JP5127888B2 - Lithium secondary battery and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、リチウム二次電池及びそ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 manufacturing the same.
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、非水電解液を用い、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リチウム二次電池が利用されている。 In recent years, a lithium secondary battery that uses a non-aqueous electrolyte and charges and discharges by moving lithium ions between a positive electrode and a negative electrode has been used as one of the new secondary batteries with high output and high energy density. Yes.
このようなリチウム二次電池用負極として、リチウムと合金化する材料を負極活物質として用いたものが検討されている。リチウムと合金化する材料としては、例えばケイ素材料が検討されている。しかしながら、ケイ素材料等のリチウムと合金化する材料は、リチウムを吸蔵・放出する際に、活物質の体積が膨張・収縮するため、充放電に伴い活物質が微粉化したり、活物質が集電体から脱離する。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悪くなるという問題があった。 As such a negative electrode for a lithium secondary battery, a material using a material alloyed with lithium as a negative electrode active material has been studied. As a material alloyed with lithium, for example, a silicon material has been studied. However, materials that alloy with lithium, such as silicon materials, expand and contract the volume of the active material when occluding and releasing lithium. Detach from the body. For this reason, there existed a problem that the current collection property in an electrode fell and charging / discharging cycling characteristics worsened.
本出願人は、このような問題を解決するリチウム二次電池用負極として、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を含む合剤層を集電体の表面上に配置した後、焼結して得られるリチウム二次電池用負極を提案している(特許文献1)。 The present applicant, after disposing a mixture layer containing active material particles containing silicon and / or a silicon alloy and a binder on the surface of the current collector as a negative electrode for a lithium secondary battery that solves such problems, Have proposed a negative electrode for a lithium secondary battery obtained by sintering (Patent Document 1).
一方、炭素材料または金属リチウムなどを負極活物質としたリチウム二次電池においては、非水電解質に二酸化炭素を溶解させること、または電池缶内に二酸化炭素を封入することが提案されている(特許文献2〜12)。 On the other hand, in a lithium secondary battery using a carbon material or metallic lithium as a negative electrode active material, it has been proposed to dissolve carbon dioxide in a non-aqueous electrolyte or to enclose carbon dioxide in a battery can (patent) Literature 2-12).
本出願人が提案している上記リチウム二次電池は、充放電容量が大きく、サイクル特性に優れる電池であるが、充放電の繰り返しにより負極の活物質粒子が多孔質化し、負極の厚みが増加するという問題があった。 The lithium secondary battery proposed by the present applicant is a battery having a large charge / discharge capacity and excellent cycle characteristics, but the active material particles of the negative electrode become porous due to repeated charge / discharge, and the thickness of the negative electrode increases. There was a problem to do.
本発明の目的は、ケイ素及び/またはケイ素合金を含む活物質粒子を含む負極を用いたリチウム二次電池であって、充放電容量が大きく、サイクル特性に優れ、充放電による活物質粒子の多孔質化を抑制することができ、充放電後の電極の厚みの増加を少なくすることができるリチウム二次電池及びその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is a lithium secondary battery using a negative electrode including active material particles containing silicon and / or a silicon alloy, having a large charge / discharge capacity, excellent cycle characteristics, and porosity of the active material particles by charge / discharge. An object of the present invention is to provide a lithium secondary battery and a method for producing the same that can suppress the quality improvement and can reduce the increase in the thickness of the electrode after charge and discharge.
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を含む合剤層を導電性金属箔からなる集電体の表面上で焼結して配置した負極と、正極と、非水電解質とを備えるリチウム二次電池であり、非水電解質に二酸化炭素を溶解させたことを特徴としている。 The lithium secondary battery of the present invention includes a negative electrode in which a mixture layer containing active material particles containing silicon and / or a silicon alloy and a binder is sintered on the surface of a current collector made of a conductive metal foil. A lithium secondary battery comprising a positive electrode and a non-aqueous electrolyte, characterized in that carbon dioxide is dissolved in the non-aqueous electrolyte.
本発明における非水電解質への二酸化炭素の溶解は、意図的に非水電解質に二酸化炭素を溶解させることを意味している。すなわち、通常のリチウム二次電池の製造工程において、不可避的に非水電解質に溶解される二酸化炭素の溶解は含まれない。二酸化炭素は、一般に非水電解質の溶媒に溶解される。従って、溶質を溶解した非水電解質に二酸化炭素を溶解させてもよいし、予め二酸化炭素を溶解させた溶媒に溶質を溶解して非水電解質を調製してもよい。 The dissolution of carbon dioxide in the non-aqueous electrolyte in the present invention means that carbon dioxide is intentionally dissolved in the non-aqueous electrolyte. That is, in the manufacturing process of a normal lithium secondary battery, dissolution of carbon dioxide that is inevitably dissolved in the nonaqueous electrolyte is not included. Carbon dioxide is generally dissolved in a non-aqueous electrolyte solvent. Accordingly, carbon dioxide may be dissolved in the nonaqueous electrolyte in which the solute is dissolved, or the nonaqueous electrolyte may be prepared by dissolving the solute in a solvent in which carbon dioxide is dissolved in advance.
非水電解質に二酸化炭素を溶解させることにより、充放電反応に伴って生じる活物質粒子の多孔質化を抑制することができる。従って、充放電による活物質粒子の層の厚み増加を少なくすることができ、リチウム二次電池の体積エネルギー密度を高めることができる。 By dissolving carbon dioxide in the non-aqueous electrolyte, it is possible to prevent the active material particles from being made porous due to the charge / discharge reaction. Therefore, the increase in the thickness of the layer of active material particles due to charge / discharge can be reduced, and the volume energy density of the lithium secondary battery can be increased.
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を含む合剤層を導電性金属箔からなる集電体の表面上で焼結して得られる負極は、充放電容量が大きく、充放電サイクル特性に優れている。本発明者らは、このような負極において、充放電反応を繰り返すと、活物質粒子の表面からその内部に向かって、徐々に多孔質化が生じることを見出した。このような多孔質化により、電極の厚みが増加し、体積エネルギー密度が低下する。このような活物質における多孔質化は、活物質であるケイ素の不可逆反応により、ケイ素が変質することによって生じるものであると考えられる。 A negative electrode obtained by sintering a mixture layer containing active material particles containing silicon and / or silicon alloy and a binder on the surface of a current collector made of conductive metal foil has a large charge / discharge capacity, Excellent cycle characteristics. The present inventors have found that in such a negative electrode, when the charge / discharge reaction is repeated, the porous material gradually becomes porous from the surface of the active material particles toward the inside thereof. Such porosity increases the thickness of the electrode and decreases the volume energy density. Such porous formation in the active material is considered to be caused by the alteration of silicon due to the irreversible reaction of silicon as the active material.
本発明に従い、非水電解質に二酸化炭素を溶解させておくことにより、活物質粒子の多孔質化を抑制することができる。このため、電極の厚みの増加を少なくすることができ、体積エネルギー密度を高めることができる。非水電解質に二酸化炭素を溶解させておくことにより、活物質粒子の多孔質化を抑制できる理由の詳細は明らかでないが、粒子の表面に、リチウムイオン伝導性の高い安定な膜が形成されるためであると考えられる。 By making carbon dioxide dissolved in the non-aqueous electrolyte according to the present invention, it is possible to prevent the active material particles from becoming porous. For this reason, the increase in the thickness of an electrode can be decreased and a volume energy density can be raised. Although the details of why the porous material of the active material particles can be suppressed by dissolving carbon dioxide in the nonaqueous electrolyte are not clear, a stable film with high lithium ion conductivity is formed on the surface of the particles. This is probably because of this.
本発明において、負極の焼結は、非酸化性雰囲気下で行うことが好ましい。 In the present invention, the negative electrode is preferably sintered in a non-oxidizing atmosphere.
本発明において、非水電解質に二酸化炭素を溶解させる量は、0.001重量%以上であることが好ましく、さらに好ましくは0.01重量%以上であり、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。ここで、二酸化炭素の溶解量には、不可避的に非水電解質に溶解されている二酸化炭素は含まれない。すなわち、通常の製造工程で非水電解質中に溶解する二酸化炭素は含まれない。従って、上記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。具体的には、以下の式により求めることができる。 In the present invention, the amount of carbon dioxide dissolved in the nonaqueous electrolyte is preferably 0.001% by weight or more, more preferably 0.01% by weight or more, and further preferably 0.05% by weight or more. More preferably 0.1% by weight or more. Usually, it is preferable to dissolve carbon dioxide in the nonaqueous electrolyte until it is saturated. Here, the amount of carbon dioxide dissolved does not include carbon dioxide inevitably dissolved in the nonaqueous electrolyte. That is, carbon dioxide that dissolves in the non-aqueous electrolyte in a normal manufacturing process is not included. Therefore, 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. Specifically, it can be obtained by the following equation.
