JP2008305573A - Anode and battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、負極集電体とそれに設けられた負極活物質層とを有する負極およびそれを備えた電池に関する。 The present invention relates to a negative electrode having a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer provided thereon, and a battery including the negative electrode.
近年、カメラ一体型VTR(video tape recorder )、携帯電話あるいはノートパソコンなどのポータブル電子機器が広く普及しており、その小型化、軽量化および長寿命化が強く求められている。これに伴い、ポータブル電子機器の電源として、電池、特に軽量で高エネルギー密度が得られる二次電池の開発が進められている。中でも、充放電反応にリチウムの吸蔵および放出を利用する二次電池(いわゆるリチウムイオン二次電池)は、鉛電池やニッケルカドミウム電池よりも大きなエネルギー密度が得られるため、大いに期待されている。 In recent years, portable electronic devices such as a camera-integrated VTR (video tape recorder), a mobile phone, or a laptop computer have been widely used, and there is a strong demand for miniaturization, weight reduction, and long life. Accordingly, as a power source for portable electronic devices, development of a battery, in particular, a secondary battery that is lightweight and obtains a high energy density is in progress. Among them, a secondary battery (so-called lithium ion secondary battery) that uses insertion and extraction of lithium for charge and discharge reactions is highly expected because a higher energy density can be obtained than a lead battery or a nickel cadmium battery.
リチウムイオン二次電池は、正極および負極と共に電解液を備えており、その負極は、負極活物質を含む負極活物質層が負極集電体に設けられた構成を有している。この負極活物質としては炭素材料が広く用いられているが、最近では、ポータブル電子機器の高性能化および多機能化に伴って電池容量のさらなる向上が求められていることから、炭素材料に代えてケイ素を用いることが検討されている。ケイ素の理論容量(4199mAh/g)は黒鉛の理論容量(372mAh/g)よりも格段に大きいため、電池容量の大幅な向上が期待されるからである。 A lithium ion secondary battery includes an electrolyte solution together with a positive electrode and a negative electrode, and the negative electrode has a configuration in which a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material is provided on a negative electrode current collector. As this negative electrode active material, a carbon material is widely used. However, in recent years, a further improvement in battery capacity has been demanded along with higher performance and multi-functionality of portable electronic devices. Therefore, the use of silicon has been studied. This is because the theoretical capacity of silicon (4199 mAh / g) is much larger than the theoretical capacity of graphite (372 mAh / g), so that significant improvement in battery capacity is expected.
ところが、気相法によって負極活物質としてケイ素を堆積させると、その負極活物質中に多数の細孔が生じて表面積が増大する。この場合には、負極活物質が高活性であるため、充放電時に電解液が分解しやすくなり、しかもリチウムが不活性化しやすくなる。これにより、高容量化が図られる一方で、充放電を繰り返すと二次電池の重要な特性であるサイクル特性が低下しやすい。 However, when silicon is deposited as a negative electrode active material by a vapor phase method, a large number of pores are generated in the negative electrode active material, increasing the surface area. In this case, since the negative electrode active material is highly active, the electrolytic solution is easily decomposed during charging and discharging, and lithium is easily deactivated. As a result, the capacity can be increased. On the other hand, when charging and discharging are repeated, the cycle characteristics, which are important characteristics of the secondary battery, are likely to deteriorate.
そこで、負極活物質としてケイ素を用いた場合においてもサイクル特性を向上させるために、さまざまな工夫がなされている。 Therefore, various ideas have been made to improve cycle characteristics even when silicon is used as the negative electrode active material.
具体的には、気相法によってケイ素薄膜を複数回に渡って堆積させる場合に、2回目以降の堆積工程において、その堆積前にケイ素薄膜の表面へイオンを照射する技術(例えば、特許文献1参照。)や、発泡状金属あるいは繊維状金属焼結体などの三次元構造を有する負極集電体を用いる技術(例えば、特許文献2参照。)や、ケイ素を焼結させて負極集電体と一体形成する技術(例えば、特許文献3,4参照。)などが提案されている。
また、ケイ素粒子を金属酸化物などの焼成物(セラミック)で被覆する技術(例えば、特許文献5,6参照。)や、ケイ素合金層の表面に酸化ケイ素などの酸化物層を形成する技術(例えば、特許文献7参照。)や、ケイ素粉末上に導電性金属を還元析出させる技術(例えば、特許文献8参照。)や、ケイ素化合物粒子を金属で被覆する技術(例えば、特許文献9参照。)や、ケイ素粒子中にリチウムと合金化しない金属元素を拡散させる技術(例えば、特許文献10参照。)や、ケイ素薄膜中に銅を固溶させる技術(例えば、特許文献11参照。)なども提案されている。
最近のポータブル電子機器は益々小型化、高性能化および多機能化しており、それに伴って二次電池の充放電が頻繁に繰り返される傾向にあるため、サイクル特性が低下しやすい状況にある。特に、高容量化のために負極活物質としてケイ素を用いたリチウムイオン二次電池では、上記した表面積の増大に起因してサイクル特性が顕著に低下しやすい。このため、二次電池のサイクル特性に関して、より一層の向上が望まれている。 Recent portable electronic devices are becoming smaller, higher performance and more multifunctional, and accordingly, charging and discharging of secondary batteries tend to be repeated frequently, so that the cycle characteristics are likely to deteriorate. In particular, in a lithium ion secondary battery using silicon as the negative electrode active material for increasing the capacity, the cycle characteristics are likely to be significantly reduced due to the increase in the surface area. For this reason, the further improvement is desired regarding the cycling characteristics of a secondary battery.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、サイクル特性を向上させることが可能な負極および電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a negative electrode and a battery capable of improving cycle characteristics.
本発明の負極は、負極集電体とそれに設けられた負極活物質層とを有し、負極活物質層が複数の細孔を有する負極活物質を含み、水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率が3nm以上50nm以下の孔径に第1のピークを示すと共に50nm以上3000nm以下の孔径に第2のピークを示すように分布し、第1のピークにおける変化率をA、第2のピークにおける変化率をBとしたとき、比A/Bが8/1以下のものである。 The negative electrode of the present invention includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer provided on the negative electrode active material layer, the negative electrode active material layer includes a negative electrode active material having a plurality of pores, and is measured by a mercury intrusion method. The rate of change in the amount of mercury entering the pores is distributed so as to show a first peak at a pore diameter of 3 nm to 50 nm and a second peak at a pore diameter of 50 nm to 3000 nm, and the change in the first peak When the rate is A and the rate of change at the second peak is B, the ratio A / B is 8/1 or less.
本発明の電池は、正極および負極と共に電解液を備え、負極が負極集電体とそれに設けられた負極活物質層とを有し、負極活物質層が複数の細孔を有する負極活物質を含み、水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率が3nm以上50nm以下の孔径に第1のピークを示すと共に50nm以上3000nm以下の孔径に第2のピークを示すように分布し、第1のピークにおける変化率をA、第2のピークにおける変化率をBとしたとき、比A/Bが8/1以下のものである。 The battery of the present invention comprises an electrolyte solution together with a positive electrode and a negative electrode, the negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer provided thereon, and the negative electrode active material layer has a plurality of pores. In addition, the rate of change in the amount of mercury intrusion into a plurality of pores measured by the mercury intrusion method shows a first peak at a pore diameter of 3 nm to 50 nm and a second peak at a pore diameter of 50 nm to 3000 nm. When the change rate at the first peak is A and the change rate at the second peak is B, the ratio A / B is 8/1 or less.
上記した「水銀圧入法によって測定される水銀の浸入量」とは、水銀ポロシメータを用いて測定される水銀の浸入量であり、水銀の表面張力および接触角をそれぞれ485mN/mおよび130°とし、細孔の孔径と圧力との間の関係を180/圧力=孔径と近似したときに測定される値である。これに伴い、「3nm以上50nm以下の孔径に第1のピークを示す」とは、水銀ポロシメータの測定結果(横軸:孔径,縦軸:水銀の浸入量の変化率)中において、水銀の浸入量の変化率が3nm以上50nm以下における特定の孔径において最大になることを意味する。同様に、「50nm以上3000nm以下の孔径に第2のピークを示す」とは、水銀ポロシメータの測定結果中において、水銀の浸入量の変化率が50nm以上3000nm以下における特定の孔径において最大になることを意味する。また、「第1および第2のピークにおける変化率」とは、比A/Bを画一的に規定するために、第2のピークにおける水銀の浸入量の変化率を1として規格化した値である。 The above-mentioned “mercury intrusion amount measured by mercury intrusion method” is the mercury intrusion amount measured using a mercury porosimeter, and the surface tension and contact angle of mercury are 485 mN / m and 130 °, respectively. It is a value measured when the relationship between the pore diameter and the pressure of the pore is approximated to 180 / pressure = pore diameter. Accordingly, “shows the first peak in the pore diameter of 3 nm or more and 50 nm or less” means that the mercury intrusion in the measurement result of the mercury porosimeter (horizontal axis: pore diameter, vertical axis: rate of change of mercury penetration). It means that the rate of change of the amount becomes maximum at a specific pore diameter in the range of 3 nm to 50 nm. Similarly, “showing the second peak at a pore diameter of 50 nm or more and 3000 nm or less” means that in the measurement result of the mercury porosimeter, the rate of change in the amount of mercury intrusion becomes maximum at a specific pore diameter of 50 nm or more and 3000 nm or less. Means. In addition, the “change rate in the first and second peaks” is a value normalized with the change rate of the mercury intrusion amount in the second peak as 1 in order to uniformly define the ratio A / B. It is.
本発明の負極によれば、負極活物質が複数の細孔を有し、水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率が3nm以上50nm以下の孔径に第1のピーク(変化率A)を示すと共に50nm以上3000nm以下の孔径に第2のピーク(変化率B)を示すように分布し、比A/Bが8/1以下であるので、その範囲外である場合と比較して、負極活物質が高活性なケイ素を含有する場合においても他の物質と反応しにくくなる。これにより、本発明の負極を備えた電池によれば、電解液が分解しにくくなるため、サイクル特性を向上させることができる。この場合には、比A/Bが1/30以上8/1以下であれば、負極の生産性を確保しつつサイクル特性を向上させることができる。 According to the negative electrode of the present invention, the negative electrode active material has a plurality of pores, and the rate of change in the amount of mercury intrusion into the plurality of pores measured by the mercury intrusion method is the first in the pore diameter of 3 nm to 50 nm. And a second peak (rate of change B) with a pore diameter of 50 nm to 3000 nm and a ratio A / B of 8/1 or less. Compared with some cases, even when the negative electrode active material contains highly active silicon, it becomes difficult to react with other materials. Thereby, according to the battery provided with the negative electrode of the present invention, since the electrolytic solution is difficult to be decomposed, cycle characteristics can be improved. In this case, when the ratio A / B is 1/30 or more and 8/1 or less, the cycle characteristics can be improved while ensuring the productivity of the negative electrode.
また、負極活物質が酸素を含有し、負極活物質中における酸素の含有量が3原子数%以上40原子数%以下であり、あるいは負極活物質が鉄、コバルト、ニッケル、チタン、クロムおよびモリブデンからなる群のうちの少なくとも1種の金属元素を含有し、または負極活物質粒子がその厚さ方向において酸素含有領域(酸素を有し、酸素の含有量がそれ以外の領域よりも高い領域)を有していれば、より高い効果を得ることができる。 The negative electrode active material contains oxygen, and the oxygen content in the negative electrode active material is 3 atomic% to 40 atomic%, or the negative electrode active material is iron, cobalt, nickel, titanium, chromium, and molybdenum. Containing at least one metal element from the group consisting of, or the negative electrode active material particles having an oxygen-containing region in the thickness direction (region having oxygen and having a higher oxygen content than the other regions) If it has, higher effect can be acquired.
