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JP4744244B2 - Lithium secondary battery and method for producing negative electrode for lithium secondary battery - Google Patents

Lithium secondary battery and method for producing negative electrode for lithium secondary battery Download PDF

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JP4744244B2
JP4744244B2 JP2005252174A JP2005252174A JP4744244B2 JP 4744244 B2 JP4744244 B2 JP 4744244B2 JP 2005252174 A JP2005252174 A JP 2005252174A JP 2005252174 A JP2005252174 A JP 2005252174A JP 4744244 B2 JP4744244 B2 JP 4744244B2
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Description

本発明は、リチウム二次電池及びリチウム二次電池用負極の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a lithium secondary battery and a method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery.

近年、高出力及び高エネルギー密度の新型二次電池の1つとして、非水電解質を用い、リチウムイオンを正極と負極との間で移動させて充放電を行うようにしたリチウム二次電池が利用されている。   In recent years, as a new secondary battery with high output and high energy density, a lithium secondary battery using a non-aqueous electrolyte and moving lithium ions between a positive electrode and a negative electrode to perform charging and discharging has been used. Has been.

このようなリチウム二次電池においては、負極として、負極活物質にケイ素を含む材料を用いたものが検討されている。しかしながら、ケイ素を含む材料を活物質として用いた電極は、リチウムの吸蔵・放出の際に活物質の体積が膨張・収縮することによる活物質の微粉化や、活物質の集電体からの剥離を生じるため、電極内の集電性が低下し、充放電サイクル特性が悪くなるという問題がある。   In such a lithium secondary battery, a negative electrode using a material containing silicon as a negative electrode active material has been studied. However, an electrode using a silicon-containing material as an active material can be used to pulverize the active material due to expansion / contraction of the active material volume during lithium insertion / release, or to peel the active material from the current collector. Therefore, there is a problem that the current collecting property in the electrode is lowered and the charge / discharge cycle characteristics are deteriorated.

また、リチウムの吸蔵・放出の際に活物質の体積が膨張・収縮することにより、活物質粒子表面に割れが起こり、活性な新生面が生じるため、この部分で非水電解質の分解や、リチウムイオンと非水電解質の反応が起こり、新たな被膜が形成されるため、充放電効率が低下するという問題などがある。   In addition, since the volume of the active material expands and contracts when lithium is occluded / released, cracks occur on the surface of the active material particles, resulting in an active new surface. And a non-aqueous electrolyte reaction occurs, and a new film is formed.

本出願人は、凹凸を有する導電性金属箔の集電体の表面上に、ケイ素材料とバインダーを含む合剤層を焼結して配置したリチウム二次電池用負極が、合剤層と集電体との高い密着性により電極内に高い集電性が発現し、良好な充放電サイクル特性を示すことを見出している(特許文献1)。   The present applicant has found that a negative electrode for a lithium secondary battery in which a mixture layer containing a silicon material and a binder is sintered on a surface of a current collector of conductive metal foil having irregularities is arranged with a mixture layer and a collector layer. It has been found that a high current collecting property is exhibited in the electrode due to the high adhesion with the electric body, and that good charge / discharge cycle characteristics are exhibited (Patent Document 1).

しかしながら、このようなリチウム二次電池を充電状態で高温に貯蔵した場合、電池内部において非水電解質の分解反応等によりガスが発生し、電池容器が膨れてしまうという問題が生じる。特に、負極活物質としてケイ素を含む活物質を用いた場合、炭素活物質を用いた場合に比べ、高温貯蔵時のガス発生量が多くなる。   However, when such a lithium secondary battery is stored in a charged state at a high temperature, there is a problem that gas is generated in the battery due to a decomposition reaction of the nonaqueous electrolyte, and the battery container swells. In particular, when an active material containing silicon is used as the negative electrode active material, the amount of gas generated during high-temperature storage is greater than when a carbon active material is used.

これは、ケイ素を負極活物質に用いた場合、リチウムの吸蔵・放出の際に活物質の体積が膨張・収縮することにより、活物質粒子表面に割れが起こり、活性な新生面が生じることによる。これにより、負極活物質の表面積が充放電毎に増大し、非水電解質と接する面積が大きくなるため、高温貯蔵時において負極表面で非水電解質の分解量は大きくなり、ガス発生も大きくなる。一方、負極活物質に炭素材料を用いた場合、炭素負極は、リチウムの吸蔵・放出による活物質の割れが生じないため、ケイ素負極を用いた場合に比べ、二酸化炭素の発生が少ない。このため、ケイ素負極を用いた場合において、高温貯蔵時に発生するガスを抑制することが望まれている。   This is because, when silicon is used as the negative electrode active material, the active material volume expands and contracts when lithium is occluded / released, so that the active material particle surface is cracked and an active new surface is generated. As a result, the surface area of the negative electrode active material increases with each charge and discharge, and the area in contact with the nonaqueous electrolyte increases, so the amount of decomposition of the nonaqueous electrolyte on the negative electrode surface increases during high-temperature storage and gas generation also increases. On the other hand, when a carbon material is used as the negative electrode active material, the carbon negative electrode generates less carbon dioxide than when a silicon negative electrode is used because the active material does not crack due to insertion and extraction of lithium. For this reason, in the case of using a silicon negative electrode, it is desired to suppress the gas generated during high-temperature storage.

リチウムイオン電池における高温貯蔵時のガス発生を抑制する方法として、リチウム二次電池内に酸化リチウムを添加することが提案されている(特許文献2及び特許文献3)。   As a method for suppressing gas generation during high-temperature storage in a lithium ion battery, it has been proposed to add lithium oxide in the lithium secondary battery (Patent Document 2 and Patent Document 3).

上記の公報においては、いずれも、炭素負極を用いたリチウム二次電池において、酸化リチウムをリチウム二次電池内部の正極、負極、電池缶壁面等に添加しており、これにより高温貯蔵時に発生する二酸化炭素を吸収し、電池の膨れの増加を抑制することができる旨記載されている。高温貯蔵時に電解液等の分解により発生する二酸化炭素を、酸化リチウムが効果的に吸収し、その結果、電池の膨れ増加を抑制することができる旨記載されている。   In each of the above publications, in any lithium secondary battery using a carbon negative electrode, lithium oxide is added to the positive electrode, the negative electrode, the battery can wall surface, etc. inside the lithium secondary battery, thereby generating during high-temperature storage. It is described that carbon dioxide can be absorbed and an increase in battery swelling can be suppressed. It is described that lithium oxide effectively absorbs carbon dioxide generated by decomposition of an electrolytic solution or the like during high-temperature storage, and as a result, an increase in battery swelling can be suppressed.

ケイ素を含む活物質を負極に用いた場合、活物質の割れ表面から発生するガスが顕著なため、負極中に酸化リチウムを添加することは効果的であると思われる。   When an active material containing silicon is used for the negative electrode, the gas generated from the cracked surface of the active material is significant, so it seems effective to add lithium oxide into the negative electrode.

しかしながら、ケイ素を含む活物質を負極に用いた場合、負極中に酸化リチウムを添加すると、良好な充放電サイクル特性が得られないという問題を生じる。これは、ケイ素を含む活物質を負極に用いた場合、リチウムの吸蔵・放出の際に、活物質の体積が膨張・収縮するため、負極中に酸化リチウムを添加すると、応力緩和が阻害され、極板強度が低下するためである。これにより、活物質の剥離等が生じ、集電構造が保てないため、良好な充放電サイクル特性が得られない。   However, when an active material containing silicon is used for the negative electrode, if lithium oxide is added to the negative electrode, there arises a problem that good charge / discharge cycle characteristics cannot be obtained. This is because, when an active material containing silicon is used for the negative electrode, the volume of the active material expands and contracts when lithium is occluded / released. Therefore, when lithium oxide is added to the negative electrode, stress relaxation is inhibited, This is because the electrode plate strength decreases. As a result, the active material is peeled off and the current collecting structure cannot be maintained, so that good charge / discharge cycle characteristics cannot be obtained.

炭素負極を用いた場合、負極中に酸化リチウムを添加しても、リチウムの吸蔵・放出時に炭素活物質の体積変化が、ケイ素活物質の場合に比べ小さいため、酸化リチウムが炭素活物質の体積変化の応力緩和を阻害し、極板強度を低下するという問題はほとんど生じない。従って、炭素負極中に酸化リチウムを添加した場合、ケイ素負極を用いた場合と異なり、良好なサイクル特性が得られることになる。   When a carbon negative electrode is used, even if lithium oxide is added to the negative electrode, the volume change of the carbon active material during insertion and extraction of lithium is smaller than that of the silicon active material. The problem of inhibiting the stress relaxation of the change and lowering the electrode plate strength hardly occurs. Therefore, when lithium oxide is added to the carbon negative electrode, unlike the case of using the silicon negative electrode, good cycle characteristics can be obtained.

