JP2019164964A - Negative electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
【課題】初回充放電効率および充放電サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池を提供する。【解決手段】リチウムイオン二次電池用負極は、負極集電体と、前記負極集電体上に設けられた負極活物質層とを有する負極であって、前記負極活物質層は、負極活物質と、チオール化合物とを含み、前記チオール化合物は、少なくとも一部のチオール基の水素がリチウムによって置換されている。リチウムイオン二次電池は、上記態様の負極と、正極と、非水電解質とを有する。【選択図】図1A negative electrode for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery having excellent initial charge / discharge efficiency and charge / discharge cycle characteristics are provided. A negative electrode for a lithium ion secondary battery is a negative electrode having a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer provided on the negative electrode current collector, wherein the negative electrode active material layer includes a negative electrode active material. A thiol compound, wherein at least a part of the hydrogen of the thiol group is replaced by lithium. The lithium ion secondary battery has the negative electrode of the above embodiment, a positive electrode, and a non-aqueous electrolyte. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a negative electrode for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery.
近年、携帯型電子機器、自動車、電力貯蔵用などの電源として、リチウムイオン二次電池が広く利用されている。上記リチウムイオン二次電池は、正極、負極、正極と負極とを絶縁するセパレータ、および正極と負極との間でイオンの移動を可能にするための非水電解質で主に構成されている。リチウムイオン二次電池は高エネルギー密度であることから、携帯電話やノート型パソコンなどのエレクトロニクス携帯機器の電源として実用化され、一般に広く普及している。昨今、携帯型電子機器、通信機器等の著しい発展に伴い、機器の小型化、軽量化の観点から、更なる高エネルギー密度のリチウムイオン二次電池が強く要望されている。また、自動車用電池においては長寿命化が強く要望されている。 In recent years, lithium ion secondary batteries have been widely used as power sources for portable electronic devices, automobiles, and power storage. The lithium ion secondary battery is mainly composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator that insulates the positive electrode from the negative electrode, and a non-aqueous electrolyte that enables ions to move between the positive electrode and the negative electrode. Since lithium ion secondary batteries have high energy density, they have been put into practical use as power sources for electronic portable devices such as mobile phones and laptop computers, and are widely spread. In recent years, with the remarkable development of portable electronic devices, communication devices, and the like, there is a strong demand for lithium ion secondary batteries with higher energy density from the viewpoints of downsizing and weight reduction of devices. Further, there is a strong demand for extending the life of automobile batteries.
ところで、ケイ素(Si)や酸化ケイ素(SiOx)などの半金属または金属酸化物などの負極活物質は現在実用化されている黒鉛の理論容量372mAh/gより遙かに高い理論容量を示すことから、電池の高エネルギー密度化において最も期待される材料である。しかし、例えばケイ素を含む負極活物質を使用した負極の場合、充放電によるリチウムイオンの挿入と脱離に伴う負極の膨張と収縮の挙動が、黒鉛よりも大きくなることが知られている。そのため前記の負極を用いたリチウムイオン二次電池では、充電と放電の繰り返しによって負極活物質粒子が微粉化したり、集電体からの剥離・脱落することで、優れた充放電サイクル特性が得られにくいという問題があった。このような課題に対し、特許文献1では、負極活物質として、ケイ素粒子の表面を、熱硬化性樹脂で被覆したケイ素含有粒子を用いることが開示されている。この特許文献1では、熱硬化性樹脂としては、ポリイミド、ポリアミドイミドが好ましいと記載されている。 By the way, negative electrode active materials such as semimetals or metal oxides such as silicon (Si) and silicon oxide (SiO x ) have a theoretical capacity much higher than the theoretical capacity of 372 mAh / g of graphite currently in practical use. Therefore, it is the most promising material for increasing the energy density of batteries. However, for example, in the case of a negative electrode using a negative electrode active material containing silicon, it is known that the behavior of expansion and contraction of the negative electrode accompanying the insertion and desorption of lithium ions due to charge / discharge is larger than that of graphite. Therefore, in the lithium ion secondary battery using the negative electrode, excellent charge / discharge cycle characteristics can be obtained by pulverizing the negative electrode active material particles by peeling and dropping from the current collector by repeated charging and discharging. There was a problem that it was difficult. In response to such a problem, Patent Document 1 discloses using silicon-containing particles in which the surface of silicon particles is coated with a thermosetting resin as a negative electrode active material. In Patent Document 1, it is described that polyimide and polyamideimide are preferable as the thermosetting resin.
リチウムイオン二次電池では、充放電時にリチウムイオンが不可逆的に正極活物質層や負極活物質層に捕捉されることによって、充放電サイクル特性が低下することがある。特に、特許文献1に記載されているポリイミドやポリアミドイミドは、イミド基がリチウムイオンを捕捉し易く、これらを含むリチウムイオン二次電池では、初回充放電効率が大きく低下し、その後の充放電サイクル特性の低下も大きくなることがあった。 In a lithium ion secondary battery, charge / discharge cycle characteristics may be deteriorated by irreversibly trapping lithium ions in the positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer during charge / discharge. In particular, in the polyimide and polyamideimide described in Patent Document 1, the imide group easily captures lithium ions, and in the lithium ion secondary battery containing these, the initial charge / discharge efficiency is greatly reduced, and the subsequent charge / discharge cycle The deterioration of the characteristics sometimes became large.
本発明の目的は、前記事情に鑑みてなされたものであり、初回充放電効率および充放電サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池を提供することにある。 The objective of this invention is made | formed in view of the said situation, and is providing the negative electrode for lithium ion secondary batteries and the lithium ion secondary battery which were excellent in first time charge / discharge efficiency and charging / discharging cycling characteristics.
本発明者は、鋭意検討の結果、リチウムイオン二次電池の負極活物質層に、チオール基の水素をリチウムによって置換したチオール化合物を加えることによって初回充放電効率および充放電サイクルが向上することを見出して、本発明を完成させた。
すなわち、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
As a result of intensive studies, the inventor has shown that the initial charge / discharge efficiency and the charge / discharge cycle are improved by adding a thiol compound in which the hydrogen of the thiol group is replaced by lithium to the negative electrode active material layer of the lithium ion secondary battery. As a result, the present invention has been completed.
That is, in order to solve the above problems, the following means are provided.
(1)第1の態様にかかるリチウムイオン二次電池用負極は、負極集電体と、前記負極集電体上に設けられた負極活物質層とを有する負極であって、前記負極活物質層は、負極活物質と、チオール化合物とを含み、前記チオール化合物は、少なくとも一部のチオール基の水素がリチウムによって置換されている。 (1) A negative electrode for a lithium ion secondary battery according to a first aspect is a negative electrode having a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer provided on the negative electrode current collector, wherein the negative electrode active material The layer includes a negative electrode active material and a thiol compound, and in the thiol compound, hydrogen of at least a part of the thiol group is replaced by lithium.
(2)上記態様にかかるリチウムイオン二次電池用負極において、前記チオール化合物は、前記負極活物質層の表面に付着していてもよい。 (2) In the negative electrode for a lithium ion secondary battery according to the above aspect, the thiol compound may be attached to the surface of the negative electrode active material layer.
(3)上記態様にかかるリチウムイオン二次電池用負極において、前記チオール化合物のチオール基の全体量に対して、水素がリチウムによって置換されているチオール基の比率は10モル%以上100モル%以下の範囲内にあってもよい。 (3) In the negative electrode for a lithium ion secondary battery according to the above aspect, the ratio of thiol groups in which hydrogen is replaced by lithium with respect to the total amount of thiol groups of the thiol compound is 10 mol% or more and 100 mol% or less. It may be within the range.
