリイソプロピルメタクリレート、ポリブチルアクリレート、ポリブチルメタクリレート、ポリヘキシルアクリレート、ポリヘキシルメタクリレート、ポリエチルヘキシルアクリレート、ポリエチルヘキシルメタクリレート、ポリラウリルアクリレート、ポリラウリルメタクリレート等)、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、ポリブタジエン、ブチルゴム、フッ素ゴム、ポリエチレンオキシド、ポリエピクロルヒドリン、ポリフォスファゼン、ポリアクリロニトリル、ポリスチレン、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体、ポリビニルピリジン、クロロスルホン化ポリエチレン、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂などが挙げられる。これらの水系バインダは1種単独で用いてもよいし、2種以上併用して用いてもよい。 Specific examples of water-based binders include styrene polymers (styrene-butadiene rubber (SBR), styrene-vinyl acetate copolymer, styrene-acrylic copolymer, etc.), acrylonitrile-butadiene rubber, and methyl methacrylate-butadiene rubber. , (Meth) acrylic polymers (polyethyl acrylate, polyethyl methacrylate, polypropyl acrylate, polymethyl methacrylate (methyl methacrylate rubber), polypropyl methacrylate, polyisopropyl acrylate, polyisopropyl methacrylate, polybutyl acrylate, polybutyl methacrylate, Polyhexyl acrylate, polyhexyl methacrylate, polyethylhexyl acrylate, polyethylhexyl methacrylate, polylauryl acrylate, polylaur Methacrylate), polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene copolymer, polybutadiene, butyl rubber, fluororubber, polyethylene oxide, polyepichlorohydrin, polyphosphazene, polyacrylonitrile, polystyrene, ethylene-propylene-diene copolymer Examples include coalescence, polyvinyl pyridine, chlorosulfonated polyethylene, polyester resin, phenol resin, and epoxy resin. These aqueous binders may be used alone or in combination of two or more.
上記水系バインダは、結着性の観点から、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、メタクリル酸メチル−ブタジエンゴム、およびメタクリル酸メチルゴムからなる群から選択される少なくとも1つのゴム系バインダを含むことが好ましい。さらに、結着性が良好であることから、水系バインダはスチレン−ブタジエンゴム(SBR)を含むことが好ましい。 The water-based binder includes at least one rubber-based binder selected from the group consisting of styrene-butadiene rubber (SBR), acrylonitrile-butadiene rubber, methyl methacrylate-butadiene rubber, and methyl methacrylate rubber from the viewpoint of binding properties. It is preferable to include. Furthermore, since the binding property is good, the aqueous binder preferably contains styrene-butadiene rubber (SBR).
水系バインダを用いる場合、増粘剤を併用することが好ましい。これは、水系バインダは強い結着性(結着効果)はあるものの、増粘性が十分でない。そのため、電極作製時に水系スラリーに水系バインダを加えただけでは十分な増粘効果が得られない。そこで、増粘性に優れる増粘剤を用いることで、水系バインダに増粘性を付与するものである。増粘剤としては、特に制限されるものではなく、例えば、ポリビニルアルコール(平均重合度は、好適には200〜4000、より好適には、1000〜3000、ケン化度は好適には80モル%以上、より好適には90モル%以上)およびその変性体(エチレン/酢酸ビニル=(2/98)〜(30/70)モル比の共重合体の酢酸ビニル単位のうちの1〜80モル%ケン化物、ポリビニルアルコールの1〜50モル%部分アセタール化物等)、デンプンおよびその変性体(酸化デンプン、リン酸エステル化デンプン、カチオン化デンプン等)、セルロース誘導体(カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、およびこれらの塩等)、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸(塩)、ポリエチレングリコール、(メタ)アクリルアミドおよび/または(メタ)アクリル酸塩の共重合体[(メタ)アクリルアミド重合体、(メタ)アクリルアミド−(メタ)アクリル酸塩共重合体、(メタ)アクリル酸アルキル(炭素数1〜4)エステル−(メタ)アクリル酸塩共重合体など]、スチレン−マレイン酸塩共重合体、ポリアクリルアミドのマンニッヒ変性体、ホルマリン縮合型樹脂(尿素−ホルマリン樹脂、メラミン−ホルマリン樹脂等)、ポリアミドポリアミンもしくはジアルキルアミン−エピクロルヒドリン共重合体、ポリエチレンイミン、カゼイン、大豆蛋白、合成蛋白、並びにガラクトマンナン誘導体等などが挙げられる。これらの増粘剤は1種単独で用いてもよいし、2種以上併用して用いてもよい。 When using a water-based binder, it is preferable to use a thickener together. This is because the water-based binder has a strong binding property (binding effect), but the thickening is not sufficient. Therefore, a sufficient thickening effect cannot be obtained simply by adding an aqueous binder to the aqueous slurry during electrode production. Therefore, thickening is imparted to the aqueous binder by using a thickener that is excellent in thickening. The thickener is not particularly limited. For example, polyvinyl alcohol (average polymerization degree is preferably 200 to 4000, more preferably 1000 to 3000, and saponification degree is preferably 80 mol%. More preferably, it is 90 mol% or more) and a modified product thereof (ethylene / vinyl acetate = (2/98) to (30/70) molar ratio of 1 to 80 mol% of vinyl acetate units of the copolymer). Saponified products, polyvinyl alcohol 1 to 50 mol% partially acetalized products), starch and modified products thereof (oxidized starch, phosphate esterified starch, cationized starch, etc.), cellulose derivatives (carboxymethylcellulose (CMC), methylcellulose, hydroxy) Propyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, and their salts), polyvinylpyrrolidone Polyacrylic acid (salt), polyethylene glycol, (meth) acrylamide and / or (meth) acrylate copolymer [(meth) acrylamide polymer, (meth) acrylamide- (meth) acrylate copolymer, Alkyl (meth) acrylate (C1-4) ester- (meth) acrylate copolymer, etc.], styrene-maleate copolymer, Mannich modified polyacrylamide, formalin condensation type resin (urea- (Formalin resin, melamine-formalin resin, etc.), polyamide polyamine or dialkylamine-epichlorohydrin copolymer, polyethyleneimine, casein, soybean protein, synthetic protein, galactomannan derivative and the like. These thickeners may be used alone or in combination of two or more.
水系バインダとして好適なスチレン−ブタジエンゴム(SBR)を用いる場合、塗工性向上の観点から、以下の増粘剤を併用することが好ましい。スチレン−ブタジエンゴム(SBR)と併用することが好適な増粘剤としては、ポリビニルアルコールおよびその変性体、デンプンおよびその変性体、セルロース誘導体(カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、およびこれらの塩等)、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸(塩)、またはポリエチレングリコールが挙げられる。中でも、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)と、カルボキシメチルセルロース(CMC)又はその塩(CMC(塩))とを組み合わせることが好ましい。SBR(水系バインダ)と、増粘剤との含有質量比は、特に制限されるものではないが、SBR(水系バインダ):増粘剤=1:(0.3〜0.7)であることが好ましい。 When using styrene-butadiene rubber (SBR) suitable as an aqueous binder, it is preferable to use the following thickeners together from the viewpoint of improving coatability. Thickeners suitable for use in combination with styrene-butadiene rubber (SBR) include polyvinyl alcohol and modified products thereof, starch and modified products thereof, cellulose derivatives (carboxymethylcellulose (CMC), methylcellulose, hydroxyethylcellulose, and these Salt), polyvinylpyrrolidone, polyacrylic acid (salt), or polyethylene glycol. Among them, it is preferable to combine styrene-butadiene rubber (SBR) with carboxymethyl cellulose (CMC) or a salt thereof (CMC (salt)). The mass ratio of SBR (aqueous binder) and the thickener is not particularly limited, but SBR (aqueous binder): thickener = 1: (0.3 to 0.7). Is preferred.
負極活物質層がバインダを含む場合、負極活物質層に用いられるバインダのうち、水系バインダの含有量は80〜100質量%であることが好ましく、90〜100質量%であることが好ましく、100質量%であることが好ましい。水系バインダ以外のバインダとしては、正極活物質層に用いられるバインダ(有機溶媒系バインダ)が挙げられる。 When a negative electrode active material layer contains a binder, it is preferable that content of an aqueous binder is 80-100 mass% among the binders used for a negative electrode active material layer, It is preferable that it is 90-100 mass%, 100 It is preferable that it is mass%. Examples of the binder other than the water-based binder include a binder (organic solvent-based binder) used for the positive electrode active material layer.
負極活物質層中に含まれるバインダ量は、活物質を結着することができる量であれば特に限定されるものではないが、好ましくは負極活物質層の全量100質量%に対して、0.5〜15質量%であり、より好ましくは1〜10質量%であり、さらに好ましくは1〜8質量%であり、特に好ましくは2〜4質量%であり、最も好ましくは2.5〜3.5質量%である。水系バインダは結着力が高いことから、有機溶媒系バインダと比較して少量の添加で活物質層を形成できる。負極活物質層中に含まれる増粘剤量は、上記水系バインダ(SBR)と、増粘剤との含有質量比と、負極活物質層中に含まれるバインダ量と、負極活物質層中に含まれるバインダ中の水系バインダの含有量とから求められる。 The amount of the binder contained in the negative electrode active material layer is not particularly limited as long as it can bind the active material, but is preferably 0 with respect to 100% by mass of the total amount of the negative electrode active material layer. 0.5 to 15% by mass, more preferably 1 to 10% by mass, further preferably 1 to 8% by mass, particularly preferably 2 to 4% by mass, and most preferably 2.5 to 3%. 0.5% by mass. Since the water-based binder has a high binding force, the active material layer can be formed with a small amount of addition as compared with the organic solvent-based binder. The amount of the thickener contained in the negative electrode active material layer includes the content ratio of the aqueous binder (SBR) and the thickener, the amount of binder contained in the negative electrode active material layer, and the negative electrode active material layer. It is calculated | required from content of the aqueous binder in the binder contained.
(導電助剤)
導電助剤とは、正極活物質層または負極活物質層の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。特に制限されないが、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック等のカーボンブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、グラファイト等のカーボン粉末や、気相成長炭素繊維(VGCF;登録商標)等の種々の炭素繊維、膨張黒鉛などの炭素材料が挙げられる。活物質層が導電助剤を含むと、活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上に寄与しうる。
(Conductive aid)
The conductive assistant refers to an additive that is blended in order to improve the conductivity of the positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer. Although not particularly limited, carbon black such as acetylene black, ketjen black and furnace black, carbon powder such as channel black, thermal black and graphite, various carbon fibers such as vapor grown carbon fiber (VGCF; registered trademark), Examples thereof include carbon materials such as expanded graphite. When the active material layer contains a conductive additive, an electronic network inside the active material layer is effectively formed, which can contribute to improvement of the output characteristics of the battery.
導電助剤がカーボン粉末の場合、その平均粒子径は、特に制限されないが、導電性向上の観点からは、好ましくは2次粒子径で100〜500nm、より好ましくは100〜300nmである。また、1次粒子の平均粒子径は、10〜100nm、より好ましくは20〜80nmである。また、導電助剤が炭素繊維の場合、その平均繊維径は、特に制限されないが、強度及び導電性向上の観点からは、好ましくは10〜80nm、より好ましくは10〜50nmである。また、電子ネットワーク形成の観点からは、炭素繊維の平均繊維長は、5〜20μm、より好ましくは10〜15μmである。なお、本明細書における「繊維径」とは、炭素繊維の長手方向に垂直な断面の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離Lを意味する。また、「平均繊維径」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される炭素繊維の長手方向に垂直な断面の繊維径の平均値として算出される値を採用するものとする。本明細書における「繊維長」とは、炭素繊維の長手方向の長さ(距離)を意味する。また、「平均繊維長」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される炭素繊維の長手方向の長さ(繊維長)の平均値として算出される値を採用するものとする。なお、正極側の導電助剤も上記した負極側の導電助剤と同様のサイズ(平均粒子径)のものを利用することができる。 When the conductive additive is carbon powder, the average particle size is not particularly limited, but from the viewpoint of improving conductivity, the secondary particle size is preferably 100 to 500 nm, more preferably 100 to 300 nm. Moreover, the average particle diameter of a primary particle is 10-100 nm, More preferably, it is 20-80 nm. Moreover, when a conductive support agent is carbon fiber, the average fiber diameter in particular is although it does not restrict | limit, From a viewpoint of an intensity | strength and electroconductivity improvement, Preferably it is 10-80 nm, More preferably, it is 10-50 nm. Moreover, from a viewpoint of electronic network formation, the average fiber length of carbon fiber is 5-20 micrometers, More preferably, it is 10-15 micrometers. The “fiber diameter” in this specification means the maximum distance L among the distances between any two points on the contour line of the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the carbon fiber. In addition, as the value of “average fiber diameter”, an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM) is used, and the longitudinal direction of the carbon fibers observed in several to several tens of fields is used. The value calculated as the average value of the fiber diameters of the vertical cross section shall be adopted. The “fiber length” in this specification means the length (distance) in the longitudinal direction of the carbon fiber. In addition, as the value of “average fiber length”, using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM), the longitudinal direction of the carbon fibers observed in several to several tens of fields is used. The value calculated as the average value of the length (fiber length) shall be adopted. In addition, the positive electrode side conductive assistant can be of the same size (average particle diameter) as the negative electrode side conductive assistant.
負極活物質層における導電助剤の含有量は、好ましくは1〜10質量%であり、より好ましくは1〜8質量%である。導電助剤の配合比(含有量)を上記範囲内に規定することで以下の効果が発現される。すなわち、電極反応を阻害することなく、電子伝導性を十分に担保することができ、電極密度の低下によるエネルギー密度の低下を抑制でき、ひいては電極密度の向上によるエネルギー密度の向上を図ることができるのである。 The content of the conductive additive in the negative electrode active material layer is preferably 1 to 10% by mass, more preferably 1 to 8% by mass. By defining the blending ratio (content) of the conductive assistant within the above range, the following effects are exhibited. That is, the electron conductivity can be sufficiently ensured without hindering the electrode reaction, the decrease in the energy density due to the decrease in the electrode density can be suppressed, and as a result, the energy density can be improved due to the increase in the electrode density. It is.
(リチウム塩)
リチウム塩は、上述した電解質が負極活物質層へと浸透することで、負極活物質層中に含まれることになる。したがって、負極活物質層に含まれうるリチウム塩の具体的な形態は、電解質を構成するリチウム塩と同様である。リチウム塩としては、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3等が挙げられる。
(Lithium salt)
The lithium salt is contained in the negative electrode active material layer when the electrolyte described above penetrates into the negative electrode active material layer. Therefore, the specific form of the lithium salt that can be contained in the negative electrode active material layer is the same as the lithium salt that constitutes the electrolyte. Examples of the lithium salt include Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 and the like.
(イオン伝導性ポリマー)
イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)系およびポリプロピレンオキシド(PPO)系のポリマーが挙げられる。
(Ion conductive polymer)
Examples of the ion conductive polymer include polyethylene oxide (PEO) -based and polypropylene oxide (PPO) -based polymers.
負極活物質層中に含まれる成分の配合比は、特に限定されない。配合比は、リチウムイオン二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。 The compounding ratio of the components contained in the negative electrode active material layer is not particularly limited. The blending ratio can be adjusted by appropriately referring to known knowledge about lithium ion secondary batteries.
負極(負極活物質層)は、通常のスラリーを塗布(コーティング)する方法のほか、混練法、スパッタ法、蒸着法、CVD法、PVD法、イオンプレーティング法および溶射法のいずれかの方法によって形成することができる。 The negative electrode (negative electrode active material layer) can be applied by any one of a kneading method, a sputtering method, a vapor deposition method, a CVD method, a PVD method, an ion plating method, and a thermal spraying method in addition to a method of applying (coating) a normal slurry. Can be formed.
各活物質層(集電体片面の活物質層)の厚さについても特に制限はなく、電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、各活物質層の厚さは、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性を考慮し、通常1〜500μm程度、好ましくは2〜100μmである。 There is no particular limitation on the thickness of each active material layer (active material layer on one side of the current collector), and conventionally known knowledge about the battery can be referred to as appropriate. For example, the thickness of each active material layer is usually about 1 to 500 μm, preferably 2 to 100 μm in consideration of the intended use of the battery (emphasis on output, energy, etc.) and ion conductivity.
