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JP4304577B2 - Electrolyte and secondary battery using the same - Google Patents

Electrolyte and secondary battery using the same Download PDF

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JP4304577B2
JP4304577B2 JP2003088544A JP2003088544A JP4304577B2 JP 4304577 B2 JP4304577 B2 JP 4304577B2 JP 2003088544 A JP2003088544 A JP 2003088544A JP 2003088544 A JP2003088544 A JP 2003088544A JP 4304577 B2 JP4304577 B2 JP 4304577B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極および負極と共に電解質を備えた二次電池、およびそれに用いる電解質に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の電子技術の進歩に伴い、カメラ一体型ビデオテープレコーダ,携帯電話あるいはラップトップコンピュータなどの小型の携帯用電子機器が開発され、これらを使用するための電源として、小型かつ軽量で高エネルギー密度を有する二次電池の開発が強く要請されている。
【0003】
これまで、黒鉛層間へのリチウム(Li)のインターカレーション反応を利用した黒鉛材料、あるいは細孔中へのリチウムの吸蔵・離脱作用を応用した炭素質材料を負極活物質として用いた二次電池が開発され、広く実用化されている。
【0004】
その一方で、近年の携帯用電子機器の高性能化に伴い、二次電池の容量に対する要求は更に強いものとなってきた。また、携帯用電子機器の普及に伴い、特性に対する種々幅広い要求がなされるようになってきた。例えば、機器使用時間の長時間化に伴い、高容量化が要求され、更に電池を多数回繰り返し使用できるようにサイクル特性の向上が強く望まれている。また、電池の使用者の保存状況が多様化しているため、保存特性についても高性能化が要求されるようになってきた。
【0005】
このような要請に応える電池としては、リチウム金属等の軽金属を負極活物質として用いたものがある。しかし、この電池では、充電過程において負極に軽金属がデンドライトとして析出しやすく、デンドライトの先端で電流密度が非常に高くなるため、電解質の分解などにより寿命が低下したり、また、過度にデンドライトが成長して電池の内部短絡が発生したりするという問題があった。
【0006】
これに対して、金属とリチウムとの合金化反応を用いた二次電池が提案されている。このような二次電池に用いる負極活物質としては、リチウム−鉛合金(例えば、特許文献1〜4参照。)、ビスマスースズ−鉛−カドミウム合金(例えば、特許文献5,6参照。)がある。しかし、鉛(Pb)、ビスマス(Bi)およびカドミウム(Cd)は、近年の地球環境保護の点からその使用は好ましくない。この他にも、リチウムとケイ素(Si)との合金(例えば、特許文献7〜11参照。)、リチウムとアルミニウム(Al)とスズ(Sn)との合金(例えば、特許文献12参照。)、スズと亜鉛(Zn)との合金(例えば、特許文献13参照。)もあるが、いずれもリチウムの吸蔵および離脱に伴い大きく膨張および収縮するのでサイクル劣化が激しいという欠点がある。
【0007】
また、リン(P)を1質量%〜55質量%含有するスズ合金(例えば、特許文献14参照。)、リチウムを吸蔵するスズ含有相と、マンガン(Mn),鉄(Fe),コバルト(Co),ニッケル(Ni)あるいは銅(Cu)から構成されるリチウムを吸蔵しない相との混合物を含むもの(例えば、特許文献15参照。)も提案されているが、これらもまたサイクル特性が十分ではない。更に、Cu2 NiSnあるいはMg2 Sn(例えば、特許文献16参照。)もあるが、Cu2 NiSnでは、ニッケルが人体に悪影響を及ぼし、また、Mg2 Snは、マグネシウム(Mg)が酸素(O2 )と反応し発熱するため空気中で扱いにくいなど実用には十分なものではない。加えて、スズと銅との合金もあるが、これを用いた電池(例えば、特許文献17参照。)では、第1サイクル目の放電容量が300mAh/gと、現用の炭素質材料と比べても低く、実用に供するには不十分であった。
【0008】
このように負極活物質の組成の最適化が検討されている一方、添加剤により特性の向上を図った電池も開発されている。例えば、正極,負極あるいは電解液にアルカリ土類塩、特に、炭酸塩,シュウ酸塩,硝酸塩,酢酸塩,リン酸塩あるいはホウ酸塩を添加した電池がある(特許文献18参照)。
【0009】
【特許文献1】
特公平3−53743号公報
【特許文献2】
特公平5−34787号公報
【特許文献3】
特公平7−73044号公報
【特許文献4】
特公平8−138654号公報
【特許文献5】
特公平4−47431号公報
【特許文献6】
特公平3−64987号公報
【特許文献7】
特開平7−302588号公報
【特許文献8】
特開平10−199524号公報
【特許文献9】
特開平7−326342号公報
【特許文献10】
特開平10−255768号公報
【特許文献11】
特開平10−302770号公報
【特許文献12】
特開昭61−66369号公報
【特許文献13】
特開昭62−145650号公報
【特許文献14】
特開平8−273602号公報
【特許文献15】
特開平11−86854号公報
【特許文献16】
特開平10−223221号公報
【特許文献17】
特開平10−308207号公報
【特許文献18】
特開平9ー180758号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの塩は、電解液に対する溶解性が低いためか、電解液に添加しても十分な効果が得られない他、正極あるいは負極に添加すると、活物質の含有量が低下し容量などが低下したり、塩を構成する炭酸アニオン、酢酸アニオンなどの酸化あるいは還元雰囲気に対する安定性が十分でないため、分解しガスが発生するという欠点があった。
【0011】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、サイクル特性および保存特性を向上させることができる二次電池およびそれに用いる電解質を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明による電解質は、正極および負極と共に電解質を備え、負極がケイ素またはスズの単体および化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含む二次電池に用いられ、リチウムのフッ素含有塩と、長周期型周期表における2族元素(マグネシウムまたはカルシウム)のフッ素含有塩とを含み、2族元素のフッ素含有塩は、ヘキサフルオロリン酸塩およびテトラフルオロホウ酸塩のうちの少なくとも一方を含むものである。
【0014】
本発明による二次電池は、正極および負極と共に電解質を備え、負極は、ケイ素またはスズの単体および化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含み、電解質は、リチウムのフッ素含有塩と、長周期型周期表における2族元素(マグネシウムまたはカルシウム)のフッ素含有塩とを含み、2族元素のフッ素含有塩は、ヘキサフルオロリン酸塩およびテトラフルオロホウ酸塩のうちの少なくとも一方を含むものである。
【0015】
本発明による電解質および二次電池では、ヘキサフルオロリン酸塩およびテトラフルオロホウ酸塩のうちの少なくとも一方を含む2族元素(マグネシウムまたはカルシウム)のフッ素含有塩が2族元素のイオンとフッ素含有アニオンとに解離し、その2族元素のイオンが例えば負極に吸着して吸着層が形成される、あるいは、負極において充電時に還元され薄い被膜が形成されると考えられる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【0017】
本発明の一実施の形態に係る電解質は、例えば、溶媒と、この溶媒に溶解された電解質塩とを含んで構成されている。溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピルニトリル、アニソール、酢酸エステルあるいはプロピオン酸エステル等を使用することができる。溶媒には、いずれか1種を用いてもよいが、2種類以上を混合して用いてもよい。
【0018】
電解質塩としては、リチウムのフッ素含有塩を含んでいる。上記溶媒に対する溶解性が高く、安定性も高いからである。リチウムのフッ素含有塩としては、LiAsF6 ,LiPF6 ,LiBF4 ,LiCF3 SO3 ,LiN(CF3 SO2 2 ,LiN(C2 5 SO2 2 あるいはLiN(C4 9 SO2 )(CF3 SO2 )が好ましく、中でも、LiPF6 あるいはLiBF4 が特に好ましい。リチウムのフッ素含有塩には、いずれか1種を用いてもよいが、2種以上を混合して用いてもよい。
【0019】
なお、電解質塩として、リチウムのフッ素含有塩を単独で用いてもよいが、目的に応じた特性を得るために、他の電解質塩と混合して用いてもよい。他の電解質塩としては、例えば、LiClO4 ,LiCH3 SO3 ,LiClあるいはLiBrが好ましい。
【0020】
この電解質は、また、添加剤として、長周期型周期表における2族元素のフッ素含有塩を含んでいる。このフッ素含有塩は、上述の溶媒に対する溶解性が高いので、電解質中において2族元素のイオンとフッ素含有アニオンとに解離し、その2族元素のイオンが例えば電池において負極に吸着して吸着層を形成する、あるいは負極において充電時に還元され、薄い被膜を形成し、それにより負極における好ましくない副反応を抑制するものと考えられるからである。更に、フッ素含有アニオンが、酸化あるいは還元雰囲気において安定であるということもその理由として挙げられる。
【0021】
2族元素のフッ素含有塩としては、Mg(PF6 2 ,Mg(BF4 2 ,Mg(CF3 SO3 2 ,Mg[N(CF3 SO2 2 2 ,Mg[N(C2 5 SO2 2 2 ,Mg[N(C4 9 SO2 )(CF3 SO2 )]2 ,Mg[C(CF3 SO2 2 3 ,Ca(PF6 2 ,Ca(BF4 2 ,Ca(CF3 SO3 2 ,Ca[N(CF3 SO2 2 2 ,Ca[N(C2 5 SO2 2 2 ,Ca[N(C4 9 SO2 )(CF3 SO2 )]2 あるいはCa[C(CF3 SO2 2 3 が好ましく、特に、Mg(PF6 2 あるいはCa(PF6 2 などのヘキサフルオロリン酸塩、またはMg(BF4 2 あるいはCa(BF4 2 などのテトラフルオロホウ酸塩が最も好ましい。酸化還元に対する安定性に優れるからである。なお、2族元素のフッ素含有塩には、いずれか1種を用いてもよいが、2種以上を混合して用いてもよい。
【0022】
この電解液において、2族元素の含有量は、リチウムの含有量の30原子%以下であることが好ましく、20原子%以下であればより好ましい。多すぎると、例えば、後述するように電池に用いた場合に、電池容量の減少、サイクル特性および保存特性の低下が見られるからである。この原因は未だ明らかではないが、2族元素のイオンが負極上で還元される量が多すぎ、リチウムの充放電を阻害するからと考えられる。
【0023】
また、2族元素の含有量はリチウムの含有量の0.001原子%以上であることが好ましく、0.01原子%以上であればより好ましい。少なすぎると、上述した効果が顕著でないからである。
【0024】
なお、この電解質は、これら電解質塩,溶媒および添加剤などからなる液状のいわゆる電解液とされていてもよいが、更に、これらを保持する高分子化合物を含み、ゲル状とされていてもよい。
【0025】
高分子化合物としては、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデンとポリヘキサフルオロプロピレンとの共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリフォスファゼン、ポリシロキサン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、スチレン−ブタジエンゴム、ニトリル−ブタジエンゴム、ポリスチレンあるいはポリカーボネートが挙げられる。特に、電気化学的安定性の点からは、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレンあるいはポリエチレンオキサイドの構造を持つ高分子化合物が好ましい。
【0026】
これら高分子化合物には、イオン伝導性を有さないものもあるが、電解質塩を解離させることができ、イオン伝導性を有するものもあり、そのどちらを用いてもよい。但し、電解質塩を解離させることができ、イオン伝導性を有する高分子化合物は、溶媒としても機能する。