(4)上記態様にかかるリチウムイオン二次電池用負極において、前記負極活物質層の前記チオール化合物の含有率は、前記負極活物質に対して0.1質量%以上2.0質量%以下の範囲内にあってもよい。 (4) In the negative electrode for a lithium ion secondary battery according to the above aspect, the content of the thiol compound in the negative electrode active material layer is 0.1% by mass or more and 2.0% by mass or less with respect to the negative electrode active material. It may be within the range.
(5)上記態様にかかるリチウムイオン二次電池用負極において、前記負極活物質層は、バインダーを含み、前記バインダーが、ポリアミドイミドまたはポリイミドのいずれかであってもよい。 (5) In the negative electrode for a lithium ion secondary battery according to the above aspect, the negative electrode active material layer may include a binder, and the binder may be either polyamideimide or polyimide.
第2の態様にかかるリチウムイオン二次電池は、上記態様の負極と、正極と、非水電解質とを有する。 The lithium ion secondary battery according to the second aspect includes the negative electrode of the above aspect, a positive electrode, and a non-aqueous electrolyte.
本発明によれば、初回充放電効率および充放電サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池を提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the negative electrode for lithium ion secondary batteries and the lithium ion secondary battery which were excellent in first time charge / discharge efficiency and charging / discharging cycling characteristics.
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。 Hereinafter, the present embodiment will be described in detail with appropriate reference to the drawings. In the drawings used in the following description, in order to make the characteristics of the present invention easier to understand, there are cases where the characteristic parts are enlarged for the sake of convenience, and the dimensional ratios of the respective components are different from actual ones. is there. The materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited to them, and can be appropriately modified and implemented without departing from the scope of the invention.
[リチウムイオン二次電池]
図1は、本実施形態にかかるリチウムイオン二次電池の断面模式図である。図1に示すリチウムイオン二次電池100は、主として積層体40、積層体40を密閉した状態で収容するケース50、及び積層体40に接続された一対のリード60、62を備えている。また図示されていないが、積層体40とともに非水電解質が、ケース50内に収容されている。
[Lithium ion secondary battery]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a lithium ion secondary battery according to this embodiment. A lithium ion
積層体40は、正極20と負極30とが、セパレータ10を挟んで対向配置されたものである。正極20は、板状(膜状)の正極集電体22上に正極活物質層24が設けられたものである。負極30は、板状(膜状)の負極集電体32上に負極活物質層34が設けられたものである。
The stacked
正極活物質層24及び負極活物質層34は、セパレータ10の両側にそれぞれ接触している。正極集電体22及び負極集電体32の端部には、それぞれリード62、60が接続されており、リード60、62の端部はケース50の外部にまで延びている。図1では、ケース50内に積層体40が一つの場合を例示したが、複数積層されていてもよい。
The positive electrode
「負極」
負極30は、負極集電体32と、負極集電体32の上に設けられた負極活物質層34とを有する。
"Negative electrode"
The
(負極集電体)
負極集電体32は、導電性の板材であればよく、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル箔の金属薄板を用いることができる。負極集電体32は、リチウムと合金化しないことが好ましく、銅が特に好ましい。負極集電体32の厚みは6〜30μmとすることが好ましい。
(Negative electrode current collector)
The negative electrode current collector 32 may be a conductive plate material, and for example, a thin metal plate of aluminum, copper, or nickel foil can be used. The negative electrode current collector 32 is preferably not alloyed with lithium, and copper is particularly preferable. The thickness of the negative electrode current collector 32 is preferably 6 to 30 μm.
(負極活物質層)
負極活物質層34は、負極活物質とチオール化合物とを含む。また、負極活物質層34は、必要に応じて負極バインダーと負極導電材を有する。
(Negative electrode active material layer)
The negative electrode
(負極活物質)
負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な、公知のリチウムイオン二次電池用の負極活物質を用いることができる。具体的には、例えば、金属リチウム、炭素材料、リチウムと化合する金属、酸化物を主体とする化合物、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)等が挙げられる。
負極活物質として用いられる炭素材料としては、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛)、カーボンナノチューブ、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温度焼成炭素等が挙げられる。リチウムと化合する金属としては、アルミニウム、ケイ素、スズ等が挙げられる。酸化物を主体とする化合物としては、酸化ケイ素(SiOx(0<x<2))、二酸化スズ等が挙げられる。
これらの中でも特に、負極活物質として、ケイ素または酸化ケイ素を用いることが好ましい。ケイ素および酸化ケイ素は、理論容量の大きい材料であるため、リチウムイオン二次電池100の高容量化に寄与する。
(Negative electrode active material)
As a negative electrode active material, the well-known negative electrode active material for lithium ion secondary batteries which can occlude / release lithium ion can be used. Specifically, for example, metallic lithium, a carbon material, a metal combined with lithium, a compound mainly composed of an oxide, lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), and the like can be given.
Examples of the carbon material used as the negative electrode active material include graphite (natural graphite, artificial graphite), carbon nanotube, non-graphitizable carbon, graphitizable carbon, low-temperature calcined carbon, and the like. Examples of the metal that combines with lithium include aluminum, silicon, and tin. Examples of the compound mainly composed of oxide include silicon oxide (SiO x (0 <x <2)) and tin dioxide.
Among these, it is particularly preferable to use silicon or silicon oxide as the negative electrode active material. Since silicon and silicon oxide are materials having a large theoretical capacity, they contribute to increasing the capacity of the lithium ion
(チオール化合物)
チオール化合物は、リチウムイオン二次電池100の作製時および充電状態において、少なくとも一部のチオール基(−SH)の水素がリチウムによって置換されたリチウム置換チオール基(−SLi)とされている。すなわち、チオール化合物は、無置換のチオール化合物と、リチウムで置換されたリチウム置換チオール化合物とを含んでいてもよいし、リチウム置換チオール化合物を単独で含んでいてもよい。負極活物質層34に、リチウム置換チオール化合物が存在することによって、リチウムイオン二次電池100の初回充放電効率および充放電サイクル特性が向上する。この理由については、詳細は明らかになっていないが、次のように考えられる。
(Thiol compound)
The thiol compound is a lithium-substituted thiol group (—SLi) in which at least a part of the thiol groups (—SH) is substituted with lithium during the production of the lithium ion