さらに、負極集電体の表面の十点平均粗さRzが1.5μm以上6.5μm以下であれば、より高い効果を得ることができる。 Furthermore, if the ten-point average roughness Rz of the surface of the negative electrode current collector is 1.5 μm or more and 6.5 μm or less, a higher effect can be obtained.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施の形態に係る負極の断面構成を表している。この負極は、例えば電池などの電気化学デバイスに用いられるものであり、対向する一対の面を有する負極集電体1と、それに設けられた負極活物質層2とを有している。
FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of a negative electrode according to an embodiment of the present invention. This negative electrode is used for, for example, an electrochemical device such as a battery, and includes a negative electrode
負極集電体1は、良好な電気化学的安定性、電気伝導性および機械的強度を有する金属材料により構成されているのが好ましい。この金属材料としては、例えば、銅、ニッケルあるいはステンレスなどが挙げられ、中でも、銅が好ましい。高い電気伝導性が得られるからである。
The negative
特に、負極集電体1を構成する金属材料は、電極反応物質と金属間化合物を形成しない1種あるいは2種以上の金属元素を含有しているのが好ましい。電極反応物質と金属間化合物を形成すると、電気化学デバイスの動作時(例えば電池の充放電時)に、負極活物質層2の膨張および収縮による応力の影響を受けて、集電性が低下したり、負極活物質層2が負極集電体1から剥離する可能性があるからである。これらの金属元素としては、例えば、銅、ニッケル、チタン、鉄あるいはクロムなどが挙げられる。
In particular, the metal material constituting the anode
また、上記した金属材料は、負極活物質層2と合金化する1種あるいは2種以上の金属元素を含有しているのが好ましい。負極集電体1と負極活物質層2との間の密着性が向上するため、その負極活物質層2が負極集電体1から剥離しにくくなるからである。電極反応物質と金属間化合物を形成せず、しかも負極活物質層2と合金化する金属元素としては、例えば、負極活物質層2が負極活物質としてケイ素を含有する場合には、銅、ニッケルあるいは鉄などが挙げられる。これらの金属元素は、強度および導電性の観点からも好ましい。
Further, the metal material described above preferably contains one or more metal elements that are alloyed with the negative electrode
なお、負極集電体1は、単層構造を有していてもよいし、多層構造を有していてもよい。この負極集電体1が多層構造を有する場合には、例えば、負極活物質層2と隣接する層がそれと合金化する金属材料によって構成され、隣接しない層が他の金属材料によって構成されるのが好ましい。
The negative electrode
負極集電体1の表面は、粗面化されているのが好ましい。いわゆるアンカー効果によって負極集電体1と負極活物質層2との間の密着性が向上するからである。この場合には、少なくとも負極活物質層2と対向する負極集電体1の表面が粗面化されていればよい。粗面化の方法としては、例えば、電解処理によって微粒子を形成する方法などが挙げられる。この電解処理とは、電解槽中において電解法によって負極集電体1の表面に微粒子を形成して凹凸を設ける方法である。この電解処理が施された銅箔は、一般に「電解銅箔」と呼ばれている。
The surface of the negative electrode
この負極集電体1の表面の十点平均粗さRzは、1.5μm以上6.5μm以下であるのが好ましい。負極集電体1と負極活物質層2との間の密着性がより高くなるからである。詳細には、十点平均粗さRzが1.5μmよりも小さいと、十分な密着性が得られない可能性があり、6.5μmよりも大きいと、負極活物質中に空孔が多く含まれて表面積が増大する可能性があるからである。
The ten-point average roughness Rz of the surface of the negative electrode
負極活物質層2は、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な負極活物質を含んでいる。この負極活物質は、複数の細孔を有しており、その複数の細孔の孔径は、およそ数nmから数千nmに至る広い範囲に渡って分布している。
The negative electrode
図2は、水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率の分布を表しており、横軸は孔径(nm)、縦軸は水銀の浸入量の変化率を示している。この水銀の浸入量の変化率は、水銀ポロシメータを用いて測定可能である。また、水銀の浸入量は、水銀の表面張力および接触角をそれぞれを485mN/mおよび130°とし、細孔の孔径と圧力との間の関係を180/圧力=孔径と近似したときに測定される値である。水銀ポロシメータを用いて圧力Pを段階的に増加させながら複数の細孔への水銀の浸入量Vを測定すると、その水銀の浸入量の変化率(ΔV/ΔP)は、図2に示したように、3nm以上3000nm以下の孔径において、3nm以上50nm以下の孔径にピークP1(第1のピーク)を示すと共に50nm以上3000nm以下の孔径にピークP2(第2のピーク)を示すように分布する。このピークP1は、3nm以上3000nm以下の孔径において変化率が最大となるときのピークであり、ピークP2は、50nm以上3000nm以下の孔径において変化率が最大となるときのピークである。ここでは、例えば、ピークP1における孔径が9nmであり、ピークP2における孔径が500nmである場合を示している。縦軸に示した水銀の浸入量の変化率は、広孔径側のピークP2における変化率を1として規格化した値である。この第1のピークP1における変化率をA、第2のピークP2における変化率をBとしたとき、比A/Bは8/1以下である。 Fig. 2 shows the distribution of the rate of change of mercury intrusion into a plurality of pores measured by the mercury intrusion method. The horizontal axis represents the pore diameter (nm) and the vertical axis represents the rate of change of mercury intrusion. Show. The rate of change of the mercury intrusion amount can be measured using a mercury porosimeter. The amount of mercury intrusion was measured when the surface tension and contact angle of mercury were 485 mN / m and 130 °, respectively, and the relationship between pore diameter and pressure was approximated to 180 / pressure = pore diameter. Value. When the mercury penetration amount V was measured while gradually increasing the pressure P using a mercury porosimeter, the rate of change in the mercury penetration amount (ΔV / ΔP) was as shown in FIG. In addition, in a pore diameter of 3 nm or more and 3000 nm or less, distribution is performed such that a peak P1 (first peak) is shown in a pore diameter of 3 nm or more and 50 nm or less and a peak P2 (second peak) is shown in a pore diameter of 50 nm or more and 3000 nm or less. This peak P1 is a peak when the change rate is maximum at a pore diameter of 3 nm or more and 3000 nm or less, and the peak P2 is a peak when the change rate is maximum at a pore diameter of 50 nm or more and 3000 nm or less. Here, for example, the pore diameter at the peak P1 is 9 nm, and the pore diameter at the peak P2 is 500 nm. The change rate of the mercury intrusion amount shown on the vertical axis is a value normalized with the change rate at the peak P2 on the wide pore diameter side being 1. When the rate of change at the first peak P1 is A and the rate of change at the second peak P2 is B, the ratio A / B is 8/1 or less.
比A/Bが上記した範囲であるのは、3nm以上50nm以下の孔径の細孔の容積と50nm以上3000nm以下の孔径の細孔の容積とのバランスが適正化され、負極活物質の表面積が小さく抑えられるため、その負極活物質が高活性である場合においても他の物質と反応しにくくなるからである。この他の物質としては、例えば、負極が電池に用いられる場合における電解液などが挙げられる。なお、比A/Bの範囲を規定するに当たり、細孔の孔径を上記した2つの範囲に分類しているのは、3nm以上50nm以下の微細な孔径を有する細孔の容積が負極活物質の表面積に大きな影響を及ぼすからである。 The ratio A / B is within the above-described range because the balance between the volume of pores having a pore diameter of 3 nm or more and 50 nm or less and the volume of pores having a pore diameter of 50 nm or more and 3000 nm or less is optimized, and the surface area of the negative electrode active material is reduced. This is because the negative electrode active material is less likely to react with other materials even when the negative electrode active material is highly active. Examples of the other substance include an electrolytic solution in the case where the negative electrode is used for a battery. In defining the ratio A / B range, the pore diameters are classified into the above two ranges because the volume of the pores having a fine pore diameter of 3 nm or more and 50 nm or less is that of the negative electrode active material. This is because the surface area is greatly affected.
特に、比A/Bは、1/30以上8/1以下であるのが好ましい。後述するように、気相法によって負極活物質を多層構造となるように形成するために、蒸着源に対して負極集電体1を相対的に往復移動させながら複数回に渡ってケイ素を堆積させる場合には、比A/Bが1/30よりも小さくなると、負極集電体1の移動速度が遅すぎるため、負極の生産性が低下する可能性があるからである。
In particular, the ratio A / B is preferably 1/30 or more and 8/1 or less. As described later, in order to form a negative electrode active material to have a multilayer structure by a vapor phase method, silicon is deposited multiple times while the negative electrode
負極活物質は、ケイ素を構成元素として含有しているのが好ましい。電極反応物質を吸蔵および放出する能力が大きいため、高いエネルギー密度が得られるからである。この負極活物質は、ケイ素の単体、合金あるいは化合物のいずれであってもよいし、それらの1種あるいは2種以上の相を少なくとも一部に有するものであってもよい。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。 The negative electrode active material preferably contains silicon as a constituent element. This is because a high energy density can be obtained because the ability to occlude and release the electrode reactant is large. The negative electrode active material may be any of a simple substance, an alloy, or a compound of silicon, or may have at least a part of one or two or more phases thereof. These may be used alone or in combination of two or more.
なお、本発明における合金には、2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とを含むものも含まれる。もちろん、本発明における合金は、非金属元素を含んでいてもよい。その組織には、固溶体、共晶(共融混合物)、金属間化合物あるいはそれらの2種以上が共存するものもある。 In addition, the alloy in the present invention includes an alloy containing one or more metal elements and one or more metalloid elements in addition to an alloy composed of two or more metal elements. Of course, the alloy in the present invention may contain a nonmetallic element. Some of the structures include a solid solution, a eutectic (eutectic mixture), an intermetallic compound, or two or more of them.
ケイ素の合金としては、例えば、ケイ素以外の構成元素として、スズ(Sn)、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン(Mn)、亜鉛、インジウム(In)、銀(Ag)、チタン、ゲルマニウム(Ge)、ビスマス(Bi)、アンチモン(Sb)およびクロムからなる群のうちの少なくとも1種を有するものなどが挙げられる。 As an alloy of silicon, for example, as a constituent element other than silicon, tin (Sn), nickel, copper, iron, cobalt, manganese (Mn), zinc, indium (In), silver (Ag), titanium, germanium (Ge) ), Bismuth (Bi), antimony (Sb), and those having at least one selected from the group consisting of chromium.
ケイ素の化合物としては、例えば、ケイ素以外の構成元素として、酸素および炭素(C)を有するものなどが挙げられる。なお、ケイ素の化合物は、例えば、ケイ素以外の構成元素として、ケイ素の合金について説明した一連の元素の1種あるいは2種以上を含んでいてもよい。 Examples of the silicon compound include those having oxygen and carbon (C) as constituent elements other than silicon. The silicon compound may contain, for example, one or more of a series of elements described for the silicon alloy as a constituent element other than silicon.
この負極活物質は、負極集電体1に連結され、その負極集電体1の表面から負極活物質層2の厚さ方向に成長している。この場合には、負極活物質が気相法によって形成されており、上記したように、負極集電体1と負極活物質層2との界面の少なくとも一部において合金化しているのが好ましい。具体的には、両者の界面において、負極集電体1の構成元素が負極活物質に拡散していてもよいし、負極活物質の構成元素が負極集電体1に拡散していてもよいし、両者の構成元素が互いに拡散しあっていてもよい。充放電時に負極活物質層2が膨張および収縮しても破損しにくくなると共に、負極集電体1と負極活物質層2との間において電子伝導性が向上するからである。
The negative electrode active material is connected to the negative electrode
上記した気相法としては、例えば、物理堆積法あるいは化学堆積法、より具体的には真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法、熱化学気相成長(chemical vapor deposition :CVD)法あるいはプラズマ化学気相成長法などが挙げられる。 Examples of the vapor phase method include physical deposition method or chemical deposition method, more specifically, vacuum evaporation method, sputtering method, ion plating method, laser ablation method, thermal chemical vapor deposition (CVD). ) Method or plasma enhanced chemical vapor deposition.
また、負極活物質は、複数の粒子状をなしていてもよい。この負極活物質は、1回の堆積工程によって形成され、単層構造を有していてもよいし、複数回の堆積工程によって形成され、粒子内に多層構造を有していてもよい。ただし、堆積時に高熱を伴う蒸着法などによって負極活物質を形成する場合に、負極集電体1が熱的ダメージを受けることを抑制するためには、負極活物質が多層構造を有しているのが好ましい。負極活物質の堆積工程を複数回に分割して行う(負極活物質を順次形成して堆積させる)ことにより、その堆積工程を1回で行う場合と比較して、負極集電体1が高熱に晒される時間が短くなるからである。
Further, the negative electrode active material may be in the form of a plurality of particles. This negative electrode active material may be formed by a single deposition step and have a single layer structure, or may be formed by a plurality of deposition steps and have a multilayer structure in the particles. However, in order to suppress the negative electrode
特に、負極活物質は、酸素を構成元素として含有しているのが好ましい。負極活物質層2の膨張および収縮が抑制されるからである。この負極活物質層2では、少なくとも一部の酸素が一部のケイ素と結合しているのが好ましい。この場合には、結合の状態が一酸化ケイ素や二酸化ケイ素であってもよいし、他の準安定状態であってもよい。
In particular, the negative electrode active material preferably contains oxygen as a constituent element. This is because expansion and contraction of the negative electrode
負極活物質中における酸素の含有量は、3原子数%以上40原子数%以下であるのが好ましい。より高い効果が得られるからである。詳細には、酸素の含有量が3原子数%よりも少ないと、負極活物質層2の膨張および収縮が十分に抑制されない可能性があり、40原子数%よりも多いと、抵抗が増大しすぎる可能性があるからである。なお、電気化学デバイスにおいて負極が電解液と共に用いられる場合には、その電解液の分解によって形成される被膜などは負極活物質に含めないこととする。すなわち、負極活物質中における酸素の含有量を算出する場合には、上記した被膜中の酸素は含めない。
The oxygen content in the negative electrode active material is preferably 3 atomic% to 40 atomic%. This is because a higher effect can be obtained. Specifically, if the oxygen content is less than 3 atomic%, the negative electrode
酸素を含有する負極活物質は、例えば、気相法によって負極活物質を形成する際に、チャンバ内に連続的に酸素ガスを導入することによって形成可能である。特に、酸素ガスを導入しただけでは所望の酸素含有量が得られない場合には、チャンバ内に酸素の供給源として液体(例えば水蒸気など)を導入してもよい。 The negative electrode active material containing oxygen can be formed by, for example, continuously introducing oxygen gas into the chamber when forming the negative electrode active material by a vapor phase method. In particular, when a desired oxygen content cannot be obtained simply by introducing oxygen gas, a liquid (for example, water vapor) may be introduced into the chamber as an oxygen supply source.
また、負極活物質は、鉄、コバルト、ニッケル、チタン、クロムおよびモリブデンからなる群のうちの少なくとも1種の金属元素を構成元素として含有しているのが好ましい。負極活物質の結着性が向上し、負極活物質層2の膨張および収縮が抑制され、負極活物質の抵抗が低下するからである。負極活物質中における金属元素の含有量は、任意に設定可能である。ただし、負極が電池に用いられる場合には、金属元素の含有量が多くなりすぎると、所望の電池容量を得るために負極活物質層2を厚くしなければならず、負極活物質層2が負極集電体1から剥がれたり、割れる可能性がある。
The negative electrode active material preferably contains at least one metal element selected from the group consisting of iron, cobalt, nickel, titanium, chromium and molybdenum as a constituent element. This is because the binding property of the negative electrode active material is improved, the expansion and contraction of the negative electrode
上記した金属元素を含有する負極活物質は、例えば、気相法として蒸着法によって負極活物質を形成する際に、金属元素を混合させた蒸着源を用いたり、多元系の蒸着源を用いたりすることにより形成可能である。 The negative electrode active material containing the metal element described above may be used, for example, when a negative electrode active material is formed by vapor deposition as a vapor phase method, using a vapor deposition source mixed with metal elements, or using a multi-component vapor deposition source. Can be formed.
この負極活物質は、その厚さ方向において、酸素を有する酸素含有領域を有し、その酸素含有領域における酸素の含有量は、それ以外の領域における酸素の含有量よりも高くなっているのが好ましい。負極活物質層2の膨張および収縮が抑制されるからである。この酸素含有領域以外の領域は、酸素を有していてもよいし、有していなくてもよい。もちろん、酸素含有領域以外の領域も酸素を有している場合に、その酸素の含有量が酸素含有領域における酸素の含有量よりも低くなっていることは言うまでもない。
This negative electrode active material has an oxygen-containing region having oxygen in the thickness direction, and the oxygen content in the oxygen-containing region is higher than the oxygen content in other regions. preferable. This is because expansion and contraction of the negative electrode
この場合には、負極活物質層2の膨張および収縮をより抑制するために、酸素含有領域以外の領域も酸素を有しており、負極活物質が、第1の酸素含有領域(より低い酸素含有量を有する領域)と、それよりも高い酸素含有量を有する第2の酸素含有領域(より高い酸素含有量を有する領域)とを有しているのが好ましい。この場合には、第1の酸素含有領域によって第2の酸素含有領域が挟まれているのが好ましく、第1の酸素含有領域と第2の酸素含有領域とが交互に繰り返して積層されているのがより好ましい。より高い効果が得られるからである。第1の酸素含有領域における酸素の含有量は、できるだけ少ないのが好ましく、第2の酸素含有領域における酸素の含有量は、例えば、上記した負極活物質が酸素を有する場合の含有量と同様である。
In this case, in order to further suppress the expansion and contraction of the negative electrode
第1および第2の酸素含有領域を有する負極活物質は、例えば、気相法によって負極活物質を形成する際に、チャンバ内に断続的に酸素ガスを導入したり、チャンバ内に導入する酸素ガスの量を変化させることにより形成可能である。もちろん、酸素ガスを導入しただけでは所望の酸素含有量が得られない場合には、チャンバ内に液体(例えば水蒸気など)を導入してもよい。 The negative electrode active material having the first and second oxygen-containing regions is, for example, an oxygen gas that is intermittently introduced into the chamber or oxygen introduced into the chamber when the negative electrode active material is formed by a vapor phase method. It can be formed by changing the amount of gas. Of course, when a desired oxygen content cannot be obtained simply by introducing oxygen gas, a liquid (for example, water vapor) may be introduced into the chamber.