各活物質層(正極活物質層及び負極活物質層)の空孔率は、活物質層の全容積に対し、10〜45体積%、好ましくは15〜40体積%、より好ましくは20〜35体積%の範囲である。空孔率が上記範囲内であれば、電池容量等の特性や強度を損なうことなく、各活物質層の空孔が、各活物質層内部にまで電解液を含浸させ、電極反応が促進されるように電解液(Li+イオン)を供給する経路として有効に機能できるためである。 The porosity of each active material layer (positive electrode active material layer and negative electrode active material layer) is 10 to 45% by volume, preferably 15 to 40% by volume, more preferably 20 to 35%, based on the total volume of the active material layer. It is in the range of volume%. If the porosity is within the above range, the pores of each active material layer are impregnated with the electrolyte solution inside each active material layer without damaging the characteristics and strength such as battery capacity, and the electrode reaction is promoted. This is because it can effectively function as a path for supplying the electrolytic solution (Li + ions).
(傾斜電極構造の負極活物質層の構成)
本形態では負極活物質層面内における任意の場所を選択した場合において、電極厚み方向で負極活物質層断面を均等に3分割した際に、各分割された面積内におけるSi材料の面積が集電体側から正極対向面側にかけて1%以上12%以下ずつ増加していることを特徴とする。かかる構成(Si材料の混合比率が集電体から正極対向側にかけて適量ずつ増加する傾斜電極構造)とすることで、集電体付近に体積変化の大きいSi材料が少ないために、集電体へのダメージや活物質層の剥離が軽減される。その結果、充放電過程において電子導電性が維持されることにより、高容量を維持し、放電容量維持率を大幅に改善することができ、容量とサイクル耐久性の両立を図ることができる。
(Configuration of the negative electrode active material layer having an inclined electrode structure)
In this embodiment, when an arbitrary place in the negative electrode active material layer surface is selected, when the cross section of the negative electrode active material layer is equally divided into three in the electrode thickness direction, the area of the Si material within each divided area is collected. It increases by 1% or more and 12% or less from the body side to the positive electrode facing surface side. By adopting such a configuration (inclined electrode structure in which the mixing ratio of the Si material increases by an appropriate amount from the current collector to the side facing the positive electrode), since there is little Si material having a large volume change in the vicinity of the current collector, Damage and active material layer peeling are reduced. As a result, by maintaining the electronic conductivity in the charge / discharge process, the high capacity can be maintained, the discharge capacity maintenance rate can be greatly improved, and both capacity and cycle durability can be achieved.
上記負極活物質層面内における任意の場所を選択した場合において、電極厚み方向で負極活物質層断面を均等に3分割した際に、各分割された面積内におけるSi材料の面積は、集電体側から正極対向面側にかけて、好ましくは1%以上10%以下ずつ、より好ましくは3%以上10%以下ずつ、さらに好ましくは5%以上10%以下ずつ、特に好ましくは6%以上10%以下ずつ増加しているのがよい。上記傾斜電極構造(上記各分割された面積内におけるSi材料の面積の増加率)を上記した好適な範囲内とすることで、電池のサイクル耐久性(放電容量維持率など)をより一層向上させることができる。 When an arbitrary place in the negative electrode active material layer surface is selected, when the negative electrode active material layer cross section is equally divided into three in the electrode thickness direction, the area of the Si material in each divided area is the current collector side From 1% to 10%, more preferably from 3% to 10%, even more preferably from 5% to 10%, particularly preferably from 6% to 10% from the positive electrode facing surface side to the positive electrode facing surface side. It is good to have. By making the tilted electrode structure (the increase rate of the area of the Si material in each of the divided areas) within the above-described preferable range, the cycle durability (discharge capacity maintenance rate, etc.) of the battery is further improved. be able to.
図3(a)は、Si材料の混合比率が集電体側から正極対向面側にかけて適量ずつ増加する傾斜電極構造を有する負極の製造するために、固形分比率を調整した負極活物質スラリーを集電体に塗布した様子を模式的に表した断面図である。図3(b)は、Si材料の混合比率が集電体側から正極対向面側にかけて適量ずつ増加する傾斜電極構造を有する負極の製造するために、図3(a)で形成した塗工面を下に向けた(ひっくり返した)様子を模式的に表した断面図である。図3(c)は、Si材料の混合比率が集電体側から正極対向面側にかけて適量ずつ増加する傾斜電極構造を有する負極の製造するために、図3(b)で塗工面を下に向けた(ひっくり返した)状態で乾燥温度を調整して低温乾燥し、負極を形成した様子を模式的に表した断面図である。図3(d)は、Si材料の混合比率が集電体側から正極対向面側にかけて適量ずつ増加する傾斜電極構造を有する負極を模式的に表した断面図であるともいえる。 FIG. 3 (a) shows the collection of a negative electrode active material slurry with an adjusted solid content ratio in order to manufacture a negative electrode having an inclined electrode structure in which the mixing ratio of the Si material is increased by an appropriate amount from the current collector side to the positive electrode facing surface side. It is sectional drawing which represented a mode that it apply | coated to the electric body typically. FIG. 3 (b) shows the coated surface formed in FIG. 3 (a) in order to manufacture a negative electrode having an inclined electrode structure in which the mixing ratio of the Si material increases by an appropriate amount from the current collector side to the positive electrode facing surface side. FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a state facing (turned over). FIG. 3 (c) shows a negative electrode having an inclined electrode structure in which the mixing ratio of the Si material is increased by an appropriate amount from the current collector side to the positive electrode facing surface side. It is sectional drawing which represented typically a mode that the drying temperature was adjusted in the state (turned over) and dried at low temperature, and the negative electrode was formed. FIG. 3D can be said to be a cross-sectional view schematically showing a negative electrode having an inclined electrode structure in which the mixing ratio of the Si material is increased by an appropriate amount from the current collector side to the positive electrode facing surface side.
上記各分割された面積内におけるSi材料の面積を上記範囲ずつ増加させる方法としては、主に負極活物質スラリー中の固形分比率の調整と、当該スラリーを集電体に塗布後、塗工面を下に向けて乾燥することと、乾燥温度の調整(低温乾燥)とを行えばよい。具体的には、負極活物質スラリーを調製する際に、スラリー中の固形分比率(活物質重量+導電助剤重量+増粘剤重量+バインダ粉末重量等の固形分の総重量/スラリー重量)を35〜45質量%とする。こうすることで、スラリー粘度を下げ、傾斜をつけることが容易となる。このスラリーを、図3(a)に示すように、集電体(集電箔)31上に塗工(塗布)して塗膜(塗工膜)31を形成した後、図3(b)に示すように、塗膜(塗工膜)31面を下に向けて、図3(c)に示すように、40〜90℃の低温環境下で乾燥する。こうすることにより、Si材料(Si合金)活物質粒子35と炭素材料活物質粒子37の比重の関係により、Si材料(Si合金)35が正極対向面側に寄り、傾斜電極構造を有する負極活物質層33(負極30)を作製することができる。即ち、図3(d)に示すように、本形態の負極30では、集電体31上の負極活物質層33を上記方法により形成することで、Si材料活物質粒子35と炭素材料活物質粒子37の比重の関係により、Si材料活物質粒子35が正極対向面側に寄った傾斜電極構造となっている。より傾斜をつけるためには、スラリー中の固形分比率を36〜43質量%とし、乾燥温度を40〜70℃の範囲とするのが好ましい。この他にも、上記方法に加え更に乾燥時間などを変えて調整してもよい。具体的には、上記乾燥温度で6〜18時間、好ましくは12〜18時間乾燥すればよい。或いは負極活物質スラリー中の固形分比率が異なるものを3種類以上用意し、これらの順に塗布、乾燥して3層以上の積層構造の負極活物質層を形成してもよいなど、特に制限されるものではない。また量産プロセスにおいては、ロールツーロール方式で、ロール状に巻かれた集電体から引き出されて搬送される帯状(リボン状)の集電体にダイコータを用いて該集電体の裏面にスラリーを塗布(塗工)し、そのままの状態で搬送しつつ乾燥してもよい。或いは、ロール状に巻かれた集電体から引き出されて搬送される帯状(リボン状)の集電体にダイコータを用いて該集電体の表面にスラリーを塗布(塗工)した後、該集電体を180℃ねじった(反転させた)状態で搬送しつつ乾燥してもよい。 As a method for increasing the area of the Si material in each of the divided areas, the coating surface is mainly adjusted after adjusting the solid content ratio in the negative electrode active material slurry and applying the slurry to the current collector. What is necessary is just to perform drying downward and adjustment of drying temperature (low-temperature drying). Specifically, when preparing the negative electrode active material slurry, the solid content ratio in the slurry (total weight of the solid content such as active material weight + conducting agent weight + thickener weight + binder powder weight / slurry weight) Is 35 to 45 mass%. By doing so, it becomes easy to lower the slurry viscosity and to incline it. As shown in FIG. 3A, the slurry is applied (applied) onto a current collector (current collector foil) 31 to form a coating film (coated film) 31, and then the slurry shown in FIG. As shown in FIG. 3, the coating film (coating film) 31 is directed downward and dried in a low temperature environment of 40 to 90 ° C. as shown in FIG. In this way, due to the specific gravity relationship between the Si material (Si alloy) active material particles 35 and the carbon material active material particles 37, the Si material (Si alloy) 35 moves closer to the positive electrode facing surface side, and the negative electrode active material having an inclined electrode structure. The material layer 33 (negative electrode 30) can be manufactured. That is, as shown in FIG. 3D, in the negative electrode 30 of this embodiment, the negative electrode active material layer 33 on the current collector 31 is formed by the above method, so that the Si material active material particles 35 and the carbon material active material are formed. Due to the specific gravity of the particles 37, the Si material active material particles 35 have an inclined electrode structure with the positive electrode facing surface side approaching. In order to further increase the inclination, it is preferable that the solid content ratio in the slurry is 36 to 43% by mass and the drying temperature is in the range of 40 to 70 ° C. In addition, in addition to the above method, adjustment may be made by further changing the drying time. Specifically, it may be dried at the above drying temperature for 6 to 18 hours, preferably 12 to 18 hours. Alternatively, three or more types having different solid content ratios in the negative electrode active material slurry may be prepared and applied in that order and dried to form a negative electrode active material layer having a laminated structure of three or more layers. It is not something. In a mass production process, a roll-to-roll system is used to collect a slurry on the back surface of a current collector using a die coater on a belt-shaped (ribbon-shaped) current collector that is drawn from a roll-shaped current collector and conveyed. May be applied (coated) and dried while being conveyed. Alternatively, after applying (coating) a slurry to the surface of the current collector using a die coater on a belt-shaped (ribbon-shaped) current collector that is drawn out and conveyed from the current collector wound in a roll, You may dry, conveying a collector in the state twisted (inverted) 180 degreeC.
上記負極活物質層面内における任意の場所としては、負極活物質層の電極厚み方向での傾斜電極構造(上記各分割された面積内におけるSi材料の面積比率)を測定する観点から、負極活物質層面内のどの箇所でもよく、特に制限されるものではない。例えば、負極活物質層面内の端部近傍でもよいし、中央部近傍でもよいし、端部と中央部の中間部近傍など、任意の場所を適宜選択すればよい。 As an arbitrary place in the negative electrode active material layer surface, the negative electrode active material is used from the viewpoint of measuring a gradient electrode structure (area ratio of Si material in each divided area) in the electrode thickness direction of the negative electrode active material layer. Any location in the layer surface may be used, and is not particularly limited. For example, the vicinity of the end in the negative electrode active material layer surface, the vicinity of the center, or the vicinity of the middle between the end and the center may be selected as appropriate.
(上記各分割された面積内におけるSi材料の面積の比率を算出する方法)
負極活物質層中の上記各分割された面積内におけるSi材料(Si合金)の面積比(%)を算出する方法としては限定されるものではないが、例えば、以下に示す負極活物質層断面の画像処理による方法がある。すなわち、負極を任意の断面加工処理方法により、負極活物質層面内の任意の測定箇所が含まれるように断面加工した後、当該測定箇所の負極断面につき、電子顕微鏡にて二次電子像または反射電子像を撮像する(図4(a)参照)。その画像(反射電子像)に対し画像処理ソフトを用いる。画像処理ソフトは限定されるものではないが、例えば、カールツァイス製AxioVision、三谷商事製WinROOF、Media Cybernetics製Image−Proなどを用いることができる。画像処理ソフトを用いた二値化処理(画像処理)においては、測定画像(反射電子像)をグレースケール化した上で、Si材料部位とSi材料部位以外の部位のグレースケール値の間に適当な閾値を設定することにより処理画像を得る。得られた処理画像につき、負極活物質層断面を電極厚み方向で均等に3分割し、3分割された断面(分割区画)につき、分割された処理画像(負極活物質層断面)の面積におけるSi材料部位の面積量を求める。その後、分割された処理画像全体の面積に占めるSi材料部位の面積比率(Si材料の面積/分割された測定画像全体の面積×100(%))を算出する。なお、適当な閾値の設定の仕方としては、Si材料もしくはSi材料部位以外の材料(炭素材料等)どちらかの値そのものを閾値として設定するほか、両者の数値の中間値を閾値として設定する方法など、両者のグレースケール値の差異程度に応じて、いくつかの方法が適用できる。好ましくは、両者の数値の中間値を閾値として設定する方法である。
(Method for calculating the ratio of the area of the Si material in each of the divided areas)
The method for calculating the area ratio (%) of the Si material (Si alloy) in each of the divided areas in the negative electrode active material layer is not limited. For example, the following cross section of the negative electrode active material layer There is a method by image processing. That is, after the negative electrode is subjected to cross-section processing by an arbitrary cross-section processing method so that an arbitrary measurement location in the negative electrode active material layer surface is included, a secondary electron image or reflection is observed with an electron microscope for the negative electrode cross-section of the measurement location. An electronic image is taken (see FIG. 4A). Image processing software is used for the image (reflected electron image). The image processing software is not limited. For example, Carl Zeiss AxioVision, Mitani Shoji WinROOF, Media Cybernetics Image-Pro, or the like can be used. In binarization processing (image processing) using image processing software, the measurement image (reflected electron image) is converted to gray scale, and then it is suitable between the gray scale values of the Si material part and parts other than the Si material part. A processed image is obtained by setting an appropriate threshold value. For the obtained processed image, the negative electrode active material layer cross section is equally divided into three in the electrode thickness direction, and Si in the area of the divided processed image (negative electrode active material layer cross section) is divided into three divided cross sections (divided sections). Obtain the area of the material part. Thereafter, the area ratio of the Si material portion occupying the area of the entire divided processed image (the area of the Si material / the area of the entire divided measurement image × 100 (%)) is calculated. In addition, as a method of setting an appropriate threshold value, in addition to setting the value of either Si material or a material other than the Si material part (carbon material, etc.) itself as a threshold value, a method of setting an intermediate value between both values as a threshold value For example, several methods can be applied depending on the difference between the gray scale values. Preferably, an intermediate value between both values is set as a threshold value.
具体的には、上記測定箇所の負極断面につき、電子顕微鏡で撮像した二次電子像または反射電子像(図4(a)参照)を二値化処理してグレースケール化し、上記閾値を設定して処理画像(図4(b)参照)を得る。この処理画像に対して、片面側の集電体を含まない負極活物質層の断面を厚み方向に均等に3分割にする(図4(b)参照)。その後、各分割された面積内におけるSi材料(Si合金)の面積の比率(%)を(上記画像処理ソフトを用いて)算出する。例えば、負極活物質層(片面)の厚みが60μmの場合においては、上記処理画像(図4(b)参照)を厚さ方向に20μmごとに分割し、各分割された(画像)面積内におけるSi材料(Si合金)の面積の比率(%)を算出する。 Specifically, the secondary electron image or reflected electron image (see FIG. 4 (a)) imaged with an electron microscope is binarized and grayscaled for the negative electrode cross section of the measurement location, and the threshold value is set. To obtain a processed image (see FIG. 4B). For this processed image, the cross section of the negative electrode active material layer not including the current collector on one side is equally divided into three in the thickness direction (see FIG. 4B). Thereafter, the ratio (%) of the area of the Si material (Si alloy) within each divided area is calculated (using the image processing software). For example, in the case where the thickness of the negative electrode active material layer (one side) is 60 μm, the processed image (see FIG. 4B) is divided every 20 μm in the thickness direction, and within each divided (image) area. The area ratio (%) of the Si material (Si alloy) is calculated.