第1に、リチウムイオン二次電池100の作製時の負極活物質層中に存在するリチウム置換チオール化合物が固体電解質膜(SEI)として機能することによって、SEIを生成するための副反応が抑制され、非水電解質の消費が抑制されることが考えられる。第2に、リチウムイオン二次電池100の作製時の負極活物質層中に存在するリチウム置換チオール化合物が、第1回目の充放電サイクルの放電時において、リチウムイオンを放出してジスルフィド結合を有する化合物を生成することによって、リチウムイオン二次電池100内で可逆的に利用できるリチウムイオンの量が増加することが考えられる。第3に、第2回目以降の充放電サイクル時においては、放電時に生成したジスルフィド結合を有する化合物のジスルフィド結合が、充電時にリチウムイオンの一部を吸蔵してリチウム置換チオール化合物を生成することによって、負極活物質層全体のリチウムイオン吸蔵量を変えずに負極活物質に吸蔵されるリチウムイオン量を少なくでき、これによって負極活物質の劣化が抑制されることが考えられる。例えば、負極活物質としてケイ素を用いた場合、ケイ素に吸蔵されたリチウムイオンは、ケイ素のSi−Siの結合を分断してSiLi合金を生成することがあるが、リチウムイオンの一部がジスルフィド結合を有する化合物に吸蔵されることによって、SiLi合金が生成しにくくなり、ケイ素自体の劣化が抑制される。
First, the lithium-substituted thiol compound present in the negative electrode active material layer at the time of manufacturing the lithium ion
ここで、充放電時のチオール化合物の変化を、チオール化合物が、リチウム置換チオール基を有するシステインリチウムである場合を例にとって説明する。リチウムイオン二次電池100の作製時および充電状態において、システインの少なくとも一部は、システインリチウム(左辺)として存在している。そして、放電(負極の酸化)時では、システインリチウムはリチウムイオンを放出し、そのリチウムイオンを放出したシステインがジスルフィドを介して結合することによって、シスチン(右辺)を生成する。一方、充電(負極の還元)時は、シスチンがリチウムイオンを吸蔵して、ジスルフィド結合が開裂することによって、システインリチウムが生成する。
Here, the change of the thiol compound at the time of charging / discharging is demonstrated taking the case where the thiol compound is cysteine lithium which has a lithium substituted thiol group as an example. At the time of manufacturing the lithium ion
充電後の負極活物質層34中にシステインリチウムが生成していることは、赤外吸収スペクトルとX線光電子分光スペクトルとによって確認することができる。例えば、システインの存在は、−CH2−基に起因する2960cm−1、−SH基(チオール基)に起因する2550cm−1、−COOH基に起因する1587cm−1、−NH2基に起因する1545cm−1の各スペクトルの有無によって確認することができる。また、チオール基がリチウムによって置換されていることは、リチウムに帰属するX線光電子分光スペクトルの有無によって確認することができる。なお、赤外吸収スペクトルはFT−IR(フーリエ変換赤外分光分析)によって測定することができる。また、X線光電子分光スペクトルは、XPS(X線光電子分光)によって測定することができる。
It can be confirmed by the infrared absorption spectrum and the X-ray photoelectron spectrum that cysteine lithium is generated in the negative electrode
また、充電後の負極活物質層34中にシステインリチウムが生成していることは、TOF−SIMS(飛行時間型2次イオン質量分析法)を用いて測定された質量スペクトルによっても確認することができる。例えば、システインリチウムの存在は、システインのフラグメントおよび−SLi、−Liの質量スペクトルの有無から確認することができる。
Moreover, it can confirm that the cysteine lithium is producing | generating in the negative electrode
一方、放電後の負極活物質層34中にジスルフィド結合を有する化合物が生成していることは、赤外吸収スペクトルによって確認することができる。例えば、シスチンの存在は、−S−S−結合(ジスルフィド結合)に起因する500cm−1の各スペクトルの有無によって確認することができる。
On the other hand, the formation of a compound having a disulfide bond in the negative electrode
チオール化合物は、分子内に1つのチオール基を有するモノチオール化合物であってもよいし、分子内に2つ以上のチオール基を有する多価チオール化合物であってもよい。多価チオール化合物は、ジチオール化合物、トリチオール化合物であることが好ましい。チオール化合物は、室温で固体であることが好ましい。 The thiol compound may be a monothiol compound having one thiol group in the molecule or a polyvalent thiol compound having two or more thiol groups in the molecule. The polyvalent thiol compound is preferably a dithiol compound or a trithiol compound. The thiol compound is preferably solid at room temperature.
モノチオール化合物の例としては、システイン、グルタチオン、4−アミノベンゼンチオールを挙げることができる。ジチオール化合物の例としては、1,2−ベンゼンジチオール、1,3−ベンゼンジチオール、1,4−ベンゼンジチオール、1,5−ナフタレンジチオール、4,4’−ビフェニルジチオール、4,4’−チオビスベンゼンチオール、トルエン−3,4−ジチオール、3,6−ジオキサ−1,8−オクタンジオール、ビスムチオール、1,4−ベンゼンジメタンチオールを挙げることができる。トリチオール化合物の例としては、1,3,5−ベンゼントリチオール、1,3,5−トリアジン−2,4,6−トリチオール(チオシアヌル酸)を挙げることができる。 Examples of monothiol compounds include cysteine, glutathione, and 4-aminobenzenethiol. Examples of dithiol compounds include 1,2-benzenedithiol, 1,3-benzenedithiol, 1,4-benzenedithiol, 1,5-naphthalenedithiol, 4,4′-biphenyldithiol, 4,4′-thiobis Examples include benzenethiol, toluene-3,4-dithiol, 3,6-dioxa-1,8-octanediol, bismuthiol, and 1,4-benzenedimethanethiol. Examples of the trithiol compound include 1,3,5-benzenetrithiol and 1,3,5-triazine-2,4,6-trithiol (thiocyanuric acid).
チオール化合物は、負極活物質層34の表面に付着していることが好ましい。負極活物質層34の表面とは、負極活物質層34の負極集電体32側とは反対側の面を意味する。チオール化合物が負極活物質層の表面に付着していることによって、SEIとしての機能をより発揮することができ、これによって、非水電解質の消費がより抑制され、リチウムイオン二次電池100の初回充放電効率および充放電サイクル特性がより向上する。負極活物質層34の表面に付着しているチオール化合物の量(被覆率)は、例えば、次のようにして測定することができる。先ず、負極活物質層34の表面を、走査型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法(SEM−EDS)を用いて元素マッピングする。得られた元素マッピング像のうちC、S、Liが検出された部分をシステインリチウムで被覆されている箇所として、元素マッピング像を画像処理により二値化する。そして、システインリチウムで被覆されている箇所の面積と、被覆されていない箇所の面積をそれぞれピクセル数に換算し、ピクセル数の比率から被覆率を算出する。
The thiol compound is preferably attached to the surface of the negative electrode
チオール化合物のチオール基の全体量に対するリチウム置換チオール基の比率(リチウム置換率)が10モル%以上100モル%以下の範囲内にあることが好ましい。なお、チオール基の全体量とは、チオール化合物中の無置換のチオール基(−SH)とリチウム置換チオール基(−SLi)の合計量を意味する。例えば、モノチオール化合物が1モルの場合は、チオール基の全体量は1モルである。リチウム置換率が上記の範囲にあることによって、可逆的に利用できるリチウムイオン量を確実に増加させることができるので、リチウムイオン二次電池100の初回充放電効率がより向上し、充放電サイクル特性も向上する。
The ratio of the lithium-substituted thiol group to the total amount of thiol groups of the thiol compound (lithium substitution rate) is preferably in the range of 10 mol% or more and 100 mol% or less. The total amount of thiol groups means the total amount of unsubstituted thiol groups (—SH) and lithium-substituted thiol groups (—SLi) in the thiol compound. For example, when the monothiol compound is 1 mol, the total amount of thiol groups is 1 mol. When the lithium substitution rate is in the above range, the amount of lithium ions that can be used reversibly can be reliably increased, so that the initial charge / discharge efficiency of the lithium ion
負極活物質層34のチオール化合物の含有率は、負極活物質に対して0.1質量%以上2.0質量%以下の範囲内にあることが好ましい。チオール化合物の含有量が上記の範囲にあることによって、可逆的に利用できるリチウムイオン量を確実に増加させることができるので、リチウムイオン二次電池100の初回充放電効率がより向上し、充放電サイクル特性も向上する。
It is preferable that the content rate of the thiol compound of the negative electrode
(負極バインダー)
負極バインダーは、負極活物質同士あるいは負極活物質と導電材とを結合すると共に、負極活物質と負極集電体32とを結合する。バインダーは、上述の結合が可能なものであればよく、例えば、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)等のフッ素樹脂が挙げられる。
(Negative electrode binder)
The negative electrode binder binds the negative electrode active materials and the negative electrode current collector 32 together with the negative electrode active materials or the negative electrode active material and the conductive material. The binder is not particularly limited as long as the above-described bonding is possible. For example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene- Perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinyl fluoride (PVF) ) And the like.