なお、第1および第2の酸素含有領域の間では、酸素の含有量が明確に異なっていてもよいし、明確に異なっていなくてもよい。特に、上記した酸素ガスの導入量を連続的に変化させた場合には、酸素の含有量も連続的に変化していてもよい。第1および第2の酸素含有領域は、酸素ガスの導入量を断続的に変化させた場合には、いわゆる「層」となり、一方、酸素ガスの導入量を連続的に変化させた場合には、「層」というよりもむしろ「層状」となる。後者の場合には、負極活物質中において酸素の含有量が高低を繰り返しながら分布する。この場合には、第1および第2の酸素含有領域の間において、酸素の含有量が段階的あるいは連続的に変化しているのが好ましい。酸素の含有量が急激に変化すると、イオンの拡散性が低下したり、抵抗が増大する可能性があるからである。 Note that the oxygen content may be clearly different between the first and second oxygen-containing regions, or may not be clearly different. In particular, when the amount of oxygen gas introduced is continuously changed, the oxygen content may also be continuously changed. The first and second oxygen-containing regions become so-called “layers” when the amount of oxygen gas introduced is changed intermittently, while when the amount of oxygen gas introduced is changed continuously. , Rather than “layer”. In the latter case, the oxygen content in the negative electrode active material is distributed while repeating high and low. In this case, it is preferable that the oxygen content changes stepwise or continuously between the first and second oxygen-containing regions. This is because if the oxygen content changes rapidly, the diffusibility of ions may decrease or the resistance may increase.
ここで、図3を参照して、粒子状の負極活物質がその粒子内に多層構造を有する場合を例に挙げて、負極の詳細な構成を説明する。図3は負極の断面構造を拡大して表しており、(A)は走査型電子顕微鏡(scanning electron microscope:SEM)写真(二次電子像)であり、(B)は(A)に示したSEM像を模式的に示したものである。 Here, with reference to FIG. 3, the detailed configuration of the negative electrode will be described by taking as an example a case where the particulate negative electrode active material has a multilayer structure in the particle. FIG. 3 shows an enlarged cross-sectional structure of the negative electrode. (A) is a scanning electron microscope (SEM) photograph (secondary electron image), and (B) is shown in (A). The SEM image is shown typically.
図3に示したように、負極活物質が複数の粒子状(負極活物質粒子201)をなしている場合には、その負極活物質が複数の細孔202を有している。詳細には、粗面化された負極集電体1の表面には、複数の突起部(例えば、電解処理によって形成された微粒子)が存在している。この場合には、気相法などによって負極集電体1の表面に複数回に渡って負極活物質が堆積されて積層されることにより、負極活物質粒子201が上記した突起部ごとに厚さ方向に段階的に成長する。この複数の負極活物質粒子201の密集構造、多層構造および表面構造に伴い、複数の細孔202が生じている。
As shown in FIG. 3, when the negative electrode active material has a plurality of particles (negative electrode active material particles 201), the negative electrode active material has a plurality of
この細孔202は、発生原因に応じて分類された3種類の細孔202A,202B,202Cを含んでいる。細孔202Aは、負極集電体1の表面に存在する突起部ごとに負極活物質粒子201が成長することに伴い、各負極活物質粒子201間に生じる隙間である。細孔202Bは、負極活物質粒子201の表面にひげ状の微細な突起部(図示せず)が生じることに伴い、その突起部間に生じる空隙である。この細孔202Bは、負極活物質粒子201の露出面の全体に渡って生じる場合もあれば、一部だけに生じる場合もある。細孔202Cは、負極活物質粒子201が多層構造を有することに伴い、各階層間に生じる隙間である。なお、上記したひげ状の微細な突起部は、負極活物質粒子201の形成時ごとにその表面に生じるため、細孔202Bは、負極活物質粒子201の露出面(最表面)だけでなく、各階層間にも生じている。もちろん、細孔202は、上記した発生原因以外の他の発生原因により生じた他の細孔を含んでいてもよい。
The
水銀ポロシメータを用いて水銀圧入法によって細孔202への水銀の浸入量の変化率を測定すると、細孔202Aの孔径が細孔202B,202Cの孔径よりも大きいことから、図2に示したように、狭孔径側のピークP1は、主に細孔202B,202Cの存在に起因して生じ、一方、広孔径側のピークP2は、主に細孔202Aの存在に起因して生じる。もちろん、上記した細孔202A〜202CはピークP1,P2を生じさせる主要な原因となるものであるが、細孔202には細孔202A〜202C以外の他の原因によって生じる細孔も多数含まれることから、ピークP1,P2が細孔202A〜202Cの存在だけに起因して生じるわけではない。
When the rate of change in the amount of mercury intrusion into the
図3に示したように、粒子状の負極活物質がその粒子内に多層構造を有している場合には、ピークP1は、上記したように、主に細孔202B,202Cの存在に起因して生じる。これに対して、粒子状の負極活物質がその粒子内に多層構造を有していない(単層構造を有する)場合には、ピークP1は、主に細孔202Bの存在に起因して生じることとなる。
As shown in FIG. 3, when the particulate negative electrode active material has a multilayer structure in the particle, the peak P1 is mainly caused by the presence of the
この負極は、例えば、以下の手順により製造される。 This negative electrode is manufactured, for example, by the following procedure.
まず、負極集電体1を準備したのち、その表面に必要に応じて粗面化処理を施す。続いて、気相法などによって負極集電体1上にケイ素を堆積させて負極活物質を形成する。この負極活物質を形成する場合には、1回の堆積工程によって単層構造となるようにしてもよいし、複数回の堆積工程によって多層構造となるようにしてもよい。気相法によって負極活物質を多層構造となるように形成する場合には、蒸着源に対して負極集電体1を相対的に往復移動させながら複数回に渡ってケイ素を堆積させるようにしてもよいし、蒸着源に対して負極集電体1を固定させたままで、シャッターの開閉を繰り返しながら複数回に渡ってケイ素を堆積させるようにしてもよい。これにより、負極活物質層2が形成されるため、負極が完成する。
First, after preparing the
この負極活物質層2を形成する場合には、例えば、以下の方法によって比A/Bを調整可能である。すなわち、炭酸ガスや不活性ガスなどの各種ガスをチャンバ内に導入し、その導入量を変化させれば、変化率A,Bが変化する。また、気相法によって蒸着源に対して負極集電体1を相対的に移動させながら負極活物質を形成する場合には、その負極集電体1の移動速度を変化させれば、やはり変化率A,Bが変化する。いずれの方法によっても、変化率A,Bを相対的に増減させることにより、それらの間の大小関係を所望の関係となるように設定可能である。
When forming this negative electrode
この負極によれば、負極活物質が複数の細孔を有し、水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率が3nm以上50nm以下の孔径にピークP1(変化率A)を示すと共に50nm以上3000nm以下の孔径にピークP2(変化率B)を示すように分布し、比A/Bが8/1以下であるので、その範囲外である場合と比較して、負極活物質が高活性なケイ素を含有する場合においても他の物質と反応しにくくなる。したがって、負極を用いた電気化学デバイスのサイクル特性の向上に寄与することができる。この場合には、比A/Bが1/30以上8/1以下であれば、負極の生産性を確保しつつサイクル特性を向上させることができる。 According to this negative electrode, the negative electrode active material has a plurality of pores, and the rate of change in the amount of mercury intrusion into the plurality of pores measured by mercury porosimetry is peak P1 (changes in the pore diameter of 3 nm to 50 nm). Ratio A) and distributed so as to show a peak P2 (change rate B) in a pore diameter of 50 nm or more and 3000 nm or less, and the ratio A / B is 8/1 or less. Even when the negative electrode active material contains highly active silicon, it becomes difficult to react with other materials. Therefore, it can contribute to the improvement of the cycle characteristics of the electrochemical device using the negative electrode. In this case, when the ratio A / B is 1/30 or more and 8/1 or less, the cycle characteristics can be improved while ensuring the productivity of the negative electrode.
特に、負極活物質が酸素を含有し、負極活物質中における酸素の含有量が3原子数%以上40原子数%以下であり、あるいは負極活物質が鉄、コバルト、ニッケル、チタン、クロムおよびモリブデンからなる群のうちの少なくとも1種の金属元素を含有し、または負極活物質粒子がその厚さ方向において酸素含有領域(酸素を有し、酸素の含有量がそれ以外の領域よりも高い領域)を有していれば、より高い効果を得ることができる。 In particular, the negative electrode active material contains oxygen, and the oxygen content in the negative electrode active material is 3 atomic% to 40 atomic%, or the negative electrode active material is iron, cobalt, nickel, titanium, chromium, and molybdenum. Containing at least one metal element from the group consisting of, or the negative electrode active material particles having an oxygen-containing region in the thickness direction (region having oxygen and having a higher oxygen content than the other regions) If it has, higher effect can be acquired.
さらに、負極活物質層2と対向する負極集電体1の表面が電解処理で形成された微粒子によって粗面化されていれば、負極集電体1と負極活物質層2との間の密着性を高めることができる。この場合には、負極集電体1の表面の十点平均粗さRzが1.5μm以上6.5μm以下であれば、より高い効果を得ることができる。
Further, if the surface of the negative electrode
次に、上記した負極の使用例について説明する。ここで、電気化学デバイスの一例として電池を例に挙げると、負極は以下のようにして電池に用いられる。 Next, usage examples of the above-described negative electrode will be described. Here, taking a battery as an example of an electrochemical device, the negative electrode is used in the battery as follows.
(第1の電池)
図4および図5は第1の電池の断面構成を表しており、図5では図4に示したV−V線に沿った断面を示している。ここで説明する電池は、例えば、負極22の容量が電極反応物質であるリチウムの吸蔵および放出に基づいて表されるリチウムイオン二次電池である。
(First battery)
4 and 5 show a cross-sectional configuration of the first battery, and FIG. 5 shows a cross section taken along line VV shown in FIG. The battery described here is, for example, a lithium ion secondary battery in which the capacity of the negative electrode 22 is expressed based on insertion and extraction of lithium as an electrode reactant.
この二次電池は、電池缶11の内部に、扁平な巻回構造を有する電池素子20が収納されたものである。
In the secondary battery, a
電池缶11は、例えば、角型の外装部材である。この角型の外装部材とは、図5に示したように、長手方向における断面が矩形型あるいは略矩形型(一部に曲線を含む)の形状を有するものであり、矩形状の角型電池だけでなくオーバル形状の角型電池も構成するものである。すなわち、角型の外装部材とは、矩形状あるいは円弧を直線で結んだ略矩形状(長円形状)の開口部を有する有底矩形型あるいは有底長円形状型の器状部材である。なお、図5では、電池缶11が矩形型の断面形状を有する場合を示している。この電池缶11を含む電池構造は、いわゆる角型と呼ばれている。 The battery can 11 is, for example, a square exterior member. As shown in FIG. 5, the rectangular exterior member has a rectangular or substantially rectangular cross section in the longitudinal direction (including a curve in part), and is a rectangular prismatic battery. In addition to this, an oval prismatic battery is also configured. That is, the square-shaped exterior member is a bottomed rectangular type or bottomed oval shaped vessel-like member having a rectangular shape or a substantially rectangular shape (oval shape) obtained by connecting arcs with straight lines. FIG. 5 shows a case where the battery can 11 has a rectangular cross-sectional shape. The battery structure including the battery can 11 is called a so-called square shape.
この電池缶11は、例えば、鉄、アルミニウム(Al)あるいはそれらの合金を含有する金属材料によって構成されており、電極端子としての機能を有していてもよい。この場合には、充放電時に電池缶11の固さ(変形しにくさ)を利用して二次電池の膨れを抑えるために、アルミニウムよりも固い鉄が好ましい。電池缶11が鉄によって構成される場合には、例えば、ニッケル(Ni)などのめっきが施されていてもよい。 The battery can 11 is made of, for example, a metal material containing iron, aluminum (Al), or an alloy thereof, and may have a function as an electrode terminal. In this case, iron that is harder than aluminum is preferable in order to suppress swelling of the secondary battery by utilizing the hardness (hardness of deformation) of the battery can 11 during charging and discharging. When the battery can 11 is made of iron, for example, plating of nickel (Ni) or the like may be performed.