上記測定箇所の負極断面につき電子顕微鏡で撮像した二次電子像または反射電子像の視野面積は、特に限定されるものではないが、例えば、縦(厚さ方向)が片面側の負極活物質層厚みを全て含むもの(図4(a)参照)であればよく、横(厚さ方向に垂直な方向)が50〜200μm程度の範囲であればよい。実施例では、負極断面の反射電子像の視野面積は、図4(a)に示すように、縦(厚さ方向)が片面側の負極活物質層厚みを全て含む70μmであり、横(厚さ方向に垂直な方向)が100μmの長方形の視野面積となるように撮像した。 The field area of the secondary electron image or the backscattered electron image captured by the electron microscope with respect to the negative electrode cross section at the measurement location is not particularly limited. For example, the negative electrode active material layer whose longitudinal (thickness direction) is one side is used. It is sufficient if it includes all the thicknesses (see FIG. 4A), and the width (direction perpendicular to the thickness direction) may be in the range of about 50 to 200 μm. In the example, as shown in FIG. 4 (a), the field area of the reflected electron image of the negative electrode cross section is 70 μm including the entire thickness of the negative electrode active material layer on one side in the vertical direction (thickness direction). Images were taken so that the rectangular viewing area was 100 μm in the direction perpendicular to the vertical direction.
上記負極活物質層面内における任意の場所(測定箇所)は、1箇所または複数個所(2か所以上)を選択すればよいが、負極活物質層面内の電極厚み方向での傾斜電極構造は、負極活物質層面内の測定箇所によるばらつきが殆どないことから、1箇所(例えば、負極活物質層面内の中央部近傍)を測定すればよいといえる。すなわち、上記負極活物質層断面については1枚の画像データから算出すればよい。実施例でも負極活物質層面内の中央部近傍の1箇所を選択した(1枚の画像データから算出した)。なお、後述する大型電池のように電極面積が大きい場合には、作製プロセスにおける電極構造の若干の不均一性(活物質層面内の組成の許容可能な変動誤差)を考慮して、好ましくは2枚(2か所)以上、さらに好ましくは5枚(5か所)以上の画像データの平均値を取るのが良い。ただし、大型電池以外でも、同様に2枚(2か所)以上の画像データの平均値を取るようにしてもよい。 The arbitrary location (measurement location) in the negative electrode active material layer plane may be selected from one location or a plurality of locations (two or more locations), but the inclined electrode structure in the electrode thickness direction in the negative electrode active material layer plane is: Since there is almost no variation depending on the measurement location in the negative electrode active material layer surface, it can be said that one location (for example, the vicinity of the central portion in the negative electrode active material layer surface) may be measured. That is, the negative electrode active material layer cross section may be calculated from one piece of image data. Also in the example, one location in the vicinity of the central portion in the negative electrode active material layer surface was selected (calculated from one piece of image data). In the case where the electrode area is large as in a large battery described later, it is preferably 2 in consideration of a slight non-uniformity of the electrode structure in the manufacturing process (acceptable variation error of the composition in the active material layer surface). It is preferable to take an average value of image data of two (two) or more, more preferably five (5) or more. However, other than a large battery, the average value of two (two) or more image data may be taken similarly.
<集電体>
集電体(11、12)は導電性材料から構成される。集電体の大きさは、電池の使用用途に応じて決定される。例えば、高エネルギー密度が要求される大型の電池に用いられるのであれば、面積の大きな集電体が用いられる。
<Current collector>
The current collectors (11, 12) are made of a conductive material. The size of the current collector is determined according to the intended use of the battery. For example, if it is used for a large battery that requires a high energy density, a current collector having a large area is used.
集電体の厚さについても特に制限はない。集電体の厚さは、通常は1〜100μm程度である。 There is no particular limitation on the thickness of the current collector. The thickness of the current collector is usually about 1 to 100 μm.
集電体の形状についても特に制限されない。図1に示す積層型電池10では、集電箔のほか、網目形状(エキスパンドグリッド等)等を用いることができる。 The shape of the current collector is not particularly limited. In the laminated battery 10 shown in FIG. 1, in addition to the current collector foil, a mesh shape (such as an expanded grid) can be used.
なお、負極活物質をスパッタ法等により薄膜合金を負極集電体11上に直接形成する場合には、集電箔を用いることが好ましい。 In the case where the negative electrode active material is directly formed on the negative electrode current collector 11 by sputtering or the like, it is preferable to use a current collector foil.
集電体を構成する材料に特に制限はない。例えば、金属や、導電性高分子材料または非導電性高分子材料に導電性フィラーが添加された樹脂が採用されうる。 There is no particular limitation on the material constituting the current collector. For example, a metal or a resin in which a conductive filler is added to a conductive polymer material or a non-conductive polymer material can be employed.
具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材、またはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく用いられうる。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位、集電体へのスパッタリングによる負極活物質の密着性等の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケルが好ましい。 Specifically, examples of the metal include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, and copper. In addition to these, a clad material of nickel and aluminum, a clad material of copper and aluminum, or a plating material of a combination of these metals can be preferably used. Moreover, the foil by which aluminum is coat | covered on the metal surface may be sufficient. Of these, aluminum, stainless steel, copper, and nickel are preferable from the viewpoints of electronic conductivity, battery operating potential, and adhesion of the negative electrode active material by sputtering to the current collector.
また、導電性高分子材料としては、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアクリロニトリル、およびポリオキサジアゾールなどが挙げられる。かような導電性高分子材料は、導電性フィラーを添加しなくても十分な導電性を有するため、製造工程の容易化または集電体の軽量化の点において有利である。 Examples of the conductive polymer material include polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, polyparaphenylene, polyphenylene vinylene, polyacrylonitrile, and polyoxadiazole. Since such a conductive polymer material has sufficient conductivity without adding a conductive filler, it is advantageous in terms of facilitating the manufacturing process or reducing the weight of the current collector.
非導電性高分子材料としては、例えば、ポリエチレン(PE;高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)など)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、またはポリスチレン(PS)などが挙げられる。かような非導電性高分子材料は、優れた耐電位性または耐溶媒性を有しうる。 Non-conductive polymer materials include, for example, polyethylene (PE; high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE), etc.), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile (PEN), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), polyamide (PA), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA) , Polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVdF), or polystyrene (PS). Such a non-conductive polymer material may have excellent potential resistance or solvent resistance.
上記の導電性高分子材料または非導電性高分子材料には、必要に応じて導電性フィラーが添加されうる。特に、集電体の基材となる樹脂が非導電性高分子のみからなる場合は、樹脂に導電性を付与するために必然的に導電性フィラーが必須となる。 A conductive filler may be added to the conductive polymer material or the non-conductive polymer material as necessary. In particular, when the resin used as the base material of the current collector is made of only a non-conductive polymer, a conductive filler is inevitably necessary to impart conductivity to the resin.
導電性フィラーは、導電性を有する物質であれば特に制限なく用いることができる。例えば、導電性、耐電位性、またはリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属および導電性カーボンなどが挙げられる。金属としては、特に制限はないが、Ni、Ti、Al、Cu、Pt、Fe、Cr、Sn、Zn、In、Sb、およびKからなる群から選択される少なくとも1種の金属もしくはこれらの金属を含む合金または金属酸化物を含むことが好ましい。また、導電性カーボンとしては、特に制限はない。好ましくは、アセチレンブラック、バルカン、ブラックパール、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、およびフラーレンからなる群より選択される少なくとも1種を含むものである。 The conductive filler can be used without particular limitation as long as it is a substance having conductivity. For example, metals, conductive carbon, etc. are mentioned as a material excellent in electroconductivity, electric potential resistance, or lithium ion barrier | blocking property. The metal is not particularly limited, but at least one metal selected from the group consisting of Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, Sb, and K, or these metals It is preferable to contain an alloy or metal oxide containing. Moreover, there is no restriction | limiting in particular as electroconductive carbon. Preferably, it includes at least one selected from the group consisting of acetylene black, vulcan, black pearl, carbon nanofiber, ketjen black, carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanoballoon, and fullerene.
導電性フィラーの添加量は、集電体に十分な導電性を付与できる量であれば特に制限はなく、一般的には、5〜35質量%程度である。 The amount of the conductive filler added is not particularly limited as long as it is an amount capable of imparting sufficient conductivity to the current collector, and is generally about 5 to 35% by mass.
<セパレータ(電解質層)>
セパレータは、電解質を保持して正極と負極との間のリチウムイオン伝導性を確保する機能、および正極と負極との間の隔壁としての機能を有する。
<Separator (electrolyte layer)>
The separator has a function of holding an electrolyte and ensuring lithium ion conductivity between the positive electrode and the negative electrode, and a function as a partition wall between the positive electrode and the negative electrode.
セパレータの形態としては、例えば、上記電解質を吸収保持するポリマーや繊維からなる多孔性シートのセパレータや不織布セパレータ等を挙げることができる。 Examples of the separator include a porous sheet separator or a nonwoven fabric separator made of a polymer or fiber that absorbs and holds the electrolyte.
ポリマーないし繊維からなる多孔性シートのセパレータとしては、例えば、微多孔質(微多孔膜)を用いることができる。該ポリマーないし繊維からなる多孔性シートの具体的な形態としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン;これらを複数積層した積層体(例えば、PP/PE/PPの3層構造をした積層体など)、ポリイミド、アラミド、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン(PVdF−HFP)等の炭化水素系樹脂、ガラス繊維などからなる微多孔質(微多孔膜)セパレータが挙げられる。 As a separator for a porous sheet made of a polymer or fiber, for example, a microporous (microporous film) can be used. Specific examples of the porous sheet made of the polymer or fiber include polyolefins such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP); a laminate in which a plurality of these are laminated (for example, three layers of PP / PE / PP) And a microporous (microporous membrane) separator made of a hydrocarbon resin such as polyimide, aramid, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), glass fiber, and the like.
微多孔質(微多孔膜)セパレータの厚みとして、使用用途により異なることから一義的に規定することはできない。1例を示せば、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)、燃料電池自動車(FCV)などのモータ駆動用二次電池などの用途においては、単層あるいは多層で4〜60μmであることが望ましい。前記微多孔質(微多孔膜)セパレータの微細孔径は、最大で1μm以下(通常、数十nm程度の孔径である)であることが望ましい。 The thickness of the microporous (microporous membrane) separator cannot be uniquely defined because it varies depending on the intended use. For example, in applications such as secondary batteries for driving motors such as electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV), and fuel cell vehicles (FCV), it is 4 to 60 μm in a single layer or multiple layers. Is desirable. The fine pore diameter of the microporous (microporous membrane) separator is desirably 1 μm or less (usually a pore diameter of about several tens of nm).
不織布セパレータとしては、綿、レーヨン、アセテート、ナイロン、ポリエステル;PP、PEなどのポリオレフィン;ポリイミド、アラミドなど従来公知のものを、単独または混合して用いる。また、不織布のかさ密度は、含浸させた電解質により十分な電池特性が得られるものであればよく、特に制限されるべきものではない。さらに、不織布セパレータの厚さは、電解質層と同じであればよく、好ましくは5〜200μmであり、特に好ましくは10〜100μmである。 As the nonwoven fabric separator, cotton, rayon, acetate, nylon, polyester; polyolefins such as PP and PE; conventionally known ones such as polyimide and aramid are used alone or in combination. The bulk density of the nonwoven fabric is not particularly limited as long as sufficient battery characteristics can be obtained by the impregnated electrolyte. Furthermore, the thickness of the nonwoven fabric separator may be the same as that of the electrolyte layer, preferably 5 to 200 μm, particularly preferably 10 to 100 μm.
また、上述したように、セパレータは、電解質を含む。電解質としては、かような機能を発揮できるものであれば特に制限されないが、液体電解質またはゲルポリマー電解質が用いられる。ゲルポリマー電解質を用いることにより、電極間距離の安定化が図られ、分極の発生が抑制され、耐久性(サイクル特性)が向上する。 In addition, as described above, the separator includes an electrolyte. The electrolyte is not particularly limited as long as it can exhibit such a function, but a liquid electrolyte or a gel polymer electrolyte is used. By using the gel polymer electrolyte, the distance between the electrodes is stabilized, the occurrence of polarization is suppressed, and the durability (cycle characteristics) is improved.
液体電解質は、リチウムイオンのキャリヤーとしての機能を有する。電解液層を構成する液体電解質は、可塑剤である有機溶媒に支持塩であるリチウム塩が溶解した形態を有する。用いられる有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート等のカーボネート類が例示される。また、リチウム塩としては、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiTaF6、LiCF3SO3等の電極の活物質層に添加されうる化合物が同様に採用されうる。液体電解質は、上述した成分以外の添加剤をさらに含んでもよい。かような化合物の具体例としては、例えば、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、ジメチルビニレンカーボネート、フェニルビニレンカーボネート、ジフェニルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、ジエチルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、1,2−ジビニルエチレンカーボネート、1−メチル−1−ビニルエチレンカーボネート、1−メチル−2−ビニルエチレンカーボネート、1−エチル−1−ビニルエチレンカーボネート、1−エチル−2−ビニルエチレンカーボネート、ビニルビニレンカーボネート、アリルエチレンカーボネート、ビニルオキシメチルエチレンカーボネート、アリルオキシメチルエチレンカーボネート、アクリルオキシメチルエチレンカーボネート、メタクリルオキシメチルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネート、プロパルギルエチレンカーボネート、エチニルオキシメチルエチレンカーボネート、プロパルギルオキシエチレンカーボネート、メチレンエチレンカーボネート、1,1−ジメチル−2−メチレンエチレンカーボネートなどが挙げられる。なかでも、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネートが好ましく、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネートがより好ましい。これらの環式炭酸エステルは、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。 The liquid electrolyte functions as a lithium ion carrier. The liquid electrolyte constituting the electrolytic solution layer has a form in which a lithium salt as a supporting salt is dissolved in an organic solvent as a plasticizer. Examples of the organic solvent used include carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and ethyl methyl carbonate. As the lithium salt, Li (CF 3 SO 2) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2) 2 N, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiAsF 6, LiTaF such 6, LiCF 3 SO 3 A compound that can be added to the active material layer of the electrode can be similarly employed. The liquid electrolyte may further contain additives other than the components described above. Specific examples of such compounds include, for example, vinylene carbonate, methyl vinylene carbonate, dimethyl vinylene carbonate, phenyl vinylene carbonate, diphenyl vinylene carbonate, ethyl vinylene carbonate, diethyl vinylene carbonate, vinyl ethylene carbonate, 1,2-divinyl ethylene carbonate. 1-methyl-1-vinylethylene carbonate, 1-methyl-2-vinylethylene carbonate, 1-ethyl-1-vinylethylene carbonate, 1-ethyl-2-vinylethylene carbonate, vinylvinylene carbonate, allylethylene carbonate, vinyl Oxymethyl ethylene carbonate, allyloxymethyl ethylene carbonate, acryloxymethyl ethylene carbonate, methacrylate Oxy methylethylene carbonate, ethynyl ethylene carbonate, propargyl carbonate, ethynyloxy methylethylene carbonate, propargyloxy ethylene carbonate, methylene carbonate, etc. 1,1-dimethyl-2-methylene-ethylene carbonate. Among these, vinylene carbonate, methyl vinylene carbonate, and vinyl ethylene carbonate are preferable, and vinylene carbonate and vinyl ethylene carbonate are more preferable. These cyclic carbonates may be used alone or in combination of two or more.
ゲルポリマー電解質は、イオン伝導性ポリマーからなるマトリックスポリマー(ホストポリマー)に、上記の液体電解質が注入されてなる構成を有する。電解質としてゲルポリマー電解質を用いることで電解質の流動性がなくなり、各層間のイオン伝導性を遮断することで容易になる点で優れている。マトリックスポリマー(ホストポリマー)として用いられるイオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン(PVdF−HEP)、ポリ(メチルメタクリレート(PMMA)およびこれらの共重合体等が挙げられる。 The gel polymer electrolyte has a configuration in which the liquid electrolyte is injected into a matrix polymer (host polymer) made of an ion conductive polymer. The use of a gel polymer electrolyte as the electrolyte is superior in that the fluidity of the electrolyte is lost and the ion conductivity between the layers is easily cut off. Examples of the ion conductive polymer used as the matrix polymer (host polymer) include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), polyethylene glycol (PEG), polyacrylonitrile (PAN), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene ( PVdF-HEP), poly (methyl methacrylate (PMMA), and copolymers thereof.