非水電解質中の二酸化炭素の溶解量(重量%)=〔(二酸化炭素を溶解させた後の非水電解質の重量)−(二酸化炭素を溶解させる前の非水電解質の重量)〕/(二酸化炭素を溶解させた後の非水電解質の重量)×100
本発明においては、電池内部の空隙に二酸化炭素が含まれていることが好ましい。電池内部の空隙は、例えばセパレータを介して正極と負極とを対向させて形成した電極体と、電池外装体との間に形成される。この空隙には、例えば電池を組み立てる際に二酸化炭素雰囲気下で行うことにより、あるいは電解質中に溶解した二酸化炭素が電解質から放出されることにより二酸化炭素を含ませることができる。充放電に伴い電解質内の二酸化炭素が消費された場合には、この空隙中の二酸化炭素が電解質に溶解し、電解質内の二酸化炭素を補給することができる。
Dissolved amount of carbon dioxide in non-aqueous electrolyte (% by weight) = [(weight of non-aqueous electrolyte after dissolving carbon dioxide) − (weight of non-aqueous electrolyte before dissolving carbon dioxide)] / (dioxide Weight of non-aqueous electrolyte after dissolving carbon) × 100
In the present invention, it is preferable that carbon dioxide is contained in the voids inside the battery. The void inside the battery is formed between an electrode body formed by, for example, facing a positive electrode and a negative electrode with a separator interposed therebetween and a battery outer package. The voids can contain carbon dioxide, for example, by performing in a carbon dioxide atmosphere when assembling the battery, or by releasing carbon dioxide dissolved in the electrolyte from the electrolyte. When carbon dioxide in the electrolyte is consumed with charging / discharging, the carbon dioxide in the gap is dissolved in the electrolyte, and the carbon dioxide in the electrolyte can be replenished.
本発明においては、非水電解質にフッ素を含有する化合物が含まれていることが好ましい。このような化合物が非水電解質中に含有されることにより、サイクル特性をさらに向上させることができる。 In the present invention, it is preferable that the nonaqueous electrolyte contains a compound containing fluorine. By including such a compound in the non-aqueous electrolyte, cycle characteristics can be further improved.
フッ素を含有する化合物としては、フッ素含有リチウム塩及びフッ素含有溶媒などを挙げることができる。 Examples of the fluorine-containing compound include a fluorine-containing lithium salt and a fluorine-containing solvent.
フッ素含有リチウム塩としては、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3、LiAsF6、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B、Bi、Al、Ga、またはInのときyは4である)、リチウムペルフルオロアルキルスルホン酸イミドLiN(CmF2m+1SO2)(CnF2n+1SO2)(式中、m及びnはそれぞれ独立して1〜4の整数である)、及びリチウムペルフルオロアルキルスルホン酸メチドLiC(CpF2p+1SO2)(CqF2q+1SO2)(CrF2r+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)などが挙げられる。
Examples of the fluorine-containing lithium salt 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
フッ素含有溶媒としては、ブチレンカーボネート及びプロピレンカーボネートなどの環状カーボネート、並びにジメチルカーボネート及びジエチルカーボネートなどの鎖状カーボネートの水素原子をフッ素原子に置換した化合物が挙げられる。例えば、プロピレンカーボネートの水素原子をフッ素原子で置換したトリフルオロメチル化プロピレンカーボネート、1,1,1−トリフルオロジエチルカーボネート(CF3CH2OCOOCH2CH3)、トリフルオロエチルメチルカーボネート(CF3CH2OCOOCH3)などが挙げられる。また、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−ブチロラクトンなどの環状エステル等の水素原子をフッ素原子で置換した化合物を用いてもよい。このようなものとして、例えば、ビス1,2−(2,2,2−トリフルオロエトキシ)エタン(CF3CH2OCH2CH2OCH2CF3)などが挙げられる。
Examples of the fluorine-containing solvent include compounds obtained by substituting hydrogen atoms of cyclic carbonates such as butylene carbonate and propylene carbonate, and chain carbonates such as dimethyl carbonate and diethyl carbonate with fluorine atoms. For example, trifluoromethylated propylene carbonate in which hydrogen atoms of propylene carbonate are substituted with fluorine atoms, 1,1,1-trifluorodiethyl carbonate (CF 3 CH 2 OCOOCH 2 CH 3 ), trifluoroethyl methyl carbonate (CF 3 CH 2 OCOOCH 3 ). Moreover, you may use the compound which substituted hydrogen atoms, such as ether solvents, such as 1, 2- dimethoxyethane, 1, 2- diethoxyethane, and cyclic esters, such as (gamma) -butyrolactone, with the fluorine atom. Examples of such include
非水電解質の溶質としてフッ素含有リチウム塩を用いる場合、フッ素含有リチウム塩は、非水電解質に対して0.1〜2モル/リットルの濃度となるように添加することが好ましい。また、リチウム塩の総量は0.5〜2モル/リットルであることが好ましい。濃度が0.1モル/リットル未満である場合には、フッ素を含有することによる効果が十分に得られないため好ましくない。また、リチウム塩の総量が0.5モル/リットル未満の場合は、非水電解質のリチウムイオン伝導性が十分に得られないため好ましくない。また、濃度が2モル/リットルを超える場合には、非水電解質の粘度が上がり、非水電解質のイオン伝導性が低くなるため、また低温時において塩が析出するため好ましくない。 When a fluorine-containing lithium salt is used as the solute of the nonaqueous electrolyte, the fluorine-containing lithium salt is preferably added so as to have a concentration of 0.1 to 2 mol / liter with respect to the nonaqueous electrolyte. Moreover, it is preferable that the total amount of lithium salt is 0.5-2 mol / liter. When the concentration is less than 0.1 mol / liter, the effect of containing fluorine cannot be obtained sufficiently, which is not preferable. Moreover, when the total amount of the lithium salt is less than 0.5 mol / liter, the lithium ion conductivity of the nonaqueous electrolyte cannot be sufficiently obtained, which is not preferable. On the other hand, when the concentration exceeds 2 mol / liter, the viscosity of the non-aqueous electrolyte increases, the ion conductivity of the non-aqueous electrolyte decreases, and the salt precipitates at low temperatures, which is not preferable.
非水電解質の溶媒にフッ素含有化合物を用いる場合には、全溶媒中において1体積%以上用いることが好ましい。濃度が1体積%未満である場合には、フッ素を含有することによる効果が十分に得られない場合がある。 When a fluorine-containing compound is used as the non-aqueous electrolyte solvent, it is preferably used in an amount of 1% by volume or more in all the solvents. When the concentration is less than 1% by volume, the effect of containing fluorine may not be sufficiently obtained.
また、本発明においては、電解液に対し難溶性であるフッ素含有化合物を、予めセパレータに含有させておいてもよい。また、負極合剤層中に、フッ素含有化合物を予め添加しておいてもよい。このようなフッ素含有化合物としては、例えばフッ化リチウムなどが挙げられる。 In the present invention, a fluorine-containing compound that is hardly soluble in the electrolytic solution may be previously contained in the separator. Further, a fluorine-containing compound may be added in advance to the negative electrode mixture layer. Examples of such a fluorine-containing compound include lithium fluoride.
負極合剤層中にフッ素含有化合物を添加する場合には、フッ素含有化合物を全合剤量に対し0.05〜5重量%添加することが好ましい。0.05重量%よりも少ないと、フッ素を含有することによる効果が十分に得られない場合がある。また、5重量%よりも多いと、活物質層内の抵抗が大きくなるため好ましくない。 When a fluorine-containing compound is added to the negative electrode mixture layer, it is preferable to add 0.05 to 5% by weight of the fluorine-containing compound with respect to the total amount of the mixture. If it is less than 0.05% by weight, the effect of containing fluorine may not be sufficiently obtained. On the other hand, if it is more than 5% by weight, the resistance in the active material layer increases, which is not preferable.
本発明において用いる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。 The 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。 The active material particles used in the present invention may be those obtained by coating the surface of silicon and / or silicon alloy particles with a metal or the like. 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 active material particles used in the present invention may include 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。また、合剤層に添加して用いる導電性粉末の平均粒子径も、特に限定されるものではないが、100μm以下であることが好ましく、さらに好ましくは50μm以下であり、最も好ましくは10μm以下である。 The average particle diameter of the active material particles used in the present invention is not particularly limited, but is preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less, and most preferably 10 μm or less for effective sintering. . As the particle diameter of the active material particles is smaller, good cycle characteristics tend to be obtained. The average particle size of the conductive powder used by adding to the mixture layer is not particularly limited, but is preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less, and most preferably 10 μm or less. is there.
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、上述のように、本発明においては、非水電解質に二酸化炭素を溶解させておくことにより、活物質粒子の表面に、リチウムイオン伝導性の高い安定な膜が形成されると思われるが、平均粒子径の小さい活物質粒子を用いることにより、このリチウムイオン伝導性の高い膜が合剤層中に緻密に存在することになる。従って、緻密なリチウムイオン伝導経路が合剤層中に形成されるため、電極内の充放電反応の分布の均一性がさらに向上すると考えられる。このため、活物質内でのリチウムの吸蔵・放出に伴う体積変化量の偏りにより発生する歪みによる活物質の割れが抑制されるので、活物質粒子における新生面の発生も抑制され、充放電特性をさらに向上させることができる。 In addition, as described above, in the present invention, it is considered that a stable film having high lithium ion conductivity is formed on the surface of the active material particles by dissolving carbon dioxide in the nonaqueous electrolyte. By using the active material particles having a small average particle diameter, the lithium ion conductive film is present densely in the mixture layer. Accordingly, since a dense lithium ion conduction path is formed in the mixture layer, it is considered that the uniformity of the charge / discharge reaction distribution in the electrode is further improved. For this reason, cracking of the active material due to strain generated by the bias in volume change accompanying the insertion and extraction of lithium in the active material is suppressed, so that generation of new surfaces in the active material particles is also suppressed, and charge / discharge characteristics are improved. Further improvement can be achieved.
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.
本発明における集電体は、その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。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 current collector of the present invention preferably has an arithmetic average roughness Ra of the surface of 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. 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.
本発明において、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 current collector is not particularly limited, but is preferably in the range of 10 to 100 μm.
本発明において、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 current collector surface is not particularly limited, but since the current collector thickness 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.