また、電池缶11は、一端部および他端部がそれぞれ閉鎖および開放された中空構造を有しており、その開放端部に絶縁板12および電池蓋13が取り付けられて密閉されている。絶縁板12は、電池素子20と電池蓋13との間に、その電池素子20の巻回周面に対して垂直に配置されており、例えば、ポリプロピレンなどによって構成されている。電池蓋13は、例えば、電池缶11と同様の材料によって構成されており、それと同様に電極端子としての機能を有していてもよい。
The battery can 11 has a hollow structure in which one end and the other end are closed and opened, respectively, and an insulating plate 12 and a
電池蓋13の外側には、正極端子となる端子板14が設けられており、その端子板14は、絶縁ケース16を介して電池蓋13から電気的に絶縁されている。この絶縁ケース16は、例えば、ポリブチレンテレフタレートなどによって構成されている。また、電池蓋13のほぼ中央には貫通孔が設けられており、その貫通孔には、端子板14と電気的に接続されると共にガスケット17を介して電池蓋13から電気的に絶縁されるように正極ピン15が挿入されている。このガスケット17は、例えば、絶縁材料によって構成されており、その表面にはアスファルトが塗布されている。
A
電池蓋13の周縁付近には、開裂弁18および注入孔19が設けられている。開裂弁18は、電池蓋13と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などに起因して電池の内圧が一定以上となった場合に、電池蓋13から切り離されて内圧を開放するようになっている。注入孔19は、例えば、ステンレス鋼球からなる封止部材19Aにより塞がれている。
In the vicinity of the periphery of the
電池素子20は、セパレータ23を介して正極21および負極22が積層されたのちに巻回されたものであり、電池缶11の形状に応じて扁平状になっている。正極21の端部(例えば内終端部)にはアルミニウムなどによって構成された正極リード24が取り付けられており、負極22の端部(例えば外終端部)にはニッケルなどによって構成された負極リード25が取り付けられている。正極リード24は、正極ピン15の一端に溶接されて端子板14と電気的に接続されており、負極リード25は、電池缶11に溶接されて電気的に接続されている。
The
正極21は、例えば、帯状の正極集電体21Aの両面に正極活物質層21Bが設けられたものである。この正極集電体21Aは、例えば、アルミニウム、ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料によって構成されている。正極活物質層21Bは、正極活物質を含んでおり、必要に応じて結着剤や導電剤などを含んでいてもよい。
The positive electrode 21 is, for example, one in which a positive electrode active material layer 21B is provided on both surfaces of a strip-shaped positive electrode
正極活物質は、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料のいずれか1種あるいは2種以上を含んでいる。この正極材料としては、例えば、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウムあるいはそれらを含む固溶体(Li(Nix Coy Mnz )O2 ;x、yおよびzの値はそれぞれ0<x<1,0<y<1,0<z<1,x+y+z=1である。)や、スピネル構造を有するマンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )あるいはその固溶体(Li(Mn2-v Niv )O4 ;vの値はv<2である。)などのリチウム複合酸化物が挙げられる。また、正極材料としては、例えば、リン酸鉄リチウム(LiFePO4 )などのオリビン構造を有するリン酸化合物も挙げられる。高いエネルギー密度が得られるからである。なお、正極材料は、上記した他、例えば、酸化チタン、酸化バナジウムあるいは二酸化マンガンなどの酸化物や、二硫化鉄、二硫化チタンあるいは硫化モリブデンなどの二硫化物や、硫黄や、ポリアニリンあるいはポリチオフェンなどの導電性高分子であってもよい。
The positive electrode active material includes one or more positive electrode materials capable of inserting and extracting lithium as an electrode reactant. As the cathode material, for example, lithium cobaltate, lithium nickelate or a solid solution containing them (Li (Ni x Co y Mn z)
負極22は、上記した負極と同様の構成を有しており、例えば、帯状の負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bが設けられたものである。負極集電体22Aおよび負極活物質層22Bの構成は、それぞれ上記した負極における負極集電体1および負極活物質層2の構成と同様である。リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極活物質の充電容量は、正極21の充電容量よりも大きくなっているのが好ましい。
The negative electrode 22 has the same configuration as that of the negative electrode described above. For example, the negative electrode
セパレータ23は、正極21と負極22とを隔離し、両極の接触に起因する電流の短絡を防止しながら電極反応物質のイオンを通過させるものである。このセパレータ23は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどの合成樹脂からなる多孔質膜や、セラミックからなる多孔質膜などによって構成されており、これらの2種以上の多孔質膜が積層されたものであってもよい。
The
このセパレータ23には、液状の電解質として電解液が含浸されている。この電解液は、溶媒と、それに溶解された電解質塩とを含んでいる。
The
溶媒は、例えば、有機溶剤などの非水溶媒の1種あるいは2種以上を含有している。この非水溶媒としては、例えば、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチルあるいは炭酸メチルプロピルなどの炭酸エステル系溶媒などが挙げられる。優れた容量特性、保存特性およびサイクル特性が得られるからである。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、溶媒としては、炭酸エチレンあるいは炭酸プロピレンなどの高粘度溶媒と、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチルあるいは炭酸ジエチルなどの低粘度溶媒とを混合したものが好ましい。電解質塩の解離性およびイオンの移動度が向上するため、より高い効果が得られるからである。 The solvent contains, for example, one or more nonaqueous solvents such as organic solvents. Examples of the non-aqueous solvent include carbonate solvents such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and methyl propyl carbonate. This is because excellent capacity characteristics, storage characteristics and cycle characteristics can be obtained. These may be used alone or in combination of two or more. Among them, the solvent is preferably a mixture of a high viscosity solvent such as ethylene carbonate or propylene carbonate and a low viscosity solvent such as dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate or diethyl carbonate. This is because the dissociation property of the electrolyte salt and the ion mobility are improved, so that a higher effect can be obtained.
また、溶媒は、ハロゲン化炭酸エステルを含有しているのが好ましい。負極22の表面に安定な被膜が形成されて電解液の分解反応が抑制されるため、サイクル特性が向上するからである。このハロゲン化炭酸エステルとしては、フッ素化炭酸エステルが好ましく、炭酸ジフルオロエチレンがより好ましい。より高い効果が得られるからである。この炭酸ジフルオロエチレンとしては、例えば、4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンなどが挙げられる。 The solvent preferably contains a halogenated carbonate. This is because a stable coating is formed on the surface of the negative electrode 22 and the decomposition reaction of the electrolytic solution is suppressed, so that the cycle characteristics are improved. As the halogenated carbonate, a fluorinated carbonate is preferable, and difluoroethylene carbonate is more preferable. This is because a higher effect can be obtained. Examples of the difluoroethylene carbonate include 4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one.
また、溶媒は、不飽和結合を有する環状炭酸エステルを含有しているのが好ましい。サイクル特性が向上するからである。この不飽和結合を有する環状炭酸エステルとしては、例えば、炭酸ビニレンあるいは炭酸ビニルエチレンなどが挙げられ、これらが混合されて用いられてもよい。 The solvent preferably contains a cyclic carbonate having an unsaturated bond. This is because the cycle characteristics are improved. Examples of the cyclic carbonate having an unsaturated bond include vinylene carbonate and vinyl ethylene carbonate, and these may be used as a mixture.
さらに、溶媒は、スルトンを含有しているのが好ましい。サイクル特性が向上すると共に、二次電池の膨れが抑制されるからである。このスルトンとしては、例えば、1,3−プロペンスルトンなどが挙げられる。 Furthermore, the solvent preferably contains sultone. This is because cycle characteristics are improved and swelling of the secondary battery is suppressed. Examples of the sultone include 1,3-propene sultone.
加えて、溶媒は、酸無水物を含有しているのが好ましい。サイクル特性が向上するからである。この酸無水物としては、例えば、コハク酸無水物、グルタル酸無水物、マレイン酸無水物、スルホ安息香酸無水物、スルホプロピオン酸無水物、スルホ酪酸無水物、エタンジスルホン酸無水物、プロパンジスルホン酸無水物あるいはベンゼンジスルホン酸無水物などが挙げられる。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、スルホ安息香酸無水物あるいはスルホプロピオン酸無水物が好ましい。十分な効果が得られるからである。溶媒中における酸無水物の含有量は、例えば、0.5重量%以上3重量%以下である。 In addition, the solvent preferably contains an acid anhydride. This is because the cycle characteristics are improved. Examples of the acid anhydride include succinic anhydride, glutaric anhydride, maleic anhydride, sulfobenzoic anhydride, sulfopropionic anhydride, sulfobutyric anhydride, ethanedisulfonic anhydride, propanedisulfonic acid. An anhydride or a benzene disulfonic acid anhydride etc. are mentioned. These may be used alone or in combination of two or more. Of these, sulfobenzoic anhydride or sulfopropionic anhydride is preferable. This is because a sufficient effect can be obtained. The content of the acid anhydride in the solvent is, for example, 0.5% by weight or more and 3% by weight or less.
電解質塩は、例えば、リチウム塩などの軽金属塩の1種あるいは2種以上を含んでいる。このリチウム塩としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )、過塩素酸リチウム(LiClO4 )あるいは六フッ化ヒ酸リチウム(LiAsF6 )などが挙げられる。優れた容量特性、保存特性およびサイクル特性が得られるからである。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、電解質塩としては、六フッ化リン酸リチウムが好ましい。内部抵抗が低下するため、より高い効果が得られるからである。 The electrolyte salt includes, for example, one or more light metal salts such as a lithium salt. Examples of the lithium salt include lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ), and lithium hexafluoroarsenate (LiAsF 6 ). This is because excellent capacity characteristics, storage characteristics and cycle characteristics can be obtained. These may be used alone or in combination of two or more. Of these, lithium hexafluorophosphate is preferable as the electrolyte salt. This is because a higher effect can be obtained because the internal resistance is lowered.
また、電解質塩は、ホウ素およびフッ素を有する化合物を含んでいるのが好ましい。サイクル特性が向上すると共に、二次電池の膨れが抑制されるからである。このホウ素およびフッ素を有する化合物としては、例えば、四フッ化ホウ酸リチウムなどが挙げられる。 The electrolyte salt preferably contains a compound having boron and fluorine. This is because cycle characteristics are improved and swelling of the secondary battery is suppressed. Examples of the compound having boron and fluorine include lithium tetrafluoroborate.
溶媒中における電解質塩の含有量は、例えば、0.3mol/kg以上3.0mol/kg以下である。優れた容量特性が得られるからである。 The content of the electrolyte salt in the solvent is, for example, 0.3 mol / kg or more and 3.0 mol / kg or less. This is because excellent capacity characteristics can be obtained.
この二次電池は、例えば、以下の手順によって製造される。 This secondary battery is manufactured, for example, by the following procedure.
まず、正極21を作製する。最初に、正極活物質と、結着剤と、導電剤とを混合して正極合剤としたのち、有機溶剤に分散させることにより、ペースト状の正極合剤スラリーとする。続いて、ドクタブレードあるいはバーコータなどを用いて正極集電体21Aの両面に正極合剤スラリーを均一に塗布して乾燥させる。最後に、必要に応じて加熱しながらロールプレス機などを用いて圧縮成型することにより、正極活物質層21Bを形成する。この場合には、圧縮成型を複数回に渡って繰り返してもよい。
First, the positive electrode 21 is produced. First, a positive electrode active material, a binder, and a conductive agent are mixed to obtain a positive electrode mixture, and then dispersed in an organic solvent to obtain a paste-like positive electrode mixture slurry. Subsequently, using a doctor blade or a bar coater, the positive electrode mixture slurry is uniformly applied to both surfaces of the positive electrode
また、上記した負極の作製手順と同様の手順によって負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bを形成することにより、負極22を作製する。
Moreover, the negative electrode 22 is produced by forming the negative electrode
次に、正極21および負極22を用いて電池素子20を作製する。最初に、溶接などによって正極集電体21Aおよび負極集電体22Aにそれぞれ正極リード24および負極リード25を取り付ける。続いて、セパレータ23を介して正極21および負極22を積層させたのち、長手方向において巻回させる。最後に、扁平な形状となるように成形することにより、電池素子20を形成する。
Next, the
二次電池の組み立ては、以下のようにして行う。最初に、電池缶11の内部に電池素子20を収納したのち、その電池素子20上に絶縁板12を配置する。続いて、溶接などによって正極リード24および負極リード25をそれぞれ正極ピン15および電池缶11に接続させたのち、レーザ溶接などによって電池缶11の開放端部に電池蓋13を固定する。最後に、注入孔19から電池缶11の内部に電解液を注入してセパレータ23に含浸させたのち、その注入孔19を封止部材19Aで塞ぐ。これにより、図4および図5に示した二次電池が完成する。
The secondary battery is assembled as follows. First, after storing the
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極21からリチウムイオンが放出され、セパレータ23に含浸された電解液を介して負極22に吸蔵される。一方、放電を行うと、例えば、負極22からリチウムイオンが放出され、セパレータ23に含浸された電解液を介して正極21に吸蔵される。
In the secondary battery, when charged, for example, lithium ions are extracted from the positive electrode 21 and inserted in the negative electrode 22 through the electrolytic solution impregnated in the
この角型の二次電池によれば、負極22が上記した負極と同様の構成を有しているので、充放電を繰り返しても放電容量が低下しにくくなる。したがって、サイクル特性を向上させることができる。この場合には、負極22が高容量化に有利なケイ素を含む場合にサイクル特性が向上するため、炭素材料などの他の負極材料を含む場合よりも高い効果を得ることができる。この二次電池に関する上記以外の効果は、上記した負極と同様である。 According to this rectangular secondary battery, since the negative electrode 22 has the same configuration as the above-described negative electrode, the discharge capacity is unlikely to decrease even when charging and discharging are repeated. Therefore, cycle characteristics can be improved. In this case, since the cycle characteristics are improved when the negative electrode 22 contains silicon advantageous for increasing the capacity, a higher effect can be obtained than when other negative electrode materials such as a carbon material are included. The effects of the secondary battery other than those described above are the same as those of the negative electrode described above.
特に、電池缶11が固い金属製であれば、柔らかいフィルム製である場合と比較して、負極活物質層22Bが膨張および収縮した際に負極22が破損しにくくなる。したがって、サイクル特性をより向上させることができる。この場合には、電池缶11がアルミニウムよりも固い鉄製であれば、より高い効果を得ることができる。
In particular, if the battery can 11 is made of a hard metal, the negative electrode 22 is less likely to be damaged when the negative electrode
この二次電池に関する上記以外の効果は、上記した負極と同様である。 The effects of the secondary battery other than those described above are the same as those of the negative electrode described above.