また、上記の他に、バインダーとして、例えば、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を用いてもよい。 In addition to the above, as the binder, for example, 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 fluoro rubber (VDF-PFMVE-TFE fluoro rubber), vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene fluoro rubber The containing rubbers (VDF-CTFE-based fluorine rubber) vinylidene fluoride-based fluorine rubbers such as may be used.
またこの他に、バインダーとして、例えば、セルロース、スチレンブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂等を用いてもよい。本実施形態のリチウムイオン二次電池100では、チオール化合物によって可逆的に利用できるリチウムイオン量が増加するので、イミド基を有するポリイミド樹脂やポリアミドイミド樹脂を用いた場合でも、初回充放電効率および充放電サイクル特性の低下を抑えることができる。
In addition, as the binder, for example, cellulose, styrene butadiene rubber, ethylene / propylene rubber, polyimide resin, polyamideimide resin, acrylic resin, or the like may be used. In the lithium ion
また、バインダーとして電子伝導性の導電性高分子やイオン伝導性の導電性高分子を用いてもよい。電子伝導性の導電性高分子としては、例えば、ポリアセチレン等が挙げられる。この場合は、バインダーが導電材の機能も発揮するので導電材を添加しなくてもよい。イオン伝導性の導電性高分子としては、例えば、リチウムイオン等のイオンの伝導性を有するものを使用することができ、例えば、高分子化合物(ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物、ポリフォスファゼン等)のモノマーと、LiClO4、LiBF4、LiPF6等のリチウム塩又はリチウムを主体とするアルカリ金属塩と、を複合化させたもの等が挙げられる。複合化に使用する重合開始剤としては、例えば、上記のモノマーに適合する光重合開始剤又は熱重合開始剤が挙げられる。負極活物質層34のバインダーの含有率は、5質量%以上30質量%以下の範囲内にあることが好ましい。
Alternatively, an electron conductive conductive polymer or an ion conductive conductive polymer may be used as the binder. Examples of the electron conductive conductive polymer include polyacetylene. In this case, since the binder also functions as a conductive material, it is not necessary to add a conductive material. As the ion-conductive conductive polymer, for example, those having ion conductivity such as lithium ion can be used. For example, polymer compounds (polyether-based polymer compounds such as polyethylene oxide and polypropylene oxide) , Polyphosphazene, etc.) and a lithium salt such as LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , or an alkali metal salt mainly composed of lithium, and the like. Examples of the polymerization initiator used for the combination include a photopolymerization initiator or a thermal polymerization initiator that is compatible with the above-described monomer. The binder content of the negative electrode
(負極導電材)
負極導電材としては、例えば、炭素材料、導電性酸化物を用いることができる。これらは1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組合せて使用してもよい。炭素材料の例としては、アセチレンブラックやエチレンブラック等のカーボンブラック、カーボンナノチューブを挙げることができる。導電性酸化物の例としては、ITO(スズドープ酸化インジウム)を挙げることができる。これらの中でも、アセチレンブラックやエチレンブラック等のカーボンブラックが特に好ましい。なお、負極活物質のみで十分な導電性を確保できる場合は、負極活物質層34は導電材を含んでいなくてもよい。負極活物質層34の負極導電材の含有率は、0質量%以上30質量%以下の範囲内にあることが好ましい。
(Negative electrode conductive material)
As the negative electrode conductive material, for example, a carbon material or a conductive oxide can be used. These may be used individually by 1 type and may be used in combination of 2 or more type. Examples of the carbon material include carbon black such as acetylene black and ethylene black, and carbon nanotubes. Examples of the conductive oxide include ITO (tin-doped indium oxide). Among these, carbon black such as acetylene black and ethylene black is particularly preferable. Note that in the case where sufficient conductivity can be ensured with only the negative electrode active material, the negative electrode
「負極の作製」
負極30は、次のようにして作製することができる。
負極活物質、バインダー及び溶媒を混合して塗料を調製する。塗料には、必要に応じて導電材を更に加えても良い。溶媒としては、例えば、水、N−メチル−2−ピロリドン等を用いることができる。負極活物質、バインダー、導電材の混合比率は、質量比で50〜90質量%:5〜30質量%:0〜30質量%であることが好ましい。これらの質量比は、全体で100質量%となるように調整される。塗料を構成するこれらの成分の混合方法は特に制限されず、混合順序もまた特に制限されない。
"Production of negative electrode"
The
A negative electrode active material, a binder, and a solvent are mixed to prepare a paint. A conductive material may be further added to the paint as necessary. As the solvent, for example, water, N-methyl-2-pyrrolidone or the like can be used. The mixing ratio of the negative electrode active material, the binder, and the conductive material is preferably 50 to 90% by mass: 5 to 30% by mass: 0 to 30% by mass. These mass ratios are adjusted to 100% by mass as a whole. The mixing method of these components constituting the paint is not particularly limited, and the mixing order is not particularly limited.
次に、上記塗料を、負極集電体32に塗布する。塗布方法としては、特に制限はなく、通常電極を作製する場合に採用される方法を用いることができる。例えば、スリットダイコート法、ドクターブレード法が挙げられる。 Next, the coating material is applied to the negative electrode current collector 32. There is no restriction | limiting in particular as an application | coating method, The method employ | adopted when producing an electrode normally can be used. Examples thereof include a slit die coating method and a doctor blade method.
続いて、負極集電体32上に塗布された塗料中の溶媒を除去する。溶媒を除去することによって負極活物質層34が形成され、負極30が得られる。溶媒の除去方法は特に限定されない。例えば、塗料が塗布された負極集電体32を、80〜150℃の温度で乾燥させればよい。ここで、バインダーとして、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂などの熱硬化性樹脂を用いる場合は、さらに熱硬化性樹脂の硬化温度で加熱して、負極活物質層34を硬化させてもよい。
Subsequently, the solvent in the paint applied on the negative electrode current collector 32 is removed. The negative electrode
次いで、このようにして得られた負極30の負極活物質層34をプレス処理して、負極活物質層34の厚さを調整する。プレス装置としては、ロールプレスを用いることができる。
Next, the negative electrode
そして、プレス処理した負極活物質層34の表面に、溶媒にリチウム置換チオール化合物が溶解したリチウム置換チオール化合物溶液を塗布し、次いで乾燥することによって、負極活物質層34の表面にチオール化合物を付着させる。
リチウム置換チオール化合物溶液は、例えば、無置換のチオール化合物の溶液に、リチウム塩を添加することによって調製することができる。リチウム置換チオール化合物溶液の溶媒としては、水を用いることができる。負極活物質層34の表面にリチウム置換チオール化合物溶液を塗布する方法としては、浸漬法、印刷法、スプレー法を用いることができる。
Then, a lithium-substituted thiol compound solution in which a lithium-substituted thiol compound is dissolved in a solvent is applied to the surface of the negative electrode
The lithium-substituted thiol compound solution can be prepared, for example, by adding a lithium salt to an unsubstituted thiol compound solution. Water can be used as a solvent for the lithium-substituted thiol compound solution. As a method of applying the lithium-substituted thiol compound solution to the surface of the negative electrode
「正極」
正極20は、正極集電体22と、正極集電体22の上に設けられた正極活物質層24とを有する。
"Positive electrode"
The
(正極集電体)
正極集電体22は、導電性の板材であればよく、例えば、アルミニウム、ニッケル箔の金属薄板を用いることができる。
(Positive electrode current collector)
The positive electrode
(正極活物質層)
正極活物質層24は、正極活物質と正極バインダーとを有し、必要に応じて正極導電材を有する。
(Positive electrode active material layer)
The positive electrode
(正極活物質)
正極活物質層24に用いる正極活物質は、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入(インターカレーション)、又は、リチウムイオンとリチウムイオンのカウンターアニオン(例えば、PF6−)とのドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることが可能な電極活物質を用いることができる。
(Positive electrode active material)
The positive electrode active material used for the positive electrode
正極活物質としては、例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMnO2)、リチウムマンガンスピネル(LiMn2O4)、及び、一般式:LiNixCoyMnzMaO2(x+y+z+a=1、0≦x<1、0≦y<1、0≦z<1、0≦a<1、MはAl、Mg、Nb、Ti、Cu、Zn、Crより選ばれる1種類以上の元素)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物(LiV2O5)、オリビン型LiMPO4(ただし、Mは、Co、Ni、Mn、Fe、Mg、Nb、Ti、Al、Zrより選ばれる1種類以上の元素又はVOを示す)、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)、LiNixCoyAlzO2(0.9<x+y+z<1.1)等の複合金属酸化物、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセンなどが挙げられる。 As the positive electrode active material, for example, lithium cobalt oxide (LiCoO 2), lithium nickelate (LiNiO 2), lithium manganate (LiMnO 2), lithium manganese spinel (LiMn 2 O 4), and the general formula: LiNi x Co y Mn z M a O 2 (x + y + z + a = 1, 0 ≦ x <1, 0 ≦ y <1, 0 ≦ z <1, 0 ≦ a <1, M is Al, Mg, Nb, Ti, Cu, Zn, A composite metal oxide represented by one or more elements selected from Cr), a lithium vanadium compound (LiV 2 O 5 ), an olivine-type LiMPO 4 (where M is Co, Ni, Mn, Fe, Mg, Nb) 1 or more elements selected from Ti, Al, Zr, or VO), lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), LiNi x Co y Al z O 2 ( Examples thereof include composite metal oxides such as 0.9 <x + y + z <1.1), polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, and polyacene.