【0027】
この電解質は、例えば、溶媒に、リチウムのフッ素含有塩と、2族元素のフッ素含有塩とを溶解させることにより製造することができる。また、ゲル状とする場合には、例えば、この電解液を高分子化合物と希釈溶剤と混合して乾燥させることにより製造することができる。また、例えば、この電解液を高分子化合物の出発原料であるモノマーと混合し、モノマーを重合させることにより製造することもできる。
【0028】
この電解質は、例えば、次のようにして二次電池に用いられる。
【0029】
図1はその二次電池の断面構造を表すものである。この二次電池は、いわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶11の内部に、帯状の正極21と負極22とがセパレータ23を介して巻回された電極素子20を有している。電池缶11は、例えばニッケルのめっきがされた鉄(Fe)により構成されており、一端部が閉鎖され他端部が開放されている。電池缶11の内部には、電極素子20を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板12,13がそれぞれ配置されている。
【0030】
電池缶11の開放端部には、電池蓋14と、この電池蓋14の内側に設けられた安全弁機構15および熱感抵抗素子(Positive Temperature Coefficient;PTC素子)16とが、ガスケット17を介してかしめられることにより取り付けられており、電池缶11の内部は密閉されている。電池蓋14は、例えば、電池缶11と同様の材料により構成されている。安全弁機構15は、熱感抵抗素子16を介して電池蓋14と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が一定以上となった場合にディスク板15Aが反転して電池蓋14と電極素子20との電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子16は、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限し、大電流による異常な発熱を防止するものである。ガスケット17は、例えば、絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。
【0031】
電極素子20は、例えば、センターピン24を中心に巻回されている。電極素子20の正極21にはアルミニウムなどよりなる正極リード25が接続されており、負極22にはニッケルなどよりなる負極リード26が接続されている。正極リード25は安全弁機構15に溶接されることにより電池蓋14と電気的に接続されており、負極リード26は電池缶11に溶接され電気的に接続されている。
【0032】
図2は図1に示した電極素子20の一部を拡大して表すものである。正極21は、例えば、正極集電体21Aと、正極集電体21Aに設けられた正極活物質層21Bとを有している。正極集電体21Aは、例えば、アルミニウム,ニッケルあるいはステンレスなどにより構成されている。
【0033】
正極活物質層21Bは、例えば、正極活物質を含み、必要に応じて炭素質材料などの導電助剤およびポリフッ化ビニリデンなどの結着剤を含んでいてもよい。正極活物質としては、例えば、一般式Lix MIO2 で表されるリチウム含有金属複合酸化物が好ましい。リチウム含有金属複合酸化物は、高電圧を発生可能であると共に、高密度であるため、二次電池の更なる高容量化を図ることが可能だからである。なお、MIは1種類以上の遷移金属であり、例えばコバルトおよびニッケルのうちの少なくとも一方が好ましい。xは電池の充放電状態によって異なり、通常0.05≦x≦1.10の範囲内の値である。このようなリチウム含有金属複合酸化物の具体例としては、LiCoO2 あるいはLiNiO2 などが挙げられる。なお、正極活物質には、いずれか1種を用いてもよいが、2種以上を混合して用いてもよい。
【0034】
負極22は、例えば、負極集電体22Aと、負極集電体22Aに設けられた負極活物質層22Bとを有している。負極集電体22Aは、例えば、銅,ステンレス,ニッケル,チタン(Ti),タングステン(W),モリブデン(Mo)あるいはアルミニウムなどにより構成することが好ましく、中でも、負極活物質層22Bとの合金化を起こしやすい金属により構成した方がより好ましい場合もある。例えば、後述するように負極活物質層22Bがケイ素またはスズの単体および化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含む場合には、銅,チタン,アルミニウムあるいはニッケルなどが合金化しやすい材料として挙げられる。なお、負極集電体22Aは、単層により構成してもよいが、複数層により構成してもよい。その場合、負極活物質層22Bと接する層を負極活物質層22Bと合金化しやすい金属材料により構成し、他の層を他の金属材料により構成するようにしてもよい。
【0035】
負極活物質層22Bは、例えば、気相法,液相法および焼結法からなる群のうちの少なくとも1つの方法により形成されたものであり、負極活物質を含んで構成されている。これにより、充放電に伴う負極活物質層22Bの膨張・収縮による破壊を抑制することができると共に、負極集電体22Aと負極活物質層22Bとを一体化することができ、負極22における電子伝導性を向上させることができるようになっている。また、負極活物質層を塗布により形成した塗布型負極、具体的には、負極活物質と必要に応じてポリフッ化ビニリデンなどの結着剤とを含んだ従来の塗布型負極と異なり、結着剤および空隙などを低減または排除でき、薄膜化することも可能となっている。
【0036】
この負極活物質層22Bは、負極集電体22Aとの界面の少なくとも一部において負極集電体22Aと合金化していることが好ましい。具体的には、界面において負極集電体22Aの構成元素が負極活物質層22Bに、または負極活物質の構成元素が負極集電体22Aに、またはそれらが互いに拡散していることが好ましい。この合金化は、負極活物質層22Bを気相法,液相法あるいは焼結法により形成する際に同時に起こることが多いが、更に熱処理が施されることにより起こったものでもよい。なお、本明細書では、上述した元素の拡散も合金化の一形態に含める。
【0037】
負極活物質としては、ケイ素またはスズの単体および化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含むことが好ましい。ケイ素またはスズの単体および化合物は、リチウムと合金を形成可能であり、かつリチウムを吸蔵・離脱する能力が大きく、組み合わせによっては、従来の黒鉛と比較して負極22のエネルギー密度を高くすることができるからである。ケイ素またはスズの化合物は、結晶質でも非晶質でもよいが、好ましくは非晶質、または微結晶の集合体である。ここでいう非晶質あるいは微結晶とは、特性X線としてCuKαを用いたX線回折分析で得られる回折パターンのピークの半値幅が2θで0.5°以上であり、かつ、2θで30°から60°にブロードなパターンを有するものである。
【0038】
ケイ素またはスズの化合物としては、例えば、SiB4 ,SiB6 ,Mg2 Si,Mg2 Sn,Ni2 Si,TiSi2 ,MoSi2 ,CoSi2 ,NiSi2 ,CaSi2 ,CrSi2 ,Cu5 Si,FeSi2 ,MnSi2 ,NbSi2 ,TaSi2 ,VSi2 ,WSi2 ,ZnSi2 ,SiC,Si3 4 ,Si2 2 O,SiOa (0<a≦2),SnOb (0<b≦2),SnSiO3 ,LiSiOあるいはLiSnOが挙げられる。
【0039】
このような負極22の厚みは、負極集電体22Aの厚みも含め、10μm以上100μm以下であることが好ましく、10μm以上50μm以下であればより好ましい。薄すぎると、負極22における負極集電体22Aの占める割合が増加し、電池容量の低下が見られ、一方、厚すぎると、充放電に伴うケイ素またはスズの膨張収縮によって、負極活物質層22Bの破壊が起きる場合があるからである。
【0040】
セパレータ23は、リチウムイオンを通過させつつ、正極21と負極22との物理的接触による短絡を防止すためのものであり、例えば、ポリエチレンフィルムあるいはポリプロピレンフィルムなどの微孔性ポリオレフィンフィルムなどにより構成されている。このセパレータ23は、安全性確保のため120℃以上で孔を閉塞して抵抗を上げ、電流を遮断する機能を有することが好ましい。
【0041】
セパレータ23には、本実施の形態に係る電解質が含浸されている。これにより、この二次電池では、電解質中の2族元素のイオンが負極22に吸着して吸着層が形成され、あるいは負極22において充電時に還元され、薄い被膜が形成され、負極22における好ましくない副反応が抑制されるようになっている。特に、2族元素のフッ素含有塩は、電解質中にあまり過剰に存在すると、リチウムイオンの円滑な移動に障害をもたらす虞があるが、本実施の形態に係る負極22は負極活物質層22Bが負極集電体22Aとの界面の少なくとも一部において負極集電体22Aと合金化しており、または、気相法,液相法および焼結法からなる群のうちの少なくとも1つの方法により形成され、表面積が比較的小さいので、2族元素のフッ素含有塩を多量に用いなくても負極22に有効な吸着層あるいは被膜が形成されるようになっている。なお、この吸着層あるいは被膜の厚みは、リチウムの負極22への出入りを阻害せず、かつ、副反応を抑制しうる程度のものであると考えられる。
【0042】
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。
【0043】
まず、例えば、正極活物質と導電助剤と結着剤とを混合して正極合剤を調整したのち、この正極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの分散媒に分散させて正極合剤スラリーとする。続いて、この正極合剤スラリーを正極集電体21Aに塗布して乾燥させたのち、圧縮成型して正極活物質層21Bを形成し正極21を作製する。
【0044】
次いで、気相法または液相法により、負極活物質、例えば、ケイ素またはスズの単体および化合物からなる群のうちの少なくとも1種を負極集電体22Aに堆積させることにより負極活物質層22Bを形成する。また、粒子状の負極活物質を含む前駆層を負極集電体22Aに形成したのち、これを焼結させる焼結法により負極活物質層22Bを形成してもよいし、気相法,液相法および焼結法のうちの2つまたは3つの方法を組み合わせて負極活物質層22Bを形成するようにしてもよい。このように気相法,液相法および焼結法からなる群のうちの少なくとも1つの方法により負極活物質層22Bを形成することにより、場合によっては、負極集電体22Aとの界面の少なくとも一部において負極集電体22Aと合金化した負極活物質層22Bが形成される。なお、負極集電体22Aと負極活物質層22Bとの界面をより合金化させるために、更に真空雰囲気下または非酸化性雰囲気下で熱処理を行うようにしてもよい。特に、負極活物質層22Bを後述する鍍金により形成する場合、負極活物質層22Bは負極集電体22Aとの界面においても合金化しにくい場合があるので、必要に応じてこの熱処理を行うことが好ましい。また、気相法により形成する場合においても、負極集電体22Aと負極活物質層22Bとの界面をより合金化させることにより特性を向上させることができる場合があるので、必要に応じてこの熱処理を行うことが好ましい。
【0045】
なお、気相法としては、負極活物質の種類によって物理堆積法あるいは化学堆積法を用いることができ、具体的には、真空蒸着法,スパッタ法,イオンプレーティング法,レーザーアブレーション法,熱CVD(Chemical Vapor Deposition ;化学気相成長)法あるいはプラズマCVD法等が利用可能である。液相法としては電解鍍金あるいは無電解鍍金等の公知の手法が利用可能である。焼結法に関しても公知の手法が利用可能であり、例えば、雰囲気焼結法,反応焼結法あるいはホットプレス焼結法が利用可能である。但し、真空蒸着法、スパッタ法,CVD法,電解鍍金または無電解鍍金が好ましい。
【0046】
正極21および負極22を作製したのち、正極集電体21Aに正極リード25を溶接などにより取り付けると共に、負極集電体22Aに負極リード26を溶接などにより取り付ける。そののち、正極21と負極22とをセパレータ23を介して巻回し、正極リード25の先端部を安全弁機構15に溶接すると共に、負極リード26の先端部を電池缶11に溶接して、巻回した正極21および負極22を一対の絶縁板12,13で挟み電池缶11の内部に収納する。正極21および負極22を電池缶11の内部に収納したのち、電解質を電池缶11の内部に注入し、セパレータ23に含浸させる。そののち、電池缶11の開口端部に電池蓋14,安全弁機構15および熱感抵抗素子16をガスケット17を介してかしめることにより固定する。これにより、図1に示した二次電池が完成する。
【0047】