(第2の電池)
図6および図7は第2の電池の断面構成を表しており、図7では図6に示した巻回電極体40の一部を拡大して示している。この電池は、例えば、上記した第1の電池と同様にリチウムイオン二次電池であり、ほぼ中空円柱状の電池缶31の内部に、正極41および負極42がセパレータ43を介して巻回された巻回電極体40と、一対の絶縁板32,33とが収納されたものである。この電池缶31を含む電池構造は、いわゆる円筒型と呼ばれている。
(Second battery)
6 and 7 show a cross-sectional configuration of the second battery. FIG. 7 shows an enlarged part of the spirally
電池缶31は、例えば、上記した第1の電池における電池缶11と同様の金属材料によって構成されており、その一端部および他端部はそれぞれ閉鎖および開放されている。一対の絶縁板32,33は、巻回電極体40を挟み、その巻回周面に対して垂直に延在するように配置されている。
The battery can 31 is made of, for example, the same metal material as that of the battery can 11 in the first battery described above, and one end and the other end thereof are closed and opened, respectively. The pair of insulating plates 32 and 33 are arranged so as to extend perpendicular to the winding peripheral surface with the
電池缶31の開放端部には、電池蓋34と、その内側に設けられた安全弁機構35および熱感抵抗素子(Positive Temperature Coefficient:PTC素子)36とがガスケット37を介してかしめられて取り付けられている。これにより、電池缶31の内部は密閉されている。電池蓋34は、例えば、電池缶31と同様の材料によって構成されている。安全弁機構35は、熱感抵抗素子36を介して電池蓋34と電気的に接続されている。この安全弁機構35では、内部短絡あるいは外部からの加熱などに起因して内圧が一定以上となった場合に、ディスク板35Aが反転して電池蓋34と巻回電極体40との間の電気的接続が切断されるようになっている。熱感抵抗素子36は、温度の上昇に応じて抵抗が増大することによって電流を制限し、大電流に起因する異常な発熱を防止するものである。ガスケット37は、例えば、絶縁材料により構成されており、その表面にはアスファルトが塗布されている。
A battery lid 34 and a
巻回電極体40の中心には、例えば、センターピン44が挿入されていてもよい。この巻回電極体40では、アルミニウムなどによって構成された正極リード45が正極41に接続されており、ニッケルなどによって構成された負極リード46が負極42に接続されている。正極リード45は、安全弁機構35に溶接されて電池蓋34と電気的に接続されており、負極リード46は、電池缶31に溶接されて電気的に接続されている。
For example, a center pin 44 may be inserted in the center of the
正極41は、例えば、帯状の正極集電体41Aの両面に正極活物質層41Bが設けられたものである。負極42は、上記した負極と同様の構成を有しており、例えば、帯状の負極集電体42Aの両面に負極活物質層42Bが設けられたものである。正極集電体41A、正極活物質層41B、負極集電体42A、負極活物質層42Bおよびセパレータ43の構成、ならびに電解液の組成は、それぞれ上記した第1の電池における正極集電体21A、正極活物質層21B、負極集電体22A、負極活物質層22Bおよびセパレータ23の構成、ならびに電解液の組成と同様である。
In the
この二次電池は、例えば、以下のようにして製造される。 This secondary battery is manufactured as follows, for example.
まず、例えば、上記した第1の電池における正極21および負極22の作製手順と同様の手順により、正極集電体41Aの両面に正極活物質層41Bが設けられた正極41を作製すると共に、負極集電体42Aの両面に負極活物質層42Bが設けられた負極42を作製する。続いて、正極41に正極リード45を取り付けると共に、負極42に負極リード46を取り付ける。続いて、正極41および負極42をセパレータ43を介して巻回させて巻回電極体40を形成し、正極リード45の先端部を安全弁機構35に溶接すると共に負極リード46の先端部を電池缶31に溶接したのち、巻回電極体40を一対の絶縁板32,33で挟みながら電池缶31の内部に収納する。続いて、電池缶31の内部に電解液を注入してセパレータ43に含浸させる。最後に、電池缶31の開口端部に電池蓋34、安全弁機構35および熱感抵抗素子36をガスケット37を介してかしめて固定する。これにより、図6および図7に示した二次電池が完成する。
First, for example, the
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極41からリチウムイオンが放出され、電解液を介して負極42に吸蔵される。一方、放電を行うと、例えば、負極42からリチウムイオンが放出され、電解液を介して正極41に吸蔵される。
In the secondary battery, when charged, for example, lithium ions are extracted from the
この円筒型の二次電池によれば、負極42が上記した負極と同様の構成を有しているので、サイクル特性を向上させることができる。この二次電池に関する上記以外の効果は、第1の電池と同様である。
According to this cylindrical secondary battery, since the
(第3の電池)
図8は第3の電池の分解斜視構成を表しており、図9は図8に示したIX−IX線に沿った断面を拡大して示している。この電池は、正極リード51および負極リード52が取り付けられた巻回電極体50がフィルム状の外装部材60の内部に収納されたものである。この外装部材60を含む電池構造は、いわゆるラミネートフィルム型と呼ばれている。
(Third battery)
FIG. 8 shows an exploded perspective configuration of the third battery, and FIG. 9 shows an enlarged cross section along the line IX-IX shown in FIG. In this battery, a
正極リード51および負極リード52は、例えば、いずれも外装部材60の内部から外部に向かって同一方向に導出されている。正極リード51は、例えば、アルミニウムなどの金属材料によって構成されており、負極リード52は、例えば、銅、ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料によって構成されている。これらは、例えば、薄板状あるいは網目状になっている。
For example, both the
外装部材60は、例えば、ナイロンフィルム、アルミニウム箔およびポリエチレンフィルムがこの順に貼り合わされたアルミラミネートフィルムによって構成されている。この外装部材60は、例えば、ポリエチレンフィルムが巻回電極体50と対向するように、2枚の矩形型のアルミラミネートフィルムの外縁部同士が融着あるいは接着剤によって互いに接着された構造を有している。
The
外装部材60と正極リード51および負極リード52との間には、外気の侵入を防止するために密着フィルム61が挿入されている。この密着フィルム61は、正極リード51および負極リード52に対して密着性を有する材料によって構成されている。この種の材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレンあるいは変性ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂が挙げられる。
An
なお、外装部材60は、上記したアルミラミネートフィルムに代えて、他の積層構造を有するラミネートフィルムによって構成されていてもよいし、ポリプロピレンなどの高分子フィルムあるいは金属フィルムによって構成されていてもよい。
In addition, the
巻回電極体50は、正極53および負極54がセパレータ55および電解質56を介して積層されたのちに巻回されたものであり、その最外周部は保護テープ57によって保護されている。
The
正極53は、例えば、対向する一対の面を有する正極集電体53Aの両面に正極活物質層53Bが設けられたものである。負極54は、上記した負極と同様の構成を有しており、例えば、帯状の負極集電体54Aの両面に負極活物質層54Bが設けられたものである。正極集電体53A、正極活物質層53B、負極集電体54A、負極活物質層54Bおよびセパレータ55の構成は、それぞれ上記した第1の電池における正極集電体21A、正極活物質層21B、負極集電体22A、負極活物質層22Bおよびセパレータ23の構成と同様である。
In the
電解質56は、電解液と、それを保持する高分子化合物とを含んでおり、いわゆるゲル電解質である。ゲル電解質は、高いイオン伝導率(例えば室温で1mS/cm以上)が得られると共に漏液が防止されるので好ましい。この電解質56は、例えば、正極53とセパレータ55との間および負極54とセパレータ55との間に設けられている。
The
高分子化合物としては、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデンとポリヘキサフルオロピレンとの共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリフォスファゼン、ポリシロキサン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、スチレン−ブタジエンゴム、ニトリル−ブタジエンゴム、ポリスチレンあるいはポリカーボネートなどが挙げられる。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、高分子化合物としては、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレンあるいはポリエチレンオキサイドが好ましい。電気化学的に安定だからである。 Examples of the polymer compound include polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, a copolymer of polyvinylidene fluoride and polyhexafluoropyrene, polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyphosphazene, poly Examples thereof include siloxane, polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polymethyl methacrylate, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, styrene-butadiene rubber, nitrile-butadiene rubber, polystyrene, and polycarbonate. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene or polyethylene oxide is preferable as the polymer compound. This is because it is electrochemically stable.
電解液の組成は、第1の電池における電解液の組成と同様である。ただし、この場合の溶媒とは、液状の溶媒だけでなく、電解質塩を解離させることが可能なイオン伝導性を有するものまで含む広い概念である。したがって、イオン伝導性を有する高分子化合物を用いる場合には、その高分子化合物も溶媒に含まれる。 The composition of the electrolytic solution is the same as the composition of the electrolytic solution in the first battery. However, the solvent in this case is not only a liquid solvent but also a broad concept including those having ion conductivity capable of dissociating the electrolyte salt. Accordingly, when a polymer compound having ion conductivity is used, the polymer compound is also included in the solvent.
なお、電解液を高分子化合物に保持させたゲル状の電解質56に代えて、電解液がそのまま用いられてもよい。この場合には、電解液がセパレータ55に含浸される。
Instead of the
このゲル状の電解質56を備えた二次電池は、例えば、以下のようにして製造される。
The secondary battery including the
まず、上記した第1の電池における正極21および負極22の作製手順と同様の手順により、正極集電体53Aの両面に正極活物質層53Bが設けられた正極53を作製すると共に、負極集電体54Aの両面に負極活物質層54Bが設けられた負極54を作製する。続いて、電解液と、高分子化合物と、溶剤とを含む前駆溶液を調製し、正極53および負極54のそれぞれに塗布したのちに溶剤を揮発させることにより、ゲル状の電解質56を形成する。続いて、正極集電体53Aに正極リード51を取り付けると共に、負極集電体54Aに負極リード52を取り付ける。続いて、電解質56が形成された正極53および負極54をセパレータ55を介して積層させたのち、長手方向に巻回させると共に最外周部に保護テープ57を接着させて巻回電極体50を形成する。続いて、例えば、外装部材60の間に巻回電極体50を挟み込み、その外装部材60の外縁部同士を熱融着などで密着させて巻回電極体50を封入する。その際、正極リード51および負極リード52と外装部材60との間に、密着フィルム61を挿入する。これにより、図8および図9に示した二次電池が完成する。
First, the
なお、上記した電池は、以下のようにして製造されてもよい。まず、正極53および負極54にそれぞれ正極リード51および負極リード52を取り付けたのち、それらの正極53および負極54をセパレータ55を介して積層および巻回させると共に最外周部に保護テープ57を接着させることにより、巻回電極体50の前駆体である巻回体を形成する。続いて、外装部材60の間に巻回体を挟み込み、一辺の外周縁部を除く残りの外周縁部を熱融着などで密着させることにより、袋状の外装部材60の内部に収納する。続いて、電解液と、高分子化合物の原料であるモノマーと、重合開始剤と、必要に応じて重合禁止剤などの他の材料とを含む電解質用組成物を調製し、袋状の外装部材60の内部に注入したのち、外装部材60の開口部を熱融着などで密封する。最後に、モノマーを熱重合させて高分子化合物とすることにより、ゲル状の電解質56を形成する。これにより、図8および図9に示した二次電池が完成する。
The battery described above may be manufactured as follows. First, after attaching the
このラミネートフィルム型の二次電池によれば、負極54が上記した負極と同様の構成を有しているので、サイクル特性を向上させることができる。この二次電池に関する上記以外の効果は、第1の電池と同様である。
According to this laminate film type secondary battery, since the
本発明の実施例について詳細に説明する。 Examples of the present invention will be described in detail.
(実施例1−1)
以下の手順により、図8および図9に示したラミネートフィルム型の二次電池を製造した。この際、負極54の容量がリチウムの吸蔵および放出に基づいて表されるリチウムイオン二次電池となるようにした。
(Example 1-1)
The laminate film type secondary battery shown in FIGS. 8 and 9 was manufactured by the following procedure. At this time, a lithium ion secondary battery in which the capacity of the
最初に、正極53を作製した。まず、炭酸リチウム(Li2 CO3 )と炭酸コバルト(CoCO3 )とを0.5:1のモル比で混合したのち、空気中において900℃で5時間焼成することにより、リチウム・コバルト複合酸化物(LiCoO2 )を得た。続いて、正極活物質としてリチウム・コバルト複合酸化物91質量部と、導電剤としてグラファイト6質量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン3質量部とを混合して正極合剤としたのち、N−メチル−2−ピロリドンに分散させることにより、ペースト状の正極合剤スラリーとした。最後に、帯状のアルミニウム箔(厚さ=12μm)からなる正極集電体53Aの両面に正極合剤スラリーを均一に塗布して乾燥させたのち、ロールプレス機で圧縮成型することにより、正極活物質層53Bを形成した。
First, the
次に、負極54を作製した。まず、電解銅箔からなる負極集電体54A(厚さ=18μm,十点平均粗さRz=3.5μm)を準備したのち、チャンバ内に連続的に酸素ガスおよび必要に応じて水蒸気を導入しながら偏向式電子ビーム蒸着源を用いた電子ビーム蒸着法によって負極集電体54Aの両面にケイ素を堆積させて複数の粒子状の負極活物質を形成することにより、負極活物質層54Bを形成した。この負極活物質を形成する場合には、蒸着源として純度99%のケイ素を用い、蒸着源に対して負極集電体54Aを100nm/秒の堆積速度で往復移動させながらケイ素を順次堆積させて重ねることにより、6層構造(総厚=6.5μm)となるようにした。また、チャンバ内に二酸化炭素(CO2 )ガスおよびアルゴン(Ar)ガスを導入すると共に負極集電体54Aの移動速度を変化させることにより、図2に示した比A/Bを1/40とした。この際、負極活物質中における酸素含有量を3原子数%とし、ガス導入量を8.335×10-8m3 /秒(=5sccm)以上833.5×10-8m3 /秒(500sccm)以下で変化させた。比A/Bについては、Micromeritics 社製の水銀ポロシメータ(オートポア9500シリーズ)を用いて、25mm×350mmのサイズにカットした負極54について水銀の浸入量の変化率の分布を測定し、その測定結果から変化率A,Bを求めたのち、比A/Bを算出した。
Next, the
次に、正極集電体53Aの一端にアルミニウム製の正極リード51を溶接して取り付けたと共に、負極集電体54Aの一端にニッケル製の負極リード52を溶接して取り付けた。続いて、正極53と、多孔性のポリプロピレンを主成分とするフィルムによって多孔性ポリエチレンを主成分とするフィルムが挟まれた3層構造のポリマーセパレータ55(厚さ=23μm)と、負極54と、上記したポリマーセパレータ55とをこの順に積層し、長手方向に巻回させたのち、粘着テープからなる保護テープ57で巻き終わり部分を固定することにより、巻回電極体50の前駆体である巻回体を形成した。続いて、外側から、ナイロン(厚さ=30μm)と、アルミニウム(厚さ=40μm)と、無延伸ポリプロピレン(厚さ=30μm)とが積層された3層構造のラミネートフィルム(総厚=100μm)からなる外装部材60の間に巻回体を挟み込んだのち、一辺を除く外縁部同士を熱融着することにより、袋状の外装部材60の内部に巻回体を収納した。続いて、外装部材60の開口部から電解液を注入してセパレータ55に含浸させることにより、巻回電極体50を形成した。
Next, the
この電解液を調製する際には、溶媒として炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)とを混合した混合溶媒を用い、電解質塩として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )を用いた。この際、混合溶媒の組成(EC:DEC)を重量比で50:50とし、電解質塩の濃度を1mol/kgとした。 When preparing this electrolytic solution, a mixed solvent obtained by mixing ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) was used as a solvent, and lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was used as an electrolyte salt. At this time, the composition of the mixed solvent (EC: DEC) was 50:50 by weight, and the concentration of the electrolyte salt was 1 mol / kg.