本発明における集電体は、導電性金属箔からなる。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。 The current collector in the present invention is made of a conductive metal foil. 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.
銅合金箔としては、耐熱性銅合金箔を用いることが好ましい。ここで、耐熱性銅合金とは、200℃1時間の焼鈍後の引張強度が300MPa以上である銅合金を意味している。このような耐熱性銅合金としては、例えば、表1に挙げたものを使用することができる。 It is preferable to use a heat resistant copper alloy foil as the copper alloy foil. Here, the heat resistant copper alloy means a copper alloy having a tensile strength of 300 MPa or more after annealing at 200 ° C. for 1 hour. As such a heat-resistant copper alloy, for example, those listed in Table 1 can be used.
また、本発明においては、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 applied to form large irregularities on the surface of the 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、合剤層の厚みXは、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 mixture layer preferably has a relationship of 5Y ≧ X and 250Ra ≧ X with the thickness Y of the 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.
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。 Although the thickness X of a mixture layer is not specifically limited, 1000 micrometers or less are preferable, More preferably, they are 10 micrometers-100 micrometers.
本発明においては、合剤層に導電性粉末を混合することができる。導電性粉末を添加することにより、活物質粒子の周囲に導電性粉末による導電性ネットワークが形成されるので、電極内の集電性をさらに向上させることができる。導電性粉末としては、上記集電体と同様の材質のものを好ましく用いることができる。具体的には、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または混合物である。特に、金属粉末としては銅粉末が好ましく用いられる。また、導電性カーボン粉末も好ましく用いることができる。 In the present invention, conductive powder can be mixed in the mixture layer. By adding the conductive powder, a conductive network of the conductive powder is formed around the active material particles, so that the current collecting property in the electrode can be further improved. As the conductive powder, a material similar to that of the current collector can be preferably used. Specifically, it is an alloy or a mixture made of a metal such as copper, nickel, iron, titanium, cobalt, or a combination thereof. In particular, copper powder is preferably used as the metal powder. Also, conductive carbon powder can be preferably used.
合剤層への導電性粉末の添加量は、活物質粒子との合計重量の50重量%以下であることが好ましい。導電性粉末の添加量が多過ぎると活物質粒子の混合割合が相対的に少なくなるので、電極の充放電容量が小さくなる。 The amount of the conductive powder added to the mixture layer is preferably 50% by weight or less of the total weight with the active material particles. If the amount of the conductive powder added is too large, the mixing ratio of the active material particles becomes relatively small, so that the charge / discharge capacity of the electrode becomes small.
本発明において用いるバインダーは、焼結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 binder used in the present invention is preferably one that remains without being completely decomposed after the heat treatment for sintering. 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。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。 As the binder in the present invention, polyimide is preferably used. Examples of the polyimide include thermoplastic polyimide and thermosetting polyimide. Polyimide can also be obtained by heat treatment of polyamic acid.
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。 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、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 this invention, it is preferable that the quantity of the binder in a mixture layer is 5 weight% or more of the total weight of a 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. Further, if the amount of the binder in the mixture layer is too large, the resistance in the electrode increases, so that the initial charge 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.
本発明の他の局面に従うリチウム二次電池は、充放電により表面から内部に向かって多孔質化が進行する活物質粒子とバインダーとを含む合剤層を導電性金属箔からなる集電体の表面上に配置した負極と、正極と、非水電解質とを備えるリチウム二次電池であり、非水電解質に二酸化炭素を溶解させたことを特徴としている。 A lithium secondary battery according to another aspect of the present invention is a current collector made of a conductive metal foil and including a mixture layer containing active material particles and a binder that are made porous from the surface toward the inside by charging and discharging. A lithium secondary battery including a negative electrode disposed on a surface, a positive electrode, and a nonaqueous electrolyte, characterized in that carbon dioxide is dissolved in the nonaqueous electrolyte.
充放電により表面から内部に向かって多孔質化が進行する活物質粒子としては、ケイ素粒子、ケイ素合金粒子などが挙げられる。非水電解質に二酸化炭素を溶解させることにより、充放電による活物質粒子の多孔質化を抑制することができ、充放電による電極の厚みの増加を抑制することができる。このため、電池の体積エネルギー密度を高めることができる。 Examples of the active material particles that become porous from the surface toward the inside by charging / discharging include silicon particles and silicon alloy particles. By dissolving carbon dioxide in the non-aqueous electrolyte, the porous active material particles due to charge / discharge can be suppressed, and an increase in the thickness of the electrode due to charge / discharge can be suppressed. For this reason, the volume energy density of a battery can be raised.
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。非水電解質の溶媒中に環状カーボネートが存在する場合、活物質粒子の表面において、リチウムイオン導電性に優れた良質の被膜が特に形成されやすいため、環状カーボネートが好ましく用いられる。特に、エチレンカーボネート及びプロピ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またはプロピレンカーボネートとジエチルカーボネートとを含んでいることが特に好ましい。 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. When a cyclic carbonate is present in the nonaqueous electrolyte solvent, a cyclic carbonate is preferably used because a high-quality film excellent in lithium ion conductivity is particularly easily formed on the surface of the active material particles. In particular, ethylene carbonate and propylene carbonate are 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 or propylene carbonate and diethyl carbonate.
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。 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(C2F5SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3、LiAsF6、LiClO4、Li2B10Cl10、Li2B12Cl12など及びそれらの混合物が例示される。特に、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B、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(CmF2m+1SO2)(CnF2n+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(CpF2p+1SO2)(CqF2q+1SO2)(CrF2r+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)との混合溶質が好ましく用いられる。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 (
さらに電解質として、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリルなどのポリマー電解質に電解液を含浸したゲル状ポリマー電解質や、LiI、Li3Nなどの無機固体電解質が例示される。本発明のリチウム二次電池の電解質は、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。 Further, examples of the electrolyte include gel polymer electrolytes in which a polymer electrolyte such as polyethylene oxide and polyacrylonitrile is impregnated with an electrolytic solution, and inorganic solid electrolytes such as LiI and Li 3 N. The electrolyte of the lithium secondary battery of the present invention is not limited as long as the lithium compound as a solute that exhibits ionic conductivity and the solvent that dissolves and retains the lithium compound do not decompose at the time of battery charging, discharging, or storage. Can be used.
本発明のリチウム二次電池の正極材料としては、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiMnO2、LiCo0.5Ni0.5O2、LiNi0.7Co0.2Mn0.1O2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 material of the lithium secondary battery of the present invention include 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 and other lithium-containing transition metal oxides. Examples thereof include metal oxides that do not contain lithium, such as MnO 2 . In addition, any substance that electrochemically inserts and desorbs lithium can be used without limitation.
本発明の製造方法は、上記本発明のリチウム二次電池を製造することができる方法であり、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を含む合剤層を導電性金属箔からなる集電体の表面上に配置し、焼結して負極を作製する工程と、非水電解質に二酸化炭素を溶解させる工程と、負極、正極、及び非水電解質を用いてリチウム二次電池を組み立てる工程とを備えることを特徴としている。 The production method of the present invention is a method by which the lithium secondary battery of the present invention can be produced, and a mixture layer containing active material particles containing silicon and / or silicon alloy and a binder is formed from a conductive metal foil. A lithium secondary battery using a negative electrode, a positive electrode, and a non-aqueous electrolyte. And an assembling process.
本発明の製造方法においては、負極の焼結を、非酸化性雰囲気下で行うことが好ましい。 In the production method of the present invention, the negative electrode is preferably sintered in a non-oxidizing atmosphere.
非水電解質に二酸化炭素を溶解させる方法としては、非水電解質に二酸化炭素を接触させることにより二酸化炭素を溶解させる方法が挙げられる。このような方法としては、非水電解質に気体状の二酸化炭素を吹き込む方法が挙げられる。この方法により、効率的に容易に二酸化炭素を溶解した非水電解質を得ることができる。その他の方法としては、二酸化炭素中で非水電解質を撹拌する方法、高圧の二酸化炭素を非水電解質に接触させるなどの方法が挙げられる。また、二酸化炭素を発生する物質を非水電解質に添加することにより、非水電解質に二酸化炭素を溶解させてもよい。二酸化炭素を発生する物質としては、例えば、重炭酸塩及び炭酸塩などが挙げられる。また、ドライアイスなどを用いてもよい。 Examples of the method for dissolving carbon dioxide in the non-aqueous electrolyte include a method for dissolving carbon dioxide by bringing carbon dioxide into contact with the non-aqueous electrolyte. As such a method, a method of blowing gaseous carbon dioxide into the non-aqueous electrolyte can be mentioned. By this method, a non-aqueous electrolyte in which carbon dioxide is dissolved can be obtained efficiently and easily. Other methods include a method of stirring the non-aqueous electrolyte in carbon dioxide and a method of bringing high-pressure carbon dioxide into contact with the non-aqueous electrolyte. Further, carbon dioxide may be dissolved in the non-aqueous electrolyte by adding a substance that generates carbon dioxide to the non-aqueous electrolyte. Examples of the substance that generates carbon dioxide include bicarbonate and carbonate. Also, dry ice or the like may be used.