この二次電池では、充電を行うと、正極21からリチウムイオンが離脱し、電解質を介して負極22に吸蔵される。一方、放電を行うと、例えば、負極22からリチウムイオンが離脱し、電解質を介して正極21に吸蔵される。本実施の形態では、電解質が2族元素のフッ素含有塩を含んでいるので、2族元素のフッ素含有塩の解離により生じた2族元素のイオンが負極22に吸着して吸着層が形成され、あるいは負極22において充電時に還元され、薄い被膜が形成され、負極22における副反応が抑制される。
【0048】
このように本実施の形態では、電解質が2族元素のフッ素含有塩を含むようにしたので、2族元素のフッ素含有塩の解離により生じた2族元素のイオンが負極22に吸着して吸着層が形成され、あるいは負極22において充電時に還元され、薄い被膜が形成される。よって、負極22における副反応を抑制することができ、サイクル特性および保存特性を向上させることができる。
【0049】
特に、2族元素の含有量をリチウムの含有量の20原子%以下とするようにすれば、または、電解質が2族元素のフッ素含有塩として、ヘキサフルオロリン酸塩およびテトラフルオロホウ酸塩のうちの少なくとも一方を含むようにすれば、より高い効果を得ることができる。
【0050】
更に、負極22が、負極集電体22Aに設けられ、負極集電体22Aとの界面の少なくとも一部において負極集電体22Aと合金化している負極活物質層22Bを有する、または、負極集電体22Aに気相法,液相法および焼結法からなる群のうちの少なくとも1つの方法により形成された負極活物質層22Bを有するようにすれば、円滑なリチウムイオンの移動を妨げることなく、負極22に吸着層あるいは薄い被膜を形成することができる。
【0051】
なお、本実施の形態に係る二次電池は、例えば、ヘッドフォンステレオ、ビデオデッキ、液晶テレビジョン、ポータブルCD(コンパクトディスク)プレーヤー、MD(ミニディスク)プレーヤー、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話、電気シェーバー、トランシーバー、電子手帳、電卓、ラジオ、玩具、ゲーム機器、時計あるいはペースメーカーなどに用いることができる。更に、太陽電池あるいは燃料電池などの発電機と組み合わせて用いることもできる。
【0052】
【実施例】
更に、本発明の具体的な実施例について、図1および図2を参照して詳細に説明する。
【0053】
(実施例1−1〜1−4)
まず、正極活物質である平均二次粒径15μmのLiNi0.8 Co0.19Al0.012 91質量%と、導電助剤であるグラファイト6質量%と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン3質量%とを混合して正極合剤を調整したのち、この正極合剤をN−メチル−2−ピロリドンに分散させて正極合剤スラリーとした。続いて、この正極合剤スラリーを厚み20μmのアルミニウムよりなる正極集電体21Aに塗布して乾燥させ、ローラープレス機で圧縮成型することにより正極活物質層21Bを形成し、正極21を作製した。そののち、正極集電体21Aの一端に絶縁テープを貼った正極リード25を取り付けた。
【0054】
また、電解銅箔よりなる厚み18μmの負極集電体22Aの両面に電子ビーム蒸着法によりスズよりなる厚み3μmの層をそれぞれ形成したのち、1×10-5Torr(約1.33×10-3Pa)の真空度において、200℃で24時間熱処理することにより負極活物質層22Bを形成し、総厚み24μmの負極22を作製した。得られた負極22をXPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy;X線光電子分光法)およびAES( Auger Electron Spectroscopy;オージェ電子分光法)により分析したところ、負極活物質層22Bが、負極集電体22Aとの界面の少なくとも一部において負極集電体22Aと合金化していることが確認された。負極22を作製したのち、負極集電体22Aの一端に負極リード26を取り付けた。
【0055】
次いで、正極21と負極22とを厚み30μmの微多孔性ポリエチレンフィルムよりなるセパレータ23を介して積層し、これを巻き取ることにより電極素子20を作製した。
【0056】
電極素子20を作製したのち、電極素子20を一対の絶縁板12,13で挟み、正極リード25を安全弁機構15に溶接すると共に、負極リード26を電池缶11に溶接して、電極素子20を鉄製の電池缶11の内部に収納した。そののち、電極素子20の中心にセンターピン24を挿入した。次いで、電池缶11の内部に電解液を注入した。電解液には、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとを1:1の体積比で混合した溶媒に電解質塩であるLiPF6 と添加剤であるMg(PF6 2 とを加えたものを用いた。その際、LiPF6 の含有量は1mol/lとした。また、Mg(PF6 2 の含有量は実施例1−1〜1−4で表1に示したように変化させた。すなわち、電解液におけるマグネシウムの含有量は、リチウムに対して実施例1−1〜1−4で表1に示した値となる。
【0057】
【表1】

Figure 0004304577
【0058】
電池缶11の内部に電解液を注入したのち、ガスケット17を介して電池蓋14を電池缶11にかしめることにより、実施例1−1〜1−4について直径18mm、高さ65mmの円筒型二次電池を得た。
【0059】
実施例1−1〜1−4に対する比較例1−1として、添加剤を加えなかったことを除き、他は実施例1−2と同様にして二次電池を作製した。また、実施例1−1〜1−4に対する比較例1−2として、添加剤としてMgCl2 を用いたことを除き、他は実施例1−2と同様にして二次電池を作製した。
【0060】
作製した実施例1−1〜1−4および比較例1−1,1−2の二次電池について、充放電を100サイクル行い、容量維持率を求めた。その際、充電は、1Aの定電流で電池電圧が4.2Vに達するまで行ったのち、4.2Vの定電圧で充電時間の総計が1サイクル目では20時間、2サイクル目以降では5時間に達するまで行い、放電は、1サイクル目〜100サイクル目のいずれでも1.5Aの定電流で電池電圧が2.5Vに達するまで行った。容量維持率は、2サイクル目の放電容量と100サイクル目の放電容量とから、(100サイクル目の放電容量/2サイクル目の放電容量×100)として求めた。得られた結果を表1に示す。
【0061】
また、充放電を2サイクル行ったのち再度充電を行ったものを、50℃で1週間保存したのち、放電を行い、引き続き1サイクル充放電を行って、保存後容量維持率を求めた。その際、充電は、1サイクル目では充電時間の総計が20時間、2,3サイクル目では充電時間の総計が5時間とした以外は上述の条件と同様の条件で行った。放電は、1サイクル目〜4サイクル目のいずれでも上述の条件で行った。保存後容量維持率としては、保存前の2サイクル目の放電容量と保存後の4サイクル目の放電容量とから、(2サイクル目の放電容量/4サイクル目の放電容量×100)として求めた。得られた結果を表1に示す。
【0062】
表1から分かるように、Mg(PF6 2 を用いた実施例1−1〜1−4はいずれも、Mg(PF6 2 を用いていない比較例1−1に比べて、容量維持率および保存後容量維持率の両方について高い値が得られた。
【0063】
また、比較例1−1,1−2を比較すると分かるように、添加剤としてフッ素を含有しない塩を用いた比較例1−2は、比較例1−1に比べて、容量,容量維持率および保存後容量維持率のいずれについても低かった。これは、フッ素を含有しない塩は、上記溶媒に溶解しにくいためと考えられる。
【0064】
すなわち、電解液がマグネシウムのフッ素含有塩を含むようにすれば、サイクル特性および保存特性を向上させることができることが分かった。
【0065】
更に、実施例1−1〜1−4から分かるように、容量維持率および保存後容量維持率は、リチウムに対するマグネシウムの含有量が増加すると大きくなり極大値を示したのち小さくなる傾向が見られた。すなわち、マグネシウムの含有量は、リチウムの含有量の20原子%以下であることが好ましいことが分かった。
【0066】
(実施例2−1,参考例2−2,2−3,実施例2−4,2−5,参考例2−6〜2−8)
添加剤の種類を表2に示したように変えたことを除き、他は実施例1−2と同様にして二次電池を作製した。実施例2−1,参考例2−2,2−3,実施例2−4,2−5,参考例2−6〜2−8の二次電池についても実施例1−2と同様にして、容量維持率および保存後容量維持率を求めた。その結果を実施例1−2および比較例1−1,1−2の結果と共に表2に示す。
【0067】
【表2】
Figure 0004304577
【0068】
表2から分かるように、実施例2−1,参考例2−2,2−3,実施例2−4,2−5,参考例2−6〜2−8は、実施例1−2と同様に、比較例1−1,1−2に比べて、容量維持率および保存後容量維持率の両方について高い値が得られた。また、その効果は、実施例1−2,2−1および参考例2−2,2−3を比較すると、または、実施例2−4,2−5および参考例2−6を比較すると分かるように、ヘキサフルオロリン酸塩またはテトラフルオロホウ酸塩を用いたものにおいて特に大きかった。
【0069】
すなわち、電解液が2族元素(マグネシウムまたはカルシウム)のフッ素含有塩を含むようにすれば、サイクル特性および保存特性を向上させることができ、特に、上記した2族元素のヘキサフルオロリン酸塩またはテトラフルオロホウ酸塩を含むようにすれば、より高い効果を得ることができることが分かった。
【0070】
(実施例3−1)
鍍金により、スズ−ニッケル(Sn−Ni)合金よりなる負極活物質層22Bを形成したことを除き、他は実施例1−2と同様にして二次電池を作製した。負極活物質層22Bは、具体的には、次のようにして形成した。まず、表面を清浄した圧延銅箔よりなる負極集電体22Aをスズ−ニッケル合金鍍金浴中に浸漬して、負極集電体22Aをカソードとして通電することにより、スズ−ニッケル合金を厚み約3μmとなるように析出させた。次いで、それを、水洗し、乾燥させたのち200℃において24時間熱処理した。
【0071】
なお、負極22の総厚みは24μmであった。また、この負極22についても実施例1−2と同様にしてXPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy;X線光電子分光法)およびAES( Auger Electron Spectroscopy;オージェ電子分光法)により分析したところ、負極活物質層22Bが、負極集電体22Aとの界面の少なくとも一部において負極集電体22Aと合金化していることが確認された。
【0072】
また、実施例3−1に対する比較例3−1として、添加剤を加えなかったことを除き、他は実施例3−1と同様にして二次電池を作製した。作製した実施例3−1および比較例3−1の二次電池についても、実施例1−2と同様にして、容量維持率および保存後容量維持率を求めた。その結果を表3に示す。
【0073】
【表3】
Figure 0004304577
【0074】
表3から分かるように、Mg(PF6 2 を用いた実施例3−1は、用いていない比較例3−1に比べて容量維持率および保存後容量維持率の両方について高い値が得られた。すなわち、負極活物質を合金としても、また、負極活物質層22Bを液相法である鍍金により形成しても、電解液に2族元素(マグネシウムまたはカルシウム)のフッ素含有塩を含むようにすれば、サイクル特性および保存特性を向上させることができることが分かった。
【0075】
(実施例4−1)
電子ビーム蒸着法により、非晶質ケイ素よりなる厚み3μmの負極活物質層22Bを形成したことを除き、他は実施例1−2と同様にして二次電池を作製した。なお、負極22の総厚みは24μmであった。また、この負極22についても実施例1−2と同様にしてXPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy;X線光電子分光法)およびAES( Auger Electron Spectroscopy;オージェ電子分光法)により分析したところ、負極活物質層22Bが、負極集電体22Aとの界面の少なくとも一部において負極集電体22Aと合金化していることが確認された。
【0076】
また、実施例4−1に対する比較例4−1として、添加剤を加えなかったことを除き、他は実施例4−1と同様にして二次電池を作製した。作製した実施例4−1および比較例4−1の二次電池についても実施例1−2と同様にして容量維持率および保存後容量維持率を求めた。その結果を表4に示す。
【0077】
【表4】
Figure 0004304577
【0078】
表4から分かるように、Mg(PF6 2 を用いた実施例4−1は、用いていない比較例4−1に比べて容量維持率および保存後容量維持率の両方について高い値が得られた。すなわち、負極活物質にケイ素を用いても、電解液に2族元素(マグネシウムまたはカルシウム)のフッ素含有塩を含むようにすれば、サイクル特性および保存特性を向上させることができることが分かった。
【0079】