最後に、真空雰囲気中において外装部材60の開口部を熱融着して封止することにより、ラミネートフィルム型の二次電池が完成した。
Finally, the laminated film type secondary battery was completed by thermally sealing and sealing the opening of the
(実施例1−2〜1−19)
比A/Bを1/40に代えて、1/30(実施例1−2)、1/25(実施例1−3)、1/20(実施例1−4)、1/15(実施例1−5)、1/10(実施例1−6)、1/5(実施例1−7)、1/3(実施例1−8)、1/2.6(実施例1−9)、1/2.4(実施例1−10)、1/1(実施例1−11)、3/2(実施例1−12)、2/1(実施例1−13)、3/1(実施例1−14)、4/1(実施例1−15)、5/1(実施例1−16)、6/1(実施例1−17)、7/1(実施例1−18)、あるいは8/1(実施例1−19)としたことを除き、実施例1−1と同様の手順を経た。
(Examples 1-2 to 1-19)
In place of the ratio A / B to 1/40, 1/30 (Example 1-2), 1/25 (Example 1-3), 1/20 (Example 1-4), 1/15 (Implementation) Example 1-5), 1/10 (Example 1-6), 1/5 (Example 1-7), 1/3 (Example 1-8), 1 / 2.6 (Example 1-9) ), 1 / 2.4 (Example 1-10), 1/1 (Example 1-11), 3/2 (Example 1-12), 2/1 (Example 1-13), 3 / 1 (Example 1-14), 4/1 (Example 1-15), 5/1 (Example 1-16), 6/1 (Example 1-17), 7/1 (Example 1 18) or 8/1 (Example 1-19), except that the procedure was the same as Example 1-1.
(比較例1)
比A/Bを9/1としたことを除き、実施例1−1と同様の手順を経た。
(Comparative Example 1)
The same procedure as in Example 1-1 was performed except that the ratio A / B was 9/1.
これらの実施例1−1〜1−19および比較例1の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表1および図10に示した結果が得られた。 When the cycle characteristics of the secondary batteries of Examples 1-1 to 1-19 and Comparative Example 1 were examined, the results shown in Table 1 and FIG. 10 were obtained.
サイクル特性を調べる際には、以下の手順でサイクル試験を行って放電容量維持率を求めた。まず、電池状態を安定化させるために23℃の雰囲気中で1サイクル充放電させたのち、再び充放電させて2サイクル目の放電容量を測定した。続いて、同雰囲気中で99サイクル充放電させて101サイクル目の放電容量を測定した。最後に、放電容量維持率(%)=(101サイクル目の放電容量/2サイクル目の放電容量)×100を算出した。この際、充電条件としては、3mA/cm2 の定電流密度で電池電圧が4.2Vに到達するまで充電したのち、引き続き4.2Vの定電圧で電流密度が0.3mA/cm2 に到達するまで充電した。また、放電条件としては、3mA/cm2 の定電流密度で電池電圧が2.5Vに到達するまで放電した。 When examining the cycle characteristics, a cycle test was performed according to the following procedure to obtain the discharge capacity retention rate. First, in order to stabilize the battery state, the battery was charged and discharged for 1 cycle in an atmosphere at 23 ° C., then charged and discharged again, and the discharge capacity at the second cycle was measured. Subsequently, 99 cycles were charged and discharged in the same atmosphere, and the discharge capacity at the 101st cycle was measured. Finally, discharge capacity retention ratio (%) = (discharge capacity at the 101st cycle / discharge capacity at the second cycle) × 100 was calculated. At this time, as a charging condition, after charging until the battery voltage reaches 4.2 V at a constant current density of 3 mA / cm 2 , the current density subsequently reaches 0.3 mA / cm 2 at a constant voltage of 4.2 V. Charged until As discharge conditions, the battery was discharged at a constant current density of 3 mA / cm 2 until the battery voltage reached 2.5V.
なお、サイクル特性を調べる際の手順および条件は、以降の一連の実施例および比較例に関する同特性の評価についても同様である。 Note that the procedure and conditions for examining the cycle characteristics are the same for the evaluation of the characteristics of the subsequent series of examples and comparative examples.
表1および図10に示したように、水銀の浸入量の変化率が3nm以上50nm以下の孔径にピークを示すと共に50nm以上3000nm以下の孔径にピークを示すように分布する場合には、比A/Bが小さくなるにしたがって放電容量維持率が次第に高くなった。この結果は、3nm以上50nm以下の微細な孔径を有する細孔の容積が相対的に小さくなると、負極活物質の表面積が小さく抑えられるため、充放電時に電解液が分解しにくくなることを表している。この場合には、比A/Bが8/1以下である実施例1−1〜1−19において、その範囲外である比較例1よりも放電容量維持率が大幅に高くなった。ただし、比A/Bを1/30よりも小さくするためには、負極活物質の形成時に負極集電体54Aの移動速度を著しく遅くせざるを得なかったため、負極54の生産性が低下した。これらのことから、本発明の二次電池では、比A/Bを8/1以下とすることにより、サイクル特性が向上することが確認された。この場合には、比A/Bを1/30以上8/1以下とすれば、負極54の生産性が確保されることも確認された。
As shown in Table 1 and FIG. 10, when the rate of change of the mercury intrusion amount is distributed so as to show a peak in the pore diameter of 3 nm or more and 50 nm or less and a peak in the pore diameter of 50 nm or more and 3000 nm or less, the ratio A The discharge capacity retention rate gradually increased as / B decreased. This result shows that when the volume of pores having a fine pore diameter of 3 nm or more and 50 nm or less is relatively small, the surface area of the negative electrode active material is suppressed, so that the electrolytic solution is difficult to decompose during charge and discharge. Yes. In this case, in Examples 1-1 to 1-19 in which the ratio A / B was 8/1 or less, the discharge capacity retention rate was significantly higher than that of Comparative Example 1 that was outside the range. However, in order to make the ratio A / B smaller than 1/30, the moving speed of the negative electrode current collector 54A had to be remarkably slowed during the formation of the negative electrode active material, so the productivity of the
(実施例2−1〜2−4)
負極活物質を単層構造となるように形成したことを除き、実施例1−1,1−2,1−8,1−19と同様の手順を経た。この際、堆積速度を10nm/秒とした。
(Examples 2-1 to 2-4)
The same procedure as in Examples 1-1, 1-2, 1-8, and 1-19 was performed except that the negative electrode active material was formed to have a single layer structure. At this time, the deposition rate was 10 nm / second.
(比較例2)
実施例2−1〜2−4と同様に負極活物質を単層構造となるようにしたことを除き、比較例1と同様の手順を経た。
(Comparative Example 2)
A procedure similar to that in Comparative Example 1 was performed except that the negative electrode active material had a single-layer structure as in Examples 2-1 to 2-4.
これらの実施例2−1〜2−4および比較例2の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表2および図11に示した結果が得られた。 When the cycle characteristics of the secondary batteries of Examples 2-1 to 2-4 and Comparative Example 2 were examined, the results shown in Table 2 and FIG. 11 were obtained.
表2および図11に示したように、負極活物質が単層構造である実施例2−1〜2−4においても、6層構造である実施例1−1〜1−19と同様の結果が得られた。すなわち、比A/Bが8/1以下である実施例2−1〜2−4では、その範囲外である比較例2よりも放電容量維持率が大幅に高くなった。これらのことから、本発明の二次電池では、負極活物質の層数を変更した場合においてもサイクル特性が向上することが確認された。 As shown in Table 2 and FIG. 11, also in Examples 2-1 to 2-4 in which the negative electrode active material has a single-layer structure, the same results as in Examples 1-1 to 1-19 having a six-layer structure was gotten. That is, in Examples 2-1 to 2-4 in which the ratio A / B was 8/1 or less, the discharge capacity retention rate was significantly higher than that of Comparative Example 2 that was outside the range. From these, it was confirmed that in the secondary battery of the present invention, the cycle characteristics were improved even when the number of layers of the negative electrode active material was changed.
ここで、上記した一連の実施例および比較例を代表して、実施例1−8〜1−10,1−12の二次電池について測定した水銀の浸入量の変化率の分布は、図12および図13に示した通りである。図12は実施例1−8〜1−10の分布を表しており、12A〜12Cはそれぞれ実施例1−8〜1−10を示している。また、図13は実施例1−12の分布を表している。 Here, as a representative of the series of examples and comparative examples described above, the distribution of the change rate of the mercury intrusion measured for the secondary batteries of Examples 1-8 to 1-10 and 1-12 is shown in FIG. And as shown in FIG. FIG. 12 shows the distribution of Examples 1-8 to 1-10, and 12A to 12C show Examples 1-8 to 1-10, respectively. FIG. 13 shows the distribution of Example 1-12.
図12に示したように、実施例1−8〜1−10のいずれにおいても、水銀の浸入量の変化率は3nm以上50nm以下の孔径にピークP1を示すと共に50nm以上3000nm以下の孔径にピークP2を示すように分布している。この場合には、ピークP1における変化率AがピークP2における変化率Bよりも小さくなっていることに伴い、比A/Bが1よりも小さくなっている。また、ピークP1における変化率Aを比較すると、その変化率Aが実施例1−8〜1−10の順に大きくなっていることに伴い、比A/Bも実施例1−8〜1−10の順に大きくなっている。 As shown in FIG. 12, in all of Examples 1-8 to 1-10, the rate of change in the amount of mercury intruded showed a peak P1 at a pore diameter of 3 nm to 50 nm and a peak at a pore diameter of 50 nm to 3000 nm. Distribution is shown as P2. In this case, the ratio A / B is smaller than 1 as the rate of change A at the peak P1 is smaller than the rate of change B at the peak P2. Further, when the rate of change A at the peak P1 is compared, the rate of change A increases in the order of Examples 1-8 to 1-10, and the ratio A / B is also in Examples 1-8 to 1-10. It becomes larger in order.
また、図13に示したように、実施例1−12においても、水銀の浸入量の変化率は3nm以上50nm以下の孔径にピークP1を示すと共に50nm以上3000nm以下の孔径にピークP2を示すように分布している。この場合には、ピークP1における変化率AがピークP2における変化率Bよりも大きくなっていることに伴い、比A/Bが1よりも大きくなっている。 Further, as shown in FIG. 13, also in Example 1-12, the change rate of the mercury intrusion amount shows a peak P1 at a pore diameter of 3 nm to 50 nm and a peak P2 at a pore diameter of 50 nm to 3000 nm. Is distributed. In this case, the ratio A / B is larger than 1 as the rate of change A at the peak P1 is larger than the rate of change B at the peak P2.
(実施例3−1〜3−6)
負極活物質中における酸素の含有量を3原子数%に代えて、2原子数%(実施例3−1)、10原子数%(実施例3−2)、20原子数%(実施例3−3)、30原子数%(実施例3−4)、40原子数%(実施例3−5)、あるいは45原子数%(実施例3−6)としたことを除き、実施例1−8と同様の手順を経た。
(Examples 3-1 to 3-6)
The oxygen content in the negative electrode active material was changed to 3 atomic%, 2 atomic% (Example 3-1), 10 atomic% (Example 3-2), 20 atomic% (Example 3). -3), 30 atomic% (Example 3-4), 40 atomic% (Example 3-5), or 45 atomic% (Example 3-6). The same procedure as in No. 8 was performed.
これらの実施例3−1〜3−6の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表3および図14に示した結果が得られた。なお、表3には、実施例1−8および比較例1の結果も併せて示した。 When the cycle characteristics of the secondary batteries of Examples 3-1 to 3-6 were examined, the results shown in Table 3 and FIG. 14 were obtained. In Table 3, the results of Example 1-8 and Comparative Example 1 are also shown.
表3に示したように、負極活物質中における酸素の含有量が異なる実施例3−1〜3−6においても、実施例1−8と同様に、比較例1よりも放電容量維持率が大幅に高くなった。この場合には、表3および図14に示したように、酸素の含有量が多くなるにしたがって放電容量維持率が増加したのちに減少する傾向を示し、その含有量が3原子数%よりも少なくなると放電容量維持率が大幅に減少した。ただし、含有量が40原子数%よりも多くなると、十分な放電容量維持率は得られたが、電池容量が低下した。これらのことから、本発明の二次電池では、負極活物質中における酸素の含有量を変更した場合においてもサイクル特性が向上すると共に、その含有量を3原子数%以上40原子数%以下にすればより高い効果が得られることが確認された。 As shown in Table 3, in Examples 3-1 to 3-6 having different oxygen contents in the negative electrode active material, the discharge capacity retention rate was higher than that of Comparative Example 1 as in Example 1-8. Significantly higher. In this case, as shown in Table 3 and FIG. 14, the discharge capacity retention rate tends to decrease as the oxygen content increases, and then the content decreases from 3 atomic%. As the amount decreased, the discharge capacity retention rate decreased significantly. However, when the content was more than 40 atomic%, a sufficient discharge capacity retention rate was obtained, but the battery capacity was reduced. For these reasons, in the secondary battery of the present invention, even when the oxygen content in the negative electrode active material is changed, the cycle characteristics are improved, and the content is made 3 atomic% to 40 atomic%. It was confirmed that higher effects can be obtained.
(実施例4−1〜4−3)
チャンバ内に連続的に酸素ガス等を導入しながらケイ素を堆積させて負極活物質に酸素を含有させる代わりに、チャンバ内に断続的に酸素ガス等を導入しながらケイ素を堆積させることにより、第1の酸素含有領域とそれよりも酸素含有量が高い第2の酸素含有領域とが交互に積層されるように負極活物質を形成したことを除き、実施例1−8と同様の手順を経た。この際、第2の酸素含有領域中における酸素の含有量を3原子数%とし、その数を2つ(実施例4−1)、4つ(実施例4−2)、あるいは6つ(実施例4−3)とした。
(Examples 4-1 to 4-3)
Instead of depositing silicon while continuously introducing oxygen gas or the like into the chamber to contain oxygen in the negative electrode active material, silicon is deposited while intermittently introducing oxygen gas or the like into the chamber. Except that the negative electrode active material was formed so that one oxygen-containing region and the second oxygen-containing region having a higher oxygen content were alternately stacked, the same procedure as in Example 1-8 was performed. . At this time, the oxygen content in the second oxygen-containing region is 3 atomic%, and the number is 2 (Example 4-1), 4 (Example 4-2), or 6 (implementation). Example 4-3).
これらの実施例4−1〜4−3の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表4に示した結果が得られた。なお、表4には、実施例1−8および比較例1の結果も併せて示した。 When the cycle characteristics of the secondary batteries of Examples 4-1 to 4-3 were examined, the results shown in Table 4 were obtained. In Table 4, the results of Example 1-8 and Comparative Example 1 are also shown.