ゲル電解質のマトリックスポリマーは、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発現しうる。架橋構造を形成させるには、適当な重合開始剤を用いて、高分子電解質形成用の重合性ポリマー(例えば、PEOやPPO)に対して熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合等の重合処理を施せばよい。 The matrix polymer of gel electrolyte can express excellent mechanical strength by forming a crosslinked structure. In order to form a crosslinked structure, thermal polymerization, ultraviolet polymerization, radiation polymerization, electron beam polymerization, etc. are performed on a polymerizable polymer (for example, PEO or PPO) for forming a polymer electrolyte using an appropriate polymerization initiator. A polymerization treatment may be performed.
(耐熱絶縁層付セパレータ)
また、セパレータとしては多孔性シートのセパレータや不織布セパレータ等の多孔質基体に耐熱絶縁層が積層されたセパレータ(耐熱絶縁層付セパレータ)であることが好ましい。耐熱絶縁層は、無機粒子およびバインダを含むセラミック層である。耐熱絶縁層付セパレータは融点または熱軟化点が150℃以上、好ましくは200℃以上である耐熱性の高いものを用いる。耐熱絶縁層を有することによって、温度上昇の際に増大するセパレータの内部応力が緩和されるため熱収縮抑制効果が得られうる。その結果、電池の電極間ショートの誘発を防ぐことができるため、温度上昇による性能低下が起こりにくい電池構成になる。また、耐熱絶縁層を有することによって、耐熱絶縁層付セパレータの機械的強度が向上し、セパレータの破膜が起こりにくい。さらに、熱収縮抑制効果および機械的強度の高さから、電池の製造工程でセパレータがカールしにくくなる。
(Separator with heat-resistant insulating layer)
The separator is preferably a separator (a separator with a heat resistant insulating layer) in which a heat resistant insulating layer is laminated on a porous substrate such as a porous sheet separator or a nonwoven fabric separator. The heat resistant insulating layer is a ceramic layer containing inorganic particles and a binder. As the separator with a heat-resistant insulating layer, a highly heat-resistant separator having a melting point or a heat softening point of 150 ° C. or higher, preferably 200 ° C. or higher is used. By having the heat-resistant insulating layer, the internal stress of the separator that increases when the temperature rises is relieved, so that the effect of suppressing thermal shrinkage can be obtained. As a result, it is possible to prevent the induction of a short circuit between the electrodes of the battery, so that the battery configuration is unlikely to deteriorate in performance due to temperature rise. Moreover, by having a heat-resistant insulating layer, the mechanical strength of the separator with a heat-resistant insulating layer is improved, and it is difficult for the separator to break. Furthermore, the separator is less likely to curl in the battery manufacturing process due to the effect of suppressing thermal shrinkage and high mechanical strength.
耐熱絶縁層における無機粒子は、耐熱絶縁層の機械的強度や熱収縮抑制効果に寄与する。無機粒子として使用される材料は特に制限されない。例えば、ケイ素、アルミニウム、ジルコニウム、チタンの酸化物(SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2)、水酸化物、および窒化物、ならびにこれらの複合体が挙げられる。これらの無機粒子は、ベーマイト、ゼオライト、アパタイト、カオリン、ムライト、スピネル、オリビン、マイカなどの鉱物資源由来のものであってもよいし、人工的に製造されたものであってもよい。また、これらの無機粒子は1種のみが単独で使用されてもよいし、2種以上が併用されてもよい。これらのうち、コストの観点から、シリカ(SiO2)またはアルミナ(Al2O3)を用いることが好ましく、アルミナ(Al2O3)を用いることがより好ましい。 The inorganic particles in the heat resistant insulating layer contribute to the mechanical strength and heat shrinkage suppressing effect of the heat resistant insulating layer. The material used as the inorganic particles is not particularly limited. Examples thereof include silicon, aluminum, zirconium, titanium oxides (SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 ), hydroxides and nitrides, and composites thereof. These inorganic particles may be derived from mineral resources such as boehmite, zeolite, apatite, kaolin, mullite, spinel, olivine and mica, or may be artificially produced. Moreover, only 1 type may be used individually for these inorganic particles, and 2 or more types may be used together. Of these, silica (SiO 2 ) or alumina (Al 2 O 3 ) is preferably used, and alumina (Al 2 O 3 ) is more preferably used from the viewpoint of cost.
耐熱性粒子の目付けは、特に限定されるものではないが、5〜15g/m2であることが好ましい。この範囲であれば、十分なイオン伝導性が得られ、また、耐熱強度を維持する点で好ましい。 The basis weight of the heat-resistant particles is not particularly limited, but is preferably 5 to 15 g / m 2 . If it is this range, sufficient ion conductivity will be acquired and it is preferable at the point which maintains heat resistant strength.
耐熱絶縁層におけるバインダは、無機粒子同士や、無機粒子と多孔質基体(樹脂多孔質基体層)とを接着させる役割を有する。当該バインダによって、耐熱絶縁層が安定に形成され、また多孔質基体(多孔質基体層)および耐熱絶縁層の間の剥離が防止される。 The binder in the heat-resistant insulating layer has a role of adhering the inorganic particles to each other or between the inorganic particles and the porous substrate (resin porous substrate layer). With the binder, the heat-resistant insulating layer is stably formed, and peeling between the porous substrate (porous substrate layer) and the heat-resistant insulating layer is prevented.
耐熱絶縁層に使用されるバインダは、特に制限はなく、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリアクリロニトリル、セルロース、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)、アクリル酸メチルなどの化合物がバインダとして用いられうる。このうち、カルボキシメチルセルロース(CMC)、アクリル酸メチル、またはポリフッ化ビニリデン(PVDF)を用いることが好ましい。これらの化合物は、1種のみが単独で使用されてもよいし、2種以上が併用されてもよい。 The binder used for the heat-resistant insulating layer is not particularly limited. For example, carboxymethyl cellulose (CMC), polyacrylonitrile, cellulose, ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene-butadiene rubber (SBR), isoprene rubber A compound such as butadiene rubber, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinyl fluoride (PVF), or methyl acrylate can be used as the binder. Of these, carboxymethylcellulose (CMC), methyl acrylate, or polyvinylidene fluoride (PVDF) is preferably used. As for these compounds, only 1 type may be used independently and 2 or more types may be used together.
耐熱絶縁層におけるバインダの含有量は、耐熱絶縁層100質量%に対して、2〜20質量%であることが好ましい。バインダの含有量が2質量%以上であると、耐熱絶縁層と多孔質基体(多孔質基体層)との間の剥離強度を高めることができ、セパレータの耐振動性を向上させることができる。一方、バインダの含有量が20質量%以下であると、無機粒子の隙間が適度に保たれるため、十分なリチウムイオン伝導性を確保することができる。 The content of the binder in the heat resistant insulating layer is preferably 2 to 20% by mass with respect to 100% by mass of the heat resistant insulating layer. When the binder content is 2% by mass or more, the peel strength between the heat-resistant insulating layer and the porous substrate (porous substrate layer) can be increased, and the vibration resistance of the separator can be improved. On the other hand, when the binder content is 20% by mass or less, the gaps between the inorganic particles are appropriately maintained, so that sufficient lithium ion conductivity can be ensured.
耐熱絶縁層付セパレータの熱収縮率は、150℃、2gf/cm2条件下、1時間保持後にMD、TDともに10%以下であることが好ましい。このような耐熱性の高い材質を用いることで、正極発熱量が高くなり電池内部温度が150℃に達してもセパレータの収縮を有効に防止することができる。その結果、電池の電極間ショートの誘発を防ぐことができるため、温度上昇による性能低下が起こりにくい電池構成になる。 The thermal contraction rate of the separator with a heat-resistant insulating layer is preferably 10% or less for both MD and TD after holding for 1 hour at 150 ° C. and 2 gf / cm 2 . By using such a material having high heat resistance, it is possible to effectively prevent the separator from contracting even if the positive electrode heat generation amount increases and the battery internal temperature reaches 150 ° C. As a result, it is possible to prevent the induction of a short circuit between the electrodes of the battery, so that the battery configuration is unlikely to deteriorate in performance due to temperature rise.
<集電板(タブ)>
リチウムイオン二次電池においては、電池外部に電流を取り出す目的で、集電体に電気的に接続された集電板(タブ)が外装材であるラミネートフィルムの外部に取り出されている。
<Current collector plate (tab)>
In a lithium ion secondary battery, a current collector plate (tab) electrically connected to a current collector is taken out of a laminate film as an exterior material for the purpose of taking out current outside the battery.
集電板を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板(正極タブ)と負極集電板(負極タブ)とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。 The material which comprises a current collector plate is not specifically limited, The well-known highly electroconductive material conventionally used as a current collector plate for lithium ion secondary batteries can be used. As a constituent material of the current collector plate, for example, metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferable. From the viewpoint of light weight, corrosion resistance, and high conductivity, aluminum and copper are more preferable, and aluminum is particularly preferable. Note that the same material may be used for the positive electrode current collector plate (positive electrode tab) and the negative electrode current collector plate (negative electrode tab), or different materials may be used.
また、図2に示すタブ58、59の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。正極タブ58と負極タブ59とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極タブ58と負極タブ59をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出しようにしてもよいなど、図2に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウムイオン電池では、タブに変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。 Further, the removal of the tabs 58 and 59 shown in FIG. 2 is not particularly limited. The positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 may be drawn out from the same side, or the positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 may be divided into a plurality of parts and taken out from each side, as shown in FIG. It is not limited to. Further, in a wound type lithium ion battery, instead of a tab, for example, a terminal may be formed using a cylindrical can (metal can).
<シール部>
シール部は、直列積層型電池に特有の部材であり、電解質層の漏れを防止する機能を有する。このほかにも、電池内で隣り合う集電体同士が接触したり、積層電極の端部の僅かな不ぞろいなどによる短絡が起こったりするのを防止することもできる。
<Seal part>
The seal portion is a member unique to the serially stacked battery and has a function of preventing leakage of the electrolyte layer. In addition to this, it is possible to prevent current collectors adjacent in the battery from coming into contact with each other and a short circuit due to a slight unevenness at the end of the laminated electrode.
シール部の構成材料としては、特に制限されないが、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂、ゴム、ポリイミド等が用いられうる。これらのうち、耐蝕性、耐薬品性、製膜性、経済性などの観点からは、ポリオレフィン樹脂を用いることが好ましい。 The constituent material of the seal portion is not particularly limited, but polyolefin resin such as polyethylene and polypropylene, epoxy resin, rubber, polyimide and the like can be used. Among these, it is preferable to use a polyolefin resin from the viewpoints of corrosion resistance, chemical resistance, film-forming property, economy, and the like.
<正極端子リードおよび負極端子リード>
負極および正極端子リードの材料は、公知の積層型二次電池で用いられるリードを用いることができる。なお、電池外装材から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆するのが好ましい。
<Positive terminal lead and negative terminal lead>
As a material for the negative electrode and the positive electrode terminal lead, a lead used in a known laminated secondary battery can be used. In addition, the parts removed from the battery exterior material should be heat-insulating so that they do not affect products (for example, automobile parts, especially electronic devices) by touching peripheral devices or wiring and causing leakage. It is preferable to coat with a heat shrinkable tube or the like.
<電池外装体>
電池外装体としては、従来公知の金属缶ケースを用いることができる。そのほか、図1に示すようなラミネートフィルム29を外装材として用いて、発電要素21をパックしてもよい。ラミネートフィルムは、例えば、ポリプロピレン、アルミニウム、ナイロンがこの順に積層されてなる3層構造として構成されうる。このようなラミネートフィルムを用いることにより、外装材の開封、容量回復材の添加、外装材の再封止を容易に行うことができる。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。また、外部から掛かる発電要素への群圧を容易に調整することができ、所望の電解液層厚みへと調整容易であることから、外装体は、アルミニウムを含むラミネートフィルムからなるもの(例えば、アルミラミネートシート製バッグ;実施例参照)がより好ましい。アルミニウムを含むラミネートフィルムには、上記したポリプロピレン、アルミニウム、ナイロンがこの順に積層されてなるアルミラミネートフィル等を用いることができる。
<Battery exterior>
A conventionally known metal can case can be used as the battery outer package. In addition, the power generation element 21 may be packed using a laminate film 29 as shown in FIG. The laminate film can be configured as a three-layer structure in which, for example, polypropylene, aluminum, and nylon are laminated in this order. By using such a laminate film, it is possible to easily open the exterior material, add the capacity recovery material, and reseal the exterior material. A laminate film is desirable from the viewpoint that it is excellent in high output and cooling performance, and can be suitably used for a battery for large equipment for EV and HEV. Moreover, since the group pressure to the power generation element applied from the outside can be easily adjusted and can be easily adjusted to a desired electrolyte layer thickness, the exterior body is made of a laminate film containing aluminum (for example, Aluminum laminate sheet bags; see examples) are more preferred. As the laminate film containing aluminum, an aluminum laminate film in which the above-described polypropylene, aluminum, and nylon are laminated in this order can be used.
[セルサイズ]
図2は、二次電池の代表的な実施形態である扁平なリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。このリチウムイオン二次電池のように、本発明における好ましい実施形態によれば、アルミニウムを含むラミネートフィルムからなる電池外装体に前記発電要素が封入されてなる構成を有する扁平積層型ラミネート電池が提供される。
[Cell size]
FIG. 2 is a perspective view showing the appearance of a flat lithium ion secondary battery which is a typical embodiment of the secondary battery. Like this lithium ion secondary battery, according to a preferred embodiment of the present invention, there is provided a flat laminated battery having a structure in which the power generation element is enclosed in a battery outer package made of a laminate film containing aluminum. The
図2に示すように、扁平なリチウムイオン二次電池50では、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極タブ58、負極タブ59が引き出されている。発電要素57は、リチウムイオン二次電池50の電池外装材52によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素57は、正極タブ58および負極タブ59を外部に引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素57は、先に説明した図1に示すリチウムイオン二次電池10の発電要素21に相当するものである。発電要素57は、正極(正極活物質層)15、電解質層17および負極(負極活物質層)13で構成される単電池層(単セル)19が複数積層されたものである。 As shown in FIG. 2, the flat lithium ion secondary battery 50 has a rectangular flat shape, and a positive electrode tab 58 and a negative electrode tab 59 for taking out electric power are drawn out from both sides thereof. Yes. The power generation element 57 is encased by the battery outer packaging material 52 of the lithium ion secondary battery 50, and its periphery is heat-sealed. The power generation element 57 is sealed with the positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 pulled out to the outside. Has been. Here, the power generation element 57 corresponds to the power generation element 21 of the lithium ion secondary battery 10 shown in FIG. 1 described above. The power generation element 57 is formed by laminating a plurality of single battery layers (single cells) 19 composed of a positive electrode (positive electrode active material layer) 15, an electrolyte layer 17, and a negative electrode (negative electrode active material layer) 13.
なお、上記リチウムイオン二次電池は、積層型の扁平な形状のものに制限されるものではない。巻回型のリチウムイオン二次電池では、円筒型形状のものであってもよいし、こうした円筒型形状のものを変形させて、長方形状の扁平な形状にしたようなものであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型の形状のものでは、その外装材に、ラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶(金属缶)を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。好ましくは、発電要素がアルミニウムラミネートフィルムで外装される。当該形態により、軽量化が達成されうる。 The lithium ion secondary battery is not limited to a stacked flat shape. The wound lithium ion secondary battery may have a cylindrical shape, or may have a shape that is a flattened rectangular shape by deforming such a cylindrical shape. There is no particular limitation. In the said cylindrical shape thing, a laminate film may be used for the exterior material, and the conventional cylindrical can (metal can) may be used, for example, It does not restrict | limit. Preferably, the power generation element is covered with an aluminum laminate film. With this configuration, weight reduction can be achieved.
また、図2に示すタブ58、59の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。正極タブ58と負極タブ59とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極タブ58と負極タブ59をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出しようにしてもよいなど、図2に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウムイオン電池では、タブに変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。 Further, the removal of the tabs 58 and 59 shown in FIG. 2 is not particularly limited. The positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 may be drawn out from the same side, or the positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 may be divided into a plurality of parts and taken out from each side, as shown in FIG. It is not limited to. Further, in a wound type lithium ion battery, instead of a tab, for example, a terminal may be formed using a cylindrical can (metal can).