また、二酸化炭素を溶解させた非水電解質を用いて、リチウム二次電池を製造する際、非水電解質中における二酸化炭素の溶解量が安定して制御されていることが好ましい。このため、二酸化炭素を含む雰囲気下でリチウム二次電池を組み立てることが好ましい。例えば、二酸化炭素を溶解させた非水電解質を電池内に注入する工程、及びその後の工程を二酸化炭素を含む雰囲気下で行うことが好ましい。また、二酸化炭素を溶解させた非水電解質を電池内に注入した後に、高圧の二酸化炭素雰囲気下にさらすことによって、二酸化炭素の溶解量を安定させることが好ましい。二酸化炭素の飽和溶解量は、非水電解質の温度によって変化するため、製造工程においては、できるだけリチウム二次電池の温度が変化しないように制御されていることが好ましい。 Moreover, when manufacturing a lithium secondary battery using the non-aqueous electrolyte in which carbon dioxide is dissolved, it is preferable that the amount of carbon dioxide dissolved in the non-aqueous electrolyte is stably controlled. For this reason, it is preferable to assemble the lithium secondary battery in an atmosphere containing carbon dioxide. For example, it is preferable to perform the step of injecting a nonaqueous electrolyte in which carbon dioxide is dissolved into the battery and the subsequent steps in an atmosphere containing carbon dioxide. Moreover, it is preferable to stabilize the amount of carbon dioxide dissolved by injecting a non-aqueous electrolyte in which carbon dioxide is dissolved into the battery and then exposing it to a high-pressure carbon dioxide atmosphere. Since the saturated dissolution amount of carbon dioxide varies depending on the temperature of the nonaqueous electrolyte, it is preferable that the temperature of the lithium secondary battery is controlled so as not to vary as much as possible in the manufacturing process.
また、本発明のリチウム二次電池の製造を、二酸化炭素を含む雰囲気下で行うことにより、非水電解質中に二酸化炭素を溶解させてもよい。例えば、封口前の電池を二酸化炭素を含む雰囲気下に放置し、所定時間経過した後封口を行うことにより、非水電解質中に二酸化炭素を溶解させてもよい。 Moreover, you may dissolve a carbon dioxide in a nonaqueous electrolyte by performing manufacture of the lithium secondary battery of this invention in the atmosphere containing a carbon dioxide. For example, the carbon dioxide may be dissolved in the nonaqueous electrolyte by leaving the battery before sealing in an atmosphere containing carbon dioxide and performing sealing after a predetermined time.
本発明において、合剤層は、活物質粒子をバインダーの溶液中に分散させたスラリーを金属箔集電体の表面上に塗布することにより、金属箔集電体の表面上に配置することができる。 In the present invention, the mixture layer may be disposed on the surface of the metal foil current collector by applying a slurry in which active material particles are dispersed in a binder solution onto the surface of the metal foil current collector. it can.
また、本発明の製造方法においては、金属箔集電体の表面上に合剤層を形成した後、焼結する前に、合剤層を金属箔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が高まり、活物質粒子間の密着性及び合剤層と集電体との密着性を高めることができる。このため、さらに良好な充放電サイクル特性を得ることができる。 Moreover, in the manufacturing method of this invention, after forming a mixture layer on the surface of a metal foil collector, it is preferable to roll a mixture layer with a metal foil collector before sintering. By such rolling, the packing density in the mixture layer is increased, and the adhesion between the active material particles and the adhesion between the mixture layer and the current collector can be enhanced. For this reason, more favorable charge / discharge cycle characteristics can be obtained.
本発明における焼結は非酸化性雰囲気下で行われることが好ましく、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不活性ガス雰囲気下で行うことができる。また、水素雰囲気などの還元性雰囲気下で行ってもよい。焼結する際の熱処理温度は、金属箔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、金属箔集電体として銅箔を用いた場合には、銅の融点である1083℃以下であることが好ましく、さらに好ましくは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。焼結する方法としては、放電プラズマ焼結法や、ホットプレス法を用いてもよい。 The sintering in the present invention is preferably performed in a non-oxidizing atmosphere, and can be performed, for example, in a vacuum, a nitrogen atmosphere, or an inert gas atmosphere such as argon. Further, it may be performed in a reducing atmosphere such as a hydrogen atmosphere. The heat treatment temperature at the time of sintering is preferably a temperature not higher than the melting points of the metal foil current collector and the active material particles. For example, when copper foil is used as the metal foil current collector, it is preferably 1083 ° C. or lower, which is the melting point of copper, more preferably in the range of 200 to 500 ° C., more preferably 300 to 450. Within the range of ° C. As a sintering method, a discharge plasma sintering method or a hot press method may be used.
本発明によれば、充放電容量が大きく、サイクル特性に優れ、充放電による活物質粒子の多孔質化を抑制することができ、充放電後の電極の厚みの増加を少なくすることができるリチウム二次電池とすることができる。 According to the present invention, lithium that has a large charge / discharge capacity, excellent cycle characteristics, can suppress the formation of porous active material particles due to charge / discharge, and can reduce an increase in the thickness of the electrode after charge / discharge. It can be set as a secondary battery.
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.
(実験1)
〔負極の作製〕
活物質粒子としての平均粒子径3μmのケイ素粉末(純度99.9%)81.8重量部を、バインダーとしてのポリイミド18.2重量部を含む8.6重量%のN−メチルピロリドン溶液に混合して、負極合剤スラリーとした。
(Experiment 1)
(Production of negative electrode)
81.8 parts by weight of silicon powder (purity 99.9%) having an average particle diameter of 3 μm as active material particles was mixed with an 8.6% by weight N-methylpyrrolidone solution containing 18.2 parts by weight of polyimide as a binder. Thus, a negative electrode mixture slurry was obtained.
この負極合剤スラリーを、表面の算術平均粗さRaが0.5μmである電解銅箔(厚み35μm)(集電体a1)の片面(粗面)に塗布し乾燥した。得られたものを25mm×30mm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℃30時間熱処理し、焼結して負極とした。焼結体の厚み(集電体を含む)は50μmであった。従って、合剤層の厚みは15μmであり、合剤層の厚み/銅箔表面の算術平均粗さは30であり、合剤層の厚み/銅箔厚みは0.43であった。 This negative electrode mixture slurry was applied to one side (rough surface) of an electrolytic copper foil (thickness 35 μm) (current collector a1) having a surface arithmetic average roughness Ra of 0.5 μm and dried. The obtained product was cut out into a 25 mm × 30 mm rectangular shape and rolled, and then heat-treated in an argon atmosphere at 400 ° C. for 30 hours and sintered to obtain a negative electrode. The thickness of the sintered body (including the current collector) was 50 μm. Therefore, the thickness of the mixture layer was 15 μm, the thickness of the mixture layer / the arithmetic average roughness of the copper foil surface was 30, and the thickness of the mixture layer / the thickness of the copper foil was 0.43.
また、この負極において、ポリイミドの密度は1.1g/cm3であり、ポリイミドの占める体積は、合剤層の総体積の31.8%であった。 Moreover, in this negative electrode, the density of the polyimide was 1.1 g / cm 3 , and the volume occupied by the polyimide was 31.8% of the total volume of the mixture layer.
〔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、平均粒子径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 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90重量部と、導電剤としての人工黒鉛粉末5重量部を、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン5重量部を含む5重量%のN−メチルピロリドン(NMP)溶液に混合し、正極合剤スラリーを調製した。 90 parts by weight of the obtained LiCoO 2 powder and 5 parts by weight of artificial graphite powder as a conductive agent were mixed in a 5% by weight N-methylpyrrolidone (NMP) solution containing 5 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder. Then, a positive electrode mixture slurry was prepared.
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20mm×20mmの正方形に切り抜き、正極とした。 This positive electrode mixture slurry was applied onto an aluminum foil as a current collector, dried and then rolled. What was obtained was cut into a 20 mm × 20 mm square to form a positive electrode.
〔電解液の作製〕
電解液として、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/リットル溶解して電解液xを作製した。この電解液xを5℃まで冷却し、二酸化炭素雰囲気下で、二酸化炭素ガスを300ml/分の流量でこの電解液xに、電解液の重量が変化しなくなるまで約30分間吹き込んだ。これを25℃まで昇温し、電解液a1とした。
(Preparation of electrolyte)
As an electrolytic solution, 1 mol / liter of LiPF 6 was dissolved in a solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 3: 7 to prepare an electrolytic solution x. The electrolytic solution x was cooled to 5 ° C., and carbon dioxide gas was blown into the electrolytic solution x at a flow rate of 300 ml / min for about 30 minutes until the weight of the electrolytic solution did not change. This was heated up to 25 degreeC and was set as the electrolyte solution a1.
二酸化炭素ガス吹き込み前の電解液の重量と、二酸化炭素ガス吹き込み後の電解液の重量を測定し、電解液a1における二酸化炭素の溶解量を測定したところ、0.37重量%であった。なお、二酸化炭素吹き込み後の電解液の重量は二酸化炭素ガス雰囲気下で測定した。 The weight of the electrolytic solution before blowing carbon dioxide gas and the weight of the electrolytic solution after blowing carbon dioxide gas were measured, and the amount of carbon dioxide dissolved in the electrolytic solution a1 was measured and found to be 0.37% by weight. In addition, the weight of the electrolyte solution after blowing carbon dioxide was measured under a carbon dioxide gas atmosphere.
〔電池の作製〕
上記の正極、負極、及び電解液を、アルミニウムラミネートの外装体内に挿入し、リチウム二次電池A1を作製した。なお、リチウム二次電池は、常温、常圧の二酸化炭素ガス雰囲気下で作製した。
[Production of battery]
The above positive electrode, negative electrode, and electrolytic solution were inserted into an aluminum laminate outer package to produce a lithium secondary battery A1. Note that the lithium secondary battery was produced in a carbon dioxide gas atmosphere at normal temperature and normal pressure.