なお、上記実施例では、負極活物質層22Bを、電子ビーム蒸着法以外の気相法、電解鍍金以外の液相法、または焼結法により形成しても、同様の結果を得ることができる。更に、上記実施例では、電解液を用いる場合について説明したが、ゲル状の電解質を用いても同様の結果を得ることができる。
【0080】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、液状の電解質である電解液、またはいわゆるゲル状の電解質を用いる場合について説明したが、他の電解質を用いるようにしてもよい。他の電解質としては、イオン伝導性を有する固体電解質、固体電解質と電解液とを混合したもの、あるいは固体電解質とゲル状の電解質とを混合したものが挙げられる。
【0081】
また、上記実施の形態および実施例では、負極集電体22Aに負極活物質層22Bを形成するようにしたが、負極集電体と負極活物質層との間に、他の層を形成するようにしてもよい。
【0082】
更に、上記実施の形態および実施例では、負極活物質層22Bを気相法,液相法および焼結法からなる群のうちの少なくとも1つの方法により形成するようにしたが、負極活物質層は、塗布により形成したもの、具体的には、負極活物質と必要に応じてポリフッ化ビニリデンなどの結着剤を含んだものでもよい。但し、気相法,液相法および焼結法からなる群のうちの少なくとも1つの方法により形成したものの方が、塗布により形成したものに比べて表面積が小さので、2族元素(マグネシウムまたはカルシウム)のフッ素含有塩の効果を有効に引き出すことができるので好ましい。
【0084】
更にまた、上記実施の形態および実施例では、巻回構造を有する円筒型の二次電池について説明したが、本発明は、巻回構造を有する楕円型あるいは多角形型の二次電池、または正極および負極を折り畳んだりあるいは積み重ねた構造を有する二次電池についても同様に適用することができる。また、いわゆる角型,コイン型あるいはボタン型、またはフィルム状の外装部材を用いた他の形状を有する二次電池についても適用することができる
【0085】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の電解質または二次電池によれば、負極が、ケイ素またはスズの単体および化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含むと共に、電解質が、リチウムのフッ素含有塩と、2族元素(マグネシウムまたはカルシウム)のフッ素含有塩とを含み、その2族元素のフッ素含有塩が、ヘキサフルオロリン酸塩およびテトラフルオロホウ酸塩のうちの少なくとも1種を含むようにしたので、2族元素のフッ素含有塩の解離により生じた2族元素のイオンが負極に吸着して吸着層が形成される、あるいは負極において充電時に還元され、薄い被膜が形成される。よって、負極における副反応を抑制することができ、サイクル特性および保存特性を向上させることができる。
【0086】
特に、本発明の電解質または二次電池では、2族元素の含有量をリチウム原子の含有量の20原子%以下とするようにすれば、より高い効果を得ることができる。
【0087】
また、本発明二次電池では、負極集電体との界面の少なくとも一部において負極集電体と合金化している負極活物質層を有するように、または、負極集電体に気相法,液相法および焼結法からなる群のうちの少なくとも1つの方法により形成された負極活物質層を有するようにすれば、電解質におけるイオンの円滑な移動を妨げることなく、負極に吸着層あるいは薄い被膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態に係る二次電池の構成を表す断面図である。
【図2】図1に示した電極素子の一部を拡大して表す断面図である。
【符号の説明】
11…電池缶、12,13…絶縁板、14…電池蓋、15…安全弁機構、15A…ディスク板、16…熱感抵抗素子、17…ガスケット、20…電極素子、21…正極、21A…正極集電体、21B…正極活物質層、22…負極、22A…負極集電体、22B…負極活物質層、23…セパレータ、24…センターピン、25…正極リード、26…負極リード[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention includes an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode.secondaryThe present invention relates to a battery and an electrolyte used therefor.
[0002]
[Prior art]
With recent advances in electronic technology, small portable electronic devices such as camera-integrated video tape recorders, mobile phones, and laptop computers have been developed, and they are small, lightweight, and have a high energy density as a power source for using them. There is a strong demand for the development of secondary batteries having the following characteristics.
[0003]
So far, secondary batteries using graphite materials using intercalation reaction of lithium (Li) between graphite layers, or carbonaceous materials applying lithium insertion / extraction action into pores as negative electrode active materials Has been developed and widely used.
[0004]
On the other hand, with the recent improvement in performance of portable electronic devices, the demand for the capacity of the secondary battery has become stronger. In addition, with the widespread use of portable electronic devices, various demands on characteristics have been made. For example, as the device usage time becomes longer, higher capacity is required, and further improvement in cycle characteristics is strongly desired so that the battery can be used repeatedly many times. In addition, since battery users' storage conditions are diversified, high performance has been required for storage characteristics.
[0005]
As a battery that meets such a demand, there is a battery that uses a light metal such as lithium metal as a negative electrode active material. However, in this battery, light metal tends to precipitate as dendrite on the negative electrode during the charging process, and the current density becomes very high at the tip of the dendrite, so the life is shortened due to decomposition of the electrolyte and the dendrite grows excessively. As a result, there is a problem that an internal short circuit of the battery occurs.
[0006]
On the other hand, a secondary battery using an alloying reaction between a metal and lithium has been proposed. As a negative electrode active material used for such a secondary battery, there are a lithium-lead alloy (for example, see Patent Documents 1 to 4) and a bismuth soot-lead-cadmium alloy (for example, see Patent Documents 5 and 6). However, the use of lead (Pb), bismuth (Bi) and cadmium (Cd) is not preferable from the viewpoint of global environmental protection in recent years. In addition, an alloy of lithium and silicon (Si) (for example, refer to Patent Documents 7 to 11), an alloy of lithium, aluminum (Al), and tin (Sn) (for example, refer to Patent Document 12), Although there are alloys of tin and zinc (Zn) (see, for example, Patent Document 13), all of them have a drawback that they are greatly expanded and contracted with insertion and extraction of lithium, so that cycle deterioration is severe.
[0007]
In addition, a tin alloy containing 1 mass% to 55 mass% of phosphorus (P) (see, for example, Patent Document 14), a tin-containing phase that occludes lithium, manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co ), Nickel (Ni) or copper (Cu) containing a mixture with a phase that does not occlude lithium (for example, see Patent Document 15), but these also have sufficient cycle characteristics. Absent. In addition, Cu2NiSn or Mg2There is Sn (for example, see Patent Document 16), but Cu2In NiSn, nickel adversely affects the human body, and Mg2In Sn, magnesium (Mg) is oxygen (O2) And generate heat and are difficult to handle in the air. In addition, there is an alloy of tin and copper. However, in a battery using this alloy (for example, see Patent Document 17), the discharge capacity at the first cycle is 300 mAh / g, which is compared with the current carbonaceous material. It was too low to be put to practical use.