一般的な電気自動車では、電池格納スペースが170L程度である。このスペースに電池および充放電制御機器等の補機を格納するため、通常電池の格納スペース効率は50%程度となる。この空間への電池の積載効率が電気自動車の航続距離を支配する因子となる。電池のサイズが小さくなると上記積載効率が損なわれるため、航続距離を確保できなくなる。 In a general electric vehicle, the battery storage space is about 170L. Since auxiliary devices such as batteries and charge / discharge control devices are stored in this space, the storage space efficiency of the battery is usually about 50%. The efficiency of battery loading in this space is a factor that governs the cruising range of electric vehicles. If the size of the battery is reduced, the loading efficiency is impaired, and the cruising distance cannot be secured.
したがって、本形態において、発電要素を外装体で覆った電池構造体は大型であることが好ましい。具体的には、負極活物質層が長方形状(矩形形状)であり、当該長方形の短辺の長さが100mm以上であることが好ましい。かような大型の電池は、車両用途に用いることができる。ここで、負極活物質層の短辺の長さとは、各電極の中で最も長さが短い辺を指す。短辺の長さの上限は特に限定されるものではないが、通常400mm以下である。 Therefore, in this embodiment, the battery structure in which the power generation element is covered with the exterior body is preferably large. Specifically, the negative electrode active material layer is preferably rectangular (rectangular), and the length of the short side of the rectangle is preferably 100 mm or more. Such a large battery can be used for vehicle applications. Here, the length of the short side of the negative electrode active material layer refers to the side having the shortest length among the electrodes. The upper limit of the short side length is not particularly limited, but is usually 400 mm or less.
[体積エネルギー密度および定格(放電)容量]
電気自動車の一回の充電による走行距離(航続距離)を考慮すると、電池の体積エネルギー密度は157Wh/L以上であることが好ましく、かつ定格容量は20Ah以上であることが好ましい。
[Volume energy density and rated (discharge) capacity]
Considering the travel distance (cruising distance) by one charge of the electric vehicle, the volume energy density of the battery is preferably 157 Wh / L or more, and the rated capacity is preferably 20 Ah or more.
ここで、電極の物理的な大きさの観点とは異なる、大型化電池の観点として、電池体積と電池容量(定格容量)の関係から電池の大型化が規定される。具体的には、本形態に係る非水電解質二次電池は、定格容量に対する電池体積(電池外装体まで含めた電池の投影面積と厚みとの積)の比の値が10cm3/Ah以下であり、かつ、定格容量が3Ah以上であるのが好ましい。この大型化電池は、単位体積当たりの電池容量が大きい(10Ah/cm3以上)、言い換えれば、単位容量当たりの電池体積(定格容量に対する電池体積の比)が小さく(10cm3/Ah以下)、かつ電池容量(定格容量)が大きい(3Ah以上)ものとして規定している。これは、いわば負極活物質にSi材料と炭素材料を併用することで、大容量かつ今までより大膨張する大型電池に適用し得るものといえる。 Here, as a viewpoint of a large-sized battery different from the viewpoint of the physical size of the electrode, an increase in the size of the battery is defined from the relationship between the battery volume and the battery capacity (rated capacity). Specifically, the nonaqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment has a ratio of battery volume (product of the projected area and thickness of the battery including the battery outer casing) to the rated capacity of 10 cm 3 / Ah or less. And the rated capacity is preferably 3 Ah or more. This large-sized battery has a large battery capacity per unit volume (10 Ah / cm 3 or more), in other words, a small battery volume per unit capacity (ratio of the battery volume to the rated capacity) (10 cm 3 / Ah or less), In addition, the battery capacity (rated capacity) is defined as being large (3 Ah or more). It can be said that this can be applied to a large-capacity battery that has a large capacity and expands more than ever by using a Si material and a carbon material in combination with the negative electrode active material.
上記定格容量に対する電池体積(電池外装体まで含めた電池の投影面積と厚みとの積)の比の値の上限は、好ましくは8cm3/Ah以下である。一方、定格容量に対する電池体積(電池外装体まで含めた電池の投影面積と厚みとの積)の比の値の下限は特に制限されるものではないが、好ましくは2cm3/Ah以上であり、より好ましくは3cm3/Ah以上である。また、定格容量は、好ましくは5Ah以上、よりに好ましくは10Ah以上、さらに好ましくは15Ah以上、特に好ましくは20Ah以上、なかでも好ましくは25Ah以上である。このように電池体積と定格容量を上記範囲とする大面積(大容積)かつ大容量の電池とすることで初めて、車両要求性能(高容量かつ優れたサイクル耐久性)と搭載スペースを両立できるという利点がある。一方、従来の民生型電池のような、上記のように大面積(大容積)かつ大容量ではない電池においても、車両要求性能(高容量かつ優れたサイクル耐久性)を満足することはできる。 The upper limit of the ratio of the battery volume (product of the projected area and thickness of the battery including the battery outer package) to the rated capacity is preferably 8 cm 3 / Ah or less. On the other hand, the lower limit of the value of the ratio of the battery volume to the rated capacity (product of the projected area and thickness of the battery including the battery outer package) is not particularly limited, but is preferably 2 cm 3 / Ah or more, More preferably, it is 3 cm 3 / Ah or more. The rated capacity is preferably 5 Ah or more, more preferably 10 Ah or more, further preferably 15 Ah or more, particularly preferably 20 Ah or more, and particularly preferably 25 Ah or more. Thus, for the first time, it is possible to achieve both vehicle required performance (high capacity and excellent cycle durability) and mounting space by making a battery with a large area (large volume) and a large capacity within the above range of battery volume and rated capacity. There are advantages. On the other hand, even a battery having a large area (large volume) and not having a large capacity as described above, such as a conventional consumer battery, can satisfy the required vehicle performance (high capacity and excellent cycle durability).
電池の定格容量は、以下により求められる。 The rated capacity of the battery is determined as follows.
≪定格容量の測定≫
定格容量は、試験用電池について、電解液を注入した後で、10時間程度放置し、その後、温度25℃(±2.5℃の範囲内;雰囲気温度)、3.0Vから4.15Vの電圧範囲で、次の手順1〜5によって測定される。
≪Measurement of rated capacity≫
The rated capacity is about 10 hours after injecting the electrolyte solution for the test battery, and then the temperature is 25 ° C. (in the range of ± 2.5 ° C .; ambient temperature), 3.0V to 4.15V. It is measured in the voltage range by the following procedures 1-5.
手順1:0.1Cの定電流充電にて4.15Vに到達した後、5分間休止する。 Procedure 1: After reaching 4.15 V with a constant current charge of 0.1 C, pause for 5 minutes.
手順2:手順1の後、定電圧充電にて1.5時間充電し、5分間休止する。 Procedure 2: After Procedure 1, charge for 1.5 hours by constant voltage charging and rest for 5 minutes.
手順3:0.1Cの定電流放電によって3.0Vに到達後、定電圧放電にて2時間放電し、その後、10秒間休止する。 Procedure 3: After reaching 3.0 V by constant current discharge of 0.1 C, discharge at constant voltage discharge for 2 hours, and then rest for 10 seconds.
手順4:0.1Cの定電流充電によって4.1Vに到達後、定電圧充電にて2.5時間充電し、その後、10秒間休止する。 Procedure 4: After reaching 4.1V by constant current charging at 0.1 C, charge for 2.5 hours by constant voltage charging, and then rest for 10 seconds.
手順5:0.1Cの定電流放電によって3.0Vに到達後、定電圧放電にて2時間放電し、その後、10秒間停止する。 Procedure 5: After reaching 3.0 V by 0.1 C constant current discharge, discharge by constant voltage discharge for 2 hours, and then stop for 10 seconds.
定格容量:手順5における定電流放電から定電圧放電に至る放電における放電容量(CCCV放電容量)を定格容量とする。 Rated capacity: The discharge capacity (CCCV discharge capacity) in the discharge from the constant current discharge to the constant voltage discharge in the procedure 5 is defined as the rated capacity.
電池体積は、電池外装体まで含めた電池の投影面積と厚みとの積により求める。このうち、電池外装体まで含めた電池の投影面積に関しては、正面、背面、右側面、左側面、平面、底面の6つの電池の投影面積が得られるが、このうちの最大の電池の投影面積を用いればよく、通常は、電池を平板上に最も安定した状態に置いた際の平面または底面の電池の投影面積である。また、電池外装体まで含めた電池の厚みは、満充電時の厚みを測定するものとする。また、電池外装体まで含めた電池の厚みは、大面積であることから、測定箇所によるばらつきを考慮し、8か所以上を測定し、これらを平均した値とする。例えば、図2中に示す、1〜9の数字で表した箇所ないしその近傍で電池外装体まで含めた電池の厚みを測定し、これらを平均した値を用いることができる。但し、測定箇所は図2の例に制限されるものではない。 The battery volume is determined by the product of the projected area and thickness of the battery including the battery outer package. Among these, regarding the projected area of the battery including the battery outer casing, the projected area of the six batteries of the front, back, right side, left side, plane, and bottom can be obtained. Usually, this is the projected area of the battery on the flat or bottom surface when the battery is placed in the most stable state on the flat plate. Moreover, the thickness of the battery including the battery outer package is measured at the time of full charge. In addition, since the thickness of the battery including the battery outer package is a large area, eight or more places are measured in consideration of variation depending on the measurement place, and these are averaged. For example, it is possible to use a value obtained by measuring the thickness of the battery including the battery outer package at or near the location represented by the numbers 1 to 9 shown in FIG. However, the measurement location is not limited to the example of FIG.
さらに、矩形状の電極のアスペクト比は1〜4であることが好ましく、1〜2であることがより好ましい。なお、電極のアスペクト比は矩形状の正極活物質層の縦横比として定義される。アスペクト比をかような範囲とすることで、車両要求性能と搭載スペースを両立できるという利点がある。 Furthermore, the aspect ratio of the rectangular electrode is preferably 1 to 4, and more preferably 1 to 2. The electrode aspect ratio is defined as the aspect ratio of the rectangular positive electrode active material layer. By setting the aspect ratio in such a range, there is an advantage that both required vehicle performance and mounting space can be achieved.
<リチウムイオン二次電池の製造方法>
リチウムイオン二次電池の製造方法は特に制限されず、公知の方法により製造されうる。具体的には、(1)電極の作製、(2)単電池層の作製、(3)発電要素の作製、および(4)積層型電池の製造を含む。以下、リチウムイオン二次電池の製造方法について一例を挙げて説明するが、これに限定されるものではない。尚、上記(1)電極の作製のうち、本形態の負極のようにSi材料(Si合金)の混合比率が集電体から正極対向側にかけて適量ずつ増加する傾斜電極の作製においては、以下に説明する手段(条件)により作製することができる。
<Method for producing lithium ion secondary battery>
The manufacturing method in particular of a lithium ion secondary battery is not restrict | limited, It can manufacture by a well-known method. Specifically, it includes (1) production of electrodes, (2) production of single cell layers, (3) production of power generation elements, and (4) production of stacked batteries. Hereinafter, although an example is given and demonstrated about the manufacturing method of a lithium ion secondary battery, it is not limited to this. In addition, in the preparation of the inclined electrode in which the mixing ratio of the Si material (Si alloy) is increased by an appropriate amount from the current collector to the positive electrode facing side as in the case of the negative electrode of this embodiment, It can be produced by means (conditions) described.
(1)電極(正極および負極)の作製
電極(正極または負極)は、例えば、活物質スラリー(正極活物質スラリーまたは負極活物質スラリー)を調製し、当該活物質スラリーを集電体上に塗布、乾燥し、次いでプレスすることにより作製されうる。前記活物質スラリーは、上述した活物質(正極活物質または負極活物質)、バインダ(負極側に水系バインダを用いる場合は増粘剤を併用するのが望ましい)、導電助剤および溶媒を含む。なお、電極活物質層面内のバインダ(更には導電助剤等の添加剤)の分散性のばらつきを制御するには、主に電極活物質スラリー作製時に超音波振動を利用して撹拌する際の振動時間や超音波波長等を変えて調整すればよい。この他にも主に電極活物質スラリー作製時の分散(撹拌混合)時間などを変えて調整してもよい。具体的には、上記乾燥温度で6〜18時間、好ましくは12〜18時間乾燥すればよい。或いは負極活物質スラリー中の固形分比率が異なるものを3種類以上用意し、これらの順に塗布、乾燥して3層以上の積層構造の負極活物質層を形成してもよいなど、特に制限されるものではない。また量産プロセスにおいては、ロールツーロール方式で、ロール状に巻かれた集電体から引き出されて搬送される帯状(リボン状)の集電体にダイコータを用いて該集電体の裏面にスラリーを塗布(塗工)し、そのままの状態で搬送しつつ乾燥してもよい。或いは、ロール状に巻かれた集電体から引き出されて搬送される帯状(リボン状)の集電体にダイコータを用いて該集電体の表面にスラリーを塗布(塗工)した後、該集電体を180℃ねじった(反転させた)状態で搬送しつつ乾燥してもよい。
(1) Production of electrodes (positive electrode and negative electrode) The electrode (positive electrode or negative electrode) is prepared, for example, by preparing an active material slurry (positive electrode active material slurry or negative electrode active material slurry) and applying the active material slurry onto a current collector. It can be made by drying, then pressing. The active material slurry includes the above-described active material (positive electrode active material or negative electrode active material), a binder (in the case where an aqueous binder is used on the negative electrode side, it is desirable to use a thickener together), a conductive auxiliary agent, and a solvent. In addition, in order to control the dispersion of the dispersibility of the binder in the electrode active material layer surface (further, an additive such as a conductive auxiliary agent), mainly when stirring using the ultrasonic vibration at the time of preparing the electrode active material slurry What is necessary is just to change and change vibration time, an ultrasonic wavelength, etc. In addition to this, it may be adjusted mainly by changing the dispersion (stirring mixing) time at the time of preparing the electrode active material slurry. Specifically, it may be dried at the above drying temperature for 6 to 18 hours, preferably 12 to 18 hours. Alternatively, three or more types having different solid content ratios in the negative electrode active material slurry may be prepared and applied in that order and dried to form a negative electrode active material layer having a laminated structure of three or more layers. It is not something. In a mass production process, a roll-to-roll system is used to collect a slurry on the back surface of a current collector using a die coater on a belt-shaped (ribbon-shaped) current collector that is drawn from a roll-shaped current collector and conveyed. May be applied (coated) and dried while being conveyed. Alternatively, after applying (coating) a slurry to the surface of the current collector using a die coater on a belt-shaped (ribbon-shaped) current collector that is drawn out and conveyed from the current collector wound in a roll, You may dry, conveying a collector in the state twisted (inverted) 180 degreeC.
負極電極においてSi材料(Si合金)比率の傾斜電極を作製する方法としては、上記負極活物質スラリーを調製する際に、スラリー中の固形分比率(活物質重量+導電助剤重量+増粘剤重量+バインダ粉末重量等の固形分の総重量/スラリー重量)を35〜45質量%とする。こうすることで、スラリー粘度を下げ、傾斜をつけることが容易となる。このスラリーを集電体(集電箔)上に塗工(塗布)した後、塗工面を下に向けて、40〜90℃の低温環境下で乾燥する。こうすることにより、Si材料(Si合金)活物質粒子と炭素材料活物質粒子の比重の関係により、Si材料(Si合金)が正極対向面側に寄り、傾斜電極を作製することができる。より傾斜をつけるためには、スラリー中の固形分比率を36〜43質量%とし、乾燥温度を40〜70℃の範囲とするのが好ましい。この他にも、上記方法に加え更に乾燥時間などを変えて調整してもよい。或いは負極活物質スラリー中の固形分比率が異なるものを3種類以上用意し、これらの順に塗布、乾燥して3層以上の積層構造の負極活物質層を形成してもよいなど、特に制限されるものではない。 As a method for producing a gradient electrode having a Si material (Si alloy) ratio in the negative electrode, when preparing the negative electrode active material slurry, the solid content ratio in the slurry (active material weight + conducting agent weight + thickening agent) Weight + total solid content such as binder powder weight / slurry weight) is 35 to 45 mass%. By doing so, it becomes easy to lower the slurry viscosity and to incline it. After applying (applying) this slurry onto a current collector (current collector foil), the slurry is dried in a low temperature environment of 40 to 90 ° C. with the coated surface facing down. By doing so, the Si material (Si alloy) is closer to the positive electrode facing surface side due to the specific gravity relationship between the Si material (Si alloy) active material particles and the carbon material active material particles, and an inclined electrode can be produced. In order to further increase the inclination, it is preferable that the solid content ratio in the slurry is 36 to 43% by mass and the drying temperature is in the range of 40 to 70 ° C. In addition, in addition to the above method, adjustment may be made by further changing the drying time. Alternatively, three or more types having different solid content ratios in the negative electrode active material slurry may be prepared and applied in that order and dried to form a negative electrode active material layer having a laminated structure of three or more layers. It is not something.