このため、ケイ素負極を用いた場合、負極中の酸化リチウムが効果的に二酸化炭素を吸収して、高温貯蔵時の電池膨れを抑制したとしても、充放電サイクル特性との両立が困難になる。
特開2002−260637号公報 特開平6−140077号公報 特開2003−208923号公報
For this reason, when a silicon negative electrode is used, even if lithium oxide in the negative electrode effectively absorbs carbon dioxide and suppresses battery swelling during high-temperature storage, it is difficult to achieve both charge / discharge cycle characteristics.
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-260637 JP-A-6-140077 JP 2003-208923 A

本発明の目的は、負極にケイ素を含む活物質を用いたリチウム二次電池において、高温貯蔵時のガス発生を抑制することができるとともに、充放電サイクル特性を高めることができるリチウム二次電池を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a lithium secondary battery that can suppress gas generation during high-temperature storage and improve charge / discharge cycle characteristics in a lithium secondary battery using an active material containing silicon as a negative electrode. It is to provide.

本発明のリチウム二次電池は、ケイ素及び/またはケイ素合金を含む活物質粒子とバインダーと酸化リチウムとを含む合剤層を集電体上に配置して焼成した負極と、正極と、非水電解質とを備えることを特徴としている。   The lithium secondary battery of the present invention includes a negative electrode obtained by disposing an active material particle containing silicon and / or a silicon alloy, a binder layer containing a binder and lithium oxide on a current collector, and firing it, a positive electrode, and non-aqueous And an electrolyte.

本発明に従い、酸化リチウムを含む合剤層を集電体上に配置した後、焼成することにより、充放電サイクル特性に優れ、かつ高温貯蔵後における電池の厚み増加を抑制することができる。   In accordance with the present invention, the mixture layer containing lithium oxide is disposed on the current collector and then baked, whereby the charge / discharge cycle characteristics are excellent and the increase in battery thickness after high-temperature storage can be suppressed.

活物質粒子と酸化リチウムとバインダーとを含む合剤層を集電体の表面上で焼成した負極は、活物質粒子と集電体との密着性が良好であり、リチウムの吸蔵・放出時の活物質粒子の体積の膨張・収縮によっても、活物質粒子の集電体からの剥離が起こりにくく、高い集電性を得ることができる。焼成を行わない場合、負極に添加した酸化リチウムのため、リチウムの吸蔵・放出時の活物質の体積の膨張・収縮による応力緩和が不十分となり、極板強度が低下し、良好なサイクル特性が得られない。   The negative electrode obtained by firing a mixture layer containing active material particles, lithium oxide, and a binder on the surface of the current collector has good adhesion between the active material particles and the current collector, and is capable of absorbing and releasing lithium. Even when the volume of the active material particles is expanded or contracted, the active material particles are hardly peeled off from the current collector, and a high current collecting property can be obtained. When firing is not performed, the lithium oxide added to the negative electrode results in insufficient stress relaxation due to expansion and contraction of the volume of the active material during insertion and extraction of lithium, resulting in a decrease in electrode plate strength and good cycle characteristics. I can't get it.

負極合剤層中に添加された酸化リチウムは、合剤層中において均一に分散していることが好ましい。酸化リチウムは、負極合剤層中において均一に分散していることにより、リチウムの吸蔵・放出時の活物質の体積の変化の応力緩和が良好になる。また、高温貯蔵時において、負極表面で発生した二酸化炭素を負極近傍で即座に吸収することができる。   The lithium oxide added to the negative electrode mixture layer is preferably uniformly dispersed in the mixture layer. Since the lithium oxide is uniformly dispersed in the negative electrode mixture layer, the stress relaxation of the change in the volume of the active material during insertion and extraction of lithium is improved. In addition, carbon dioxide generated on the negative electrode surface can be immediately absorbed near the negative electrode during high-temperature storage.

本発明において、合剤層中に添加する酸化リチウムの粒子径は、特に限定されるものではないが、リチウムの吸蔵・放出時の活物質の体積変化による応力緩和を阻害しない程度に粒子径が小さいものであることが好ましい。酸化リチウムの平均粒子径は、好ましくは100μm以下であり、さらに好ましくは50μm以下であり、0.01〜10μmの範囲内であることがさらに好ましい。   In the present invention, the particle diameter of lithium oxide added to the mixture layer is not particularly limited, but the particle diameter is such that stress relaxation due to volume change of the active material at the time of occlusion / release of lithium is not hindered. It is preferable that it is small. The average particle diameter of lithium oxide is preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less, and further preferably in the range of 0.01 to 10 μm.

活物質粒子、酸化リチウム及びバインダーを均一に混合させる装置としては、ロールミル、アトライター、バールミル、ペブルミル、サンドミル、ケディミル、メカノフュージョン、らいかい機等が挙げられる。   Examples of the apparatus for uniformly mixing the active material particles, the lithium oxide and the binder include a roll mill, an attritor, a bar mill, a pebble mill, a sand mill, a kedy mill, a mechanofusion, and a raking machine.

酸化リチウムは、負極中に添加することが好ましく、負極以外の場所に添加しても二酸化炭素の吸収効果は小さい。これは、一度気体として発生した二酸化炭素を吸収するよりも、活物質が割れて非水電解質と接している活物質の新生の界面で二酸化炭素が発生した際に即座に吸収する方が、より効果的に二酸化炭素を吸収できるからである。   Lithium oxide is preferably added to the negative electrode, and even when added to a place other than the negative electrode, the carbon dioxide absorption effect is small. Rather than absorbing carbon dioxide once generated as a gas, it is better to absorb immediately when carbon dioxide is generated at the nascent interface of the active material where the active material breaks and is in contact with the non-aqueous electrolyte. This is because carbon dioxide can be absorbed effectively.

本発明において用いられる酸化リチウムは、負極合剤層中の含有量として活物質粒子に対して0.01〜5重量%の範囲内であることが好ましい。すなわち、負極活物質粒子100重量部に対し、0.01〜5重量部の範囲内であることが好ましい。   The lithium oxide used in the present invention is preferably in the range of 0.01 to 5% by weight with respect to the active material particles as the content in the negative electrode mixture layer. That is, it is preferably within a range of 0.01 to 5 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the negative electrode active material particles.

酸化リチウムの含有量が、負極活物質に対して5重量%を超えると、ケイ素を含む活物質の体積変化による応力緩和ができなくなるとともに、負極合剤層中に占める負極活物質の量が減少するため、十分な容量が得られなくなる場合がある。一方、酸化リチウムの含有量が負極活物質に対して0.01重量%未満になると、酸化リチウムの二酸化炭素の吸収量に限度があるため、二酸化炭素を吸収して高温貯蔵後の電池膨れ増加を抑制するという本発明の効果が十分に得られない場合がある。   When the content of lithium oxide exceeds 5% by weight with respect to the negative electrode active material, stress relaxation due to volume change of the active material containing silicon cannot be achieved, and the amount of negative electrode active material in the negative electrode mixture layer decreases. Therefore, a sufficient capacity may not be obtained. On the other hand, when the content of lithium oxide is less than 0.01% by weight with respect to the negative electrode active material, there is a limit to the amount of carbon dioxide absorbed by lithium oxide. In some cases, the effect of the present invention to suppress the effect cannot be sufficiently obtained.

本発明のリチウム二次電池に用いる非水電解質の溶媒は、特に限定されるものではないが、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの環状カーボネートや、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの鎖状カーボネートが挙げられる。特に、エチレンカーボネートが好ましく用いられる。また、環状カーボネートと鎖状カーボネートの混合溶媒を好ましく用いることができる。このような混合溶媒としては、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを含んでいることが特に好ましい。また、上記環状カーボネートと、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタンなどのエーテル系溶媒や、γ−ブチロラクトン、スルホラン、酢酸メチル等の鎖状エステル等との混合溶媒も例示される。   The solvent of the non-aqueous electrolyte used in the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited, but cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, diethyl Examples include chain carbonates such as carbonate. In particular, ethylene carbonate is preferably used. In addition, a mixed solvent of a cyclic carbonate and a chain carbonate can be preferably used. Such a mixed solvent particularly preferably contains ethylene carbonate and diethyl carbonate. Further, mixed solvents of the above cyclic carbonate and ether solvents such as 1,2-dimethoxyethane and 1,2-diethoxyethane, and chain esters such as γ-butyrolactone, sulfolane, and methyl acetate are also exemplified. .