[0008]
Thus, while optimization of the composition of the negative electrode active material has been studied, a battery whose characteristics are improved by an additive has also been developed. For example, there is a battery in which an alkaline earth salt, particularly carbonate, oxalate, nitrate, acetate, phosphate, or borate is added to a positive electrode, a negative electrode, or an electrolytic solution (see Patent Document 18).
[0009]
[Patent Document 1]
Japanese Examined Patent Publication No. 3-53743
[Patent Document 2]
Japanese Patent Publication No. 5-34787
[Patent Document 3]
Japanese Patent Publication No. 7-73044
[Patent Document 4]
Japanese Patent Publication No. 8-138654
[Patent Document 5]
Japanese Examined Patent Publication No. 4-47431
[Patent Document 6]
Japanese Examined Patent Publication No. 3-64987
[Patent Document 7]
Japanese Patent Laid-Open No. 7-302588
[Patent Document 8]
JP-A-10-199524
[Patent Document 9]
JP 7-326342 A
[Patent Document 10]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-255768
[Patent Document 11]
JP-A-10-302770
[Patent Document 12]
JP-A-61-66369
[Patent Document 13]
Japanese Patent Laid-Open No. Sho 62-145650
[Patent Document 14]
JP-A-8-273602
[Patent Document 15]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-86854
[Patent Document 16]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-223221
[Patent Document 17]
JP-A-10-308207
[Patent Document 18]
JP-A-9-180758
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, because these salts have low solubility in the electrolyte solution, sufficient effects cannot be obtained even when added to the electrolyte solution, and when added to the positive electrode or the negative electrode, the content of the active material is reduced, the capacity, etc. There is a disadvantage that the gas is decomposed and gas is generated because the carbonate anion and acetate anion constituting the salt are not sufficiently stable against oxidation or reduction atmosphere.
[0011]
  The present invention has been made in view of such problems, and its purpose is to improve cycle characteristics and storage characteristics.secondaryThe object is to provide a battery and an electrolyte used therefor.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
[0013]
  An electrolyte according to the present invention includes an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, and the negative electrode is used for a secondary battery including at least one member selected from the group consisting of a simple substance and a compound of silicon or tin, a fluorine-containing salt of lithium, and a long period Group 2 elements in the periodic table(Magnesium or calcium)The fluorine-containing salt of the Group 2 element includes at least one of hexafluorophosphate and tetrafluoroborate.
[0014]
  The secondary battery according to the present invention includes an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, the negative electrode includes at least one member selected from the group consisting of a simple substance and a compound of silicon or tin, the electrolyte includes a fluorine-containing salt of lithium, a long period Group 2 elements in the periodic table(Magnesium or calcium)The fluorine-containing salt of the Group 2 element includes at least one of hexafluorophosphate and tetrafluoroborate.
[0015]
  In the electrolyte and secondary battery according to the present invention, a group 2 element containing at least one of hexafluorophosphate and tetrafluoroborate(Magnesium or calcium)The fluorine-containing salt of this group dissociates into ions of group 2 elements and fluorine-containing anions, and the ions of group 2 elements are adsorbed on, for example, the negative electrode to form an adsorption layer, or are reduced at the time of charging in the negative electrode to form a thin film It is thought that it is formed.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0017]
The electrolyte according to an embodiment of the present invention includes, for example, a solvent and an electrolyte salt dissolved in the solvent. Examples of the solvent include propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane. 4-methyl-1,3-dioxolane, diethyl ether, sulfolane, methyl sulfolane, acetonitrile, propyl nitrile, anisole, acetic acid ester or propionic acid ester can be used. Any one kind of solvent may be used, but two or more kinds may be mixed and used.
[0018]
The electrolyte salt includes a fluorine-containing salt of lithium. It is because the solubility with respect to the said solvent is high and stability is also high. As a fluorine-containing salt of lithium, LiAsF6, LiPF6, LiBFFour, LiCFThreeSOThree, LiN (CFThreeSO2)2, LiN (C2FFiveSO2)2Or LiN (CFourF9SO2) (CFThreeSO2Are preferred, among which LiPF6Or LiBFFourIs particularly preferred. Any one of the fluorine-containing salts of lithium may be used, or a mixture of two or more may be used.
[0019]
In addition, as the electrolyte salt, a fluorine-containing salt of lithium may be used alone, but in order to obtain characteristics according to the purpose, it may be used by mixing with another electrolyte salt. Examples of other electrolyte salts include LiClO.Four, LiCHThreeSOThreeLiCl or LiBr is preferred.
[0020]
The electrolyte also contains a fluorine-containing salt of a group 2 element in the long-period periodic table as an additive. Since this fluorine-containing salt has high solubility in the above-described solvent, it dissociates into ions of group 2 elements and fluorine-containing anions in the electrolyte, and the ions of group 2 elements are adsorbed on the negative electrode in, for example, a battery and adsorbed layer This is because it is considered that it is reduced at the time of charging in the negative electrode to form a thin film, thereby suppressing undesirable side reactions in the negative electrode. Another reason is that the fluorine-containing anion is stable in an oxidizing or reducing atmosphere.
[0021]
As a fluorine-containing salt of a group 2 element, Mg (PF6)2, Mg (BFFour)2, Mg (CFThreeSOThree)2, Mg [N (CFThreeSO2)2]2, Mg [N (C2FFiveSO2)2]2, Mg [N (CFourF9SO2) (CFThreeSO2]]2, Mg [C (CFThreeSO2)2]Three, Ca (PF6)2, Ca (BFFour)2, Ca (CFThreeSOThree)2, Ca [N (CFThreeSO2)2]2, Ca [N (C2FFiveSO2)2]2, Ca [N (CFourF9SO2) (CFThreeSO2]]2Or Ca [C (CFThreeSO2)2]ThreeIn particular, Mg (PF6)2Or Ca (PF6)2Hexafluorophosphate such as Mg or BFFour)2Or Ca (BFFour)2Most preferred are tetrafluoroborate salts such as It is because it is excellent in stability against oxidation and reduction. In addition, any 1 type may be used for the fluorine-containing salt of a Group 2 element, but 2 or more types may be mixed and used.
[0022]
In this electrolytic solution, the content of the group 2 element is preferably 30 atomic percent or less of the lithium content, and more preferably 20 atomic percent or less. If the amount is too large, for example, when used in a battery as described later, a decrease in battery capacity, a decrease in cycle characteristics, and a storage characteristic are observed. The reason for this is not yet clear, but it is considered that the amount of group 2 element ions reduced on the negative electrode is too large, which inhibits charge and discharge of lithium.
[0023]
The content of the group 2 element is preferably 0.001 atomic% or more of the lithium content, and more preferably 0.01 atomic% or more. It is because the effect mentioned above is not remarkable when there are too few.
[0024]
The electrolyte may be a liquid so-called electrolytic solution composed of these electrolyte salt, solvent, additive, and the like, but may further include a polymer compound that holds them, and may be in the form of a gel. .
[0025]
Examples of the polymer compound include polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, a copolymer of polyvinylidene fluoride and polyhexafluoropropylene, polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyphosphazene, poly Examples thereof include siloxane, polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polymethyl methacrylate, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, styrene-butadiene rubber, nitrile-butadiene rubber, polystyrene, and polycarbonate. In particular, from the viewpoint of electrochemical stability, a polymer compound having a polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, or polyethylene oxide structure is preferable.
[0026]
Some of these polymer compounds do not have ionic conductivity, but some of them can dissociate electrolyte salts and have ionic conductivity, either of which may be used. However, the polymer salt that can dissociate the electrolyte salt and has ionic conductivity also functions as a solvent.
[0027]
This electrolyte can be produced, for example, by dissolving a fluorine-containing salt of lithium and a fluorine-containing salt of a group 2 element in a solvent. Moreover, when setting it as a gel form, it can manufacture, for example by mixing and drying this electrolyte solution with a high molecular compound and a dilution solvent. Alternatively, for example, the electrolytic solution can be mixed with a monomer that is a starting material of the polymer compound, and the monomer can be polymerized.
[0028]
This electrolyte is used for a secondary battery as follows, for example.
[0029]
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of the secondary battery. This secondary battery is a so-called cylindrical type, and has an electrode element 20 in which a strip-like positive electrode 21 and a negative electrode 22 are wound through a separator 23 inside a substantially hollow cylindrical battery can 11. is doing. The battery can 11 is made of, for example, iron (Fe) plated with nickel, and has one end closed and the other end open. Inside the battery can 11, a pair of insulating plates 12 and 13 are arranged perpendicular to the winding peripheral surface so as to sandwich the electrode element 20.
[0030]
At the open end of the battery can 11, a battery lid 14, a safety valve mechanism 15 provided inside the battery lid 14 and a heat sensitive resistance element (Positive Temperature Coefficient; PTC element) 16 are interposed via a gasket 17. It is attached by caulking, and the inside of the battery can 11 is sealed. The battery lid 14 is made of, for example, the same material as the battery can 11. The safety valve mechanism 15 is electrically connected to the battery lid 14 via the heat sensitive resistance element 16, and the disk plate 15A is reversed when the internal pressure of the battery exceeds a certain level due to an internal short circuit or external heating. Thus, the electrical connection between the battery lid 14 and the electrode element 20 is cut off. When the temperature rises, the heat sensitive resistance element 16 limits the current by increasing the resistance value and prevents abnormal heat generation due to a large current. The gasket 17 is made of, for example, an insulating material, and asphalt is applied to the surface.
[0031]
The electrode element 20 is wound around a center pin 24, for example. A positive electrode lead 25 made of aluminum or the like is connected to the positive electrode 21 of the electrode element 20, and a negative electrode lead 26 made of nickel or the like is connected to the negative electrode 22. The positive electrode lead 25 is electrically connected to the battery lid 14 by being welded to the safety valve mechanism 15, and the negative electrode lead 26 is welded to and electrically connected to the battery can 11.
[0032]
FIG. 2 shows an enlarged part of the electrode element 20 shown in FIG. The positive electrode 21 includes, for example, a positive electrode current collector 21A and a positive electrode active material layer 21B provided on the positive electrode current collector 21A. The positive electrode current collector 21A is made of, for example, aluminum, nickel, stainless steel, or the like.