前記溶媒としては、特に制限されず、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルホルムアミド、シクロヘキサン、ヘキサン、水等が用いられうる。 The solvent is not particularly limited, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, methylformamide, cyclohexane, hexane, water and the like can be used.
活物質スラリーの集電体への塗布方法としては、特に制限されず、スクリーン印刷法、スプレーコート法、静電スプレーコート法、インクジェット法、ドクターブレード法等が挙げられる。 A method for applying the active material slurry to the current collector is not particularly limited, and examples thereof include a screen printing method, a spray coating method, an electrostatic spray coating method, an ink jet method, and a doctor blade method.
集電体の表面に形成された塗膜の乾燥方法としては、特に制限されず、塗膜中の溶媒の少なくとも一部が除去されればよい。当該乾燥方法としては、加熱が挙げられる。乾燥条件(乾燥時間、乾燥温度など)は、適用する活物質スラリーに含有される溶媒の揮発速度、活物質スラリーの塗布量等に応じて適宜設定されうる。なお、溶媒は一部が残存していてもよい。残存した溶媒は、後述のプレス工程等で除去されうる。 The method for drying the coating film formed on the surface of the current collector is not particularly limited as long as at least a part of the solvent in the coating film is removed. An example of the drying method is heating. Drying conditions (drying time, drying temperature, etc.) can be appropriately set according to the volatilization rate of the solvent contained in the applied active material slurry, the coating amount of the active material slurry, and the like. A part of the solvent may remain. The remaining solvent can be removed by a press process described later.
プレス手段としては、特に限定されず、例えば、カレンダーロール、平板プレス等が用いられうる。 The pressing means is not particularly limited, and for example, a calendar roll, a flat plate press or the like can be used.
(2)単電池層の作製
単電池層は、(1)で作製した電極(正極および負極)を、セパレータ(電解質層)を介して積層させることにより作製されうる。
(2) Production of single cell layer The single cell layer can be produced by laminating the electrodes (positive electrode and negative electrode) produced in (1) via a separator (electrolyte layer).
(3)発電要素の作製
発電要素は、単電池層の出力および容量、電池として必要とする出力および容量等を適宜考慮し、前記(2)で作製した単電池層を積層して作製されうる。
(3) Production of power generation element The power generation element can be produced by laminating the single battery layer produced in the above (2) in consideration of the output and capacity of the single battery layer, the output and capacity required for the battery, and the like. .
(4)積層型電池の製造
電池の構成としては、角形、ペーパー型、積層型、円筒型、コイン型等、種々の形状を採用することができる。また構成部品の集電体や絶縁板等は特に限定されるものではなく、上記の形状に応じて選定すればよい。しかし、本実施形態では積層型電池が好ましい。積層型電池は、上記で得られた発電要素の集電体にリードを接合し、これらの正極リードまたは負極リードを、正極タブまたは負極タブに接合する。そして、正極タブおよび負極タブが電池外部に露出するように、発電要素をラミネートシート中に入れ、注液機により電解液を注液してから真空に封止することにより積層型電池が製造されうる。
(4) Manufacture of laminated battery As the structure of the battery, various shapes such as a rectangular shape, a paper shape, a laminated shape, a cylindrical shape, and a coin shape can be adopted. Further, the current collector and insulating plate of the component parts are not particularly limited, and may be selected according to the above shape. However, in the present embodiment, a stacked battery is preferable. In the stacked battery, a lead is joined to the current collector of the power generation element obtained above, and the positive electrode lead or the negative electrode lead is joined to the positive electrode tab or the negative electrode tab. A power generation element is placed in a laminate sheet so that the positive electrode tab and the negative electrode tab are exposed to the outside of the battery, and an electrolytic solution is injected with a liquid injector and then sealed in a vacuum to produce a stacked battery. sell.
(5)活性化処理など
本実施形態では、上記により得られた積層型電池の性能および耐久性を高める観点から、さらに、以下の条件で初充電処理、ガス除去処理および活性化処理などを必要に応じて行ってもよい。この場合には、ガス除去処理ができるように、上記(4)の積層型電池の製造において、封止する際に、矩形形状にラミネートシート(外装材)の3辺を熱圧着により完全に封止(本封止)し、残る1辺は、熱圧着で仮封止しておく。残る1辺は、例えば、クリップ留め等により開閉自在にしてもよいが、量産化(生産効率)の観点からは、熱圧着で仮封止するのがよい。この場合には、圧着する温度、圧力を調整するだけでよいためである。熱圧着で仮封止した場合には、軽く力を加えることで開封でき、ガス抜き後、再度、熱圧着で仮封止してもよいし、最後的には熱圧着で完全に封止(本封止)すればよい。
(5) Activation treatment, etc. In the present embodiment, from the viewpoint of enhancing the performance and durability of the laminated battery obtained as described above, initial charge treatment, gas removal treatment, activation treatment, etc. are further required under the following conditions. Depending on In this case, the three sides of the laminate sheet (exterior material) are completely sealed in a rectangular shape by thermocompression when sealing in the production of the laminated battery of (4) so that the gas removal treatment can be performed. Stop (main sealing), and the remaining one side is temporarily sealed by thermocompression bonding. The remaining one side may be freely opened and closed by, for example, clip fastening, but from the viewpoint of mass production (production efficiency), it is preferable to temporarily seal the side by thermocompression bonding. In this case, it is only necessary to adjust the temperature and pressure for pressure bonding. When temporarily sealed by thermocompression, it can be opened by lightly applying force, and after degassing, it may be sealed again by thermocompression, or finally completely sealed by thermocompression ( Main sealing).
(初充電処理)
電池のエージング処理(初充電処理)は、以下のように実施することが好ましい。25℃(±2.5℃の範囲内;雰囲気温度;以下同様。)にて、定電流充電法で0.05C、4時間の充電(SOC約20%)を行う。次いで、25℃にて0.1Cレートで4.45Vまで充電した後、充電を止め、その状態(SOC約70%)で約2日間(48時間)保持する。
(First charging process)
The battery aging process (initial charging process) is preferably performed as follows. At 25 ° C. (within ± 2.5 ° C .; ambient temperature; the same applies hereinafter), 0.05 C and 4 hours of charging (SOC approximately 20%) are performed by the constant current charging method. Next, after charging to 4.45 V at a 0.1 C rate at 25 ° C., the charging is stopped, and the state (SOC is about 70%) is maintained for about 2 days (48 hours).
(最初(1回目)のガス除去処理)
次に、最初(1回目)のガス除去処理として、以下の処理を行う。まず、熱圧着で仮封止した1辺を開封し、10±3hPaで5分間ガス除去を行った後、再度、熱圧着を行って仮封止を行う。さらに、ローラーで加圧(面圧0.5±0.1MPa)整形し電極とセパレータとを十分に密着させる。
(First (first) gas removal process)
Next, the following process is performed as the first (first) gas removal process. First, one side temporarily sealed by thermocompression bonding is opened, gas is removed at 10 ± 3 hPa for 5 minutes, and then thermocompression bonding is performed again to perform temporary sealing. Further, pressurization with a roller (surface pressure 0.5 ± 0.1 MPa) is performed, and the electrode and the separator are sufficiently adhered.
(活性化処理)
次に、活性化処理法として、以下の電気化学前処理法を行う。
(Activation process)
Next, the following electrochemical pretreatment method is performed as an activation treatment method.
まず、25℃にて、定電流充電法で0.1Cで電圧が4.45Vとなるまで充電した後、0.1Cで2.0Vまで放電するサイクルを2回行う。同様に、25℃にて、定電流充電法で0.1Cで4.55Vとなるまで充電した後、0.1Cで2.0Vまで放電するサイクルを1回、0.1Cで4.65Vとなるまで充電した後、0.1Cで2.0Vまで放電するサイクルを1回行う。更に、25℃にて、定電流充電法で、0.1Cで4.75Vとなるまで充電した後、0.1Cで2.0Vまで放電するサイクルを1回行えばよい。 First, the battery is charged at 25 ° C. by a constant current charging method until the voltage reaches 4.45 V at 0.1 C, and then discharged twice to 2.0 V at 0.1 C. Similarly, after charging at 25 ° C. to 4.55 V at 0.1 C by the constant current charging method, a cycle of discharging to 2.0 V at 0.1 C once is 4.65 V at 0.1 C. The battery is charged until it reaches 0, and then discharged once at 0.1 C to 2.0 V. Furthermore, a cycle of charging at 0.1 C to 4.75 V by a constant current charging method at 25 ° C. and then discharging to 0.1 V at 0.1 C may be performed once.
なお、ここでは、活性化処理法として、定電流充電法を用い、電圧を終止条件とした場合の電気化学前処理法を例として記載しているが、充電方式は定電流定電圧充電法を用いても構わない。また、終止条件は電圧以外にも電荷量や時間を用いても構わない。 In this example, the constant current charging method is used as the activation processing method, and the electrochemical pretreatment method when the voltage is set as the termination condition is described as an example, but the charging method is a constant current constant voltage charging method. You may use. Further, as the termination condition, a charge amount or time may be used in addition to the voltage.
(最後(2回目)のガス除去処理)
次に、最後(2回目)のガス除去処理として、以下の処理を行う。まず、熱圧着で仮封止した一辺を開封し、10±3hPaで5分間ガス除去を行った後、再度、熱圧着を行って本封止を行う。さらに、ローラーで加圧(面圧0.5±0.1MPa)整形し電極とセパレータとを十分に密着させる。
(Last (second) gas removal process)
Next, the following process is performed as the last (second) gas removal process. First, one side temporarily sealed by thermocompression bonding is opened, gas is removed at 10 ± 3 hPa for 5 minutes, and then thermocompression bonding is performed again to perform main sealing. Further, pressurization with a roller (surface pressure 0.5 ± 0.1 MPa) is performed, and the electrode and the separator are sufficiently adhered.
本実施形態では、上記した初充電処理、ガス除去処理及び活性化処理を行うことにより、得られた電池の性能および耐久性を高めることができる。 In the present embodiment, the performance and durability of the obtained battery can be enhanced by performing the initial charging process, the gas removal process, and the activation process described above.
[組電池]
組電池は、電池を複数個接続して構成したものである。詳しくは少なくとも2つ以上の電池を用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。
[Battery]
The assembled battery is configured by connecting a plurality of batteries. Specifically, it is constituted by serialization and / or parallelization using at least two batteries. Capacitance and voltage can be freely adjusted by paralleling in series.
電池が複数、直列にまたは並列に接続して装脱着可能な小型の組電池を形成することもできる。そして、この装脱着可能な小型の組電池をさらに複数、直列に又は並列に接続して、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に適した大容量、大出力を持つ組電池を形成することもできる。何個の電池を接続して組電池を作製するか、また、何段の小型組電池を積層して大容量の組電池を作製するかは、搭載される車両(電気自動車)の電池容量や出力に応じて決めればよい。 A plurality of batteries can be connected in series or in parallel to form a small assembled battery that can be attached and detached. Then, a plurality of small assembled batteries that can be attached and detached are connected in series or in parallel to provide a large capacity and large capacity suitable for vehicle drive power supplies and auxiliary power supplies that require high volume energy density and high volume output density. An assembled battery having an output can also be formed. How many batteries are connected to make an assembled battery, and how many small assembled batteries are stacked to make a large-capacity assembled battery depends on the battery capacity of the mounted vehicle (electric vehicle) It may be determined according to the output.
[車両]
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池をはじめとした本発明の非水電解質二次電池は、長期使用しても放電容量が維持され、サイクル特性が良好である。さらに、体積エネルギー密度が高い。電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの車両用途においては、電気・携帯電子機器用途と比較して、高容量、大型化が求められるとともに、長寿命化が必要となる。したがって、上記リチウムイオン二次電池(非水電解質二次電池)は、車両用の電源として、例えば、車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。
[vehicle]
The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention including the lithium ion secondary battery according to the present embodiment maintains a discharge capacity even when used for a long period of time, and has good cycle characteristics. Furthermore, the volume energy density is high. Vehicle applications such as electric vehicles, hybrid electric vehicles, fuel cell vehicles, and hybrid fuel cell vehicles require higher capacity, larger size, and longer life than electric and portable electronic devices. . Therefore, the lithium ion secondary battery (non-aqueous electrolyte secondary battery) can be suitably used as a vehicle power source, for example, a vehicle driving power source or an auxiliary power source.
具体的には、電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を車両に搭載することができる。本発明では、長期信頼性および出力特性に優れた高寿命の電池を構成できることから、こうした電池を搭載するとEV走行距離の長いプラグインハイブリッド電気自動車や、一充電走行距離の長い電気自動車を構成できる。電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を、例えば、自動車ならばハイブリット車、燃料電池車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バスなどの商用車、軽自動車など)のほか、二輪車(バイク)や三輪車を含む)に用いることにより高寿命で信頼性の高い自動車となるからである。ただし、用途が自動車に限定されるわけではなく、例えば、他の車両、例えば、電車などの移動体の各種電源であっても適用は可能であるし、無停電電源装置などの載置用電源として利用することも可能である。 Specifically, a battery or an assembled battery formed by combining a plurality of these batteries can be mounted on a vehicle. In the present invention, since a battery having a long life with excellent long-term reliability and output characteristics can be configured, a plug-in hybrid electric vehicle having a long EV mileage or an electric vehicle having a long charge mileage can be formed by mounting such a battery. . For example, in the case of a car, a hybrid car, a fuel cell car, an electric car (four-wheeled vehicles (passenger cars, trucks, buses, commercial vehicles, light cars, etc.) This is because it can be used for motorcycles (including motorcycles) and tricycles) to provide a long-life and highly reliable automobile. However, the application is not limited to automobiles. For example, it can be applied to various power sources for moving vehicles such as other vehicles, for example, trains, and power sources for mounting such as uninterruptible power supplies. It is also possible to use as.
以下、実施例および比較例を用いてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに何ら限定されるわけではない。 Hereinafter, although it demonstrates still in detail using an Example and a comparative example, this invention is not necessarily limited to the following Examples at all.
1.正極の作製
正極活物質としてNMC複合酸化物を94質量%、導電助剤としてアセチレンブラックを3質量%、バインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を3質量%およびスラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量混合して正極活物質スラリーを調製した。得られた正極活物質スラリーを正極集電体であるアルミニウム箔(厚さ:20μm)の表面に塗布し、120℃で3分間乾燥後、ロールプレス機で圧縮成形して平面形状が矩形の正極活物質層を作製した。裏面にも同様にして正極活物質層を形成して、正極集電体(アルミニウム箔)の両面に正極活物質層が形成されてなる正極を作製した。なお、正極活物質層の片面塗工量は21mg/cm2(箔を含まない)であった。また、正極活物質層の密度は3.0g/cm3(箔を含まない)であった。また、電極のアスペクト比(矩形状の正極活物質層の縦横比)は1.3であった。
1. Production of Positive Electrode 94% by mass of NMC composite oxide as a positive electrode active material, 3% by mass of acetylene black as a conductive additive, 3% by mass of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder, and N-methyl- which is a slurry viscosity adjusting solvent An appropriate amount of 2-pyrrolidone (NMP) was mixed to prepare a positive electrode active material slurry. The obtained positive electrode active material slurry is applied to the surface of an aluminum foil (thickness: 20 μm) as a positive electrode current collector, dried at 120 ° C. for 3 minutes, and then compression-molded with a roll press to form a positive electrode with a rectangular planar shape An active material layer was produced. Similarly, a positive electrode active material layer was formed on the back surface to produce a positive electrode in which a positive electrode active material layer was formed on both surfaces of a positive electrode current collector (aluminum foil). In addition, the single-sided coating amount of the positive electrode active material layer was 21 mg / cm 2 (not including the foil). Further, the density of the positive electrode active material layer was 3.0 g / cm 3 (excluding the foil). Further, the aspect ratio of the electrode (the aspect ratio of the rectangular positive electrode active material layer) was 1.3.