また、非水電解質の溶質としては、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C25SO2)2、LiN(CF3SO2)(C49SO2)、LiC(CF3SO2)3、LiC(C25SO2)3、LiAsF6、LiClO4、Li210Cl10、Li212Cl12など及びそれらの混合物が例示される。また、LiXFy(式中、XはP、As、Sb、B、Bi、Al、Ga、またはInであり、XがP、AsまたはSbのときyは6であり、XがBi、Al、Ga、またはInのときyは4である)と、リチウムペルフルオロアルキルスルホン酸イミドLiN(Cm2m+1SO2)(Cn2n+1SO2)(式中、m及びnはそれぞれ独立して1〜4の整数である)またはリチウムペルフルオロアルキルスルホン酸メチドLiC(Cp2p+1SO2)(Cq2q+1SO2)(Cr2r+1SO2)(式中、p、q及びrはそれぞれ独立して1〜4の整数である)との混合溶質を用いてもよい。これらの中でも、LiPF6が特に好ましく用いられる。 The solutes of the nonaqueous electrolyte include LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2), LiC (CF 3 SO 2) 3, LiC (C 2 F 5 SO 2) 3, LiAsF 6, LiClO 4, Li 2 B 10 Cl 10, Li 2 B 12 Cl 12 and the like and their Mixtures are exemplified. LiXF y (wherein X is P, As, Sb, B, Bi, Al, Ga, or In, and when X is P, As, or Sb, y is 6, and X is Bi, Al, Ga or a y is 4) when the in, lithium perfluoroalkyl sulfonic acid imide LiN (C m F 2m + 1 SO 2) (C n F 2n + 1 SO 2) ( wherein, m and n are each, independently an integer of 1 to 4) or lithium perfluoroalkyl sulfonic acid methide LiC (C p F 2p + 1 SO 2) (C q F 2q + 1 SO 2) (C r F 2r + 1 SO 2) ( In the formula, p, q and r are each independently an integer of 1 to 4, and a mixed solute may be used. Among these, LiPF 6 is particularly preferably used.

本発明のリチウム二次電池の電解質は、リチウムイオン導電性を発現させる溶質としてのリチウム化合物とこれを溶解・保持する溶媒が電池の充電時や放電時あるいは保存時の電圧で分解しない限り、制約なく用いることができる。   The electrolyte of the lithium secondary battery of the present invention is limited as long as the lithium compound as a solute that develops lithium ion conductivity and the solvent that dissolves and retains the lithium compound are not decomposed by the voltage at the time of charging, discharging or storing the battery. Can be used without any problem.

また、本発明においては、非水電解質に、二酸化炭素が溶解されていることが好ましい。負極にケイ素を含む活物質を用い、非水電解質に二酸化炭素を溶解させた場合、優れた充放電サイクル特性が得られるからである。   In the present invention, it is preferable that carbon dioxide is dissolved in the nonaqueous electrolyte. This is because when the active material containing silicon is used for the negative electrode and carbon dioxide is dissolved in the nonaqueous electrolyte, excellent charge / discharge cycle characteristics can be obtained.

しかしながら、非水電解質に二酸化炭素を溶解させた場合、良好な充放電サイクル特性が得られる一方、二酸化炭素を溶解させない場合に比べ、高温貯蔵時における二酸化炭素の発生量が大きくなるという問題がある。しかしながら、本発明に従い、酸化リチウムを負極中に含有させておくことにより、発生した二酸化炭素を、負極中に含有させた酸化リチウムが有効に吸収するため、電池膨れを抑制することができる。これにより、さらに良好な充放電サイクル特性を得ることができ、高温貯蔵時の電池膨れ低減との両立が可能となる。   However, when carbon dioxide is dissolved in the non-aqueous electrolyte, good charge / discharge cycle characteristics can be obtained. On the other hand, compared with the case where carbon dioxide is not dissolved, the amount of carbon dioxide generated during high-temperature storage is increased. . However, in accordance with the present invention, by containing lithium oxide in the negative electrode, the generated carbon dioxide is effectively absorbed by the lithium oxide contained in the negative electrode, so that battery swelling can be suppressed. As a result, even better charge / discharge cycle characteristics can be obtained, and both battery swelling reduction during high-temperature storage can be achieved.

非水電解質に溶解させる二酸化炭素の量は、0.01重量%以上であることが好ましく、さらに好ましくは0.05重量%以上であり、さらに好ましくは0.1重量%以上である。通常は、非水電解質に二酸化炭素を飽和するまで溶解させることが好ましい。   The amount of carbon dioxide dissolved in the nonaqueous electrolyte is preferably 0.01% by weight or more, more preferably 0.05% by weight or more, and further preferably 0.1% by weight or more. Usually, it is preferable to dissolve carbon dioxide in the nonaqueous electrolyte until it is saturated.

二酸化炭素の溶解量は、例えば、二酸化炭素を溶解させた後の非水電解質の重量と、二酸化炭素を溶解させる前の非水電解質の重量を測定することにより求めることができる。   The amount of carbon dioxide dissolved can be determined, for example, by measuring the weight of the non-aqueous electrolyte after dissolving carbon dioxide and the weight of the non-aqueous electrolyte before dissolving carbon dioxide.

本発明において用いる負極活物質粒子としては、ケイ素及び/またはケイ素合金の粒子が挙げられる。ケイ素合金としては、ケイ素と他の1種以上の元素との固溶体、ケイ素と他の1種以上の元素との金属間化合物、ケイ素と他の1種以上の元素との共晶合金などが挙げられる。合金の作製方法としては、アーク溶解法、液体急冷法、メカニカルアロイング法、スパッタリング法、化学気相成長法、焼成法などが挙げられる。特に、液体急冷法としては、単ロール急冷法、双ロール急冷法、及びガスアトマイズ法、水アトマイズ法、ディスクアトマイズ法などの各種アトマイズ法が挙げられる。   Examples of the negative electrode active material particles used in the present invention include silicon and / or silicon alloy particles. Examples of silicon alloys include solid solutions of silicon and one or more other elements, intermetallic compounds of silicon and one or more other elements, and eutectic alloys of silicon and one or more other elements. It is done. Examples of the method for producing the alloy include an arc melting method, a liquid quenching method, a mechanical alloying method, a sputtering method, a chemical vapor deposition method, and a firing method. In particular, examples of the liquid quenching method include a single roll quenching method, a twin roll quenching method, and various atomizing methods such as a gas atomizing method, a water atomizing method, and a disk atomizing method.

また、本発明において用いる負極活物質粒子としては、ケイ素及び/またはケイ素合金の粒子表面を金属等で被覆したものを用いてもよい。被覆方法としては、無電解めっき法、電解めっき法、化学還元法、蒸着法、スパッタリング法、化学気相成長法などが挙げられる。粒子表面を被覆する金属としては、集電体として用いる金属箔と同じ金属であることが好ましい。金属箔と同じ金属を被覆することにより、焼結の際の集電体との結合性が大きく向上し、さらに優れた充放電サイクル特性を得ることができる。   In addition, as the negative electrode active material particles used in the present invention, particles obtained by coating the surfaces of silicon and / or silicon alloy particles with metal or the like may be used. Examples of the coating method include an electroless plating method, an electrolytic plating method, a chemical reduction method, a vapor deposition method, a sputtering method, and a chemical vapor deposition method. The metal covering the particle surface is preferably the same metal as the metal foil used as the current collector. By coating the same metal as the metal foil, the bonding property with the current collector during sintering is greatly improved, and further excellent charge / discharge cycle characteristics can be obtained.

本発明において用いる負極活物質粒子には、リチウムと合金化する材料からなる粒子が含まれていてもよい。リチウムを合金化する材料としては、ゲルマニウム、錫、鉛、亜鉛、マグネシウム、ナトリウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム及びこれらの合金などが挙げられる。   The negative electrode active material particles used in the present invention may contain particles made of a material alloyed with lithium. Examples of materials for alloying lithium include germanium, tin, lead, zinc, magnesium, sodium, aluminum, gallium, indium, and alloys thereof.

本発明において用いる負極活物質粒子の平均粒子径は、特に限定されないが、効果的な焼結を行うためには、100μm以下であることが好ましく、さらに好ましくは50μm以下、最も好ましくは10μm以下である。活物質粒子の粒子径が小さいほど、良好なサイクル特性が得られる傾向にある。   The average particle diameter of the negative electrode active material particles used in the present invention is not particularly limited, but for effective sintering, it is preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less, and most preferably 10 μm or less. is there. As the particle diameter of the active material particles is smaller, good cycle characteristics tend to be obtained.

平均粒子径の小さい活物質粒子を用いることにより、充放電反応でのリチウムの吸蔵・放出に伴う活物質粒子の体積の膨張・収縮の絶対量が小さくなるため、充放電反応時の電極内での活物質粒子間の歪みの絶対量も小さくなるので、バインダーの破壊が生じず、電極内の集電性の低下を抑制することができ、良好な充放電特性を得ることができる。   By using active material particles with a small average particle diameter, the absolute amount of volume expansion / contraction of the active material particles associated with insertion / extraction of lithium in the charge / discharge reaction is reduced. Since the absolute amount of strain between the active material particles is also reduced, the binder is not broken, the decrease in the current collecting property in the electrode can be suppressed, and good charge / discharge characteristics can be obtained.