図7は、作製したリチウム二次電池を示す正面図である。図8は、図7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配置され、電極体5として、図8に示すようにアルミニウムラミネートからなる外装体1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3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4が取り付けられ、これらは外装体1から外部に引き出されている。図7及び図8に示すように、外装体1の周辺は、ヒートシールにより閉口部2が形成されている。
FIG. 7 is a front view showing the manufactured lithium secondary battery. 8 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. The positive electrode and the negative electrode are disposed so as to face each other with a separator made of a polyethylene porous body, and are inserted as an
(実験2)
実験1における電解液xに、二酸化炭素ガスを吹き込まずに、5重量%のビニレンカーボネートを添加し電解液b1を作製した。この電解液b1を用い、電池の作製をアルゴン雰囲気下で行ったこと以外は、実験1と同様にして、電池B1を作製した。
(Experiment 2)
Electrolytic solution b1 was prepared by adding 5 wt% vinylene carbonate to electrolytic solution x in
〔充放電サイクル特性の評価〕
上記の電池A1及びB1について、充放電サイクル特性を評価した。各電池を、25℃において、電流値14mAで4.2Vまで定電流充電後、電圧4.2Vで電流値0.7mAまで定電圧充電を行った後、電流値14mA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。結果を表2に示す。なお、各電池のサイクル寿命は、電池A1のサイクル寿命を100とした指数である。
[Evaluation of charge / discharge cycle characteristics]
Charge / discharge cycle characteristics of the batteries A1 and B1 were evaluated. Each battery was charged at a constant current of up to 4.2 V at a current value of 14 mA at 25 ° C., then charged at a voltage of 4.2 V to a current value of 0.7 mA, and then discharged to 2.75 V at a current value of 14 mA. This was defined as one cycle of charge / discharge. The number of cycles to reach 80% of the discharge capacity at the first cycle was measured and defined as the cycle life. The results are shown in Table 2. The cycle life of each battery is an index with the cycle life of the battery A1 as 100.
〔FIB−SIM観察〕
上記の充放電サイクル試験後、電池A1及びB1から負極をそれぞれ取り出し、それぞれの負極の断面を、FIB−SIMで観察した。FIB−SIM観察とは、収束イオンビーム(FIB)で断面が露出するように加工し、この断面を走査イオン顕微鏡(SIM)で観察することを意味している。
[FIB-SIM observation]
After the above charge / discharge cycle test, the negative electrodes were respectively taken out from the batteries A1 and B1, and the cross section of each negative electrode was observed by FIB-SIM. FIB-SIM observation means processing with a focused ion beam (FIB) so that the cross section is exposed, and observing the cross section with a scanning ion microscope (SIM).
図1及び図2は、電池A1の負極のSIM像である。図2は、図1を拡大して示している。図3及び図4は、電池B1の負極のSIM像である。図4は、図3を拡大して示している。なお、断面に対して45度の角度から観察しているので、各図における縦方向の実際の長さは、各図のスケール(図1及び図3は10μm、図2及び図4は1μm)で測定した長さの√2倍になる。従って、電池A1の負極(図1)では、合剤層の厚みが約25μmであり、電池B1の負極(図3)では、合剤層の厚みが約42μmであることがわかる。 1 and 2 are SIM images of the negative electrode of the battery A1. FIG. 2 is an enlarged view of FIG. 3 and 4 are SIM images of the negative electrode of the battery B1. FIG. 4 is an enlarged view of FIG. Since the cross section is observed from an angle of 45 degrees, the actual length in each figure is the scale of each figure (FIGS. 1 and 3 are 10 μm, and FIGS. 2 and 4 are 1 μm). It becomes √2 times the length measured in. Therefore, it can be seen that the thickness of the mixture layer is about 25 μm in the negative electrode of the battery A1 (FIG. 1), and the thickness of the mixture layer is about 42 μm in the negative electrode of the battery B1 (FIG. 3).
図1において、合剤層中の黒い部分は、活物質粒子の多孔質化していない部分であり、白い部分が多孔質化している部分である。従って、電池A1においては、活物質粒子の表面の部分のみが多孔質化していることがわかる。 In FIG. 1, black portions in the mixture layer are portions where the active material particles are not made porous, and white portions are portions where the porous portion is made porous. Therefore, it can be seen that in the battery A1, only the surface portion of the active material particles is made porous.
これに対し、図3に示すように、電池B1の負極においては、黒い部分が少なくなっており、白い部分が多くなっている。従って、電池B1の負極においては、多くの部分が多孔質化していることがわかる。 On the other hand, as shown in FIG. 3, in the negative electrode of battery B1, the black part has decreased and the white part has increased. Therefore, it can be seen that many portions are made porous in the negative electrode of the battery B1.
また、上述のように、電池B1の合剤層の厚みは、電池A1の合剤層の厚みよりも厚くなっており、電池B1の負極においては、活物質粒子が多孔質化することにより、合剤層の厚みが増加していることがわかる。 Further, as described above, the thickness of the mixture layer of the battery B1 is thicker than the thickness of the mixture layer of the battery A1, and in the negative electrode of the battery B1, the active material particles become porous, It can be seen that the thickness of the mixture layer is increased.
以上のことから、本発明に従い二酸化炭素を溶解した電解液を用いることにより、活物質粒子の多孔質化を抑制することができ、電極の厚みの増加を抑制できることがわかる。従って、本発明によれば、充放電サイクル後の電池の厚みの増加を抑制することができ、体積エネルギー密度の高い電池とすることができる。 From the above, it can be seen that by using an electrolytic solution in which carbon dioxide is dissolved in accordance with the present invention, it is possible to suppress the porosity of the active material particles and to suppress an increase in the thickness of the electrode. Therefore, according to the present invention, an increase in the thickness of the battery after the charge / discharge cycle can be suppressed, and a battery having a high volumetric energy density can be obtained.
本発明に従い二酸化炭素を溶解した非水電解質を用いることにより、活物質粒子の多孔質化を抑制できる詳細な理由については明らかでないが、二酸化炭素を溶解した非水電解質を用いることにより、活物質粒子の表面に、リチウムイオン伝導性に優れた被膜が形成され、これによって充放電反応に伴う活物質粒子の不可逆的な変質が抑制され、多孔質化を抑制できるものと思われる。 Although it is not clear about the detailed reason why the porous material of the active material particles can be suppressed by using a non-aqueous electrolyte in which carbon dioxide is dissolved according to the present invention, the active material is obtained by using a non-aqueous electrolyte in which carbon dioxide is dissolved. A coating having excellent lithium ion conductivity is formed on the surface of the particles, which suppresses irreversible alteration of the active material particles associated with the charge / discharge reaction, thereby suppressing the formation of a porous material.
(実験3)
ここでは、サイクル特性に与えるケイ素粉末の平均粒子径の影響について検討した。
(Experiment 3)
Here, the influence of the average particle size of the silicon powder on the cycle characteristics was examined.
実験1において、平均粒子径20μmのケイ素粉末を用いたこと以外は実験1と同様にして電池A2を作製した。また、実験2において、平均粒子径20μmのケイ素粉末を用いたこと以外は実験2と同様にして電池B2を作製した。
In
これらの電池について、実験2と同様にサイクル特性を評価した。なお、サイクル寿命は、電池A1のサイクル寿命を100とした指数である。表3には、電池A1及びB1のサイクル寿命も併せて示す。
For these batteries, the cycle characteristics were evaluated in the same manner as in
(実験4)
ここでは、集電体表面の算術平均粗さRaがサイクル特性に与える影響について検討した。
(Experiment 4)
Here, the influence of the arithmetic average roughness Ra of the current collector surface on the cycle characteristics was examined.
実験1において、集電体a1の代わりに、算術平均粗さRaが異なる電解銅箔を集電体として用いた。具体的には、算術平均粗さRaが0.2μmである電解銅箔、及び算術平均粗さRaが0.17μmである電解銅箔を用いた。これらの集電体を用い、実験1と同様にして、電池A3及びA4を作製した。
In
上記の各電池について、上記と同様にしてサイクル特性を評価した。なお、サイクル寿命は、電池A1のサイクル寿命を100とした指数である。表4には、電池A1のサイクル寿命も併せて示す。 For each of the above batteries, the cycle characteristics were evaluated in the same manner as described above. The cycle life is an index with the cycle life of the battery A1 as 100. Table 4 also shows the cycle life of the battery A1.
(実験5)
ここでは、電極の焼結条件がサイクル特性に与える影響について検討した。
(Experiment 5)
Here, the influence of electrode sintering conditions on cycle characteristics was examined.
実験1において、電極の熱処理を600℃10時間としたこと以外は、実験1と同様にして電池A5を作製した。
In
この電池について、上記と同様にサイクル特性を評価した。なお、サイクル寿命は電池A1のサイクル寿命を100とした指数である。表5には、電池A1のサイクル寿命も併せて示す。 The cycle characteristics of this battery were evaluated in the same manner as described above. The cycle life is an index with the cycle life of the battery A1 as 100. Table 5 also shows the cycle life of the battery A1.
(実験6)
ここでは、合剤層に添加した導電性粉末がサイクル特性に与える影響について検討した。
(Experiment 6)
Here, the effect of the conductive powder added to the mixture layer on the cycle characteristics was examined.
合剤層中に、平均粒子径3μmのニッケル粉末をケイ素粉末との合計に対して20重量%となるように添加した以外は、実験1と同様にして電池A6を作製した。
A battery A6 was produced in the same manner as in
この電池について、上記と同様にサイクル特性を評価した。なお、サイクル寿命は電池A1のサイクル寿命を100とした指数である。表6には、電池A1のサイクル寿命も併せて示す。 The cycle characteristics of this battery were evaluated in the same manner as described above. The cycle life is an index with the cycle life of the battery A1 as 100. Table 6 also shows the cycle life of the battery A1.