(正極導電材)
正極導電材としては、例えば、炭素材料、導電性酸化物を用いることができる。炭素材料、導電性酸化物としては、負極導電材で例示したものを用いることができる。なお、正極活物質のみで十分な導電性を確保できる場合は、正極活物質層24は導電材を含んでいなくてもよい。
(Positive electrode conductive material)
As the positive electrode conductive material, for example, a carbon material or a conductive oxide can be used. As the carbon material and the conductive oxide, those exemplified for the negative electrode conductive material can be used. In addition, when sufficient electroconductivity is securable only with a positive electrode active material, the positive electrode
(正極バインダー)
正極バインダーとしては、例えば、フッ素樹脂、ビニリデンフルオライド系フッ素ゴムなどを用いることができる。フッ素樹脂、ビニリデンフルオライド系フッ素ゴムとしては、負極バインダーで例示したものを用いることができる。
(Positive electrode binder)
As the positive electrode binder, for example, a fluororesin, vinylidene fluoride-based fluororubber, or the like can be used. As the fluororesin and vinylidene fluoride-based fluororubber, those exemplified for the negative electrode binder can be used.
正極活物質層24における正極活物質の含有量は、80質量%以上96質量%以下の範囲内にあることが好ましい。また正極活物質層24における導電材の含有量は、2.0質量%以上10質量%以下の範囲内にあることが好ましく、正極活物質層24におけるバインダーの含有量は、2.0質量%以上10質量%以下の範囲内であることが好ましい。
The content of the positive electrode active material in the positive electrode
「正極の作製」
正極20は、次のようにして作製することができる。
正極活物質、導電材、バインダー及び溶媒を混合して塗料を調製する。
溶媒としては、負極の製造の場合と同様に、例えば、水、N−メチル−2−ピロリドン等を用いることができる。正極活物質、導電材、バインダーの構成比率は、質量比で80〜96質量%:2.0〜10質量%:2.0〜10質量%であることが好ましい。これらの質量比は、全体で100質量%となるように調整される。
"Production of positive electrode"
The
A positive electrode active material, a conductive material, a binder and a solvent are mixed to prepare a paint.
As the solvent, for example, water, N-methyl-2-pyrrolidone and the like can be used as in the case of production of the negative electrode. The constituent ratio of the positive electrode active material, the conductive material, and the binder is preferably 80 to 96% by mass: 2.0 to 10% by mass: 2.0 to 10% by mass. These mass ratios are adjusted to 100% by mass as a whole.
塗料を構成するこれらの成分の混合方法は特に制限されず、混合順序もまた特に制限されない。上記塗料を、正極集電体22に塗布する。塗布方法としては、負極の製造の場合と同様に、特に制限はなく、通常電極を作製する場合に採用される方法を用いることができる。
The mixing method of these components constituting the paint is not particularly limited, and the mixing order is not particularly limited. The paint is applied to the positive electrode
続いて、正極集電体22上に塗布された塗料中の溶媒を除去する。溶媒を除去することによって正極活物質層24が形成され、正極20が得られる。溶媒の除去方法は特に限定されない。例えば、塗料が塗布された負極集電体32を、80℃〜150℃の雰囲気下で乾燥させればよい。
Subsequently, the solvent in the paint applied on the positive electrode
そして、このようにして得られた正極20の正極活物質層24をプレス処理して、正極活物質層24の厚さを調整する。プレス装置としては、ロールプレスを用いることができる。
And the positive electrode
「セパレータ」
セパレータ10は、電気絶縁性の多孔質構造から形成されていればよく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン又はポリオレフィンからなるフィルムの単層体、積層体や上記樹脂の混合物の延伸膜、或いはセルロース、ポリエステル及びポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも1種の構成材料からなる繊維不織布が挙げられる。
"Separator"
The
「非水電解質」
非水電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解されている電解質とを含む。非水溶媒は、環状カーボネートと鎖状カーボネートとを含有することが好ましい。
"Nonaqueous electrolyte"
The non-aqueous electrolyte includes a non-aqueous solvent and an electrolyte dissolved in the non-aqueous solvent. The non-aqueous solvent preferably contains a cyclic carbonate and a chain carbonate.
環状カーボネートとしては、電解質を溶媒和することができるものを用いることができる。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)、ブチレンカーボネート(BC)などを用いることができる。また、環状カーボネートは、水素の一部又は全部がフッ素で置換されていてもよい。フッ素で置換された環状カーボネートの例としては、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)を挙げることができる。
鎖状カーボネートは、環状カーボネートと比較して相対的に粘度が低いので、非水溶媒の粘性を低下させることができる。例えば、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)が挙げられる。
非水溶媒中の環状カーボネートと鎖状カーボネートの割合は、体積比で1:9〜1:1の範囲内にあることが好ましい。
As cyclic carbonate, what can solvate electrolyte can be used. For example, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), or the like can be used. In the cyclic carbonate, part or all of hydrogen may be substituted with fluorine. Examples of the cyclic carbonate substituted with fluorine include fluoroethylene carbonate (FEC) and difluoroethylene carbonate (DFEC).
Since the chain carbonate has a relatively low viscosity compared to the cyclic carbonate, the viscosity of the non-aqueous solvent can be reduced. Examples thereof include diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC).
The ratio of the cyclic carbonate and the chain carbonate in the non-aqueous solvent is preferably in the range of 1: 9 to 1: 1 by volume ratio.
非水溶媒は、環状カーボネート及び鎖状カーボネート以外のその他の有機溶媒を含有していてもよい。その他の有機溶媒の例としては、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、γ−ブチロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタンを挙げることができる。 The non-aqueous solvent may contain other organic solvents other than the cyclic carbonate and the chain carbonate. Examples of other organic solvents include methyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, γ-butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, and 1,2-diethoxyethane.