また、活物質粒子の粒度分布は、できる限り狭いことが好ましい。幅広い粒度分布であると、粒度が大きく異なる活物質粒子間において、リチウムの吸蔵・放出に伴う体積の膨張・収縮の絶対量に大きな差が存在することになるため、合剤層内で歪みが生じ、バインダーの破壊が生じる。このため、電極内の集電性が低下し、充放電サイクル特性が低下する。   The particle size distribution of the active material particles is preferably as narrow as possible. If the particle size distribution is wide, there will be a large difference in the absolute volume expansion / contraction due to the insertion / desorption of lithium between active material particles with greatly different particle sizes. Resulting in binder breakage. For this reason, the current collection property in an electrode falls and charging / discharging cycling characteristics fall.

本発明における負極集電体は、合剤層が配置される表面の算術平均粗さRaが、0.2μm以上であることが好ましい。このような算術平均粗さRaの表面を有する集電体を用いることにより、合剤層と集電体との接触面積を大きくすることができ、合剤層と集電体との密着性を向上させることができる。このため、電極内の集電性をさらに向上させることができる。特に、本発明においては、負極集電体の上に合剤層を配置した後、焼成して合剤層を焼結させているため、このように表面の算術平均粗さRaを有する負極集電体を用いることにより、活物質粒子と集電体との接触面積が大きくなり、焼結によって効果的に活物質粒子と集電体との密着性を大きく向上させることができる。また、集電体表面の凹凸部分にバインダーが入り込むことにより、バインダーと集電体との間にアンカー効果が発現するため、さらに高い密着性が得られる。このため、リチウムの吸蔵・放出に伴う活物質粒子の体積の膨張・収縮による合剤層の集電体からの剥離が効果的に抑制できる。集電体の両面に合剤層を配置する場合には、集電体の両面の算術平均粗さRaが0.2μm以上であることが好ましい。   The negative electrode current collector in the present invention preferably has an arithmetic average roughness Ra of the surface on which the mixture layer is disposed is 0.2 μm or more. By using a current collector having a surface with such an arithmetic average roughness Ra, the contact area between the mixture layer and the current collector can be increased, and the adhesion between the mixture layer and the current collector can be increased. Can be improved. For this reason, the current collection property in an electrode can further be improved. In particular, in the present invention, since the mixture layer is disposed on the negative electrode current collector and then fired to sinter the mixture layer, the negative electrode collector having the arithmetic average roughness Ra of the surface is thus obtained. By using the current collector, the contact area between the active material particles and the current collector is increased, and the adhesion between the active material particles and the current collector can be effectively improved by sintering. Further, when the binder enters the uneven portion on the surface of the current collector, an anchor effect is exhibited between the binder and the current collector, so that higher adhesion can be obtained. For this reason, peeling of the mixture layer from the current collector due to expansion / contraction of the volume of the active material particles accompanying insertion / release of lithium can be effectively suppressed. When the mixture layer is disposed on both sides of the current collector, the arithmetic average roughness Ra on both sides of the current collector is preferably 0.2 μm or more.

算術平均粗さRaは、日本工業規格(JIS B 0601−1994)に定められている。算術平均粗さRaは、例えば、表面粗さ計により測定することができる。   The arithmetic average roughness Ra is defined in Japanese Industrial Standard (JIS B 0601-1994). The arithmetic average roughness Ra can be measured by, for example, a surface roughness meter.

上記の算術平均粗さRaと局部山頂の平均間隔Sは、100Ra≧Sの関係を有することが好ましい。局部山頂の平均間隔Sは、日本工業規格(JIS B 0601−1994)に定められており、例えば、表面粗さ計により測定することができる。   The arithmetic average roughness Ra and the average interval S between the local peaks are preferably 100Ra ≧ S. The average distance S between the local peaks is determined by Japanese Industrial Standard (JIS B 0601-1994), and can be measured by, for example, a surface roughness meter.

本発明において、負極集電体の厚みは特に限定されるものではないが、10〜100μmの範囲であることが好ましい。   In the present invention, the thickness of the negative electrode current collector is not particularly limited, but is preferably in the range of 10 to 100 μm.

本発明において、負極集電体表面の算術平均粗さRaの上限は、特に限定されるものではないが、集電体の厚みが10〜100μmの範囲であることが好ましいので、集電体表面の算術平均粗さRaの上限は実質的には10μm以下であることが好ましい。   In the present invention, the upper limit of the arithmetic mean roughness Ra of the negative electrode current collector surface is not particularly limited, but the current collector surface is preferably in the range of 10 to 100 μm. It is preferable that the upper limit of the arithmetic average roughness Ra is substantially 10 μm or less.

本発明における負極集電体としては、導電性金属箔が好ましく用いられる。このような導電性金属箔としては、例えば、銅、ニッケル、鉄、チタン、コバルト等の金属またはこれらの組み合わせからなる合金のものを挙げることができる。特に、活物質材料中に拡散しやすい金属元素を含有するものが好ましい。このようなものとして、銅元素を含む金属箔、特に銅箔または銅合金箔が挙げられる。銅は、熱処理によって活物質であるケイ素材料中に拡散しやすいため、集電体と活物質材料との密着性が焼結により向上することが期待できる。また、このような焼結による集電体と活物質材料の密着性の向上を目的とする場合、活物質と接する集電体表面に銅元素を含む層が存在する金属箔を集電体として用いればよい。従って、銅以外の金属元素からなる金属箔を用いる場合には、その表面に銅または銅合金層を形成することが好ましい。   As the negative electrode current collector in the present invention, a conductive metal foil is preferably used. As such a conductive metal foil, for example, a metal such as copper, nickel, iron, titanium, cobalt, or an alloy made of a combination thereof can be exemplified. In particular, those containing a metal element that easily diffuses into the active material are preferable. As such a thing, the metal foil containing a copper element, especially copper foil or copper alloy foil is mentioned. Since copper easily diffuses into the silicon material as the active material by heat treatment, it can be expected that the adhesion between the current collector and the active material is improved by sintering. In addition, when the purpose of improving the adhesion between the current collector and the active material is through such sintering, a metal foil having a layer containing a copper element on the surface of the current collector in contact with the active material is used as the current collector. Use it. Accordingly, when a metal foil made of a metal element other than copper is used, it is preferable to form a copper or copper alloy layer on the surface thereof.

上述のように、本発明において用いる負極集電体は、上述のように、その表面に大きな凹凸を有することが好ましい。このため、耐熱性銅合金箔表面の算術平均粗さRaが十分に大きくない場合には、その箔表面に電解銅または電解銅合金を設けることにより、その表面に大きな凹凸を設けてもよい。電解銅層及び電解銅合金層は、電解法により形成することができる。   As described above, the negative electrode current collector used in the present invention preferably has large irregularities on the surface thereof as described above. For this reason, when the arithmetic average roughness Ra of the heat-resistant copper alloy foil surface is not sufficiently large, large irregularities may be provided on the surface by providing electrolytic copper or an electrolytic copper alloy on the foil surface. The electrolytic copper layer and the electrolytic copper alloy layer can be formed by an electrolytic method.

また、本発明においては、負極集電体の表面に大きな凹凸を形成するため、粗面化処理を施してもよい。このような粗面化処理としては、気相成長法、エッチング法、及び研磨法などが挙げられる。気相成長法としては、スパッタリング法、CVD法、蒸着法などが挙げられる。エッチング法としては、物理的エッチングや化学的エッチングによる方法が挙げられる。研磨法としては、サンドペーパーによる研磨やブラスト法による研磨などが挙げられる。   In the present invention, a roughening treatment may be performed to form large irregularities on the surface of the negative electrode current collector. Examples of such roughening treatment include a vapor phase growth method, an etching method, and a polishing method. Examples of the vapor phase growth method include a sputtering method, a CVD method, and a vapor deposition method. Examples of the etching method include a physical etching method and a chemical etching method. Examples of the polishing method include polishing by sandpaper and polishing by a blast method.

本発明において、負極合剤層の厚みXは、負極集電体の厚みY及びその表面の算術平均粗さRaと、5Y≧X、及び250Ra≧Xの関係を有することが好ましい。合剤層の厚みXが、5Yまたは250Raを超える場合、合剤層が、集電体から剥離する場合がある。   In the present invention, the thickness X of the negative electrode mixture layer preferably has a relationship of 5Y ≧ X and 250Ra ≧ X with the thickness Y of the negative electrode current collector and the arithmetic average roughness Ra of the surface thereof. When the thickness X of the mixture layer exceeds 5Y or 250Ra, the mixture layer may peel from the current collector.

負極合剤層の厚みXは、特に限定されるものではないが、1000μm以下が好ましく、さらに好ましくは10μm〜100μmである。   The thickness X of the negative electrode mixture layer is not particularly limited, but is preferably 1000 μm or less, and more preferably 10 μm to 100 μm.