上記の実施例においては、負極の集電体の片面のみに合剤層を設けているが、集電体の両面に合剤層を設けてもよい。この場合、集電体の両面に本発明に従う凸部が形成されていることが好ましい。 In the above embodiment, the mixture layer is provided only on one side of the negative electrode current collector, but the mixture layer may be provided on both sides of the current collector. In this case, it is preferable that convex portions according to the present invention are formed on both surfaces of the current collector.
〔TOF−SIMS観察〕
本出願人は、導電性金属箔からなる集電体の上にスパッタリング法により非晶質シリコン薄膜を堆積して得られる負極においても、充放電サイクルにより、活物質の多孔質化が生じること及びこのような多孔質化が二酸化炭素を溶解した非水電解質を用いることにより抑制されることを見出している。このようなシリコン薄膜の電極を負極として用い、電池X1、電池Y1及び電池Y2を作製した。電池X1は、二酸化炭素を溶解させた非水電解質を用いており、電池Y1は、二酸化炭素を溶解させていない非水電解質を用いており、電池Y2は、二酸化炭素を溶解させず、ビニレンカーボネート(VC)を20重量%添加した非水電解質を用いている。初期充電後の電池X1、Y1及びY2について、TOF−SIMS(飛行時間型二次イオン質量分析)により、負極の表面分析を行った。
[TOF-SIMS observation]
In the negative electrode obtained by depositing an amorphous silicon thin film on a current collector made of a conductive metal foil by a sputtering method, the applicant of the present invention can make the active material porous due to the charge / discharge cycle, and It has been found that such porosification is suppressed by using a non-aqueous electrolyte in which carbon dioxide is dissolved. Using such a silicon thin film electrode as a negative electrode, a battery X1, a battery Y1, and a battery Y2 were produced. The battery X1 uses a non-aqueous electrolyte in which carbon dioxide is dissolved, the battery Y1 uses a non-aqueous electrolyte in which carbon dioxide is not dissolved, and the battery Y2 does not dissolve carbon dioxide, and vinylene carbonate. A non-aqueous electrolyte added with 20% by weight of (VC) is used. The batteries X1, Y1, and Y2 after the initial charge were subjected to surface analysis of the negative electrode by TOF-SIMS (time-of-flight secondary ion mass spectrometry).
図5は正イオンのTOF−SIMSスペクトルであり、図6は負イオンのTOF−SIMSスペクトルである。図5及び図6において、「LiPF6+CO2」は、電池X1のスペクトルを示しており、「LiPF6」は電池Y1のスペクトルを示しており、「LiPF6+VC20wt%」は電池Y2のスペクトルを示している。 FIG. 5 is a TOF-SIMS spectrum of positive ions, and FIG. 6 is a TOF-SIMS spectrum of negative ions. 5 and 6, “LiPF6 + CO2” indicates the spectrum of the battery X1, “LiPF6” indicates the spectrum of the battery Y1, and “LiPF6 + VC20 wt%” indicates the spectrum of the battery Y2.
図5及び図6から明らかなように、電池X1における負極の表面は、電池Y1及び電池Y2のものに比べ、Siイオン及びSiを含むイオンが大幅に減少し、Li2F+イオンが増加していることがわかる。このことから、二酸化炭素を溶解させた非水電解質を用いることにより、ケイ素の表面におけるSiの濃度が大幅に減少していることがわかる。これは、活物質であるケイ素の表面にSiを含まない被膜が形成されたことによるものと思われる。この被膜は、リチウムイオン伝導性に優れた安定な被膜であり、このような被膜がケイ素表面に形成されることにより、リチウムイオンがケイ素に吸蔵・放出される充放電の過程において、ケイ素の変質化を抑制し、ケイ素粒子が多孔質化するのを抑制することができるものと考えられる。 As is apparent from FIGS. 5 and 6, the surface of the negative electrode in the battery X1 has a significant decrease in Si ions and ions containing Si and an increase in Li 2 F + ions compared to those of the batteries Y1 and Y2. You can see that From this, it can be seen that the concentration of Si on the surface of silicon is greatly reduced by using a non-aqueous electrolyte in which carbon dioxide is dissolved. This is presumably due to the formation of a film containing no Si on the surface of silicon as the active material. This coating is a stable coating with excellent lithium ion conductivity. When such a coating is formed on the silicon surface, the alteration of silicon occurs during the charge / discharge process in which lithium ions are absorbed and released by silicon. It is considered that the silicon particles can be prevented from becoming porous and the silicon particles can be prevented from becoming porous.
また、電池Y1及び電池Y2の負極においては、活物質であるSiを含む被膜が形成されているものと思われる。また、このような被膜の生成が、活物質表面における多孔質化の原因になっているものと推測される。二酸化炭素を溶解させた非水電解質を用いると、このような被膜が形成されないため、活物質の多孔質化が抑制されているものと考えられる。 In addition, it is considered that a film containing Si as an active material is formed on the negative electrodes of the battery Y1 and the battery Y2. Moreover, it is estimated that the production | generation of such a film is causing the porosity in the active material surface. When a non-aqueous electrolyte in which carbon dioxide is dissolved is used, such a film is not formed, so that it is considered that the porous formation of the active material is suppressed.
本発明においても、上記と同様に、活物質粒子の表面にリチウムイオン伝導性に優れた安定な被膜が形成され、これによってリチウムイオンが活物質粒子に吸蔵・放出される充放電の過程において、活物質粒子の変質化を抑制し、活物質粒子における多孔質化を抑制することができるものと思われる。 Also in the present invention, in the same manner as described above, a stable coating having excellent lithium ion conductivity is formed on the surface of the active material particles, thereby charging and discharging the lithium ions into and out of the active material particles. It is considered that the active material particles can be prevented from being altered and the active material particles from being made porous.
(実験7)
ここでは、電解液中の二酸化炭素の溶解量がサイクル特性に与える影響について検討した。
(Experiment 7)
Here, the effect of the amount of carbon dioxide dissolved in the electrolyte on the cycle characteristics was examined.
〔正極及び負極の作製〕
実験1と同様にして正極及び負極を作製した。
[Preparation of positive electrode and negative electrode]
A positive electrode and a negative electrode were produced in the same manner as in
〔電解液の作製〕
実験1と同様にして、電解液xを作製し、この電解液xに実験1と同様にして二酸化炭素ガスを吹き込み、電解液a1を作製した。
(Preparation of electrolyte)
An electrolyte solution x was prepared in the same manner as in
アルゴンガス雰囲気下で、電解液xと電解液a1とを、表7に示す体積比で混合し、電解液a2、a3及びa4を作製した。 In an argon gas atmosphere, the electrolytic solution x and the electrolytic solution a1 were mixed at a volume ratio shown in Table 7 to prepare electrolytic solutions a2, a3, and a4.
実験1と同様にして、電解液a1を用いたリチウム二次電池A1を作製した。
In the same manner as in
電解液a2を用いた電池A7、電解液a3を用いた電池A8、電解液a4を用いた電池A9、及び電解液xを用いた電池B3については、常圧のアルゴンガス雰囲気下で作製する以外は、実験1と同様にして作製した。
The battery A7 using the electrolytic solution a2, the battery A8 using the electrolytic solution a3, the battery A9 using the electrolytic solution a4, and the battery B3 using the electrolytic solution x are manufactured under an atmospheric pressure argon gas atmosphere. Was prepared in the same manner as in
〔充放電サイクル特性の評価〕
上記各電池について、上記と同様にサイクル特性を評価した。評価結果を表8に示す。
[Evaluation of charge / discharge cycle characteristics]
About each said battery, the cycle characteristic was evaluated similarly to the above. The evaluation results are shown in Table 8.
なお、サイクル寿命は、電池A1のサイクル寿命を100とした指数である。表8には、電池A1のサイクル寿命も併せて示す。 The cycle life is an index with the cycle life of the battery A1 as 100. Table 8 also shows the cycle life of the battery A1.
また、図9には、各電池を用いた電解液中の二酸化炭素溶解量とサイクル寿命との関係を示す。 FIG. 9 shows the relationship between the amount of carbon dioxide dissolved in the electrolyte using each battery and the cycle life.
以上のことから、電解液中の二酸化炭素の溶解量は、0.01重量%以上であることが好ましく、0.05重量%以上であることがさらに好ましく、0.1重量%以上であることがさらに好ましいことがわかる。 From the above, the amount of carbon dioxide dissolved in the electrolytic solution is preferably 0.01% by weight or more, more preferably 0.05% by weight or more, and 0.1% by weight or more. Is more preferable.
(実験8)
ここでは、非水電解質にフッ素を含有することがサイクル特性に与える影響について検討した。
(Experiment 8)
Here, the effect of the inclusion of fluorine in the nonaqueous electrolyte on the cycle characteristics was examined.