電解質としては、例えば、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiCF3SO3、LiCF3CF2SO3、LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiN(CF3CF2CO)2、LiBOB等のリチウム塩が使用できる。なお、これらのリチウム塩は1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。特に、電離度の観点から、LiPF6を含むことが好ましい。 Examples of the electrolyte include LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CF 2 SO 3 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 CF 2 SO 2) 2, LiN ( CF 3 SO 2) (C 4 F 9 SO 2), LiN (CF 3 CF 2 CO) 2, lithium salts such as LiBOB can be used. In addition, these lithium salts may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. In particular, LiPF 6 is preferably included from the viewpoint of the degree of ionization.
LiPF6を非水溶媒に溶解する際は、非水電解質中の電解質の濃度を、0.5〜2.0mol/Lに調整することが好ましい。電解質の濃度が0.5mol/L以上であると、非水電解質のリチウムイオン濃度を充分に確保することができ、充放電時に十分な容量が得られやすい。また、電解質の濃度が2.0mol/L以内に抑えることで、非水電解質の粘度上昇を抑え、リチウムイオンの移動度を充分に確保することができ、充放電時に十分な容量が得られやすくなる。 When LiPF 6 is dissolved in a non-aqueous solvent, the concentration of the electrolyte in the non-aqueous electrolyte is preferably adjusted to 0.5 to 2.0 mol / L. When the concentration of the electrolyte is 0.5 mol / L or more, the lithium ion concentration of the non-aqueous electrolyte can be sufficiently secured, and a sufficient capacity can be easily obtained during charging and discharging. Moreover, by suppressing the electrolyte concentration to within 2.0 mol / L, it is possible to suppress an increase in the viscosity of the non-aqueous electrolyte, sufficiently ensure the mobility of lithium ions, and to easily obtain a sufficient capacity during charging and discharging. Become.
LiPF6をその他の電解質と混合する場合にも、非水電解質中のリチウムイオン濃度が0.5〜2.0mol/Lに調整することが好ましく、LiPF6からのリチウムイオン濃度がその50mol%以上含まれることがさらに好ましい。 Even when LiPF 6 is mixed with other electrolytes, the lithium ion concentration in the nonaqueous electrolyte is preferably adjusted to 0.5 to 2.0 mol / L, and the lithium ion concentration from LiPF 6 is 50 mol% or more. More preferably it is included.
「ケース」
ケース50は、その内部に積層体40及び非水電解質を密封するものである。ケース50は、非水電解質の外部への漏出や、外部からのリチウムイオン二次電池100内部への水分等の侵入等を抑止できる物であれば特に限定されない。
"Case"
The case 50 seals the
例えば、ケース50として、図1に示すように、金属箔52を高分子膜54で両側からコーティングした金属ラミネートフィルムを利用できる。金属箔52としては例えばアルミニウム箔を、高分子膜54としてはポリプロピレン等の膜を利用できる。例えば、外側の高分子膜54の材料としては融点の高い高分子、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアミド等が好ましく、内側の高分子膜54の材料としてはポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等が好ましい。
For example, as the case 50, as shown in FIG. 1, a metal laminate film in which a metal foil 52 is coated with a
「リード」
リード60、62は、アルミニウム等の導電材料から形成されている。そして、公知の方法により、リード60、62を正極集電体22、負極集電体32にそれぞれ溶接し、正極20の正極活物質層24と負極30の負極活物質層34との間にセパレータ10を挟んだ状態で、非水電解質と共にケース50内に挿入し、ケース50の入り口をシールする。
"Lead"
The leads 60 and 62 are made of a conductive material such as aluminum. Then, the
[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100は、次のようにして作製することができる。
正極活物質層24を有する正極20と、負極活物質層34を有する負極30と、正極と負極との間に介在するセパレータ10と、非水電解質と、をケース50内に封入する。
[Method for producing lithium ion secondary battery]
The lithium ion
A
例えば、正極20と、負極30と、セパレータ10とを積層し、正極20及び負極30を、積層方向に対して垂直な方向から、プレス器具で加熱加圧し、正極20、セパレータ10、及び負極30を密着させる。そして、例えば、予め作製した袋状のケース50に、積層体40を入れる。
For example, the
最後に非水電解質をケース50内に注入することにより、リチウムイオン二次電池100が作製される。なお、ケースに非水電解質を注入するのではなく、積層体40を非水電解質に含浸させてもよい。
Finally, a non-aqueous electrolyte is injected into the case 50, whereby the lithium ion
本実施形態のリチウムイオン二次電池100は、負極活物質層34が、少なくとも一部のチオール基の水素がリチウムによって置換されているチオール化合物を含むので、初回充放電効率および充放電サイクルが優れたものとなる。
In the lithium ion
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
例えば、本実施形態では、チオール化合物は負極活物質層34の表面に付着していることが好ましいとしたが、本発明は、この場合に限定されるものではない。例えば、チオール化合物を負極活物質層34中に分散させてもよい。この場合、負極30は、負極活物質とリチウム置換チオール化合物とを含む負極合剤塗料を、負極集電体32上に塗布し、乾燥することによって製造することができる。
Although the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings, the configurations and combinations of the embodiments in the embodiments are examples, and the addition and omission of configurations are within the scope not departing from the gist of the present invention. , Substitutions, and other changes are possible.
For example, in the present embodiment, the thiol compound is preferably attached to the surface of the negative electrode
[実施例1]
(負極の作製)
負極活物質としてケイ素を83質量部と、導電材としてアセチレンブラックを2質量部と、さらにバインダーとしてポリアミドイミドを15質量部と、溶媒としてN−メチル−2−ピロリドンとをハイブリッドミキサーで混合分散させて、ペースト状の負極合剤塗料を調製した。この負極合剤塗料を、コンマロールコーターを用いて、圧延銅箔(厚さ10μm)表面に、所定の厚みで負極合剤層を塗布した。次いで、100℃の乾燥炉内にて、負極合剤層中の溶媒を乾燥除去させて、負極活物質層を形成した。その後、圧延銅箔の裏面側にも同様の手順で負極活物質層を塗布した。そして、両面に形成した負極活物質層を、ロールプレス機を用いて圧延銅箔に圧着させ、所定の密度を有する負極活物質層が形成された負極を作製した。なお、負極活物質層に含まれる負極活物質重量(目付け量)は、1.5mg・cm−2とした。
[Example 1]
(Preparation of negative electrode)
83 parts by mass of silicon as a negative electrode active material, 2 parts by mass of acetylene black as a conductive material, 15 parts by mass of polyamideimide as a binder, and N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent are mixed and dispersed by a hybrid mixer. Thus, a paste-like negative electrode mixture paint was prepared. A negative electrode mixture layer was applied to the surface of the rolled copper foil (thickness: 10 μm) with a predetermined thickness by using this negative electrode mixture paint with a comma roll coater. Next, the solvent in the negative electrode mixture layer was removed by drying in a drying furnace at 100 ° C. to form a negative electrode active material layer. Thereafter, the negative electrode active material layer was applied to the back side of the rolled copper foil in the same procedure. And the negative electrode active material layer formed in both surfaces was crimped | bonded to the rolled copper foil using the roll press machine, and the negative electrode in which the negative electrode active material layer which has a predetermined density was formed was produced. The weight (weight per unit area) of the negative electrode active material contained in the negative electrode active material layer was 1.5 mg · cm −2 .
前記負極は、金型で19mm×23mmサイズの電極に打ち抜き、次いで残留溶媒の乾燥除去を目的として、熱処理炉にて30℃・min−1の昇温速度で350℃まで昇温し、1時間保持した後に室温まで急冷させた。なお、前記の熱処理は減圧下の真空中にて実施した。 The negative electrode was punched into a 19 mm × 23 mm size electrode with a mold, and then heated to 350 ° C. at a temperature increase rate of 30 ° C./min −1 in a heat treatment furnace for the purpose of drying and removing the residual solvent for 1 hour After holding, it was rapidly cooled to room temperature. The heat treatment was performed in a vacuum under reduced pressure.