上記PVDFには、株式会社クレハ・バッテリー・マテリアルズ・ジャパン製、クレハKFポリマー、粉末タイプ、グレードNo.W♯7200を用いた。またNMC複合酸化物には、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2で表される組成を有するもの(平均粒子径15μm)を用いた。これを上述した一般式(1):LiaNibMncCodMxO2に当てはめると、a=1、b=0.5、c=0.3、d=0.2、x=0、b+c+d=1であり、一般式(1)の要件を満足するものを用いた。このNMC複合酸化物は以下の調製法により準備した。 The PVDF includes Kureha Battery Materials Japan Co., Ltd., Kureha KF Polymer, powder type, grade no. W # 7200 was used. Further, as the NMC composite oxide, one having a composition represented by LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 (average particle diameter of 15 μm) was used. When this is applied to the general formula (1) described above: Li a Ni b Mn c Co d M x O 2 , a = 1, b = 0.5, c = 0.3, d = 0.2, x = 0 and b + c + d = 1, and those satisfying the requirements of the general formula (1) were used. This NMC composite oxide was prepared by the following preparation method.
(NMC複合酸化物の調製)
硫酸ニッケル、硫酸コバルト、および硫酸マンガンを溶解した水溶液(1mol/L)に、60℃にて水酸化ナトリウムおよびアンモニアを連続的に供給してpHを11.3に調整し、共沈法によりニッケルとマンガンとコバルトとが50:30:20のモル比で固溶してなる金属複合水酸化物を作製した。
(Preparation of NMC complex oxide)
To an aqueous solution (1 mol / L) in which nickel sulfate, cobalt sulfate, and manganese sulfate are dissolved, sodium hydroxide and ammonia are continuously supplied at 60 ° C. to adjust the pH to 11.3. And a metal composite hydroxide in which manganese and cobalt were dissolved in a molar ratio of 50:30:20.
この金属複合水酸化物と炭酸リチウムを、Li以外の金属(Ni、Mn、Co)の合計のモル数とLiのモル数の比が1:1となるように秤量した後、十分混合し、昇温速度5℃/minで昇温し、空気雰囲気で900℃、2時間仮焼成した後、昇温速度3℃/minで昇温し、920℃で10時間本焼成し、室温まで冷却して、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2の組成を有する正極活物質であるNMC複合酸化物を得た。なお、得られたNMC複合酸化物の二次粒子径(平均粒子径D50)は10μmであった。二次粒子径(平均粒子径D50)はレーザー回折法により得られた値を用いた(以下、同様である)。 This metal composite hydroxide and lithium carbonate were weighed so that the ratio of the total number of moles of metals other than Li (Ni, Mn, Co) and the number of moles of Li was 1: 1, and then mixed well. The temperature was raised at a rate of temperature increase of 5 ° C./min, calcined at 900 ° C. for 2 hours in an air atmosphere, then heated at a rate of temperature increase of 3 ° C./min, main baked at 920 ° C. for 10 hours, and cooled to room temperature. Thus, an NMC composite oxide which is a positive electrode active material having a composition of LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 was obtained. The secondary particle diameter (average particle diameter D50) of the obtained NMC composite oxide was 10 μm. The secondary particle size (average particle size D50) used was a value obtained by a laser diffraction method (the same applies hereinafter).
2.負極の作製
比較例1−1の負極の作製
負極活物質として天然黒鉛76.8質量%及びSi−Ti合金19.2質量%、導電助剤としてカーボンブラック1質量%、バインダとしてSBR2質量%並びに増粘剤としてCMCのアンモニウム塩1質量%を用意した。これらを精製水中に添加し、4分間、攪拌脱泡機を用いて撹拌混合して十分に分散されてなる負極活物質(水系)スラリーを調製した。なお、負極活物質(水系)スラリーの固形分比は46質量%に調整した。固形分比とは、負極活物質のSi−Ti合金(Si材料)と天然黒鉛(炭素材料)、バインダ粉末、導電助剤および増粘剤の総重量(固形分量)をスラリー重量で割ったものの百分率(質量%)を示す。また、カーボンブラックには、IMERYS社製、Super−P(登録商標)(平均粒子径(二次粒子径)D50が、40nmのもの)を用いた。また、バインダには、スチレン−ブタジエンゴムのラテックスを用い、この中の固形分のスチレン−ブタジエンゴム(SBR)の含有量が2質量%となるようにした。また、増粘剤のCMCのアンモニウム塩は、カルボキシメチルセルロースのアンモニウム塩の略号である。なお、負極活物質の炭素材料である天然黒鉛には、平均粒子径(二次粒子径)D50が、20μmのものを用いた。また、負極活物質のSi材料(Si合金)であるSi−Ti合金には、以下の合成方法で得られたものを用いた。
2. Production of Negative Electrode Production of Negative Electrode of Comparative Example 1-1 As negative electrode active material, 76.8% by mass of natural graphite and 19.2% by mass of Si—Ti alloy, 1% by mass of carbon black as a conductive additive, 2% by mass of SBR as binder, and As a thickener, 1% by mass of an ammonium salt of CMC was prepared. These were added to purified water and stirred for 4 minutes using a stirring deaerator to prepare a negative electrode active material (aqueous) slurry sufficiently dispersed. The solid content ratio of the negative electrode active material (aqueous) slurry was adjusted to 46% by mass. The solid content ratio is obtained by dividing the total weight (solid content) of the negative electrode active material Si-Ti alloy (Si material) and natural graphite (carbon material), binder powder, conductive additive and thickener by the slurry weight. Percentage (mass%) is shown. Further, Super-P (registered trademark) (with an average particle size (secondary particle size) D50 of 40 nm) manufactured by IMERYS was used as the carbon black. Also, a styrene-butadiene rubber latex was used as the binder, and the content of styrene-butadiene rubber (SBR) in the solid content was 2 mass%. The ammonium salt of CMC as a thickener is an abbreviation for ammonium salt of carboxymethyl cellulose. In addition, the natural graphite which is a carbon material of a negative electrode active material used that whose average particle diameter (secondary particle diameter) D50 is 20 micrometers. Moreover, what was obtained with the following synthetic | combination methods was used for Si-Ti alloy which is Si material (Si alloy) of a negative electrode active material.
(Si−Ti合金の合成)
上記Si−Ti合金には、Si90Ti10(単位は質量%)で表される組成を有する合金を用いた。このSi−Ti合金は、メカニカルアロイ法により製造(調製)した。具体的には、ドイツ フリッチュ社製遊星ボールミル装置P−6を用いて、ジルコニア製粉砕ポットにジルコニア製粉砕ボールおよび合金の原料粉末を投入し、450rpm、48時間かけて合金化させ(合金化処理)、その後400rpmで1時間、粉砕処理を実施した。合金の原料粉末には、Si、Tiの金属粉末を使用した。なお、得られたSi−Ti合金粉末の平均粒子径(二次粒子径)D50は2μmであった。ここで、合金化処理は、高回転(450rpm)で合金の原料粉末に高エネルギーを付与することで合金化させるものである。一方、粉砕処理は、低回転(400rpm)で二次粒子をほぐす処理を実施するものである(当該処理では合金化しない)。また、得られたSi−Ti合金粉末の平均粒子径D50は2μmであった。
(Synthesis of Si-Ti alloy)
As the Si—Ti alloy, an alloy having a composition represented by Si 90 Ti 10 (unit: mass%) was used. This Si-Ti alloy was manufactured (prepared) by a mechanical alloy method. Specifically, using a planetary ball mill device P-6 manufactured by Fricht, Germany, zirconia pulverized balls and alloy raw material powders were put into a zirconia pulverized pot and alloyed at 450 rpm for 48 hours (alloying treatment). ), And then pulverization was performed at 400 rpm for 1 hour. Si and Ti metal powders were used as alloy raw material powders. In addition, the average particle diameter (secondary particle diameter) D50 of the obtained Si—Ti alloy powder was 2 μm. Here, the alloying treatment is performed by applying high energy to the alloy raw material powder at high rotation (450 rpm). On the other hand, the pulverization process is a process of loosening secondary particles at a low rotation (400 rpm) (not alloyed in this process). Moreover, the average particle diameter D50 of the obtained Si—Ti alloy powder was 2 μm.
上記負極活物質(水系)スラリーを負極集電体となる銅箔(厚さ10μm)に塗布し、120℃で10分間乾燥後、ロールプレス機で圧縮成形して平面形状が矩形の負極活物質層を作製した。裏面にも同様にして負極活物質層を形成して、負極集電体(銅箔)の両面に負極活物質層が形成されてなる負極を作製した。なお、負極活物質層の片面塗工量は7.6mg/cm2(箔を含まない)であった。即ち、負極活物質層の片面塗工量は、後述する電池の作製の際に対向する正極との間でA/C比が1.20となるように調整した。負極活物質層(片面)の厚みは55μmであった。また、負極活物質層の密度は1.6g/cm3(箔を含まない)であった。ここで、上記A/C比は、負極(Anode)容量(Li受け入れ量)と正極(Cathode)容量(Li排出量)の容量比をいう。すなわち、上記A/C比は、負極のLi受け入れ量(容量)と、正極のLi排出量(容量)の比率となる。また、これらの容量比は、ハーフセルで測定した実測容量を元に設計したものを用いた。また、負極活物質層の密度は1.6g/cm3(箔を含まない)であった。さらに、負極活物質層を、α(Si材料)+β(炭素材料)である式(1)に当てはめると、Si材料はSi−Ti合金であり、炭素材料は天然黒鉛であり、α+β=96、α=19.2、β=76.8となり、式(1)の要件を満足する。 The negative electrode active material (aqueous) slurry is applied to a copper foil (thickness 10 μm) serving as a negative electrode current collector, dried at 120 ° C. for 10 minutes, and then compression-molded with a roll press to form a negative electrode active material having a rectangular planar shape. A layer was made. In the same manner, a negative electrode active material layer was formed on the back surface to prepare a negative electrode in which a negative electrode active material layer was formed on both sides of a negative electrode current collector (copper foil). In addition, the single-sided coating amount of the negative electrode active material layer was 7.6 mg / cm 2 (excluding the foil). That is, the coating amount on one side of the negative electrode active material layer was adjusted so that the A / C ratio was 1.20 with the positive electrode facing when the battery described later was manufactured. The thickness of the negative electrode active material layer (one side) was 55 μm. Moreover, the density of the negative electrode active material layer was 1.6 g / cm 3 (not including the foil). Here, the A / C ratio refers to a capacity ratio of a negative electrode (Anode) capacity (Li reception amount) and a positive electrode (Cathode) capacity (Li discharge amount). That is, the A / C ratio is a ratio of the amount of Li received (capacity) of the negative electrode to the amount of Li discharge (capacity) of the positive electrode. Moreover, what was designed based on the measured capacity measured by the half cell was used for these capacity ratios. Moreover, the density of the negative electrode active material layer was 1.6 g / cm 3 (not including the foil). Furthermore, when the negative electrode active material layer is applied to Formula (1), which is α (Si material) + β (carbon material), the Si material is a Si—Ti alloy, the carbon material is natural graphite, α + β = 96, α = 19.2 and β = 76.8, which satisfy the requirement of the expression (1).
比較例1−2の負極の作製
比較例1−1において、スラリーの固形分比を43質量%とし、塗布後の乾燥温度を30℃としたことを除き、比較例1−1と同様にして負極を作製した。負極活物質層の密度は1.6g/cm3(箔を含まない)であった。
Production of Negative Electrode of Comparative Example 1-2 In Comparative Example 1-1, the same as Comparative Example 1-1 except that the solid content ratio of the slurry was 43 mass% and the drying temperature after coating was 30 ° C. A negative electrode was produced. The density of the negative electrode active material layer was 1.6 g / cm 3 (excluding the foil).
比較例1−3の負極の作製
比較例1−1において、スラリーの固形分比を38質量%とし、塗布後に塗工面が下になるようにして、60℃で乾燥させたことを除き、比較例1−1と同様にして負極を作製した。負極活物質層の密度は1.6g/cm3(箔を含まない)であった。
Production of negative electrode of Comparative Example 1-3 In Comparative Example 1-1, except that the solid content ratio of the slurry was 38% by mass, the coated surface was down after coating, and drying was performed at 60 ° C. A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1-1. The density of the negative electrode active material layer was 1.6 g / cm 3 (excluding the foil).
実施例1−1の負極の作製
比較例1−1において、スラリーの固形分比を43質量%とし、塗布後に塗工面が下になるようにして、60℃で乾燥させたことを除き、比較例1−1と同様にして負極を作製した。負極活物質層の密度は1.6g/cm3(箔を含まない)であった。
Preparation of negative electrode of Example 1-1 In Comparative Example 1-1, except that the solid content ratio of the slurry was 43% by mass, the coated surface was down after coating, and drying was performed at 60 ° C. A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1-1. The density of the negative electrode active material layer was 1.6 g / cm 3 (excluding the foil).
実施例1−2の負極の作製
比較例1−1において、スラリーの固形分比を41質量%とし、塗布後に塗工面が下になるようにして、40℃で乾燥させたことを除き、比較例1−1と同様にして負極を作製した。負極活物質層の密度は1.6g/cm3(箔を含まない)であった。
Preparation of negative electrode of Example 1-2 In Comparative Example 1-1, except that the solid content ratio of the slurry was 41% by mass, the coated surface was down after coating, and drying was performed at 40 ° C. A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1-1. The density of the negative electrode active material layer was 1.6 g / cm 3 (excluding the foil).
3.電池の作製
上記1で得られた正極及び上記2で得られた負極を活物質層面積;縦4cm×横3cmになるように切り出し、多孔質ポリプロピレン製セパレータ(厚さ25μm、空孔率55%)を介して積層し(正極1枚、負極2枚)、発電要素を作製した。得られた発電要素の各集電体に正極リードと負極リードを接合し、これらの正極リードまたは負極リードを、正極集電板または負極集電板に接合した。そして、正極集電板および負極集電板が電池外部に露出するように、発電要素を電池外装材であるアルミラミネートシート製バッグ(縦4.5cm×横3.5cm)に挿入し、注液機により開口部より電解液を注液した。このアルミラミネートシート製バッグは、2枚のアルミラミネートシート(アルミニウムをポリプロピレンを含むフィルムでラミネートしたフィルムシート)を重ねあわせ、この外周囲(外縁部)4辺のうち3辺を熱圧着で封止(シール)し、残る1辺を未封止(開口部)としたものである。また、電解液としては、1.0M LiPF6をエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)との3:7(EC:DECの体積比)混合溶媒に溶解した溶液100重量部に対して、添加剤であるビニレンカーボネートを1質量部添加したものを用いた。ここで、電解液の注液量は、正極活物質層、負極活物質層およびセパレータの全空孔容積(計算により算出した)に対して1.50倍となる量とした。次いで、真空条件下において、両電極(集電体)にリードを介して接続された正極集電板と負極集電板が導出するようにアルミラミネートシート製バッグの開口部を熱圧着で封止し、ラミネート型リチウムイオン二次電池である試験用セルを完成させた。このときの電池の定格容量は、下記4.2.定格容量の計測結果から、80mAh(0.080Ah)であった。
3. Production of Battery The positive electrode obtained in 1 above and the negative electrode obtained in 2 above were cut out to have an active material layer area: 4 cm long × 3 cm wide, and a porous polypropylene separator (thickness 25 μm, porosity 55%) ) (One positive electrode and two negative electrodes) to produce a power generation element. A positive electrode lead and a negative electrode lead were joined to each current collector of the obtained power generation element, and these positive electrode lead or negative electrode lead were joined to a positive electrode current collector plate or a negative electrode current collector plate. Then, the power generation element is inserted into a bag made of aluminum laminate sheet (length 4.5 cm × width 3.5 cm) as a battery exterior material so that the positive electrode collector plate and the negative electrode collector plate are exposed to the outside of the battery. The electrolytic solution was injected from the opening by a machine. This aluminum laminate sheet bag is made by stacking two aluminum laminate sheets (a film sheet obtained by laminating aluminum with a film containing polypropylene) and sealing three of the four outer peripheries (outer edges) by thermocompression bonding. (Seal) and the remaining one side is unsealed (opening). As the electrolyte solution, 3 of 1.0 M LiPF 6 ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC): with respect to: (a volume ratio of DEC EC) mixed and dissolved in the solvent solution 100 parts by weight, 7 What added 1 mass part of vinylene carbonate which is an additive was used. Here, the injection amount of the electrolytic solution was set to an amount that is 1.50 times the total pore volume (calculated by calculation) of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer, and the separator. Next, under vacuum conditions, the opening of the aluminum laminate sheet bag is sealed by thermocompression bonding so that the positive and negative current collectors connected to both electrodes (current collectors) via leads Thus, a test cell which is a laminated lithium ion secondary battery was completed. The rated capacity of the battery at this time is the following 4.2. From the measurement result of the rated capacity, it was 80 mAh (0.080 Ah).