本発明において用いる負極バインダーは、焼結(焼成)のための熱処理後も完全に分解せずに残存しているものが好ましい。熱処理後もバインダーが分解せずに残存していることにより、焼結による活物質粒子と集電体間及び活物質粒子間の密着性の向上に加え、バインダーによる結着力も加わり、密着性をさらに高めることができる。また、算術平均粗さRaが0.2μm以上の金属箔を集電体として用いる場合、集電体の表面の凹凸部分にバインダーが入り込むことにより、バインダーと集電体の間にアンカー効果が発現し、さらに密着性が向上する。このため、リチウムの吸蔵・放出の際の活物質の体積の膨張・収縮による集電体からの活物質層の脱離を抑制することができ、良好な充放電サイクル特性を得ることができる。   The negative electrode binder used in the present invention is preferably one that remains without being completely decomposed even after heat treatment for sintering (firing). Since the binder remains without being decomposed even after the heat treatment, in addition to improving the adhesion between the active material particles and the current collector and between the active material particles by sintering, the binding force by the binder is also added, thereby improving the adhesion. It can be further increased. In addition, when a metal foil having an arithmetic average roughness Ra of 0.2 μm or more is used as a current collector, an anchor effect is manifested between the binder and the current collector due to the binder entering the irregularities on the surface of the current collector. In addition, the adhesion is further improved. For this reason, detachment | desorption of the active material layer from the electrical power collector by expansion / contraction of the volume of the active material at the time of occlusion / release of lithium can be suppressed, and favorable charge / discharge cycle characteristics can be obtained.

本発明における負極バインダーとしては、ポリイミドが好ましく用いられる。ポリイミドとしては、熱可塑性ポリイミド、熱硬化性ポリイミドが挙げられる。ポリイミドとしては、特に熱可塑性ポリイミドが好ましく用いられる。負極バインダーとして、ガラス転移温度を有する熱可塑性ポリイミドを用いる場合、ガラス転移温度より高い温度で負極を熱処理することにより、バインダーが活物質粒子や集電体と熱融着するので、密着性が大きく向上し、電極内の集電性を大きく向上させることができる。すなわち、負極合剤層と導電性金属箔負極集電体との焼結のための熱処理の温度が、負極バインダーのガラス転移温度より高ければ、焼結による密着性向上の効果に加え、バインダーの熱融着による密着性向上の効果も得られるため、電極内の集電性を大きく向上させることができる。   As the negative electrode binder in the present invention, polyimide is preferably used. Examples of the polyimide include thermoplastic polyimide and thermosetting polyimide. As the polyimide, thermoplastic polyimide is particularly preferably used. When a thermoplastic polyimide having a glass transition temperature is used as the negative electrode binder, heat treatment of the negative electrode at a temperature higher than the glass transition temperature results in the binder being thermally fused to the active material particles and the current collector, resulting in high adhesion. It is possible to greatly improve the current collecting property in the electrode. That is, if the temperature of the heat treatment for sintering the negative electrode mixture layer and the conductive metal foil negative electrode current collector is higher than the glass transition temperature of the negative electrode binder, in addition to the effect of improving adhesion by sintering, Since the effect of improving the adhesion by heat fusion is also obtained, the current collecting property in the electrode can be greatly improved.

なお、ポリイミドは、ポリアミド酸を熱処理することによっても得ることができる。ポリアミド酸の熱処理により得られるポリイミドは、ポリアミド酸が熱処理により脱水縮合してポリイミドとなるものである。ポリイミドのイミド化率は80%以上のものが好ましい。イミド化率とは、ポリイミド前駆体(ポリアミド酸)に対する生成したポリイミドのモル%である。イミド化率80%以上のものは、例えば、ポリアミド酸のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)溶液を100〜400℃の温度で1時間以上熱処理することにより得ることができる。例えば、350℃で熱処理する場合、熱処理時間が約1時間でイミド化率80%となり、約3時間でイミド化率は100%となる。   Polyimide can also be obtained by heat treatment of polyamic acid. The polyimide obtained by the heat treatment of the polyamic acid is one in which the polyamic acid is dehydrated and condensed by the heat treatment to become a polyimide. The imidation ratio of polyimide is preferably 80% or more. The imidation ratio is a mol% of the generated polyimide with respect to the polyimide precursor (polyamic acid). Those having an imidization rate of 80% or more can be obtained, for example, by heat-treating a polyamic acid N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solution at a temperature of 100 to 400 ° C. for 1 hour or more. For example, when heat treatment is performed at 350 ° C., the imidization rate becomes 80% after about 1 hour, and the imidation rate becomes 100% after about 3 hours.

本発明においては、焼結のための熱処理後もバインダーは完全に分解せずに残存していることが好ましいので、バインダーとしてポリイミドを用いる場合は、ポリイミドが完全に分解しない600℃以下で焼結処理を行うことが好ましい。   In the present invention, it is preferable that the binder remains without being completely decomposed even after the heat treatment for sintering. Therefore, when polyimide is used as the binder, sintering is performed at 600 ° C. or lower where the polyimide is not completely decomposed. It is preferable to carry out the treatment.

本発明において、負極合剤層中のバインダーの量は、合剤層の総重量の5重量%以上であることが好ましい。また、バインダーの占める体積は、合剤層の総体積の5%以上であることが好ましい。合剤層におけるバインダー量が少な過ぎると、バインダーによる電極内の密着性が不十分となる場合がある。また、合剤層中のバインダー量が多過ぎると、電極内の抵抗が増加するため、初期の充電が困難になる場合がある。従って、合剤層中のバインダー量は総重量の50重量%以下であることが好ましく、バインダーの占める体積は、合剤層の総体積の50%以下であることが好ましい。   In the present invention, the amount of the binder in the negative electrode mixture layer is preferably 5% by weight or more of the total weight of the mixture layer. The volume occupied by the binder is preferably 5% or more of the total volume of the mixture layer. If the amount of the binder in the mixture layer is too small, the adhesiveness within the electrode due to the binder may be insufficient. In addition, if the amount of the binder in the mixture layer is too large, the resistance in the electrode increases, so that initial charging may be difficult. Therefore, the amount of binder in the mixture layer is preferably 50% by weight or less of the total weight, and the volume occupied by the binder is preferably 50% or less of the total volume of the mixture layer.

本発明において用いる正極活物質としては、LiCoO2、LiNiO2、LiMn24、LiMnO2、LiCo0.5Ni0.52、LiNi0.7Co0.2Mn0.12などのリチウム含有遷移金属酸化物や、MnO2などのリチウムを含有していない金属酸化物が例示される。また、この他にも、リチウムを電気化学的に挿入、脱離する物質であれば、制限なく用いることができる。 Examples of the positive electrode active material used in the present invention include lithium-containing transition metal oxides such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiMnO 2 , LiCo 0.5 Ni 0.5 O 2 , LiNi 0.7 Co 0.2 Mn 0.1 O 2 , MnO Examples include metal oxides such as 2 that do not contain lithium. In addition, any substance that electrochemically inserts and desorbs lithium can be used without limitation.

本発明において用いる正極バインダーとしては、リチウム二次電池の電極のバインダーとして用いることができるものであれば、制限なく用いることができる。例えば、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ素系樹脂や、負極バインダーとして好ましく用いられるポリイミド樹脂などを用いることができる。   The positive electrode binder used in the present invention can be used without limitation as long as it can be used as a binder for an electrode of a lithium secondary battery. For example, a fluorine resin such as polyvinylidene fluoride, a polyimide resin preferably used as a negative electrode binder, or the like can be used.

本発明のリチウム二次電池用負極の製造方法は、ケイ素及び/またはケイ素合金を含む活物質粒子及び酸化リチウムをバインダー溶液中に混合分散させたスラリーを集電体の表面上に塗布することにより、活物質粒子、バインダー及び酸化リチウムを含む合剤層を集電体上に配置する工程と、合剤層を集電体上に配置した状態で合剤層を焼成する工程とを備えることを特徴としている。   In the method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery according to the present invention, a slurry in which active material particles containing silicon and / or a silicon alloy and lithium oxide are mixed and dispersed in a binder solution is applied on the surface of the current collector. A step of disposing a mixture layer containing active material particles, a binder and lithium oxide on the current collector, and a step of firing the mixture layer in a state where the mixture layer is disposed on the current collector. It is a feature.

本発明の製造方法においては、合剤層を集電体上に配置した状態で合剤層を焼成し、合剤層を焼結させている。このような焼成は、例えば、真空下または窒素雰囲気下またはアルゴンなどの非酸化性雰囲気下で行なうことが好ましい。水素雰囲気などの還元性雰囲気下で行なってもよい。焼成する際の熱処理の温度は、集電体及び活物質粒子の融点以下の温度であることが好ましい。例えば、集電体として銅箔を用いる場合には、その融点である1080℃以下であることが好ましい。さらに好ましい焼成温度は、200〜500℃の範囲内であり、さらに好ましくは300〜450℃の範囲内である。焼成する方法としては、放電プラズマ焼結法やホットプレス法を用いてもよい。   In the production method of the present invention, the mixture layer is fired in a state where the mixture layer is disposed on the current collector, and the mixture layer is sintered. Such firing is preferably performed in a vacuum, a nitrogen atmosphere, or a non-oxidizing atmosphere such as argon. It may be performed in a reducing atmosphere such as a hydrogen atmosphere. The temperature of the heat treatment at the time of firing is preferably a temperature not higher than the melting points of the current collector and the active material particles. For example, when copper foil is used as the current collector, the melting point is preferably 1080 ° C. or lower. A more preferable firing temperature is in the range of 200 to 500 ° C, and more preferably in the range of 300 to 450 ° C. As a firing method, a discharge plasma sintering method or a hot press method may be used.