表4に示したように、負極活物質が第1および第2の酸素含有領域を有する実施例4−1〜4−3においても、実施例1−8と同様に、比較例1よりも放電容量維持率が大幅に高くなった。この場合には、第2の酸素含有領域の数が多くなるにしたがって放電容量維持率が高くなる傾向を示した。これらのことから、本発明の二次電池では、第1および第2の酸素含有領域を有するように負極活物質粒子を構成した場合においてもサイクル特性が向上すると共に、その第2の酸素含有領域の数を増やせばより高い効果が得られることが確認された。 As shown in Table 4, also in Examples 4-1 to 4-3 in which the negative electrode active material has the first and second oxygen-containing regions, the discharge was performed more than in Comparative Example 1 as in Example 1-8. The capacity maintenance rate has increased significantly. In this case, the discharge capacity retention rate tended to increase as the number of second oxygen-containing regions increased. Therefore, in the secondary battery of the present invention, the cycle characteristics are improved even when the negative electrode active material particles are configured to have the first and second oxygen-containing regions, and the second oxygen-containing region is improved. It was confirmed that a higher effect can be obtained by increasing the number of.
(実施例5−1〜5−6)
純度99%のケイ素と共に純度99.9%の金属元素を蒸着源として用いて双方を含有する負極活物質を形成したことを除き、実施例1−8と同様の手順を経た。この際、金属元素として、鉄(実施例5−1)、ニッケル(実施例5−2)、モリブデン(実施例5−3)、チタン(実施例5−4)、クロム(実施例5−5)、あるいはコバルト(実施例5−6)を用いた。この際、金属元素の蒸着量を調整し、負極活物質中における金属元素の含有量を5原子数%とした。
(Examples 5-1 to 5-6)
A procedure similar to that of Example 1-8 was performed, except that a negative electrode active material containing both of them was formed using 99% pure silicon and a 99.9% pure metal element as a deposition source. At this time, as the metal element, iron (Example 5-1), nickel (Example 5-2), molybdenum (Example 5-3), titanium (Example 5-4), chromium (Example 5-5). ) Or cobalt (Example 5-6). At this time, the deposition amount of the metal element was adjusted so that the content of the metal element in the negative electrode active material was 5 atomic%.
これらの実施例5−1〜5−6の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表5に示した結果が得られた。なお、表5には、実施例1−8および比較例1の結果も併せて示した。 When the cycle characteristics of the secondary batteries of Examples 5-1 to 5-6 were examined, the results shown in Table 5 were obtained. In Table 5, the results of Example 1-8 and Comparative Example 1 are also shown.
表5に示したように、負極活物質がケイ素と共に金属元素を含有する実施例5−1〜5−6においても、実施例1−8と同様に、比較例1よりも放電容量維持率が大幅に高くなった。この場合には、実施例1−8よりも放電容量維持率が高くなる傾向を示した。これらのことから、本発明の二次電池では、負極活物質に金属元素を含有させた場合においてもサイクル特性が向上すると共に、その金属元素を含有させればより高い効果が得られることが確認された。 As shown in Table 5, also in Examples 5-1 to 5-6 in which the negative electrode active material contains a metal element together with silicon, the discharge capacity retention rate was higher than that of Comparative Example 1 as in Example 1-8. Significantly higher. In this case, the discharge capacity retention rate tended to be higher than that of Example 1-8. From these facts, in the secondary battery of the present invention, it was confirmed that even when the negative electrode active material contains a metal element, the cycle characteristics are improved, and if the metal element is contained, a higher effect can be obtained. It was done.
(実施例6−1)
電子ビーム蒸着法に代えて、RFマグネトロンスパッタ法を用いて負極活物を形成したことを除き、実施例1−8と同様の手順を経た。この際、純度99.99%のケイ素をターゲットとして用い、堆積速度を0.5nm/秒とし、負極活物質の総厚を6.2μmとした。
(Example 6-1)
A procedure similar to that in Example 1-8 was performed except that the negative electrode active material was formed using an RF magnetron sputtering method instead of the electron beam evaporation method. At this time, silicon having a purity of 99.99% was used as a target, the deposition rate was 0.5 nm / second, and the total thickness of the negative electrode active material was 6.2 μm.
(実施例6−2)
電子ビーム蒸着法に代えて、CVD法を用いて負極活物質を形成したことを除き、実施例1−8と同様の手順を経た。この際、原材料および励起ガスとしてそれぞれシランおよびアルゴンを用い、堆積速度および基板温度をそれぞれ1.5nm/秒および200℃とし、負極活物質の総厚を6.3μmとした。
(Example 6-2)
A procedure similar to that in Example 1-8 was performed except that the negative electrode active material was formed using the CVD method instead of the electron beam evaporation method. At this time, silane and argon were used as the raw material and the excitation gas, respectively, the deposition rate and the substrate temperature were 1.5 nm / second and 200 ° C., respectively, and the total thickness of the negative electrode active material was 6.3 μm.
これらの実施例6−1,6−2の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表6に示した結果が得られた。なお、表6には、実施例1−8および比較例1の結果も併せて示した。 When the cycle characteristics of the secondary batteries of Examples 6-1 and 6-2 were examined, the results shown in Table 6 were obtained. In Table 6, the results of Example 1-8 and Comparative Example 1 are also shown.
表6に示したように、負極活物質の形成方法が異なる実施例6−1,6−2においても、実施例1−8と同様に、比較例1よりも放電容量維持率が高くなった。この場合には、負極活物質の形成方法としてスパッタ法およびCVD法よりも電子ビーム蒸着法において放電容量維持率が高くなる傾向を示した。これらのことから、本発明の二次電池では、負極活物質の形成方法を変更した場合においてもサイクル特性が向上すると共に、蒸着法を用いればより高い効果が得られることが確認された。 As shown in Table 6, also in Examples 6-1 and 6-2 in which the formation method of the negative electrode active material was different, the discharge capacity retention rate was higher than that of Comparative Example 1 as in Example 1-8. . In this case, the discharge capacity retention rate tended to be higher in the electron beam evaporation method than the sputtering method and the CVD method as a method for forming the negative electrode active material. From these facts, in the secondary battery of the present invention, it was confirmed that even when the formation method of the negative electrode active material was changed, the cycle characteristics were improved and a higher effect was obtained by using the vapor deposition method.
(実施例7−1〜7−7)
負極集電体54Aの表面の十点平均粗さRzを3.5μmに代えて、1μm(実施例7−1)、1.5μm(実施例7−2)、2.5μm(実施例7−3)、4.5μm(実施例7−4)、5.5μm(実施例7−5)、6.5μm(実施例7−6)、あるいは7μm(実施例7−7)としたことを除き、実施例1−8と同様の手順を経た。
(Examples 7-1 to 7-7)
The 10-point average roughness Rz of the surface of the negative electrode current collector 54A was changed to 3.5 μm, 1 μm (Example 7-1), 1.5 μm (Example 7-2), 2.5 μm (Example 7- 3), 4.5 μm (Example 7-4), 5.5 μm (Example 7-5), 6.5 μm (Example 7-6), or 7 μm (Example 7-7) The same procedure as in Example 1-8 was performed.
これらの実施例7−1〜7−7の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表7および図15に示した結果が得られた。なお、表7には、実施例1−8および比較例1の結果も併せて示した。 When the cycle characteristics of the secondary batteries of Examples 7-1 to 7-7 were examined, the results shown in Table 7 and FIG. 15 were obtained. In Table 7, the results of Example 1-8 and Comparative Example 1 are also shown.
表7に示したように、十点平均粗さRzが異なる実施例7−1〜7−7においても、実施例1−8と同様に、比較例1よりも放電容量維持率が大幅に高くなった。この場合には、表7および図15に示したように、十点平均粗さRzが大きくなるにしたがって放電容量維持率が増加したのちに減少する傾向を示し、十点平均粗さRzが1.5μmよりも小さくなるか、あるいは6.5μmよりも大きくなると、放電容量維持率が大幅に減少した。このことから、本発明の二次電池では、負極集電体54Aの表面の十点平均粗さRzを変更した場合においてもサイクル特性が向上すると共に、その十点平均粗さRzを1.5μm以上6.5μm以下にすればより高い効果が得られることが確認された。 As shown in Table 7, also in Examples 7-1 to 7-7 having different ten-point average roughness Rz, the discharge capacity retention rate was significantly higher than that of Comparative Example 1 as in Example 1-8. became. In this case, as shown in Table 7 and FIG. 15, the 10-point average roughness Rz shows a tendency to decrease after the discharge capacity retention rate increases and the 10-point average roughness Rz becomes 1 When it was smaller than .5 μm or larger than 6.5 μm, the discharge capacity retention rate was greatly reduced. Therefore, in the secondary battery of the present invention, even when the ten-point average roughness Rz of the surface of the negative electrode current collector 54A is changed, the cycle characteristics are improved and the ten-point average roughness Rz is 1.5 μm. It has been confirmed that higher effects can be obtained when the thickness is 6.5 μm or less.
(実施例8−1)
溶媒としてECに代えて、フッ素化炭酸エステル(炭酸モノフルオロエチレン)である4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(FEC)を用いたことを除き、実施例1−8と同様の手順を経た。
(Example 8-1)
The same as Example 1-8 except that 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one (FEC), which is a fluorinated carbonate (monofluoroethylene carbonate), was used as the solvent instead of EC. Goed through the procedure.
(実施例8−2)
溶媒としてフッ素化炭酸エステル(炭酸ジフルオロエチレン)である4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(DFEC)を加え、混合溶媒の組成(EC:DFEC:DEC)を重量比で25:5:70としたことを除き、実施例1−8と同様の手順を経た。
(Example 8-2)
A fluorinated carbonate (difluoroethylene carbonate) 4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one (DFEC) is added as a solvent, and the composition of the mixed solvent (EC: DFEC: DEC) is 25 by weight. : The same procedure as in Example 1-8 was performed except that the ratio was 5:70.
(実施例8−3,8−4)
電解液に溶媒として不飽和結合を有する環状炭酸エステルである炭酸ビニレン(VC:実施例8−3)あるいは炭酸ビニルエチレン(VEC:実施例8−4)を加えたことを除き、実施例8−1と同様の手順を経た。この際、電解液中におけるVC,VECの含有量を10重量%とした。
(Examples 8-3 and 8-4)
Except that vinylene carbonate (VC: Example 8-3) or vinyl ethylene carbonate (VEC: Example 8-4), which is a cyclic carbonate having an unsaturated bond, was added as a solvent to the electrolyte, Example 8- 1 was followed. At this time, the contents of VC and VEC in the electrolytic solution were 10% by weight.
(実施例8−5)
電解液に溶媒としてスルトンである1,3−プロペンスルトン(PRS)を加えたことを除き、実施例8−1と同様の手順を経た。この際、電解液中におけるPRSの濃度を1重量%とした。
(Example 8-5)
A procedure similar to that in Example 8-1 was performed except that 1,3-propene sultone (PRS), which is sultone, was added as a solvent to the electrolytic solution. At this time, the concentration of PRS in the electrolytic solution was set to 1% by weight.
(実施例8−6)
電解液に電解質塩として四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )を加えたことを除き、実施例8−1と同様の手順を経た。この際、電解液中におけるLiBF4 の濃度を0.1mol/kgとした。
(Example 8-6)
The same procedure as in Example 8-1 was performed except that lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) was added as an electrolyte salt to the electrolytic solution. At this time, the concentration of LiBF 4 in the electrolytic solution was set to 0.1 mol / kg.
(実施例8−7,8−8)
電解液に溶媒として酸無水物であるスルホ安息香酸無水物(SBAH:実施例8−7)あるいはスルホプロピオン酸無水物(SPAH:実施例8−8)を加えたことを除き、実施例8−1と同様の手順を経た。この際、電解液中におけるSBAH,SPAHの濃度を1重量%とした。
(Examples 8-7 and 8-8)
Except that the acid anhydride sulfobenzoic anhydride (SBAH: Example 8-7) or sulfopropionic anhydride (SPAH: Example 8-8) was added to the electrolyte as a solvent. 1 was followed. At this time, the concentration of SBAH and SPAH in the electrolyte was 1% by weight.
これらの実施例8−1〜8−8の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表8に示した結果が得られた。なお、表8には、実施例1−8および比較例1の結果も併せて示した。 When the cycle characteristics of the secondary batteries of Examples 8-1 to 8-8 were examined, the results shown in Table 8 were obtained. In Table 8, the results of Example 1-8 and Comparative Example 1 are also shown.
この際、実施例1−8,8−5の二次電池については、サイクル特性等だけでなく膨れ特性も調べた。この膨れ特性を調べる際には、以下の手順で二次電池を充電させて膨れ率を求めた。まず、電池状態を安定化させるために23℃の雰囲気中で1サイクル充放電させて2サイクル目の充電前の厚さを測定した。続いて、同雰囲気中で再び充電させたのち、2サイクル目の充電後の厚さを測定した。最後に、膨れ率(%)=[(充電後の厚さ−充電前の厚さ)/充電前の厚さ]×100を算出した。この際、充電条件としては、サイクル特性を調べた場合と同様にした。 At this time, the secondary batteries of Examples 1-8 and 8-5 were examined not only for cycle characteristics but also for swelling characteristics. When examining the swelling characteristics, the secondary battery was charged by the following procedure to obtain the swelling ratio. First, in order to stabilize the battery state, the battery was charged and discharged for one cycle in an atmosphere at 23 ° C., and the thickness before charging for the second cycle was measured. Subsequently, after charging again in the same atmosphere, the thickness after the second cycle charge was measured. Finally, the swelling rate (%) = [(thickness after charging−thickness before charging) / thickness before charging] × 100 was calculated. At this time, the charging conditions were the same as in the case where the cycle characteristics were examined.
表8に示したように、溶媒の組成および電解質塩の種類が異なる実施例8−1〜8−8においても、実施例1−8と同様に、比較例1よりも放電容量維持率が大幅に高くなった。このことから、本発明の二次電池では、溶媒の組成や電解質塩の種類を変更した場合においてもサイクル特性が向上することが確認された。 As shown in Table 8, in Examples 8-1 to 8-8 in which the composition of the solvent and the type of the electrolyte salt are different, the discharge capacity maintenance rate is significantly larger than that in Comparative Example 1 as in Example 1-8. It became high. From this, it was confirmed that in the secondary battery of the present invention, the cycle characteristics were improved even when the composition of the solvent and the type of the electrolyte salt were changed.