4.電池の評価
4.1.電池特性の評価
上記で得られた各電池(試験用セル)を以下の条件で充放電試験を行うことで定格容量を計測し、さらにサイクル耐久性を評価した。
4). Evaluation of battery 4.1. Evaluation of battery characteristics Each battery (test cell) obtained above was subjected to a charge / discharge test under the following conditions to measure the rated capacity and further evaluate cycle durability.
4.2.定格容量の計測
電池(試験用セル)の定格容量は、以下により求めた。
4.2. Measurement of rated capacity The rated capacity of a battery (test cell) was determined as follows.
定格容量は、電池(試験用セル)について、電解液を注入した後で、10時間程度放置し、その後、温度25℃(±2.5℃の範囲内;雰囲気温度)、3.0Vから4.15Vの電圧範囲で、次の手順1〜5によって測定した。 The rated capacity is about 10 hours after injecting the electrolyte solution for the battery (test cell), and then the temperature is 25 ° C. (within ± 2.5 ° C .; ambient temperature), 3.0 V to 4 Measured by the following procedures 1 to 5 in the voltage range of 15V.
手順1:0.1Cの定電流充電にて4.15Vに到達した後、5分間休止した。 Procedure 1: After reaching 4.15 V with a constant current charge of 0.1 C, it was rested for 5 minutes.
手順2:手順1の後、定電圧充電にて1.5時間充電し、5分間休止した。 Procedure 2: After Procedure 1, the battery was charged with constant voltage charging for 1.5 hours and rested for 5 minutes.
手順3:0.1Cの定電流放電によって3.0Vに到達後、定電圧放電にて2時間放電し、その後、10秒間休止した。 Procedure 3: After reaching 3.0 V by constant current discharge of 0.1 C, the battery was discharged by constant voltage discharge for 2 hours and then rested for 10 seconds.
手順4:0.1Cの定電流充電によって4.1Vに到達後、定電圧充電にて2.5時間充電し、その後、10秒間休止した。 Procedure 4: After reaching 4.1 V by constant current charging at 0.1 C, charging was performed for 2.5 hours by constant voltage charging, and then paused for 10 seconds.
手順5:0.1Cの定電流放電によって3.0Vに到達後、定電圧放電にて2時間放電し、その後、10秒間停止した。 Procedure 5: After reaching 3.0 V by 0.1 C constant current discharge, it was discharged by constant voltage discharge for 2 hours, and then stopped for 10 seconds.
定格容量:手順5における定電流放電から定電圧放電に至る放電における放電容量(CCCV放電容量)を定格容量とした。 Rated capacity: The discharge capacity (CCCV discharge capacity) in the discharge from the constant current discharge to the constant voltage discharge in the procedure 5 was defined as the rated capacity.
4.3.サイクル耐久性評価
サイクル耐久性の評価では、上記3.電池の作製で得られた各電池(試験用セル)につき、0.5Cレートでの充放電を、25℃(±2.5℃の範囲内;以下同様)で100サイクル繰り返した。電池の評価の際、充電条件は、0.5Cレートにて最高電圧が4.2Vとなるまで充電した後、電流値が0.01Cとなるまで定電流定電圧充電法で行った。また、放電条件は、電池の最低電圧が3.0Vとなるまで0.5Cレートで放電する定電流放電法で行った。いずれも、常温常圧下(25℃、大気圧下)で行った。1サイクル目の放電容量に対する100サイクル目の放電容量の割合を「容量維持率(%)」として評価した。得られた結果を、下記表1中の「維持率(%)@100cyc」の欄に示す。
4.3. Evaluation of cycle durability In the evaluation of cycle durability, the above 3. For each battery (test cell) obtained in the production of the battery, charging / discharging at a rate of 0.5 C was repeated 100 cycles at 25 ° C. (within ± 2.5 ° C .; the same applies hereinafter). When the battery was evaluated, charging was performed by a constant current and constant voltage charging method until the current value reached 0.01 C after charging at a 0.5 C rate until the maximum voltage reached 4.2 V. Moreover, the discharge conditions were performed by the constant current discharge method which discharges at a 0.5C rate until the minimum voltage of a battery will be 3.0V. All were performed under normal temperature and normal pressure (25 ° C., atmospheric pressure). The ratio of the discharge capacity at the 100th cycle to the discharge capacity at the first cycle was evaluated as “capacity maintenance ratio (%)”. The obtained results are shown in the column “Maintenance rate (%) @ 100cyc” in Table 1 below.
4.4.負極活物質層の傾斜電極構造の計測
(負極活物質層面内における測定箇所として面内中央部(1箇所)を選択した場合において、電極厚み方向で負極活物質層断面を均等に3分割した際に、各分割された面積内におけるSi材料の面積の比率の算出方法)
上記3.電池の作製と同様にして負極(縦4cm×横3cm)を準備した。この負極を断面加工処理方法としてクロスセクションポリッシャー法を用いて、アルゴンイオンビームを試料に照射し、試料原子を弾き飛ばすスパッタリング現象を利用して試料を削ることにより、面内の中央部を通る軸線方向に沿って断面加工した。その後、負極断面の1箇所(1枚の画像データ);中央部(画像サイズ;横(面内方向)100μm×縦(厚さ方向)70μm;片面側の負極活物質層部分を含む)につき、電子顕微鏡(SEM)にて反射電子像を撮像した(図4(a)参照)。そのSEM画像(反射電子像)に対し画像処理ソフト(三谷商事製WinROOF)を用いた二値化処理により、当該画像をグレースケール化した上でSi材料部位とSi材料部位以外の部位のグレースケール値の間に閾値を設定した処理画像(図4(b)参照)を得た。かかる処理画像につき、電極厚み方向で負極活物質層断面を均等に3分割し、各分割された面積内におけるSi材料部位の面積量を求めた。その後、各分割された画像全体の面積に占めるSi材料部位の面積の比率(Si材料の面積/画像全体の面積×100(%))を算出した。上記閾値の設定の仕方としては、Si材料と、Si材料部位以外の材料の数値の中間値を閾値として設定した。尚、図4(a)は、比較例1−1の負極の電子顕微鏡(SEM)で撮像した反射電子像(測定画像)を示す図面であり、図4(b)は、図4(a)の測定画像を二値化処理によりグレースケール化した図面である(図中の白色部位がSi材料部位に相当する)。また図4(b)には、処理画像につき、負極活物質層断面を厚み方向で均等に3分割し、3分割された断面(分割区画)につき、正極対向面(表面;セパレータ)側から集電体側に向けて、順にA、B、Cの符号を付している。なお、負極活物質層断面を厚み方向で均等に3分割する場合、電極厚み方向の負極活物質層断面全体を100%とした場合、各分割された断面の割合(分割比率)は33.3%±0.3%(好ましくは±0.1%)の範囲であり、合計が100%であればよい。
4.4. Measurement of the gradient electrode structure of the negative electrode active material layer (When the in-plane central portion (one location) is selected as the measurement location in the negative electrode active material layer surface, when the cross section of the negative electrode active material layer is equally divided into three in the electrode thickness direction. In addition, the calculation method of the ratio of the area of the Si material within each divided area)
3. above. A negative electrode (4 cm long × 3 cm wide) was prepared in the same manner as the battery. Using this cross-section polisher method as a cross-section polishing method, this negative electrode is irradiated with an argon ion beam to the sample, and the sample is cut using a sputtering phenomenon that blows off sample atoms, thereby passing an axis passing through the center in the plane. The cross section was processed along the direction. Then, for one location (one piece of image data) of the negative electrode cross section; central portion (image size; horizontal (in-plane direction) 100 μm × vertical (thickness direction) 70 μm; including negative electrode active material layer portion on one side) A backscattered electron image was taken with an electron microscope (SEM) (see FIG. 4A). The SEM image (reflected electron image) is binarized using image processing software (WinROOF manufactured by Mitani Corp.) to make the image gray scale, and then the Si material portion and the gray scale of the portion other than the Si material portion. A processed image (see FIG. 4B) in which a threshold was set between the values was obtained. For this processed image, the negative electrode active material layer cross section was equally divided into three in the electrode thickness direction, and the area amount of the Si material portion in each divided area was determined. Thereafter, the ratio of the area of the Si material portion to the total area of each divided image (the area of the Si material / the area of the entire image × 100 (%)) was calculated. As a method of setting the threshold value, an intermediate value between numerical values of the Si material and the material other than the Si material portion was set as the threshold value. 4A is a view showing a reflected electron image (measurement image) taken by an electron microscope (SEM) of the negative electrode of Comparative Example 1-1, and FIG. 4B is a view showing FIG. 4A. Is a drawing obtained by converting the measurement image into a gray scale by binarization processing (a white portion in the drawing corresponds to a Si material portion). In FIG. 4B, the negative electrode active material layer cross section is equally divided into three in the thickness direction for the processed image, and the three divided cross sections (divided sections) are collected from the positive electrode facing surface (surface; separator) side. A, B, and C are attached in order toward the electric body. In addition, when the negative electrode active material layer cross section is equally divided into three in the thickness direction, when the entire negative electrode active material layer cross section in the electrode thickness direction is 100%, the ratio (division ratio) of each divided cross section is 33.3. % ± 0.3% (preferably ± 0.1%), and the total may be 100%.
具体的には、上記負極断面SEMの結果(上記SEM画像(図4(a)参照)を二値化処理してグレースケール化し、上記閾値を設定して処理画像(図4(b)参照)を得る。この処理画像に対して、片面側の集電体を含まない負極活物質層(片面厚さ55μm)の断面を厚み方向に均等に3分割にした。その後、各分割された面積内におけるSi材料の面積の比率(%)を(上記画像処理ソフトを用いて)算出した。なお、表1では、3分割された断面(分割区画)を正極対向面(表面)側から集電体側に向けて、順にA、B、Cとしている(図4(b)中の3分割された断面(分割区画)に付したA、B、Cに対応したものである)。 Specifically, the result of the negative electrode cross section SEM (the SEM image (see FIG. 4A)) is binarized and grayscaled, the threshold value is set, and the processed image (see FIG. 4B). In this processed image, the cross section of the negative electrode active material layer (one side thickness: 55 μm) not including the current collector on one side was equally divided into three in the thickness direction. The ratio (%) of the area of the Si material was calculated (using the above-described image processing software) in Table 1. In Table 1, the cross-section (divided section) divided into three sections from the positive electrode facing surface (surface) side to the current collector side A, B, and C in this order (corresponding to A, B, and C attached to a three-divided cross section (division section) in FIG. 4B).
表1の結果から、実施例1−1に示したように、Si材料の混合比率が集電体側(区画C)から正極対向面側(区画A)にかけて増加する傾斜電極において、比較例1−1に示した傾斜のない電極に比べて、放電容量維持率において大幅な改善効果が確認された。これは、集電体付近に体積変化の大きいSi材料が少ないために、集電体へのダメージや負極活物質層の剥離が軽減され、充放電過程において電子導電性が維持されたためであると思われる。さらに、実施例1−2に示したように傾斜における増加率(区画AからCにかけて、Si材料の面積(比率)が各区画間で増加する割合)が5%以上と大きい場合には、耐久性の更なる向上が確認でき、上記の効果がさらに発揮されたものと思われる。 From the results in Table 1, as shown in Example 1-1, in the inclined electrode in which the mixing ratio of the Si material increases from the current collector side (section C) to the positive electrode facing surface side (section A), Comparative Example 1- Compared with the electrode having no inclination shown in FIG. 1, a significant improvement effect in the discharge capacity retention rate was confirmed. This is because there is little Si material with a large volume change near the current collector, so damage to the current collector and peeling of the negative electrode active material layer are reduced, and electronic conductivity is maintained during the charge / discharge process. Seem. Furthermore, as shown in Example 1-2, when the rate of increase in the slope (the rate at which the area (ratio) of the Si material increases between the sections A to C) is as large as 5% or more, the durability is high. The further improvement of the property can be confirmed, and it is considered that the above effect is further exhibited.
また、比較例1−2に示したように、Si材料の混合比率が集電体側(分割区画C)から正極対向面側(分割区画A)にかけて減少する傾斜電極においては耐久性の低下が見られたた。これは、集電体付近に体積変化の大きいSi材料が多いために、集電体付近で負極活物質層の剥離や集電体の変形を引き起こし、活物質の脱落が大きく、耐久性が低下したものと思われる。 Further, as shown in Comparative Example 1-2, the durability of the inclined electrode in which the mixing ratio of the Si material decreases from the current collector side (divided section C) to the positive electrode facing surface side (divided section A) is observed. It was. This is because there are many Si materials with a large volume change near the current collector, causing peeling of the negative electrode active material layer and deformation of the current collector in the vicinity of the current collector. It seems to have done.
また、比較例1−3に示したように、傾斜における増加率が15〜16%と高い(12%を超える)場合においては耐久性の低下が見られたた。これは増加率が高すぎるためにABCの分割区画(ブロック)における体積変化率が大きすぎるために、ブロック間で剥離が生じてしまったためと思われる。 Moreover, as shown in Comparative Example 1-3, when the rate of increase in the slope was as high as 15 to 16% (exceeding 12%), a decrease in durability was observed. This is probably because the rate of change is too high and the rate of volume change in the ABC divisions (blocks) is too large, causing delamination between the blocks.
以上のことより、本形態のように、Si材料の混合比率が集電体側から正極対向面側にかけて適量(1〜12%)ずつ増加する傾斜電極とすることで、集電体付近に体積変化の大きいSi材料が少ないために、集電体へのダメージや活物質層の剥離が軽減される。その結果、充放電過程において電子導電性が維持されることにより、高容量を維持し、放電容量維持率を大幅に改善することができ、容量とサイクル耐久性の両立を図ることができることが確認できた。 From the above, the volume change in the vicinity of the current collector is achieved by using an inclined electrode in which the mixing ratio of the Si material increases by an appropriate amount (1 to 12%) from the current collector side to the positive electrode facing surface side as in this embodiment. Since there are few large Si materials, the damage to an electrical power collector and peeling of an active material layer are reduced. As a result, it is confirmed that the electronic conductivity is maintained during the charge / discharge process, so that the high capacity can be maintained, the discharge capacity maintenance rate can be greatly improved, and both the capacity and the cycle durability can be achieved. did it.
10、50 リチウムイオン二次電池、
11、31 負極集電体、
12 正極集電体、
13、33 負極活物質層、
15 正極活物質層、
17 電解質層(セパレータ)、
19 単電池層、
21、57 発電要素、
25 負極集電板、
27 正極集電板、
29、52 電池外装材、
30 負極、
33a 塗膜(塗工膜)、
35 Si材料(Si合金)活物質粒子、
37 炭素材料活物質粒子、
58 正極タブ、
59 負極タブ。
10, 50 lithium ion secondary battery,
11, 31 Negative electrode current collector,
12 positive electrode current collector,
13, 33 negative electrode active material layer,
15 positive electrode active material layer,
17 electrolyte layer (separator),
19 cell layer,
21, 57 power generation element,
25 negative current collector,
27 positive current collector,
29, 52 Battery exterior material,
30 negative electrode,
33a Coating film (coating film),
35 Si material (Si alloy) active material particles,
37 carbon material active material particles,
58 positive electrode tab,
59 Negative electrode tab.
Claims (8)
前記負極活物質層が、下記式(1)
負極活物質層面内における任意の場所を選択した場合において、電極厚み方向で負極活物質層断面を均等に3分割した際に、各分割された面積内における前記Si材料の面積が、前記集電体側から正極対向面側にかけて、1%以上12%以下ずつ増加していることを特徴とする非水電解質二次電池用負極。 A negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, comprising: a current collector; and a negative electrode active material layer including a negative electrode active material disposed on a surface of the current collector,
The negative electrode active material layer has the following formula (1)
When an arbitrary place in the negative electrode active material layer plane is selected, when the negative electrode active material layer cross section is equally divided into three in the electrode thickness direction, the area of the Si material in each divided area is the current collector. A negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery, characterized by increasing from 1% to 12% from the body side to the positive electrode facing surface side.
集電体と、前記集電体の表面に配置された正極活物質を含む正極活物質層とを有する正極と、
セパレータと、
を含む発電要素を有することを特徴とする非水電解質二次電池。 The negative electrode according to claim 1 or 2,
A positive electrode having a current collector and a positive electrode active material layer including a positive electrode active material disposed on a surface of the current collector;
A separator;
A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising: a power generation element including:
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