また、酸化リチウムは、大気中の水分や二酸化炭素と反応して水酸化リチウムや炭酸リチウムに変化してしまうので、負極合剤層中に添加した酸化リチウムの一部も、負極製造工程において、水酸化リチウムや炭酸リチウムに変化していることが考えられる。酸化リチウムは、炭酸リチウムを減圧下に、加熱することにより得られるため、本発明に従い焼成工程を行なうことにより、負極合剤層中の水酸化リチウムや炭酸リチウムを再び酸化リチウムに変化させることができ、酸化リチウムが有するガス吸収剤としての効果をさらに高めることができる。   In addition, since lithium oxide reacts with moisture and carbon dioxide in the atmosphere and changes to lithium hydroxide and lithium carbonate, part of the lithium oxide added to the negative electrode mixture layer is also used in the negative electrode manufacturing process. It is thought that it has changed to lithium hydroxide or lithium carbonate. Since lithium oxide is obtained by heating lithium carbonate under reduced pressure, lithium hydroxide and lithium carbonate in the negative electrode mixture layer can be changed again to lithium oxide by performing a firing step according to the present invention. In addition, the effect of lithium oxide as a gas absorbent can be further enhanced.

また、本発明の製造方法においては、集電体上に合剤層を配置した後、焼成する前に合剤層を集電体とともに圧延することが好ましい。このような圧延により、合剤層における充填密度を高めることができ、活物質粒子間の密着性及び活物質粒子と集電体との密着性を高めることができ、さらに良好な充放電サイクル特性が得ることができる。また、圧延することにより、負極合剤に添加した酸化リチウムが活物質粒子とより密着するため、高温貯蔵時に負極表面で発生した二酸化炭素を即座に吸収することができ、電池膨れをより効果的に抑制することできる。   Moreover, in the manufacturing method of this invention, after arrange | positioning a mixture layer on a collector, it is preferable to roll a mixture layer with a collector before baking. By such rolling, the packing density in the mixture layer can be increased, the adhesion between the active material particles and the adhesion between the active material particles and the current collector can be improved, and further favorable charge / discharge cycle characteristics Can be obtained. In addition, by rolling, the lithium oxide added to the negative electrode mixture is more closely attached to the active material particles, so that carbon dioxide generated on the negative electrode surface during high-temperature storage can be immediately absorbed, and battery swelling is more effective. Can be suppressed.

本発明によれば、負極活物質としてケイ素を含む活物質を用いたリチウム二次電池において、高温貯蔵時のガスの発生を抑制し、高温貯蔵後の電池の膨れを抑制することができるとともに、良好な充放電サイクル特性を得ることができる。   According to the present invention, in a lithium secondary battery using an active material containing silicon as a negative electrode active material, the generation of gas during high-temperature storage can be suppressed, and swelling of the battery after high-temperature storage can be suppressed. Good charge / discharge cycle characteristics can be obtained.

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能なものである。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. However, the present invention is not limited to the following examples, and can be implemented with appropriate modifications within a range not changing the gist thereof. Is.

(実施例1)
〔負極の作製〕
溶媒としてのN−メチル−2−ピロリドンに、活物質材料としての平均粒子径5.5μmのケイ素粉末(純度99.9%)、酸化リチウム(平均粒子径5μm)、及びバインダーとしてのポリイミドを、重量比が9:0.18(ケイ素粉末に対して2重量%):1となるように混合して添加し、負極合剤スラリーを作製した。
Example 1
(Production of negative electrode)
To N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent, silicon powder having an average particle size of 5.5 μm as an active material (purity 99.9%), lithium oxide (average particle size 5 μm), and polyimide as a binder, It mixed and added so that a weight ratio might be set to 9: 0.18 (2 weight% with respect to silicon powder): 1, and the negative mix slurry was produced.

この負極合剤スラリーを、集電体である表面粗さ(算術平均粗さ)Raが0.5μmである電解銅箔(厚み35μm)の片面(粗面)に塗布し、乾燥した。得られたものを380×52mmの長方形状に切り抜き、圧延した後、アルゴン雰囲気下で400℃、1時間熱処理(焼成)し、焼結して負極を作製した。   This negative electrode mixture slurry was applied to one side (rough surface) of an electrolytic copper foil (thickness 35 μm) having a surface roughness (arithmetic average roughness) Ra as a current collector of 0.5 μm and dried. The obtained product was cut into a rectangular shape of 380 × 52 mm, rolled, and then heat-treated (fired) at 400 ° C. for 1 hour in an argon atmosphere, and sintered to prepare a negative electrode.

〔正極の作製〕
出発原料として、Li2CO3及びCoCO3を用いて、Li:Coの原子比が1:1となるように秤量して乳鉢で混合し、これを直径17mmの金型でプレスし、加圧成形した後、空気中において、800℃、24時間焼成し、LiCoO2の焼成体を得た。これを乳鉢で粉砕し、平均粒径20μmに調製した。
[Production of positive electrode]
Using Li 2 CO 3 and CoCO 3 as starting materials, weigh them so that the atomic ratio of Li: Co is 1: 1, mix them in a mortar, press this with a 17 mm diameter mold, pressurize After the molding, it was fired in the air at 800 ° C. for 24 hours to obtain a LiCoO 2 fired body. This was pulverized in a mortar to prepare an average particle size of 20 μm.

得られたLiCoO2粉末94重量部と、導電剤として人工黒鉛粉末3重量部を、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン3重量部を含む5重量%のN−メチルピロリドン溶液に混合し、正極合剤スラリーとした。 94 parts by weight of the obtained LiCoO 2 powder and 3 parts by weight of artificial graphite powder as a conductive agent were mixed in a 5% by weight N-methylpyrrolidone solution containing 3 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder. An agent slurry was obtained.

この正極合剤スラリーを、集電体であるアルミニウム箔の上に塗布し、乾燥した後圧延した。得られたものを402mm×50mmに切り抜き、正極とした。   This positive electrode mixture slurry was applied onto an aluminum foil as a current collector, dried and then rolled. The obtained product was cut out to 402 mm × 50 mm to obtain a positive electrode.

〔非水電解質の作製〕
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比3:7で混合した溶媒に対し、LiPF6を1モル/リットル溶解して作製した非水電解質に、25℃において10分間二酸化炭素を吹き込み、二酸化炭素を飽和量となるまで溶解させた非水電解質を作製した。二酸化炭素の溶解量は、0.37重量%であった。
[Production of non-aqueous electrolyte]
Carbon dioxide is blown into a non-aqueous electrolyte prepared by dissolving 1 mol / liter of LiPF 6 in a solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate are mixed at a volume ratio of 3: 7 at 25 ° C. for 10 minutes. A non-aqueous electrolyte dissolved until was obtained. The amount of carbon dioxide dissolved was 0.37% by weight.

〔電池の作製〕
上記の負極、正極及び非水電解質をアルミニウムラミネートの外装体内に挿入したリチウム二次電池A1を作製した。
[Production of battery]
A lithium secondary battery A1 in which the negative electrode, the positive electrode, and the nonaqueous electrolyte were inserted into an aluminum laminate outer package was produced.

図1は、作製したリチウム二次電池を示す正面図である。図2は、図1のA−A線に沿う断面図である。正極及び負極はポリエチレン製多孔質体からなるセパレータを介して対向するように捲回し、電極体15として、図2に示すようにアルミニウムラミネートからなる外装体11内に挿入されている。正極にはアルミニウムからなる正極集電タブ13が取り付けられ、負極にはニッケルからなる負極集電タブ14が取り付けられ、これらは外装体11から外部に引き出されている。図1及び図2に示すように、外装体11の周辺はヒートシールにより閉口部12が形成されている。   FIG. 1 is a front view showing the produced lithium secondary battery. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. The positive electrode and the negative electrode are wound so as to face each other through a separator made of a polyethylene porous body, and are inserted as an electrode body 15 into an exterior body 11 made of an aluminum laminate as shown in FIG. A positive electrode current collecting tab 13 made of aluminum is attached to the positive electrode, and a negative electrode current collecting tab 14 made of nickel is attached to the negative electrode, and these are drawn out from the exterior body 11 to the outside. As shown in FIG.1 and FIG.2, the closing part 12 is formed in the periphery of the exterior body 11 by heat sealing.

(比較例1)
実施例1の負極の作製において、圧延後、熱処理を行わないこと以外は、実施例1と同様の構成の電池B1を作製した。
(Comparative Example 1)
In the production of the negative electrode of Example 1, a battery B1 having the same configuration as that of Example 1 was produced, except that heat treatment was not performed after rolling.