[0033]
The positive electrode active material layer 21B includes, for example, a positive electrode active material, and may include a conductive additive such as a carbonaceous material and a binder such as polyvinylidene fluoride as necessary. Examples of the positive electrode active material include a general formula LixMIO2A lithium-containing metal composite oxide represented by This is because the lithium-containing metal composite oxide can generate a high voltage and has a high density, so that it is possible to further increase the capacity of the secondary battery. MI is one or more kinds of transition metals, and for example, at least one of cobalt and nickel is preferable. x varies depending on the charge / discharge state of the battery and is usually a value in the range of 0.05 ≦ x ≦ 1.10. As a specific example of such a lithium-containing metal composite oxide, LiCoO2Or LiNiO2Etc. In addition, any 1 type may be used for a positive electrode active material, and 2 or more types may be mixed and used for it.
[0034]
The negative electrode 22 includes, for example, a negative electrode current collector 22A and a negative electrode active material layer 22B provided on the negative electrode current collector 22A. The negative electrode current collector 22A is preferably made of, for example, copper, stainless steel, nickel, titanium (Ti), tungsten (W), molybdenum (Mo), aluminum, or the like, and in particular, alloyed with the negative electrode active material layer 22B. In some cases, it may be more preferable to use a metal that is likely to cause oxidization. For example, as will be described later, when the negative electrode active material layer 22B includes at least one member selected from the group consisting of a simple substance and a compound of silicon or tin, copper, titanium, aluminum, nickel, or the like can be cited as a material that is easily alloyed. . The negative electrode current collector 22A may be composed of a single layer, but may be composed of a plurality of layers. In that case, the layer in contact with the negative electrode active material layer 22B may be made of a metal material that is easily alloyed with the negative electrode active material layer 22B, and the other layers may be made of another metal material.
[0035]
The negative electrode active material layer 22B is formed by, for example, at least one method selected from the group consisting of a vapor phase method, a liquid phase method, and a sintering method, and includes a negative electrode active material. Thereby, it is possible to suppress destruction due to expansion / contraction of the negative electrode active material layer 22B due to charge / discharge, and it is possible to integrate the negative electrode current collector 22A and the negative electrode active material layer 22B. The conductivity can be improved. In addition, the coating type negative electrode formed by coating the negative electrode active material layer, specifically, unlike the conventional coating type negative electrode including the negative electrode active material and a binder such as polyvinylidene fluoride as necessary, the binding type Agents and voids can be reduced or eliminated, and a thin film can be formed.
[0036]
The negative electrode active material layer 22B is preferably alloyed with the negative electrode current collector 22A at least at a part of the interface with the negative electrode current collector 22A. Specifically, it is preferable that the constituent element of the negative electrode current collector 22A is diffused in the negative electrode active material layer 22B, the constituent element of the negative electrode active material is diffused in the negative electrode current collector 22A, or they are mutually diffused at the interface. This alloying often occurs simultaneously with the formation of the anode active material layer 22B by a vapor phase method, a liquid phase method, or a sintering method, but it may also occur by further heat treatment. Note that in this specification, the above-described element diffusion is also included in one form of alloying.
[0037]
The negative electrode active material preferably contains at least one member selected from the group consisting of a simple substance and a compound of silicon or tin. The simple substance and compound of silicon or tin can form an alloy with lithium and have a large ability to occlude and release lithium. Depending on the combination, the energy density of the negative electrode 22 may be higher than that of conventional graphite. Because it can. The silicon or tin compound may be crystalline or amorphous, but is preferably an amorphous or microcrystalline aggregate. The term “amorphous” or “microcrystal” as used herein means that the half width of the peak of a diffraction pattern obtained by X-ray diffraction analysis using CuKα as characteristic X-rays is 0.5 ° or more at 2θ and 30 at 2θ. It has a broad pattern from ° to 60 °.
[0038]
Examples of silicon or tin compounds include SiBFour, SiB6, Mg2Si, Mg2Sn, Ni2Si, TiSi2, MoSi2, CoSi2, NiSi2, CaSi2, CrSi2, CuFiveSi, FeSi2, MnSi2, NbSi2, TaSi2, VSi2, WSi2, ZnSi2, SiC, SiThreeNFour, Si2N2O, SiOa(0 <a ≦ 2), SnOb(0 <b ≦ 2), SnSiOThreeLiSiO or LiSnO.
[0039]
The thickness of the negative electrode 22 including the thickness of the negative electrode current collector 22A is preferably 10 μm or more and 100 μm or less, and more preferably 10 μm or more and 50 μm or less. If it is too thin, the proportion of the negative electrode current collector 22A in the negative electrode 22 increases, and a decrease in battery capacity is observed. On the other hand, if it is too thick, the negative electrode active material layer 22B is caused by silicon or tin expansion / contraction due to charge / discharge. This is because there is a case where the destruction of this occurs.
[0040]
The separator 23 is for preventing a short circuit due to physical contact between the positive electrode 21 and the negative electrode 22 while allowing lithium ions to pass through, and is made of, for example, a microporous polyolefin film such as a polyethylene film or a polypropylene film. ing. This separator 23 preferably has a function of blocking the current by closing the hole at 120 ° C. or higher for ensuring safety and cutting off the current.
[0041]
The separator 23 is impregnated with the electrolyte according to the present embodiment. As a result, in this secondary battery, ions of group 2 elements in the electrolyte are adsorbed on the negative electrode 22 to form an adsorption layer, or are reduced at the time of charging in the negative electrode 22 to form a thin film, which is not preferable in the negative electrode 22. Side reactions are suppressed. In particular, when the fluorine-containing salt of the group 2 element is present in an excessive amount in the electrolyte, there is a risk of hindering the smooth movement of lithium ions, but the negative electrode 22 according to the present embodiment has the negative electrode active material layer 22B. At least part of the interface with the negative electrode current collector 22A is alloyed with the negative electrode current collector 22A, or formed by at least one method of the group consisting of a vapor phase method, a liquid phase method, and a sintering method. Since the surface area is relatively small, an effective adsorption layer or film can be formed on the anode 22 without using a large amount of a fluorine-containing salt of a Group 2 element. In addition, it is thought that the thickness of this adsorption layer or a film is a thing which does not inhibit the entrance / exit of lithium to the negative electrode 22, and can suppress a side reaction.
[0042]
For example, the secondary battery can be manufactured as follows.
[0043]
First, for example, a positive electrode active material, a conductive additive, and a binder are mixed to prepare a positive electrode mixture, and then the positive electrode mixture is dispersed in a dispersion medium such as N-methyl-2-pyrrolidone. A slurry is obtained. Subsequently, the positive electrode mixture slurry is applied to the positive electrode current collector 21A and dried, and then compression-molded to form the positive electrode active material layer 21B to produce the positive electrode 21.
[0044]
Next, the negative electrode active material layer 22B is deposited on the negative electrode current collector 22A by depositing at least one member selected from the group consisting of a simple substance and a compound of silicon or tin, for example, on the negative electrode current collector 22A by a vapor phase method or a liquid phase method. Form. Further, after forming a precursor layer containing a particulate negative electrode active material on the negative electrode current collector 22A, the negative electrode active material layer 22B may be formed by a sintering method in which the precursor layer is sintered. The negative electrode active material layer 22B may be formed by combining two or three of the phase method and the sintering method. Thus, by forming the negative electrode active material layer 22B by at least one method selected from the group consisting of a vapor phase method, a liquid phase method, and a sintering method, in some cases, at least at the interface with the negative electrode current collector 22A In part, a negative electrode active material layer 22B alloyed with the negative electrode current collector 22A is formed. Note that in order to further alloy the interface between the negative electrode current collector 22A and the negative electrode active material layer 22B, heat treatment may be further performed in a vacuum atmosphere or a non-oxidizing atmosphere. In particular, when the negative electrode active material layer 22B is formed by plating, which will be described later, the negative electrode active material layer 22B may be difficult to be alloyed even at the interface with the negative electrode current collector 22A. preferable. In addition, even in the case of forming by the vapor phase method, the characteristics may be improved by alloying the interface between the negative electrode current collector 22A and the negative electrode active material layer 22B. It is preferable to perform a heat treatment.
[0045]
As the vapor phase method, a physical deposition method or a chemical deposition method can be used depending on the type of the negative electrode active material. Specifically, a vacuum deposition method, a sputtering method, an ion plating method, a laser ablation method, a thermal CVD method, or the like. (Chemical Vapor Deposition; chemical vapor deposition) method or plasma CVD method can be used. As the liquid phase method, a known method such as electrolytic plating or electroless plating can be used. As for the sintering method, a known method can be used, for example, an atmosphere sintering method, a reaction sintering method, or a hot press sintering method can be used. However, vacuum deposition, sputtering, CVD, electrolytic plating or electroless plating is preferable.
[0046]
After producing the positive electrode 21 and the negative electrode 22, the positive electrode lead 25 is attached to the positive electrode current collector 21A by welding or the like, and the negative electrode lead 26 is attached to the negative electrode current collector 22A by welding or the like. After that, the positive electrode 21 and the negative electrode 22 are wound through the separator 23, and the tip of the positive electrode lead 25 is welded to the safety valve mechanism 15, and the tip of the negative electrode lead 26 is welded to the battery can 11. The positive electrode 21 and the negative electrode 22 are sandwiched between a pair of insulating plates 12 and 13 and stored in the battery can 11. After the positive electrode 21 and the negative electrode 22 are accommodated in the battery can 11, an electrolyte is injected into the battery can 11 and impregnated in the separator 23. After that, the battery lid 14, the safety valve mechanism 15, and the heat sensitive resistance element 16 are fixed to the opening end of the battery can 11 by caulking through a gasket 17. Thereby, the secondary battery shown in FIG. 1 is completed.
[0047]
In this secondary battery, when charged, lithium ions are released from the positive electrode 21 and inserted in the negative electrode 22 through the electrolyte. On the other hand, when discharging is performed, for example, lithium ions are separated from the negative electrode 22 and inserted into the positive electrode 21 through the electrolyte. In this embodiment, since the electrolyte contains a fluorine-containing salt of a group 2 element, ions of the group 2 element generated by dissociation of the fluorine-containing salt of the group 2 element are adsorbed on the negative electrode 22 to form an adsorption layer. Alternatively, it is reduced at the time of charging in the negative electrode 22 to form a thin film, and side reactions in the negative electrode 22 are suppressed.