(負極活物質層のリチウム置換チオール化合物コーティング)
100gのイオン交換水に、チオール化合物としてシステイン1g(0.008モル)を溶解して、濃度1質量%のシステイン水溶液を調製した。次いで、このシステイン水溶液に0.00008モルの水酸化リチウムを添加し、チオール基(−SH)のリチウム置換率が1モル%のシステインリチウム水溶液を得た。
(Lithium-substituted thiol compound coating on negative electrode active material layer)
In 100 g of ion exchange water, 1 g (0.008 mol) of cysteine as a thiol compound was dissolved to prepare an aqueous cysteine solution having a concentration of 1% by mass. Next, 0.00008 mol of lithium hydroxide was added to the aqueous cysteine solution to obtain an aqueous cysteine lithium solution having a thiol group (—SH) substitution rate of 1 mol%.
前記負極を前記システインリチウム水溶液に浸漬させ、60℃で乾燥することで、システインリチウムを負極活物質層に担持させた。これを複数回繰り返し、負極活物質に対して1質量%のシステインリチウムを被覆させた。 The negative electrode was immersed in the cysteine lithium aqueous solution and dried at 60 ° C., thereby supporting cysteine lithium on the negative electrode active material layer. This was repeated a plurality of times to coat 1% by mass of cysteine lithium with respect to the negative electrode active material.
システインリチウムの被覆量(含有量)は、被覆後の電極の質量を測定し、この被覆後の電極の質量と予め測定した被覆前の電極の質量とから、下記の式を用いて算出した。
システインリチウムの被覆量
={(被覆後の電極の質量−被覆前の電極の質量)/被覆前の電極の質量}×100
The coating amount (content) of cysteine lithium was calculated by measuring the mass of the electrode after coating, and using the following formula from the mass of the electrode after coating and the mass of the electrode before coating measured in advance.
Covering amount of cysteine lithium = {(mass of electrode after coating−mass of electrode before coating) / mass of electrode before coating} × 100
(正極の作製)
正極活物質としてLiCoO2を90質量部、導電材としてアセチレンブラックを5質量部、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を5質量部の割合で秤量し、これらを混合して正極合剤を得た。続いて、正極合剤をN−メチル−2−ピロリドンに分散させてペースト状の正極合剤塗料を調製した。この正極合剤塗料を、厚さ15μmのアルミニウム箔の両面にそれぞれに、正極合剤層を塗布した。次いで、100℃の乾燥炉内にて、正極合剤層中の溶媒を乾燥除去させて、正極活物質層を形成した。そして、両面に形成した正極活物質層を、ロールプレス機を用いてアルミニウム箔に圧着させ、所定の密度を有する正極活物質層が形成された正極を作製した。なお、正極活物質層に含まれる正極活物質重量(目付け量)は22mg・cm−2とした。
(Preparation of positive electrode)
90 parts by mass of LiCoO 2 as a positive electrode active material, 5 parts by mass of acetylene black as a conductive material, and 5 parts by mass of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder were mixed together to obtain a positive electrode mixture. . Subsequently, the positive electrode mixture was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a paste-like positive electrode mixture paint. A positive electrode mixture layer was applied to both surfaces of an aluminum foil having a thickness of 15 μm. Next, the solvent in the positive electrode mixture layer was removed by drying in a drying furnace at 100 ° C. to form a positive electrode active material layer. And the positive electrode active material layer formed in both surfaces was crimped | bonded to the aluminum foil using the roll press machine, and the positive electrode in which the positive electrode active material layer which has a predetermined density was formed was produced. The weight (weight per unit area) of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer was 22 mg · cm −2 .
(リチウムイオン二次電池の作製)
上記の正極と負極とを、正極活物質層と負極活物質層とが互いに対向するように、セパレータ(多孔質ポリエチレンシート)を介して積層して積層体を得た。上記積層体の負極において、負極活物質層を設けていない銅箔の突起端部にニッケル製の負極リードを取り付け、一方、積層体の正極においては、正極活物質層を設けていないアルミニウム箔の突起端部にアルミニウム製の正極リードを超音波溶接機によって取り付けた。この積層体を、アルミラミネートフィルムの外装体内に挿入して周囲の1箇所を除いてヒートシールすることにより閉口部を形成した。そして、最後に、外装体内に、電解液を注入し、残りの1箇所を真空シール機によって減圧しながらヒートシールで密封して、リチウムイオン二次電池を作製した。電解液としては、フルオロエチレンカーボネート(FEC)およびジエチルカーボネート(DEC)を体積比率3:7で混合した混合溶媒と、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を濃度1mol/Lで含む非水電解質溶液を用いた。
(Production of lithium ion secondary battery)
The above positive electrode and negative electrode were laminated through a separator (porous polyethylene sheet) so that the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer were opposed to each other to obtain a laminate. In the negative electrode of the laminate, a negative electrode lead made of nickel is attached to the protruding end portion of the copper foil not provided with the negative electrode active material layer. On the other hand, in the positive electrode of the laminate, the aluminum foil without the positive electrode active material layer is provided. A positive electrode lead made of aluminum was attached to the end of the protrusion with an ultrasonic welding machine. The laminated body was inserted into the outer body of the aluminum laminate film and heat sealed except for one peripheral portion to form a closed portion. And finally, electrolyte solution was inject | poured in the exterior body, and the remaining one place was sealed with the heat seal, reducing the pressure with the vacuum sealer, and the lithium ion secondary battery was produced. As the electrolytic solution, a nonaqueous electrolyte containing a mixed solvent in which fluoroethylene carbonate (FEC) and diethyl carbonate (DEC) are mixed at a volume ratio of 3: 7, and lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) at a concentration of 1 mol / L. The solution was used.
[実施例2〜6]
負極活物質のリチウム置換チオール化合物コーティングにおいて、システイン水溶液に添加する水酸化リチウムの量を変えて、リチウム置換率を下記の表1に示す値となるように調整したこと以外は、実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製した。
[Examples 2 to 6]
Example 1 except that in the lithium-substituted thiol compound coating of the negative electrode active material, the amount of lithium hydroxide added to the aqueous cysteine solution was changed to adjust the lithium substitution rate to the value shown in Table 1 below. Similarly, a lithium ion secondary battery was produced.
[比較例1]
負極活物質層のリチウム置換チオール化合物コーティングにおいて、リチウム置換率が0モル%のシステイン水溶液を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製した。
[Comparative Example 1]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that a cysteine aqueous solution having a lithium substitution rate of 0 mol% was used in the lithium-substituted thiol compound coating on the negative electrode active material layer.
[比較例2]
負極活物質層のリチウム置換チオール化合物コーティングを行なわなかったこと以外は、実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製した。
[Comparative Example 2]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode active material layer was not coated with the lithium-substituted thiol compound.
作製したリチウムイオン二次電池について、負極活物質層のチオール化合物の状態と容量維持率を、下記のようにして測定した。容量維持率は、初回充放電効率と50サイクル時点の放電容量維持率を測定した。 About the produced lithium ion secondary battery, the state and capacity | capacitance maintenance factor of the thiol compound of a negative electrode active material layer were measured as follows. The capacity retention rate was determined by measuring the initial charge / discharge efficiency and the discharge capacity retention rate at the 50th cycle.