特に、実施例8−1,8−2では、実施例1−8よりも放電容量維持率が高くなった。この場合には、溶媒がFECよりもDFECを含む場合において放電容量維持率がより高くなる傾向を示した。これらのことから、溶媒にフッ素化炭酸エステルを含有させればサイクル特性がより向上すると共に、フッ素化炭酸エステルとして炭酸モノフルオロエチレンよりも炭酸ジルフルオロエチレンを用いればより高い効果が得られることが確認された。 In particular, in Examples 8-1 and 8-2, the discharge capacity retention ratio was higher than that in Example 1-8. In this case, the discharge capacity retention rate tended to be higher when the solvent contained DFEC than FEC. From these facts, the cycle characteristics are further improved by adding a fluorinated carbonate to the solvent, and a higher effect can be obtained by using difluoroethylene carbonate than monofluoroethylene carbonate as the fluorinated carbonate. confirmed.
また、実施例8−3〜8−8では、実施例1−8よりも放電容量維持率が高くなった。この場合には、溶媒がPRSあるいはLiBF4 よりもVCあるいはVECを含む場合において放電容量維持率がより高くなり、SBAHあるいはSPAHを含む場合において放電容量維持率がさらに高くなる傾向を示した。これらのことから、溶媒に不飽和結合を有する環状炭酸エステル、スルトン、あるいはホウ素およびフッ素を有する電解質塩、または酸無水物を含有させればサイクル特性がより向上すると共に、不飽和結合を有する環状炭酸エステル、さらには酸無水物を用いればより高い効果が得られることが確認された。 Moreover, in Examples 8-3 to 8-8, the discharge capacity retention rate was higher than that of Example 1-8. In this case, the discharge capacity maintenance rate was higher when the solvent contained VC or VEC than PRS or LiBF 4 , and the discharge capacity maintenance rate tended to be higher when SBAH or SPAH was included. From these facts, if cyclic carbonate having unsaturated bond, sultone, electrolyte salt having boron and fluorine, or acid anhydride is contained in the solvent, cycle characteristics are further improved and cyclic having unsaturated bond. It was confirmed that a higher effect can be obtained by using a carbonate ester and further an acid anhydride.
なお、溶媒がPRSを含む実施例8−5では、それを含まない実施例1−8よりも膨れ率が大幅に小さくなった。このことから、本発明の二次電池では、溶媒にスルトンを含有させることにより膨れ特性が向上することが確認された。 In Example 8-5 in which the solvent contained PRS, the swelling rate was significantly smaller than in Example 1-8 that did not contain PRS. From this, in the secondary battery of this invention, it was confirmed that a swelling characteristic improves by making a solvent contain sultone.
(実施例9−1)
以下の手順により、ラミネートフィルム型の二次電池に代えて、図4および図5に示した角型の二次電池を製造したことを除き、実施例1−8と同様の手順を経た。
(Example 9-1)
According to the following procedure, the same procedure as in Example 1-8 was performed except that the square secondary battery shown in FIGS. 4 and 5 was manufactured instead of the laminate film type secondary battery.
まず、正極21および負極22を作製したのち、正極集電体21Aおよび負極集電体22Aにそれぞれアルミニウム製の正極リード24およびニッケル製の負極リード25を溶接した。続いて、正極21と、セパレータ23と、負極22とをこの順に積層し、長手方向において巻回させたのち、扁平状に成形することにより、電池素子20を作製した。続いて、アルミニウム製の電池缶11の内部に電池素子20を収納したのち、その電池素子20上に絶縁板12を配置した。続いて、正極リード24および負極リード25をそれぞれ正極ピン15および電池缶11に溶接したのち、電池缶11の開放端部に電池蓋13をレーザ溶接して固定した。最後に、注入孔19を通じて電池缶11の内部に電解液を注入し、その注入孔19を封止部材19Aで塞ぐことにより、角形電池が完成した。
First, after preparing the positive electrode 21 and the negative electrode 22, an aluminum
(実施例9−2)
アルミニウム製の電池缶11に代えて、鉄製の電池缶11を用いたことを除き、実施例9−1と同様の手順を経た。
(Example 9-2)
A procedure similar to that of Example 9-1 was performed except that an iron battery can 11 was used instead of the aluminum battery can 11.
これらの実施例9−1,9−2の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表9に示した結果が得られた。なお、表9には、実施例1−8および比較例1の結果も併せて示した。 When the cycle characteristics of the secondary batteries of Examples 9-1 and 9-2 were examined, the results shown in Table 9 were obtained. In Table 9, the results of Example 1-8 and Comparative Example 1 are also shown.
表9に示したように、電池構造が異なる実施例9−1,9−2においても、実施例1−8と同様に、比較例1よりも放電容量維持率が大幅に高くなった。この場合には、実施例1−8よりも放電容量維持率が高くなり、電池缶11がアルミニウム製よりも鉄製である場合において放電容量維持率がより高くなる傾向を示した。これらのことから、本発明の二次電池では、電池構造を変更した場合においてもサイクル特性が向上すると共に、電池構造をラミネートフィルム型よりも角型とすればサイクル特性がより向上し、鉄製の電池缶11を用いればより高い効果が得られることが確認された。なお、ここでは具体的な実施例を挙げて説明しないが、外装部材が金属材料からなる角型の二次電池においてラミネートフィルム型の二次電池よりもサイクル特性および膨れ特性が向上したことから、外装部材が金属材料からなる円筒型の二次電池においても同様の結果が得られることは明らかである。 As shown in Table 9, also in Examples 9-1 and 9-2 having different battery structures, the discharge capacity retention rate was significantly higher than that in Comparative Example 1 as in Example 1-8. In this case, the discharge capacity retention ratio was higher than that of Example 1-8, and the discharge capacity retention ratio tended to be higher when the battery can 11 was made of iron than aluminum. From these, in the secondary battery of the present invention, the cycle characteristics are improved even when the battery structure is changed, and the cycle characteristics are further improved if the battery structure is square rather than the laminate film type. It was confirmed that a higher effect can be obtained by using the battery can 11. Although not described here with specific examples, the cycle characteristics and the swollenness characteristics are improved in the rectangular secondary battery whose exterior member is made of a metal material as compared with the laminated film type secondary battery. It is obvious that similar results can be obtained even in a cylindrical secondary battery whose exterior member is made of a metal material.
これらのことから、表1〜表9および図10〜図15に示した結果から明らかなように、負極活物質が複数の細孔を有し、水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率が3nm以上50nm以下の孔径にピーク(変化率A)を示すと共に50nm以上3000nm以下の孔径にピーク(変化率B)を示すように分布する場合に、比A/Bを8/1以下とすることにより、負極活物質の層数や組成などの条件に依存せずにサイクル特性が向上することが確認された。 From these, as is clear from the results shown in Tables 1 to 9 and FIGS. 10 to 15, the negative electrode active material has a plurality of pores, and the plurality of pores measured by the mercury intrusion method. When the change rate of the mercury intrusion amount is distributed so as to show a peak (change rate A) in the pore diameter of 3 nm to 50 nm and a peak (change ratio B) in the pore diameter of 50 nm to 3000 nm, the ratio A / It was confirmed that by setting B to 8/1 or less, cycle characteristics are improved without depending on conditions such as the number of layers and composition of the negative electrode active material.
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記した実施の形態および実施例において説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記した実施の形態および実施例では、電池の種類として、負極の容量がリチウムの吸蔵および放出に基づいて表されるリチウムイオン二次電池について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。本発明の電池は、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の充電容量を正極の充電容量よりも小さくすることにより、負極の容量がリチウムの吸蔵および放出に伴う容量とリチウムの析出および溶解に伴う容量とを含み、かつ、それらの容量の和により表される二次電池についても同様に適用可能である。 The present invention has been described with reference to the embodiments and examples. However, the present invention is not limited to the embodiments described in the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiments and examples, the lithium ion secondary battery in which the capacity of the negative electrode is expressed based on insertion and extraction of lithium is described as the type of battery. However, the present invention is not necessarily limited to this. . In the battery of the present invention, the negative electrode material capable of occluding and releasing lithium has a smaller charge capacity than that of the positive electrode, so that the capacity of the negative electrode is reduced due to the storage and release of lithium. The present invention can be similarly applied to a secondary battery including a capacity associated with melting and represented by the sum of the capacities.
また、上記した実施の形態および実施例では、電池構造が角型、円筒型およびラミネートフィルム型である場合、ならびに電池素子が巻回構造を有する場合を例に挙げて説明したが、本発明の電池は、コイン型あるいはボタン型などの他の電池構造を有する場合や、電池素子が積層構造などの他の構造を有する場合についても同様に適用可能である。また、本発明の電池は、二次電池に限らず、一次電池などの他の種類の電池についても同様に適用可能である。 In the above-described embodiments and examples, the case where the battery structure is a square shape, the cylindrical shape, and the laminate film type, and the case where the battery element has a winding structure have been described as examples. The battery can be similarly applied to a case where it has another battery structure such as a coin type or a button type, and a case where the battery element has another structure such as a laminated structure. Further, the battery of the present invention is not limited to the secondary battery, but can be similarly applied to other types of batteries such as a primary battery.
また、上記した実施の形態および実施例では、電極反応物質としてリチウムを用いる場合について説明したが、ナトリウム(Na)あるいはカリウム(K)などの他の1A族元素や、マグネシウム(Mg)あるいはカルシウム(Ca)などの2A族元素や、アルミニウムなどの他の軽金属を用いてもよい。これらの場合においても、負極活物質として、上記した実施の形態で説明した負極材料を用いることが可能である。 In the above-described embodiments and examples, the case where lithium is used as the electrode reactant has been described. However, other Group 1A elements such as sodium (Na) or potassium (K), magnesium (Mg) or calcium ( You may use 2A group elements, such as Ca), and other light metals, such as aluminum. In these cases, the negative electrode material described in the above embodiment can be used as the negative electrode active material.
また、上記した実施の形態および実施例では、本発明の負極あるいは電池における比A/Bについて、実施例の結果から導き出された数値範囲を適正範囲として説明しているが、その説明は、比A/Bが上記した範囲外となる可能性を完全に否定するものではない。すなわち、上記した適正範囲は、あくまで本発明の効果を得る上で特に好ましい範囲であり、本発明の効果が得られるのであれば、比A/Bが上記した範囲から多少外れてもよい。このことは、上記した比A/Bに限らず、負極活物質中における酸素の含有量や負極集電体の表面の十点平均粗さRzなどについても同様である。 In the above-described embodiments and examples, the ratio A / B in the negative electrode or battery of the present invention is described as an appropriate range of numerical values derived from the results of the examples. The possibility that A / B is outside the above range is not completely denied. In other words, the appropriate range described above is a particularly preferable range for obtaining the effect of the present invention, and the ratio A / B may be slightly deviated from the above range as long as the effect of the present invention is obtained. This is not limited to the ratio A / B described above, and the same applies to the oxygen content in the negative electrode active material and the ten-point average roughness Rz of the surface of the negative electrode current collector.
1,22A,42A,54A…負極集電体、2,22B,42B,54B…負極活物質層、11,31…電池缶、12,32,33…絶縁板、13,34…電池蓋、14…端子板、15…正極ピン、16…絶縁ケース、17,37…ガスケット、18…開裂弁、19…注入孔、19A…封止部材、20…電池素子、21,41,53…正極、21A,41A,53A…正極集電体、21B,41B,53B…正極活物質層、22,42,54…負極、23,43,55…セパレータ、24,45,51…正極リード、25,46,52…負極リード、35…安全弁機構、35A…ディスク板、36…熱感抵抗素子、40,50…巻回電極体、44…センターピン、56…電解質、57…保護テープ、61…密着フィルム、60…外装部材、201…負極活物質粒子、202(202A〜202C)…細孔。 1, 22A, 42A, 54A ... negative electrode current collector, 2, 22B, 42B, 54B ... negative electrode active material layer, 11, 31 ... battery can, 12, 32, 33 ... insulating plate, 13, 34 ... battery lid, 14 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Terminal board, 15 ... Positive electrode pin, 16 ... Insulating case, 17, 37 ... Gasket, 18 ... Cleavage valve, 19 ... Injection hole, 19A ... Sealing member, 20 ... Battery element, 21, 41, 53 ... Positive electrode, 21A , 41A, 53A ... positive electrode current collector, 21B, 41B, 53B ... positive electrode active material layer, 22, 42, 54 ... negative electrode, 23, 43, 55 ... separator, 24, 45, 51 ... positive electrode lead, 25, 46, 52 ... Negative electrode lead, 35 ... Safety valve mechanism, 35A ... Disc plate, 36 ... Heat sensitive resistance element, 40, 50 ... Winding electrode body, 44 ... Center pin, 56 ... Electrolyte, 57 ... Protective tape, 61 ... Adhesion film, 60 ... exterior member, 2 1 ... the negative electrode active material particles, 202 (202A~202C) ... pore.
Claims (32)
前記負極活物質層は、複数の細孔を有する負極活物質を含み、
水銀圧入法によって測定される前記複数の細孔への水銀の浸入量の変化率は、3nm以上50nm以下の孔径に第1のピークを示すと共に50nm以上3000nm以下の孔径に第2のピークを示すように分布し、
前記第1のピークにおける変化率をA、前記第2のピークにおける変化率をBとしたとき、比A/Bは8/1以下である
ことを特徴とする負極。 A negative electrode current collector, and a negative electrode active material layer provided thereon,
The negative electrode active material layer includes a negative electrode active material having a plurality of pores,
The rate of change in the amount of mercury intruded into the plurality of pores measured by the mercury intrusion method shows a first peak at a pore diameter of 3 nm to 50 nm and a second peak at a pore diameter of 50 nm to 3000 nm. Distributed as
The ratio A / B is 8/1 or less, where A is the rate of change at the first peak and B is the rate of change at the second peak.
前記負極は、負極集電体と、それに設けられた負極活物質層とを有し、
前記負極活物質層は、複数の細孔を有する負極活物質を含み、
水銀圧入法によって測定される前記複数の細孔への水銀の浸入量の変化率は、3nm以上50nm以下の孔径に第1のピークを示すと共に50nm以上3000nm以下の孔径に第2のピークを示すように分布し、
前記第1のピークにおける変化率をA、前記第2のピークにおける変化率をBとしたとき、比A/Bは8/1以下である
ことを特徴とする電池。 A battery comprising an electrolyte solution together with a positive electrode and a negative electrode,
The negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer provided thereon,
The negative electrode active material layer includes a negative electrode active material having a plurality of pores,
The rate of change in the amount of mercury intruded into the plurality of pores measured by the mercury intrusion method shows a first peak at a pore diameter of 3 nm to 50 nm and a second peak at a pore diameter of 50 nm to 3000 nm. Distributed as
A battery in which the ratio A / B is 8/1 or less, where A is the rate of change at the first peak and B is the rate of change at the second peak.
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20130328 |