[0048]
As described above, in the present embodiment, since the electrolyte contains the fluorine-containing salt of the group 2 element, the ions of the group 2 element generated by the dissociation of the fluorine-containing salt of the group 2 element are adsorbed on the negative electrode 22 and adsorbed. A layer is formed or reduced at the time of charging in the negative electrode 22 to form a thin film. Therefore, side reactions in the negative electrode 22 can be suppressed, and cycle characteristics and storage characteristics can be improved.
[0049]
In particular, if the content of the group 2 element is 20 atomic% or less of the lithium content, or the electrolyte is a fluorine-containing salt of the group 2 element, hexafluorophosphate and tetrafluoroborate If at least one of them is included, a higher effect can be obtained.
[0050]
Furthermore, the negative electrode 22 has a negative electrode active material layer 22B provided on the negative electrode current collector 22A and alloyed with the negative electrode current collector 22A at least at a part of the interface with the negative electrode current collector 22A. If the negative electrode active material layer 22B formed by at least one method selected from the group consisting of a vapor phase method, a liquid phase method, and a sintering method is provided in the electric body 22A, smooth lithium ion movement is prevented. In addition, an adsorption layer or a thin film can be formed on the negative electrode 22.
[0051]
The secondary battery according to the present embodiment includes, for example, a headphone stereo, a video deck, a liquid crystal television, a portable CD (compact disc) player, an MD (mini disc) player, a notebook personal computer, a mobile phone, and an electric shaver. , Transceivers, electronic notebooks, calculators, radios, toys, game machines, watches, pacemakers, etc. Furthermore, it can also be used in combination with a generator such as a solar cell or a fuel cell.
[0052]
【Example】
Furthermore, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
[0053]
(Examples 1-1 to 1-4)
First, LiNi with an average secondary particle size of 15 μm, which is a positive electrode active material0.8Co0.19Al0.01O2A positive electrode mixture was prepared by mixing 91% by mass, 6% by mass of graphite as a conductive additive, and 3% by mass of polyvinylidene fluoride as a binder, and this positive electrode mixture was then mixed with N-methyl-2. -Dispersed in pyrrolidone to obtain a positive electrode mixture slurry. Subsequently, the positive electrode mixture slurry was applied to a positive electrode current collector 21A made of aluminum having a thickness of 20 μm, dried, and compression-molded with a roller press to form the positive electrode active material layer 21B, thereby producing the positive electrode 21. . After that, a positive electrode lead 25 having an insulating tape attached to one end of the positive electrode current collector 21A was attached.
[0054]
Further, after forming a 3 μm thick layer of tin by electron beam evaporation on both surfaces of the negative electrode current collector 22A of 18 μm thick made of electrolytic copper foil, 1 × 10 1-FiveTorr (approximately 1.33 × 10-3A negative electrode active material layer 22B was formed by heat treatment at 200 ° C. for 24 hours at a degree of vacuum of Pa), and a negative electrode 22 having a total thickness of 24 μm was produced. When the obtained negative electrode 22 was analyzed by XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) and AES (Auger Electron Spectroscopy), the negative electrode active material layer 22B and the negative electrode current collector 22A were analyzed. It was confirmed that at least a part of the interface was alloyed with the negative electrode current collector 22A. After producing the negative electrode 22, a negative electrode lead 26 was attached to one end of the negative electrode current collector 22A.
[0055]
Subsequently, the positive electrode 21 and the negative electrode 22 were laminated | stacked via the separator 23 which consists of a 30-micrometer-thick microporous polyethylene film, and the electrode element 20 was produced by winding up this.
[0056]
After producing the electrode element 20, the electrode element 20 is sandwiched between the pair of insulating plates 12 and 13, the positive electrode lead 25 is welded to the safety valve mechanism 15, and the negative electrode lead 26 is welded to the battery can 11. It was stored in an iron battery can 11. After that, the center pin 24 was inserted into the center of the electrode element 20. Next, an electrolytic solution was injected into the battery can 11. The electrolyte includes LiPF, which is an electrolyte salt, in a solvent in which ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate are mixed at a volume ratio of 1: 1.6And additive Mg (PF6)2The thing which added and was used. At that time, LiPF6The content of was 1 mol / l. Mg (PF6)2The content of was changed as shown in Table 1 in Examples 1-1 to 1-4. That is, the content of magnesium in the electrolytic solution is the value shown in Table 1 in Examples 1-1 to 1-4 with respect to lithium.
[0057]
[Table 1]
Figure 0004304577
[0058]
After injecting the electrolyte into the battery can 11, the battery lid 14 is caulked to the battery can 11 via the gasket 17, so that the cylinders of Examples 1-1 to 1-4 have a diameter of 18 mm and a height of 65 mm. A secondary battery was obtained.
[0059]
As Comparative Example 1-1 with respect to Examples 1-1 to 1-4, a secondary battery was fabricated in the same manner as Example 1-2, except that no additive was added. Further, as Comparative Example 1-2 for Examples 1-1 to 1-4, MgCl as an additive2A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-2 except that was used.
[0060]
About the produced secondary battery of Examples 1-1 to 1-4 and Comparative Examples 1-1 and 1-2, 100 cycles of charging / discharging was performed, and the capacity retention rate was obtained. At that time, charging is performed at a constant current of 1 A until the battery voltage reaches 4.2 V, and then at a constant voltage of 4.2 V, the total charging time is 20 hours for the first cycle, and 5 hours for the second and subsequent cycles. Discharge was performed until the battery voltage reached 2.5 V at a constant current of 1.5 A in any of the first to 100th cycles. The capacity retention rate was determined as (discharge capacity at 100th cycle / discharge capacity at second cycle × 100) from the discharge capacity at the second cycle and the discharge capacity at the 100th cycle. The obtained results are shown in Table 1.
[0061]
Moreover, after charging / discharging for 2 cycles, what was charged again was preserve | saved at 50 degreeC for 1 week, discharged, and 1 cycle charging / discharging was performed continuously, and the capacity | capacitance maintenance factor after a preservation | save was calculated | required. At that time, the charging was performed under the same conditions as described above except that the total charging time was 20 hours in the first cycle and the total charging time was 5 hours in the second and third cycles. The discharge was performed under the above conditions in any of the first to fourth cycles. The capacity retention rate after storage was calculated as (second cycle discharge capacity / fourth cycle discharge capacity × 100) from the second cycle discharge capacity before storage and the fourth cycle discharge capacity after storage. . The obtained results are shown in Table 1.
[0062]
As can be seen from Table 1, Mg (PF6)2In Examples 1-1 to 1-4 using Mg, Mg (PF6)2Higher values were obtained for both the capacity retention ratio and the post-storage capacity retention ratio as compared to Comparative Example 1-1 in which no was used.
[0063]
Further, as can be seen by comparing Comparative Examples 1-1 and 1-2, Comparative Example 1-2 using a salt that does not contain fluorine as an additive is higher in capacity and capacity retention than Comparative Example 1-1. In addition, both of the capacity retention ratios after storage were low. This is presumably because a salt containing no fluorine is difficult to dissolve in the solvent.
[0064]
That is, it has been found that cycle characteristics and storage characteristics can be improved if the electrolyte contains a fluorine-containing salt of magnesium.
[0065]
Furthermore, as can be seen from Examples 1-1 to 1-4, the capacity retention rate and the post-storage capacity retention rate tend to increase as the magnesium content relative to lithium increases and then show a maximum value and then decrease. It was. That is, it was found that the magnesium content is preferably 20 atomic% or less of the lithium content.
[0066]
(Example 2-1Reference Examples 2-2, 2-3, Examples 2-4, 2-5, Reference Example 2-6~ 2-8)
  A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-2, except that the type of additive was changed as shown in Table 2. Example 2-1Reference Examples 2-2, 2-3, Examples 2-4, 2-5, Reference Examples 2-6 toFor the secondary battery of 2-8, the capacity retention rate and the post-storage capacity retention rate were determined in the same manner as in Example 1-2. The results are shown in Table 2 together with the results of Example 1-2 and Comparative Examples 1-1 and 1-2.
[0067]
[Table 2]
Figure 0004304577
[0068]
  As can be seen from Table 2, Example 2-1Reference Examples 2-2, 2-3, Examples 2-4, 2-5, Reference Example 2-6As for Example 2-8, the high value was obtained about both the capacity | capacitance maintenance factor and the capacity | capacitance maintenance factor after a preservation | save compared with Comparative Examples 1-1 and 1-2 similarly to Example 1-2. The effect is also the same as in Examples 1-2 and 2-1.And Reference Example 2-2Compare 2-3, or Example 2-4, 2-5 and reference examplesAs can be seen by comparing 2-6, it was particularly large in those using hexafluorophosphate or tetrafluoroborate.
[0069]
  That is, the electrolyte is a group 2 element(Magnesium or calcium)If the fluorine-containing salt is included, cycle characteristics and storage characteristics can be improved.AboveIt has been found that a higher effect can be obtained by including a hexafluorophosphate or tetrafluoroborate of a group 2 element.
[0070]
(Example 3-1)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-2, except that the anode active material layer 22B made of a tin-nickel (Sn—Ni) alloy was formed by plating. Specifically, the negative electrode active material layer 22B was formed as follows. First, a negative electrode current collector 22A made of rolled copper foil having a cleaned surface is immersed in a tin-nickel alloy plating bath, and the negative electrode current collector 22A is energized as a cathode, whereby the tin-nickel alloy has a thickness of about 3 μm. It was made to precipitate so that it might become. Next, it was washed with water, dried and then heat treated at 200 ° C. for 24 hours.
[0071]
The total thickness of the negative electrode 22 was 24 μm. The negative electrode 22 was analyzed by XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) and AES (Auger Electron Spectroscopy) in the same manner as in Example 1-2. It was confirmed that the layer 22B was alloyed with the negative electrode current collector 22A at least at a part of the interface with the negative electrode current collector 22A.
[0072]
Further, as Comparative Example 3-1, compared with Example 3-1, a secondary battery was fabricated in the same manner as Example 3-1, except that the additive was not added. For the fabricated secondary batteries of Example 3-1 and Comparative Example 3-1, the capacity retention rate and the post-storage capacity retention rate were determined in the same manner as in Example 1-2. The results are shown in Table 3.
[0073]
[Table 3]
Figure 0004304577
[0074]
  As can be seen from Table 3, Mg (PF6)2In Example 3-1 using, a higher value was obtained for both the capacity retention rate and the post-storage capacity retention rate than Comparative Example 3-1, which was not used. That is, even if the negative electrode active material is an alloy, and the negative electrode active material layer 22B is formed by plating which is a liquid phase method, the group 2 element is contained in the electrolytic solution.(Magnesium or calcium)It was found that the cycle characteristics and the storage characteristics can be improved by including the fluorine-containing salt.