〔電解液の作製〕
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の割合で混合した溶媒に、LiPF6を1モル/リットル溶解したものを作製した。これを電解液P0とする。この電解液P0を5℃まで冷却し、二酸化炭素雰囲気下で、300ml/分となるように二酸化炭素ガスをこの電解液に吹き込んだ。電解液の重量が変化しなくなるまで(約30分間)吹き込んだ。これを25℃まで昇温し、電解液P1とした。二酸化炭素ガス吹き込み後の電解液の重量を二酸化炭素ガス雰囲気下で測定し、電解液の重量変化を調べることにより、電解液に溶解している二酸化炭素ガス量を測定したところ、0.37重量%であった。
(Preparation of electrolyte)
A solution in which 1 mol / liter of LiPF 6 was dissolved in a solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 3: 7 was prepared. This is designated as electrolyte P0. The electrolytic solution P0 was cooled to 5 ° C., and carbon dioxide gas was blown into the electrolytic solution at a rate of 300 ml / min in a carbon dioxide atmosphere. Blowing was performed until the weight of the electrolyte did not change (about 30 minutes). This was heated up to 25 degreeC and was set as the electrolyte solution P1. The weight of the electrolytic solution after the carbon dioxide gas was blown was measured in a carbon dioxide gas atmosphere, and the amount of carbon dioxide gas dissolved in the electrolytic solution was measured by examining the change in the weight of the electrolytic solution. %Met.
電解液P0のリチウム塩LiPF6の代わりにLiBF4を用いる以外は、電解液P0と同様に電解液を作製し、電解液B0とした。この電解液B0に電解液P1と同じ方法で二酸化炭素ガスを吹き込み、電解液B1とした。 An electrolyte solution was prepared in the same manner as the electrolyte solution P0 except that LiBF 4 was used instead of the lithium salt LiPF 6 of the electrolyte solution P0, and was designated as electrolyte solution B0. Carbon dioxide gas was blown into the electrolytic solution B0 in the same manner as the electrolytic solution P1 to obtain an electrolytic solution B1.
電解液P0のリチウム塩LiPF6の代わりにLiN(C2F5SO2)2を用いる以外は、電解液P0と同様にして電解液を作製し、これを電解液N0とした。この電解液N0に電解液P1と同じ方法で二酸化炭素ガスを吹き込み、電解液N1とした。 An electrolyte solution was prepared in the same manner as the electrolyte solution P0 except that LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 was used instead of the lithium salt LiPF 6 of the electrolyte solution P0, and this was designated as the electrolyte solution N0. Carbon dioxide gas was blown into the electrolytic solution N0 in the same manner as the electrolytic solution P1 to obtain an electrolytic solution N1.
電解液P0のリチウム塩LiPF6の代わりにLiClO4を用いる以外は、電解液P0と同様にして電解液を作製し、電解液C0とした。この電解液C0に電解液P1と同じ方法で二酸化炭素ガスを吹き込み、電解液C1とした。 An electrolyte solution was prepared in the same manner as the electrolyte solution P0 except that LiClO 4 was used instead of the lithium salt LiPF 6 of the electrolyte solution P0, and was designated as electrolyte solution C0. Carbon dioxide gas was blown into the electrolytic solution C0 in the same manner as the electrolytic solution P1 to obtain an electrolytic solution C1.
〔電池の作製〕
実験1と同様の正極、負極、及び電解液P1、B1、N1、及びC1を用い、常温及び常圧の二酸化炭素ガス雰囲気下で、リチウム二次電池AP1、AB1、AN1、及びAC1を作製した。
[Production of battery]
Using the same positive electrode, negative electrode, and electrolytic solutions P1, B1, N1, and C1 as in
実験1と同様の正極、負極、及び電解液P0、B0、N0、及びC0を用い、常温及び常圧のアルゴンガス雰囲気下で、リチウム二次電池AP0、AB0、AN0、及びAC0を作製した。
Lithium secondary batteries AP0, AB0, AN0, and AC0 were prepared using the same positive electrode, negative electrode, and electrolytic solutions P0, B0, N0, and C0 as in
〔充放電サイクル特性の評価〕
上記各電池について、充放電サイクル特性を評価した。電池AP1、AB1、AC1、AP0、AB0、及びAC0を、25℃において、電流値14mAで4.2Vまで定電流充電した後、電圧4.2Vで電流値0.7mAまで定電圧充電を行い、その後、電流値14mAで2.75Vまで放電し、これを1サイクルの充放電とした。
[Evaluation of charge / discharge cycle characteristics]
About each said battery, the charge / discharge cycle characteristic was evaluated. The batteries AP1, AB1, AC1, AP0, AB0, and AC0 were charged at constant current to 4.2V at a current value of 14 mA at 25 ° C., and then charged at a voltage of 4.2 V to a current value of 0.7 mA. Then, it discharged to 2.75V with the electric current value of 14 mA, and this was made into 1 cycle charging / discharging.
定電流充電を4.0Vまで行ったこと以外は上記の充放電と同様にして、電池AN1及びAN0の充放電を行った。 The batteries AN1 and AN0 were charged / discharged in the same manner as the above charge / discharge except that the constant current charge was performed up to 4.0V.
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。結果を表9に示す。 The number of cycles to reach 80% of the discharge capacity at the first cycle was measured and defined as the cycle life. The results are shown in Table 9.
なお、表9においてサイクル寿命Aは、電池AP1のサイクル寿命を100とした指数である。また、サイクル寿命Bは、それぞれの電池において電解液に二酸化炭素を含有させた電池のサイクル寿命を100とした指数である。 In Table 9, the cycle life A is an index with the cycle life of the battery AP1 as 100. The cycle life B is an index with the cycle life of a battery in which carbon dioxide is contained in the electrolyte in each battery as 100.
なお、上記各実施例においては、負極集電体の片面にのみ凹凸を有したものを用い、その凹凸面の上に活物質層を配置しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、両面に凹凸を有する集電体を用い、その両面の上に活物質層を配置した負極を用いてもよい。 In each of the above examples, the negative electrode current collector having an uneven surface is used only on one surface, and the active material layer is disposed on the uneven surface. However, the present invention is not limited to this. Instead, a negative electrode in which a current collector having irregularities on both sides is used and an active material layer is disposed on both sides may be used.
(実験9)
〔電解液の作製〕
エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)を体積比3:7で混合した溶媒に、LiPF6を1モル/リットル溶解したものを作製した。この電解液をED0とする。
(Experiment 9)
(Preparation of electrolyte)
A solution in which LiPF 6 was dissolved at 1 mol / liter in a solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) were mixed at a volume ratio of 3: 7 was prepared. This electrolytic solution is referred to as ED0.
電解液ED0を5℃まで冷却し、二酸化炭素の雰囲気下で、二酸化炭素ガスを300ml/分の流量で、電解液の重量が変化しなくなるまで電解液中に吹き込んだ(30分)。これを25℃まで昇温し電解液ED1とした。二酸化炭素ガス吹き込み後の電解液の重量を二酸化炭素ガス雰囲気下で測定し、二酸化炭素ガス吹き込み前後における電解液の重量変化を調べることにより、電解液に溶解している二酸化炭素のガス量を算出したところ、0.37重量%であった。 The electrolyte solution ED0 was cooled to 5 ° C., and carbon dioxide gas was blown into the electrolyte solution at a flow rate of 300 ml / min until the weight of the electrolyte solution did not change (30 minutes). This was heated up to 25 degreeC and was set as electrolyte solution ED1. Calculate the amount of carbon dioxide dissolved in the electrolyte by measuring the weight of the electrolyte after carbon dioxide gas injection in a carbon dioxide gas atmosphere and examining the change in the weight of the electrolyte before and after carbon dioxide gas injection. As a result, it was 0.37% by weight.
電解液中の環状カーボネートとしてプロピレンカーボネート(PC)を用い、鎖状カーボネートとしてジエチルカーボネート(DEC)を用い、それ以外は電解液ED1と同様にして二酸化炭素を溶解させ、電解液PD1を作製した。 Propylene carbonate (PC) was used as the cyclic carbonate in the electrolytic solution, diethyl carbonate (DEC) was used as the chain carbonate, and carbon dioxide was dissolved in the same manner as the electrolytic solution ED1 to prepare electrolytic solution PD1.
電解液中の環状カーボネートとしてプロピレンカーボネート(PC)を用い、鎖状カーボネートとしてメチルエチルカーボネート(MEC)を用い、それ以外は電解液ED1と同様にして二酸化炭素を溶解させ、電解液PM1を作製した。 Propylene carbonate (PC) was used as the cyclic carbonate in the electrolytic solution, methyl ethyl carbonate (MEC) was used as the chain carbonate, and carbon dioxide was dissolved in the same manner as in the electrolytic solution ED1 to prepare an electrolytic solution PM1. .
電解液中の環状カーボネートとしてエチレンカーボネート(EC)を用い、鎖状カーボネートとしてメチルエチルカーボネート(MEC)を用い、それ以外は電解液ED1と同様にして二酸化炭素を溶解させ、電解液EM1を作製した。 Ethylene carbonate (EC) was used as the cyclic carbonate in the electrolytic solution, methyl ethyl carbonate (MEC) was used as the chain carbonate, and carbon dioxide was dissolved in the same manner as in the electrolytic solution ED1 to prepare an electrolytic solution EM1. .
電解液中の環状カーボネートとしてエチレンカーボネート(EC)を用い、鎖状カーボネートとしてジメチルカーボネート(DMC)を用い、これらを体積比1:1で混合した溶媒に、上記電解液ED1と同様にしてLiPF6及び二酸化炭素を溶解させ、電解液EDM1を作製した。 LiPF 6 was used in the same manner as in the electrolyte ED1 in a solvent in which ethylene carbonate (EC) was used as the cyclic carbonate in the electrolyte, dimethyl carbonate (DMC) was used as the chain carbonate, and these were mixed at a volume ratio of 1: 1. And the carbon dioxide was dissolved and electrolyte solution EDM1 was produced.