(チオール化合物の状態)
作製直後(充電前)のリチウムイオン二次電池を分解し、負極を取出した。取出した負極の負極活物質層を、ジメチルカーボネート(DMC)で洗浄、乾燥した後、TOF−SIMSにより質量スペクトルを測定した。その結果、実施例1〜6の負極活物質層については、システインのフラグメントと、−SLi、−Liの質量スペクトルが確認された。一方、比較例1の負極活物質層については、システインのフラグメントおよび−SHの質量スペクトルを確認した。また、比較例2の負極活物質層では、システインのフラグメントは確認されなかった。
(State of thiol compound)
The lithium ion secondary battery immediately after production (before charging) was disassembled, and the negative electrode was taken out. The negative electrode active material layer of the extracted negative electrode was washed with dimethyl carbonate (DMC) and dried, and then mass spectrum was measured by TOF-SIMS. As a result, for the negative electrode active material layers of Examples 1 to 6, a cysteine fragment and mass spectra of -SLi and -Li were confirmed. On the other hand, for the negative electrode active material layer of Comparative Example 1, a cysteine fragment and a mass spectrum of -SH were confirmed. In the negative electrode active material layer of Comparative Example 2, no cysteine fragment was observed.
[容量維持率]
二次電池充放電試験装置(北斗電工株式会社製)を用いて、リチウムイオン二次電池に、充電レート0.5Cで4.2Vまで定電流定電圧充電し、放電レート1Cで2.5Vまで定電流放電する充放電サイクルを50サイクル行った。そして、初回充放電効率を下記の式(1)より算出し、50サイクル時点の放電容量維持率を下記の式(2)より算出した。その結果を表1に示す。
[Capacity maintenance rate]
Using a secondary battery charge / discharge tester (made by Hokuto Denko Co., Ltd.), a lithium ion secondary battery is charged at a constant current and a constant voltage up to 4.2 V at a charge rate of 0.5 C, and up to 2.5 V at a discharge rate of 1 C 50 charge / discharge cycles for constant current discharge were performed. Then, the initial charge / discharge efficiency was calculated from the following formula (1), and the discharge capacity retention rate at the 50th cycle was calculated from the following formula (2). The results are shown in Table 1.
初回充放電効率
=(1サイクル目の放電容量/1サイクル目の充電容量)×100・・・(1)
50サイクル時点の放電容量維持率
=(50サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100・・・(2)
Initial charge / discharge efficiency = (discharge capacity at the first cycle / charge capacity at the first cycle) × 100 (1)
Discharge capacity maintenance rate at the 50th cycle = (discharge capacity at the 50th cycle / discharge capacity at the first cycle) × 100 (2)
表1の結果から、負極活物質層をシステインリチウムでコーティングした実施例1〜6のリチウムイオン二次電池は、無置換のシステインでコーティングした比較例1、チオール化合物でコーティングしなかった比較例2と比較して、初回充放電効率および50サイクル時点の放電容量維持率が向上することが分かる。 From the results in Table 1, the lithium ion secondary batteries of Examples 1 to 6 in which the negative electrode active material layer was coated with cysteine lithium were compared with Comparative Example 1 coated with unsubstituted cysteine and Comparative Example 2 not coated with a thiol compound. It can be seen that the initial charge / discharge efficiency and the discharge capacity retention rate at the 50th cycle are improved.
[実施例7〜13]
負極活物質層のリチウム置換チオール化合物コーティングにおいて、負極をシステインリチウム水溶液に浸漬させ、次いで乾燥する作業の回数を変えて、負極活物質に対するシステインリチウムの被覆量を、下記の表2に示すように変えたこと以外は、実施例6と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。作製したリチウムイオン二次電池について、初回充放電効率と50サイクル時点の放電容量維持率を上記と同様にして測定した。その結果を、実施例6の結果と共に下記の表2に示す。
[Examples 7 to 13]
In the lithium-substituted thiol compound coating on the negative electrode active material layer, the negative electrode is immersed in a cysteine lithium aqueous solution, and then the number of times of drying is changed, so that the coating amount of cysteine lithium on the negative electrode active material is as shown in Table 2 below. A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 6 except for the change. About the produced lithium ion secondary battery, the first time charge-and-discharge efficiency and the discharge capacity maintenance factor at the 50th cycle were measured like the above. The results are shown in Table 2 below together with the results of Example 6.
表2の結果から、負極活物質層をコーティングするシステインリチウムの被覆量を変えた実施例7〜13のリチウムイオン二次電池は、実施例6のリチウムイオン二次電池と同様に初回充放電効率が向上することが分かる。特に、システインリチウムの被覆量が0.1〜2.0質量%の範囲内にある実施例7〜11のリチウムイオン二次電池では、実施例6のリチウムイオン二次電池と同様に、初回充放電効率と50サイクル時点の放電容量維持率が向上することが分かる。システインリチウムの被覆量が多い実施例12、13のリチウムイオン二次電池は50サイクル時点の放電容量維持率がやや低下した。これは、システインリチウムの一部が抵抗被膜となり、充電時にリチウムイオンが負極活物質に吸蔵されるのを阻害したためであると考えられる。 From the results of Table 2, the lithium ion secondary batteries of Examples 7 to 13 in which the coating amount of cysteine lithium that coats the negative electrode active material layer was changed to the initial charge / discharge efficiency in the same manner as the lithium ion secondary battery of Example 6. Can be seen to improve. In particular, in the lithium ion secondary batteries of Examples 7 to 11 in which the coating amount of cysteine lithium is in the range of 0.1 to 2.0% by mass, the initial charge is similar to the lithium ion secondary battery of Example 6. It can be seen that the discharge efficiency and the discharge capacity retention rate at the 50th cycle are improved. In the lithium ion secondary batteries of Examples 12 and 13 with a large amount of cysteine lithium coating, the discharge capacity retention rate at the 50th cycle was slightly lowered. This is considered to be because a part of cysteine lithium became a resistance film and inhibited lithium ions from being occluded by the negative electrode active material during charging.
[実施例14〜25]
負極活物質層のリチウム置換チオール化合物コーティングにおいて、システインの代わりに下記の表3に示すチオール化合物を用いたこと以外は、実施例6と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。作製したリチウムイオン二次電池について、初回充放電効率と50サイクル時点の放電容量維持率を上記と同様にして測定した。その結果を、実施例6の結果と共に下記の表3に示す。
[Examples 14 to 25]
A lithium ion secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 6 except that in the lithium-substituted thiol compound coating on the negative electrode active material layer, a thiol compound shown in Table 3 below was used instead of cysteine. About the produced lithium ion secondary battery, the first time charge-and-discharge efficiency and the discharge capacity maintenance factor at the 50th cycle were measured like the above. The results are shown in Table 3 below together with the results of Example 6.
表3の結果から、チオール化合物として、表3に示すチオール化合物を用いた実施例14〜25のリチウムイオン二次電池は、実施例6のリチウムイオン二次電池と同様に初回充放電効率と50サイクル時点の放電容量維持率とが向上することが分かる。 From the results shown in Table 3, the lithium ion secondary batteries of Examples 14 to 25 using the thiol compound shown in Table 3 as the thiol compound have an initial charge / discharge efficiency of 50 as in the lithium ion secondary battery of Example 6. It can be seen that the discharge capacity retention rate at the cycle time is improved.
10…セパレータ、20…正極、22…正極集電体、24…正極活物質層、30…負極、32…負極集電体、34…負極活物質層、40…積層体、50…ケース、52…金属箔、54…高分子膜、60,62…リード、100…リチウムイオン二次電池
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記負極活物質層は、負極活物質と、チオール化合物とを含み、前記チオール化合物は、少なくとも一部のチオール基の水素がリチウムによって置換されているリチウムイオン二次電池用負極。 A negative electrode having a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer provided on the negative electrode current collector,
The negative electrode active material layer includes a negative electrode active material and a thiol compound, and the thiol compound is a negative electrode for a lithium ion secondary battery in which hydrogen of at least a part of the thiol group is replaced by lithium.
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