[0075]
(Example 4-1)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-2, except that the negative electrode active material layer 22B made of amorphous silicon was formed by electron beam evaporation. The total thickness of the negative electrode 22 was 24 μm. The negative electrode 22 was analyzed by XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) and AES (Auger Electron Spectroscopy) in the same manner as in Example 1-2. It was confirmed that the layer 22B was alloyed with the negative electrode current collector 22A at least at a part of the interface with the negative electrode current collector 22A.
[0076]
Further, as Comparative Example 4-1 with respect to Example 4-1, a secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 4-1, except that the additive was not added. For the fabricated secondary batteries of Example 4-1 and Comparative Example 4-1, the capacity retention ratio and the post-storage capacity retention ratio were determined in the same manner as in Example 1-2. The results are shown in Table 4.
[0077]
[Table 4]
Figure 0004304577
[0078]
  As can be seen from Table 4, Mg (PF6)2In Example 4-1, which used, a higher value was obtained for both the capacity retention rate and the post-storage capacity retention rate than Comparative Example 4-1, which was not used. That is, even if silicon is used for the negative electrode active material, the group 2 element is used in the electrolyte.(Magnesium or calcium)It was found that the cycle characteristics and the storage characteristics can be improved by including the fluorine-containing salt.
[0079]
  In the above embodiment,,negativeSimilar results can be obtained even if the polar active material layer 22B is formed by a vapor phase method other than the electron beam evaporation method, a liquid phase method other than electrolytic plating, or a sintering method. Furthermore, although the case where the electrolytic solution is used has been described in the above embodiment, the same result can be obtained even when a gel electrolyte is used.
[0080]
Although the present invention has been described with reference to the embodiments and examples, the present invention is not limited to the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiments and examples, the case where an electrolytic solution which is a liquid electrolyte or a so-called gel electrolyte is used has been described, but another electrolyte may be used. Examples of other electrolytes include solid electrolytes having ionic conductivity, a mixture of a solid electrolyte and an electrolyte solution, and a mixture of a solid electrolyte and a gel electrolyte.
[0081]
In the above embodiment and examples, the negative electrode active material layer 22B is formed on the negative electrode current collector 22A. However, another layer is formed between the negative electrode current collector and the negative electrode active material layer. You may do it.
[0082]
  Furthermore, in the above embodiment and example, the negative electrode active material layer 22B is formed by at least one method selected from the group consisting of a vapor phase method, a liquid phase method, and a sintering method. May be formed by coating, specifically, may include a negative electrode active material and, if necessary, a binder such as polyvinylidene fluoride. However, since the surface area of the one formed by at least one of the group consisting of the vapor phase method, the liquid phase method, and the sintering method is smaller than that formed by coating, the group 2 element(Magnesium or calcium)This is preferable because the effect of the fluorine-containing salt can be effectively brought out.
[0084]
  Furthermore, in the above embodiments and examples, a cylindrical secondary battery having a winding structure has been described. However, the present invention relates to an elliptical or polygonal secondary battery having a winding structure, or a positive electrode. The present invention can be similarly applied to a secondary battery having a structure in which the negative electrode is folded or stacked. Further, it can be applied to a secondary battery having a so-called square shape, coin shape, button shape, or other shape using a film-shaped exterior member..
[0085]
【The invention's effect】
  As described above, according to the electrolyte or secondary battery of the present invention, the negative electrode includes at least one member selected from the group consisting of a simple substance and a compound of silicon or tin, and the electrolyte includes a fluorine-containing salt of lithium, Group 2 element(Magnesium or calcium)And the fluorine-containing salt of the group 2 element contains at least one of hexafluorophosphate and tetrafluoroborate, so that the fluorine-containing salt of the group 2 element Group II element ions generated by dissociation are adsorbed on the negative electrode to form an adsorbed layer, or reduced at the time of charging in the negative electrode to form a thin film. Therefore, side reactions in the negative electrode can be suppressed, and cycle characteristics and storage characteristics can be improved.
[0086]
  In particular,The present inventionOf electrolyte orsecondarybatteryThenThe content of group 2 elements should be 20 atomic percent or less of the lithium atom content.if,A higher effect can be obtained.
[0087]
  Also,The present inventionofsecondarybatteryThenThe negative electrode current collector has a negative electrode active material layer alloyed with the negative electrode current collector at least at a part of the interface with the negative electrode current collector, or the negative electrode current collector is obtained from a vapor phase method, a liquid phase method, and a sintering method. So as to have a negative electrode active material layer formed by at least one method of the groupifAn adsorption layer or a thin film can be formed on the negative electrode without hindering the smooth movement of ions in the electrolyte.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a secondary battery according to an embodiment of the invention.
2 is an enlarged cross-sectional view showing a part of the electrode element shown in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Battery can, 12, 13 ... Insulation board, 14 ... Battery cover, 15 ... Safety valve mechanism, 15A ... Disk board, 16 ... Heat sensitive resistance element, 17 ... Gasket, 20 ... Electrode element, 21 ... Positive electrode, 21A ... Positive electrode Current collector, 21B ... Positive electrode active material layer, 22 ... Negative electrode, 22A ... Negative electrode current collector, 22B ... Negative electrode active material layer, 23 ... Separator, 24 ... Center pin, 25 ... Positive electrode lead, 26 ... Negative electrode lead

Claims (9)

正極および負極と共に電解質を備え、
前記負極は、ケイ素(Si)またはスズ(Sn)の単体および化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含み、
前記電解質は、リチウムのフッ素含有塩と、長周期型周期表における2族元素(マグネシウムまたはカルシウム)のフッ素含有塩とを含み、
前記2族元素のフッ素含有塩は、ヘキサフルオロリン酸塩およびテトラフルオロホウ酸塩のうちの少なくとも一方を含む
二次電池。
An electrolyte is provided with a positive electrode and a negative electrode,
The negative electrode includes at least one selected from the group consisting of a simple substance and a compound of silicon (Si) or tin (Sn),
The electrolyte includes a fluorine-containing salt of lithium and a fluorine-containing salt of a group 2 element (magnesium or calcium) in the long-period periodic table,
The fluorine-containing salt of the group 2 element includes at least one of hexafluorophosphate and tetrafluoroborate.
前記リチウムのフッ素含有塩は、LiAsF6 ,LiPF6 ,LiBF4 ,LiCF3 SO3 ,LiN(CF3 SO2 2 ,LiN(C2 5 SO2 2 およびLiN(C4 9 SO2 )(CF3 SO2 )からなる群のうちの少なくとも1種を含み、前記2族元素のフッ素含有塩は、Mg(PF6 2 ,Ca(PF6 2 ,Mg(BF4 2 およびCa(BF4 2 からなる群のうちの少なくとも1種を含む請求項1記載の二次電池。The fluorine-containing salts of lithium include LiAsF 6 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 and LiN (C 4 F 9 SO 2 ) (CF 3 SO 2 ), and the fluorine-containing salt of the group 2 element is Mg (PF 6 ) 2 , Ca (PF 6 ) 2 , Mg (BF 4 ) 2. The secondary battery according to claim 1, comprising at least one member selected from the group consisting of Ca (BF 4 ) 2 and Ca (BF 4 ) 2 . 前記電解質における前記2族元素の含有量は、前記リチウムの含有量の20原子%以下である請求項1記載の二次電池。  The secondary battery according to claim 1, wherein a content of the group 2 element in the electrolyte is 20 atomic% or less of a content of the lithium. 前記負極の厚みは、10μm以上100μm以下である請求項1記載の二次電池。  The secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode has a thickness of 10 μm to 100 μm. 前記負極は、負極集電体と、この負極集電体に設けられ、負極集電体との界面の少なくとも一部において負極集電体と合金化している負極活物質層とを有する請求項1記載の二次電池。  The negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer provided on the negative electrode current collector and alloyed with the negative electrode current collector at least at a part of an interface with the negative electrode current collector. The secondary battery as described. 前記負極は、負極集電体と、この負極集電体に気相法,液相法および焼結法からなる群のうちの少なくとも1つの方法により形成された負極活物質層とを有する
請求項1記載の二次電池。
The negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer formed on the negative electrode current collector by at least one method selected from the group consisting of a gas phase method, a liquid phase method, and a sintering method. The secondary battery according to 1.
正極および負極と共に電解質を備え、前記負極がケイ素またはスズの単体および化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含む二次電池に用いられ、
リチウムのフッ素含有塩と、長周期型周期表における2族元素(マグネシウムまたはカルシウム)のフッ素含有塩とを含み、
前記2族元素のフッ素含有塩は、ヘキサフルオロリン酸塩およびテトラフルオロホウ酸塩のうちの少なくとも一方を含む
電解質。
An electrolyte is provided together with a positive electrode and a negative electrode, and the negative electrode is used for a secondary battery including at least one member selected from the group consisting of a simple substance and a compound of silicon or tin,
A fluorine-containing salt of lithium, and a fluorine-containing salt of a group 2 element (magnesium or calcium) in the long-period periodic table,
The fluorine-containing salt of the group 2 element includes at least one of hexafluorophosphate and tetrafluoroborate.
前記リチウムのフッ素含有塩は、LiAsF6 ,LiPF6 ,LiBF4 ,LiCF3 SO3 ,LiN(CF3 SO2 2 ,LiN(C2 5 SO2 2 およびLiN(C4 9 SO2 )(CF3 SO2 )からなる群のうちの少なくとも1種を含み、前記2族元素のフッ素含有塩は、Mg(PF6 2 ,Ca(PF6 2 ,Mg(BF4 2 およびCa(BF4 2 からなる群のうちの少なくとも1種を含む請求項7記載の電解質。The fluorine-containing salts of lithium include LiAsF 6 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 and LiN (C 4 F 9 SO 2. ) (CF 3 SO 2 ), and the fluorine-containing salt of the group 2 element is Mg (PF 6 ) 2 , Ca (PF 6 ) 2 , Mg (BF 4 ) 2. The electrolyte according to claim 7, comprising at least one member selected from the group consisting of Ca (BF 4 ) 2 and Ca (BF 4 ) 2 . 前記2族元素の含有量は、前記リチウムの含有量の20原子%以下である請求項7記載の電解質。  The electrolyte according to claim 7, wherein the content of the Group 2 element is 20 atomic% or less of the content of lithium.
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