電解液PD1、PM1、EM1及びEDM1中に溶解している二酸化炭素のガス量は、それぞれ0.36重量%、0.64重量%、0.54重量%及び0.46重量%であった。 The gas amounts of carbon dioxide dissolved in the electrolytic solutions PD1, PM1, EM1, and EDM1 were 0.36 wt%, 0.64 wt%, 0.54 wt%, and 0.46 wt%, respectively.
〔電池の作製〕
実験1と同様の正極及び負極を用い、電解液として上記のED0、ED1、PD1、PM1、EM1及びEDM1を用い、実験1と同様にして、リチウム二次電池を作製した。二酸化炭素を溶解させた電解液ED1、PD1、PM1、EM1及びEDM1を用いて電池を作製する場合には、常温及び常圧の二酸化炭素ガス雰囲気下で、正極、負極及び電解液をアルミニウムラミネート外装体内に挿入して作製した。
[Production of battery]
Using the same positive electrode and negative electrode as in
また、二酸化炭素を溶解していない電解液ED0を用いる場合には、常温及び常圧のアルゴンガス雰囲気下で、アルミニウムラミネート外装体内に正極、負極、及び電解液を挿入して作製した。 Further, in the case of using the electrolytic solution ED0 in which carbon dioxide was not dissolved, the positive electrode, the negative electrode, and the electrolytic solution were inserted into the aluminum laminate outer package under an argon gas atmosphere at normal temperature and normal pressure.
電解液ED0を用いた電池をAED0、電解液ED1を用いた電池をAED1、電解液PD1を用いた電池をAPD1、電解液PM1を用いた電池をAPM1、電解液EM1を用いた電池をAEM1、電解液EDM1を用いた電池をAEDM1とした。 AED0 is a battery using the electrolytic solution ED0, AED1 is a battery using the electrolytic solution ED1, APD1 is a battery using the electrolytic solution PD1, APM1 is a battery using the electrolytic solution PM1, and AEM1 is a battery using the electrolytic solution EM1. A battery using the electrolytic solution EDM1 was designated as AEDM1.
以上のようにして作製した各電池の電解液及び二酸化炭素の溶解のあり及びなしを以下の表にまとめて示す。 The following table summarizes the presence and absence of the electrolytic solution and carbon dioxide dissolution of each battery produced as described above.
実験1と同様にして、上記の各電池について、充放電サイクル特性を評価した。なお、各電池のサイクル寿命は、電池AED1のサイクル寿命を100とした指数である。結果を表11に示す。
In the same manner as in
また、その他の電池APM1、AEM1、及びAEDM1においても、電解液に二酸化炭素を溶解することによりサイクル寿命が改善される効果が認められている。 In other batteries APM1, AEM1, and AEDM1, the effect of improving the cycle life by dissolving carbon dioxide in the electrolytic solution is recognized.
(参考実験)
〔炭素負極の作製〕
増粘剤であるカルボキシメチルセルロースを水に溶かした水溶液中に、負極活物質として人造黒鉛と、結着剤としてのスチレン−ブタジエンゴムとを、活物質と結着剤と増粘剤の重量比が95:3:2の比率になるようにして加えた後に混練して、負極スラリーを作製した。作製したスラリーを集電体としての銅箔上に塗布した後、乾燥し、その後圧延ローラーを用いて圧延し、集電タブを取り付けることで、負極を作製した。
(Reference experiment)
[Production of carbon anode]
In an aqueous solution in which carboxymethyl cellulose, a thickener, is dissolved in water, artificial graphite as a negative electrode active material and styrene-butadiene rubber as a binder, the weight ratio of the active material, the binder, and the thickener is The mixture was added in a ratio of 95: 3: 2, and then kneaded to prepare a negative electrode slurry. After apply | coating the produced slurry on the copper foil as a collector, it dried and then rolled using the rolling roller, and the negative electrode was produced by attaching a current collection tab.
〔正極の作製〕
LiCoO2粉末90重量部、及び導電剤としての人造黒鉛粉末5重量部を、結着剤としてのポリテトラフルオロエチレン5重量部を含む5重量%のN−メチルピロリドン水溶液に混合し、正極合剤スラリーとした。このスラリーをドクターブレード法により、正極集電体であるアルミニウム箔に塗布した後乾燥し、正極活物質層を形成した。正極活物質を塗布しなかったアルミニウム箔の領域の上に正極タブを取り付け、正極を作製した。
[Production of positive electrode]
90 parts by weight of LiCoO 2 powder and 5 parts by weight of artificial graphite powder as a conductive agent are mixed in a 5% by weight N-methylpyrrolidone aqueous solution containing 5 parts by weight of polytetrafluoroethylene as a binder, and a positive electrode mixture A slurry was obtained. This slurry was applied to an aluminum foil as a positive electrode current collector by a doctor blade method and then dried to form a positive electrode active material layer. A positive electrode tab was attached on the region of the aluminum foil where the positive electrode active material was not applied, and a positive electrode was produced.
〔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3:7の体積比で混合した溶液に、LiPF6を1モル/リットルとなるように溶解した液を調製した。
[Production of non-aqueous electrolyte]
A solution was prepared by dissolving LiPF 6 so as to be 1 mol / liter in a solution in which ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 3: 7.
この液にビニレンカーボネートを2重量%添加し、非水電解質c2とした。 2% by weight of vinylene carbonate was added to this solution to obtain a nonaqueous electrolyte c2.
非水電解質c2に25℃の温度で30分間二酸化炭素を吹き込み、二酸化炭素の飽和量となるまで溶解させ、これを非水電解質c1とした。二酸化炭素の溶解量は、0.37重量%であった。 Carbon dioxide was blown into the nonaqueous electrolyte c2 at a temperature of 25 ° C. for 30 minutes and dissolved until the saturation amount of carbon dioxide was reached. This was designated as the nonaqueous electrolyte c1. The amount of carbon dioxide dissolved was 0.37% by weight.
非水電解質c1及びc2は、以下の通りである。 The nonaqueous electrolytes c1 and c2 are as follows.
非水電解質c1:CO2を溶解させた非水電解質
非水電解質c2:CO2を溶解させていない非水電解質
〔電池の作製〕
上記負極、正極、及び非水電解質を用いて、リチウム二次電池を作製した。
Nonaqueous electrolyte c1: Nonaqueous electrolyte in which CO 2 is dissolved Nonaqueous electrolyte c2: Nonaqueous electrolyte in which CO 2 is not dissolved [Preparation of battery]
A lithium secondary battery was produced using the negative electrode, the positive electrode, and the nonaqueous electrolyte.
上記の正極、及び負極の間に多孔質ポリエチレンからなるセパレータを挟んで巻回した電極群、及び上記非水電解質を、アルミニウムラミネートからなる外装体内に挿入し、正極集電タブ及び負極集電タブが外に出るように外装体の周囲をヒートシールして、電池を完成させた。 An electrode group wound with a separator made of porous polyethylene sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, and the non-aqueous electrolyte are inserted into an outer package made of aluminum laminate, and a positive electrode current collecting tab and a negative electrode current collecting tab The battery was completed by heat-sealing the periphery of the outer package so that the battery goes out.
作製した電池の仕様は、表12に示す通りである。 The specifications of the manufactured battery are as shown in Table 12.
〔充放電サイクル試験〕
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、充放電サイクル試験を行った。充放電の条件は、25℃において、電流値600mAで4.2Vまで定電流充電した後、30mAまで4.2Vで定電圧充電を行い、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。500サイクル目の放電容量を1サイクル目の放電容量で割った容量維持率を、表13に示す。また、表13には、500サイクル後の電池の厚みの増加量及びこの量から求めた電極一層当りの活物質の厚みの増加量を示す。
[Charge / discharge cycle test]
The lithium secondary batteries C1 and C2 produced as described above were subjected to a charge / discharge cycle test. The charging / discharging conditions are as follows: at 25 ° C., constant current charging to 4.2 V at a current value of 600 mA is performed, then constant voltage charging is performed at 4.2 V up to 30 mA, discharging to 2.75 V at a current value of 600 mA. Cycle charge / discharge. Table 13 shows capacity retention ratios obtained by dividing the discharge capacity at the 500th cycle by the discharge capacity at the first cycle. Table 13 shows the amount of increase in the thickness of the battery after 500 cycles and the amount of increase in the thickness of the active material per electrode layer determined from this amount.
1…外装体
2…閉口部
3…正極集電タブ
4…負極集電タブ
5…電極体
DESCRIPTION OF
Claims (18)
前記非水電解質に二酸化炭素を0.037重量%以上溶解させたことを特徴とするリチウム二次電池。 After disposing a mixture layer containing active material particles containing silicon and / or silicon alloy and a binder, which is made porous from the surface toward the inside by charging and discharging, on the surface of the current collector made of conductive metal foil , In a lithium secondary battery comprising a sintered negative electrode, a positive electrode, and a non-aqueous electrolyte,
A lithium secondary battery comprising 0.037% by weight or more of carbon dioxide 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とバインダーとを含む合剤層を導電性金属箔からなる集電体の表面上に配置し、焼結して前記負極を作製する工程と、
前記非水電解質に二酸化炭素を溶解させる工程と、
前記負極、前記正極、及び前記非水電解質を用いてリチウム二次電池を組み立てる工程とを備えることを特徴とするリチウム二次電池の製造方法。 A method for producing a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 14 ,
Disposing a mixture layer containing active material particles containing silicon and / or a silicon alloy and a binder on the surface of a current collector made of a conductive metal foil, and sintering to produce the negative electrode;
Dissolving carbon dioxide in the non-aqueous electrolyte;
And a step of assembling a lithium secondary battery using the negative electrode, the positive electrode, and the non-aqueous electrolyte.
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