(比較例2)
実施例1の負極の作製において、酸化リチウムを添加せず、また熱処理を行わないこと以外は、実施例1と同様の構成の電池B2を作製した。
(Comparative Example 2)
A battery B2 having the same configuration as that of Example 1 was prepared except that lithium oxide was not added and heat treatment was not performed in the production of the negative electrode of Example 1.

(比較例3)
実施例1の負極の作製において、酸化リチウムを添加しないこと以外は、実施例1と同様の構成の電池B3を作製した。
(Comparative Example 3)
In the production of the negative electrode of Example 1, a battery B3 having the same configuration as that of Example 1 was produced, except that lithium oxide was not added.

〔充放電サイクル特性の評価〕
上記のようにして作製したリチウム二次電池A1及びB1〜B3について、充放電サイクル試験を行った。各電池を、25℃において、電流値600mAで4.2Vまで充電した後、電流値600mAで2.75Vまで放電し、これを1サイクルの充放電とした。1サイクル目の放電容量の80%に達するまでのサイクル数を測定し、サイクル寿命とした。なお、各電池のサイクル寿命は、電池B3のサイクル寿命を100とした指数である。
[Evaluation of charge / discharge cycle characteristics]
The lithium secondary batteries A1 and B1 to B3 produced as described above were subjected to a charge / discharge cycle test. Each battery was charged to 4.2 V at a current value of 600 mA at 25 ° C., and then discharged to 2.75 V at a current value of 600 mA. The number of cycles to reach 80% of the discharge capacity at the first cycle was measured and defined as the cycle life. The cycle life of each battery is an index with the cycle life of the battery B3 as 100.

〔高温貯蔵時の電池膨れ評価〕
上記のようにして作製したリチウム二次電池A1、及びB1〜B3について、充電状態において高温貯蔵時の電池厚み評価を行った。各電池を、25℃において、電流値600mAで4.2Vまで充電した後、電流値600mAで2.75Vまで放電し、これを1サイクルの充放電とした。これを2サイクル行った後、電流値600mAで4.2Vまで充電した状態で、60℃、20日の高温貯蔵を行なった。高温貯蔵前後の電池厚みを測定し、電池厚み増加量を求めた。
[Evaluation of battery swelling during high temperature storage]
About lithium secondary battery A1 produced as mentioned above and B1-B3, the battery thickness evaluation at the time of high temperature storage was performed in the charging state. Each battery was charged to 4.2 V at a current value of 600 mA at 25 ° C., and then discharged to 2.75 V at a current value of 600 mA. After performing this two cycles, high temperature storage was performed at 60 ° C. for 20 days in a state of being charged to 4.2 V at a current value of 600 mA. The battery thickness before and after high temperature storage was measured, and the increase in battery thickness was determined.

表1に充放電サイクル試験のサイクル寿命、高温貯蔵後の電池厚み増加量を示す。ここで、電池厚み増加量は、電池B3における高温貯蔵前後の電池厚み増加量を100とした場合の相対値を示している。   Table 1 shows the cycle life of the charge / discharge cycle test and the increase in battery thickness after high-temperature storage. Here, the battery thickness increase amount indicates a relative value when the battery thickness increase amount before and after high temperature storage in the battery B3 is 100.

Figure 0004744244
Figure 0004744244

表1から明らかなように、ケイ素及び/またはケイ素合金を含む活物質粒子と酸化リチウムとバインダーとを含む合剤層を導電性金属箔集電体の表面上で、焼結することにより、サイクル寿命が飛躍的に向上することがわかる。これは、集電体表面のRaが0.2μm以上に粗化されているために、活物質粒子と集電体との密着性が向上することに加え、焼結により、集電体の表面凹凸部分にバインダーが入り込むことにより、バインダーと集電体間にアンカー効果が発現したためである。   As apparent from Table 1, a cycle is obtained by sintering a mixture layer containing active material particles containing silicon and / or a silicon alloy, lithium oxide and a binder on the surface of the conductive metal foil current collector. It can be seen that the lifetime is dramatically improved. This is because the Ra of the current collector surface is roughened to 0.2 μm or more, so that the adhesion between the active material particles and the current collector is improved and the surface of the current collector is improved by sintering. It is because the anchor effect was expressed between the binder and the current collector by the binder entering the uneven portion.

また、負極に酸化リチウムを添加した電池B1は、酸化リチウムを添加しない電池B2に比べ、充放電サイクル特性が低いことがわかる。これは、負極中に酸化リチウムを添加したため、充放電時におけるケイ素活物質の体積膨張による応力緩和ができなくなり、極板強度が低下することが原因である。極板強度の低下は、活物質等の微粉化等が起こり、集電構造が壊れるため、良好な充放電サイクル特性が得られない。   Moreover, it turns out that battery B1 which added lithium oxide to the negative electrode has a low charging / discharging cycle characteristic compared with battery B2 which does not add lithium oxide. This is because, since lithium oxide is added to the negative electrode, stress relaxation due to volume expansion of the silicon active material during charge / discharge cannot be performed, and the electrode plate strength decreases. The decrease in the electrode plate strength causes the active material or the like to be pulverized and the current collecting structure is broken, so that good charge / discharge cycle characteristics cannot be obtained.

しかし、負極中に酸化リチウムを添加した負極を熱処理した電池A1は、熱処理を行なわなかった電池B1に比べ、良好な充放電サイクル特性が得られることがわかる。熱処理を行なうことで、前述のように活物質とバインダー及び集電体との密着性が向上するため、酸化リチウムを添加しても極板強度の低下は起こらず、負極に酸化リチウムを添加させない電池B3と同等の良好なサイクル特性が得られることがわかった。   However, it can be seen that the battery A1 in which the negative electrode with lithium oxide added in the negative electrode is heat-treated can obtain better charge / discharge cycle characteristics than the battery B1 in which the heat treatment is not performed. By performing the heat treatment, the adhesion between the active material, the binder and the current collector is improved as described above. Therefore, even if lithium oxide is added, the electrode plate strength does not decrease, and lithium oxide is not added to the negative electrode. It turned out that the favorable cycling characteristics equivalent to battery B3 are acquired.

また、高温貯蔵時の電池厚み増加量は、酸化リチウムを添加した場合、電池厚み増加量が低減されていることがわかる。これは、負極中に添加された酸化リチウムが、負極表面及び正極等で発生した二酸化炭素を吸収したためだと考えられる。ケイ素を負極活物質に用いた場合、充放電に伴い活物質粒子表面に割れが生じ、負極表面積が増大し、高温貯蔵時における負極からのガス発生は炭素負極に比べ大きいが、負極中に酸化リチウムを添加することで、負極から発生した二酸化炭素を即座に吸収し、電池膨れ増加を抑制しているものと思われる。   Moreover, it turns out that the battery thickness increase amount at the time of high temperature storage has reduced the battery thickness increase amount, when lithium oxide is added. This is thought to be because lithium oxide added to the negative electrode absorbed carbon dioxide generated on the negative electrode surface and the positive electrode. When silicon is used as the negative electrode active material, cracks occur on the surface of the active material particles during charging and discharging, the negative electrode surface area increases, and gas generation from the negative electrode during high-temperature storage is greater than that of the carbon negative electrode, but oxidation occurs in the negative electrode. It seems that by adding lithium, carbon dioxide generated from the negative electrode is immediately absorbed, and the increase in battery swelling is suppressed.

以上の結果より、負極中に酸化リチウムを添加し、焼成した負極を用いることで、良好なサイクル特性が得られるとともに、高温貯蔵時の電池厚み増加を低減できることがわかる。   From the above results, it can be seen that by using lithium anode added to the negative electrode and using the fired negative electrode, good cycle characteristics can be obtained and the increase in battery thickness during high-temperature storage can be reduced.

(実施例2及び3)
負極作製時における負極合剤スラリー中に酸化リチウムをケイ素粉末重量に対して0.01重量%、5重量%をそれぞれ添加したこと以外は、実施例1と同様の構成の電池A2及びA3をそれぞれ作製した。
(Examples 2 and 3)
Batteries A2 and A3 having the same configuration as in Example 1 were respectively added except that 0.01 wt% and 5 wt% of lithium oxide were added to the negative electrode mixture slurry at the time of preparing the negative electrode, respectively. Produced.

上記のようにして作製したリチウム二次電池A2及びA3について、前述の充放電サイクル試験及び高温貯蔵時の電池膨れ評価を行なった。その結果を表2に示す。なお、電池厚み増加量は、電池B3における高温貯蔵前後の電池厚み増加量を100とした場合の相対値を示している。なお、表2には、電池A1及びB3の結果も示している。   About the lithium secondary battery A2 and A3 produced as mentioned above, the above-mentioned charging / discharging cycle test and the battery swelling evaluation at the time of high temperature storage were performed. The results are shown in Table 2. The battery thickness increase amount indicates a relative value when the battery thickness increase amount before and after high temperature storage in the battery B3 is 100. Table 2 also shows the results of batteries A1 and B3.

Figure 0004744244
Figure 0004744244

表2の結果から、負極合剤層中に酸化リチウムを添加した電池A1〜A3は、酸化リチウムを添加しない電池B3に比較して、添加濃度による差はあるものの、高温貯蔵後の電池厚み増加量が小さいことがわかる。   From the results of Table 2, the batteries A1 to A3 in which lithium oxide was added to the negative electrode mixture layer had a difference in addition concentration compared to the battery B3 to which lithium oxide was not added, but the battery thickness increased after high-temperature storage. You can see that the amount is small.

また、負極合剤層に添加する酸化リチウムの添加濃度を変化させた場合、活物質重量に対して2重量%添加したときに最も厚み増加量が低くなり、ガスの発生を抑制できていることがわかる。5重量%を添加した場合は、電池厚み増加量は2重量%添加した場合とほぼ同等の結果が得られている。   In addition, when the concentration of lithium oxide added to the negative electrode mixture layer is changed, the amount of increase in thickness is the lowest when 2% by weight of the active material is added, and the generation of gas can be suppressed. I understand. When 5 wt% is added, the battery thickness increase amount is almost the same as when 2 wt% is added.

(比較例4)
ここでは、酸化リチウムの添加場所を検討するため、セパレータを袋状に加工し、酸化リチウムを袋状のセパレータの中に入れたものを用意し、それを電極体の最外周に貼り付けた。酸化リチウムの添加量は、ケイ素活物質重量に対して2重量%であり、最外周に酸化リチウムを入れたセパレータの袋をセパレータとして用いた以外は、実施例1と同様の構成で電池C1を作製した。
(Comparative Example 4)
Here, in order to examine the addition location of lithium oxide, a separator was processed into a bag shape, and lithium oxide was put in a bag-shaped separator, which was attached to the outermost periphery of the electrode body. The amount of lithium oxide added was 2% by weight based on the weight of the silicon active material, and the battery C1 was constructed in the same manner as in Example 1 except that a separator bag having lithium oxide in the outermost periphery was used as the separator. Produced.

(比較例5)
酸化リチウムの熱処理温度の影響を検討するため、酸化リチウムを400℃、1時間熱処理したものを袋状のセパレータに入れた以外は、比較例4と同様の構成で電池C2を作製した。
(Comparative Example 5)
In order to examine the influence of the heat treatment temperature of lithium oxide, a battery C2 was produced with the same configuration as in Comparative Example 4 except that lithium oxide heat treated at 400 ° C. for 1 hour was placed in a bag-like separator.

上記のようにして作製したリチウム二次電池C1及びC2について、前記と同様の方法で高温貯蔵時の電池膨れ評価を行い、高温貯蔵時の電池厚み増加量を測定した。その結果を表3に示す。ここで、電池厚み増加量は、電池内部に酸化リチウムを添加しない電池B3の高温貯蔵前後の電池厚み増加量を100とした場合の相対値を示す。   The lithium secondary batteries C1 and C2 produced as described above were subjected to battery swelling evaluation during high-temperature storage by the same method as described above, and the amount of increase in battery thickness during high-temperature storage was measured. The results are shown in Table 3. Here, the battery thickness increase amount indicates a relative value when the battery thickness increase amount before and after high-temperature storage of the battery B3 in which lithium oxide is not added to the inside of the battery is 100.

Figure 0004744244
Figure 0004744244

表3から明らかなように、酸化リチウムを最外周に添加した電池C1及びC2は、酸化リチウムを添加しない電池B3の電池厚み増加量とほぼ同等か、それ以上の電池厚み増加が見られ、酸化リチウムを負極合剤層以外に添加すると、ガス発生を抑制する効果がないことがわかる。これより酸化リチウムは、負極において二酸化炭素が発生する近傍で即座に二酸化炭素を吸収することが好ましく、負極中に酸化リチウムを添加することにより、本発明の効果が得られることがわかる。酸化リチウムを負極中に添加することにより、発生したガスを有効に吸収することができ、電池膨れを低減することができる。   As is apparent from Table 3, the batteries C1 and C2 to which lithium oxide was added to the outermost periphery showed an increase in the battery thickness that was almost equal to or greater than the battery thickness increase of the battery B3 to which lithium oxide was not added. It can be seen that when lithium is added to other than the negative electrode mixture layer, there is no effect of suppressing gas generation. From this, it is preferable that lithium oxide immediately absorbs carbon dioxide in the vicinity of the generation of carbon dioxide in the negative electrode, and that the effect of the present invention can be obtained by adding lithium oxide to the negative electrode. By adding lithium oxide into the negative electrode, the generated gas can be effectively absorbed, and battery swelling can be reduced.

また、電池C1と電池C2の比較から、酸化リチウムを電極体の最外周に配置した場合においても、酸化リチウムを熱処理することにより、電池厚みの増加量を低減できることがわかる。酸化リチウムは、大気中の水分や二酸化炭素を吸収して、その一部が水酸化リチウムまたは炭酸リチウムに変化しやすいため、酸化リチウムを熱処理することにより、水酸化リチウムや炭酸リチウムを再び酸化リチウムに戻すことができ、本来の酸化リチウムの二酸化炭素吸収機能を発揮することができたためであると考えられる。   Moreover, it can be seen from the comparison between the battery C1 and the battery C2 that even when lithium oxide is disposed on the outermost periphery of the electrode body, the increase in battery thickness can be reduced by heat treating the lithium oxide. Lithium oxide absorbs moisture and carbon dioxide in the atmosphere, and part of it easily changes to lithium hydroxide or lithium carbonate. By heat treating lithium oxide, lithium hydroxide and lithium carbonate are converted again to lithium oxide. This is considered to be because the carbon dioxide absorption function of the original lithium oxide was able to be exhibited.

本発明においては、合剤層中に酸化リチウムを含有させ、合剤層を負極上に配置した状態で焼成しており、この焼成の際酸化リチウムを熱処理している。このため、酸化リチウム本来の二酸化炭素吸収機能を発揮させることができ、二酸化炭素の吸収量を大きくすることができる。従って、高温貯蔵時の電池膨れ増加をより効果的に抑制することででき、良好な充放電サイクル特性を得ることができる。   In the present invention, lithium oxide is contained in the mixture layer, and the mixture layer is fired in a state of being disposed on the negative electrode, and the lithium oxide is heat-treated during the firing. For this reason, the carbon dioxide absorption function inherent to lithium oxide can be exhibited, and the amount of carbon dioxide absorbed can be increased. Therefore, it is possible to more effectively suppress an increase in battery swelling during high-temperature storage, and good charge / discharge cycle characteristics can be obtained.

本発明に従う実施例において作製したリチウム二次電池を示す正面図。The front view which shows the lithium secondary battery produced in the Example according to this invention. 図1に示すA−A線に沿う断面図。Sectional drawing in alignment with the AA shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

11…外装体
12…閉口部
13…正極集電タブ
14…負極集電タブ
15…電極体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Exterior body 12 ... Closure part 13 ... Positive electrode current collection tab 14 ... Negative electrode current collection tab 15 ... Electrode body

Claims (4)

ケイ素及び/またはケイ素合金を含む活物質粒子とバインダーと酸化リチウムとを含む合剤層を集電体上に配置して焼成した負極と、正極と、非水電解質とを備えることを特徴とするリチウム二次電池。   A negative electrode obtained by arranging and firing a mixture layer containing active material particles containing silicon and / or a silicon alloy, a binder and lithium oxide on a current collector, a positive electrode, and a non-aqueous electrolyte. Lithium secondary battery. 前記合剤層中の前記酸化リチウムの含有量が、前記活物質粒子に対して0.01〜5重量%であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。   2. The lithium secondary battery according to claim 1, wherein a content of the lithium oxide in the mixture layer is 0.01 to 5 wt% with respect to the active material particles. 前記非水電解質中に二酸化炭素が溶解されていることを特徴とする請求項1または2に記載のリチウム二次電池。   The lithium secondary battery according to claim 1 or 2, wherein carbon dioxide is dissolved in the non-aqueous electrolyte. ケイ素及び/またはケイ素合金を含む活物質粒子及び酸化リチウムをバインダー溶液中に混合分散させたスラリーを集電体の表面上に塗布することにより、前記活物質粒子、バインダー及び酸化リチウムを含む合剤層を前記集電体上に配置する工程と、
前記合剤層を前記集電体上に配置した状態で前記合剤層を焼成する工程とを備えることを特徴とするリチウム二次電池用負極の製造方法。
The active material particles containing silicon and / or silicon alloy and a slurry in which lithium oxide is mixed and dispersed in a binder solution are applied onto the surface of the current collector, whereby a mixture containing the active material particles, the binder and lithium oxide is applied. Placing a layer on the current collector;
And a step of firing the mixture layer in a state where the mixture layer is disposed on the current collector. A method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery, comprising:
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