JP2008077993A - Electrode and non-aqueous secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、集電体と該集電体上に設けられた導電性物質層と、該導電性物質層上に設けられた活物質層からなる電極及びこの電極を用いた非水電解質二次電池に関する。また本発明は、放電容量が高く、充放電効率が高く、サイクル特性に優れ、且つ安価な電極、及びこの電極を用いた非水電解質二次電池に関する。 The present invention relates to a current collector, a conductive material layer provided on the current collector, an electrode comprising an active material layer provided on the conductive material layer, and a non-aqueous electrolyte secondary using the electrode. It relates to batteries. The present invention also relates to an electrode having high discharge capacity, high charge / discharge efficiency, excellent cycle characteristics, and low cost, and a non-aqueous electrolyte secondary battery using this electrode.
近年、電子機器の小型化に伴い、高容量の二次電池が必要になってきている。特に、ニッケル・カドミウム、ニッケル・水素電池に比べ、よりエネルギー密度の高い非水溶媒系リチウム二次電池が注目されてきている。リチウム二次電池の高容量化についても、従来、広く検討されていたが、近年、電池に要求される性能も高度化してきており、更なる高容量化と安価化が必要とされている。 In recent years, with the miniaturization of electronic devices, high-capacity secondary batteries have become necessary. In particular, non-aqueous solvent lithium secondary batteries with higher energy density have attracted attention as compared with nickel-cadmium and nickel-hydrogen batteries. Conventionally, high capacity of a lithium secondary battery has been widely studied, but in recent years, the performance required for the battery has been advanced, and further increase in capacity and cost reduction are required.
リチウム二次電池の負極材料としては、これまで黒鉛などが検討されている。黒鉛はサイクル特性に優れ、電極膨張が小さく、且つ、安価であるために使用されてきた。しかしながら、黒鉛からなる負極材料は理論容量が372mAh/gという限界があり、更なる高容量化は期待出来ない。そこで、近年は黒鉛負極の代わりに理論容量が大きなリチウムと合金を形成するSi、Sn、Al等の合金系負極の検討がなされている。特にSiは容量が高く、負極としての適用が数多く試みられている。しかしながら、Si系負極はリチウムとの反応時に体積膨張が大きく、Siが微粉化したり、集電体から剥離しやすく、且つ、電解液との反応性が高く、サイクル特性が悪いという欠点がある。このため、合金系負極の高容量を活かしつつ、電解液との反応性が抑制された、サイクル特性に優れ、且つ、安価な負極の実現が求められている。 As a negative electrode material for a lithium secondary battery, graphite and the like have been studied so far. Graphite has been used because of its excellent cycle characteristics, small electrode expansion, and low cost. However, the negative electrode material made of graphite has a limit of theoretical capacity of 372 mAh / g, and further increase in capacity cannot be expected. Therefore, in recent years, studies have been made on alloy-based negative electrodes such as Si, Sn, and Al that form an alloy with lithium having a large theoretical capacity instead of the graphite negative electrode. In particular, since Si has a high capacity, many attempts have been made to apply it as a negative electrode. However, the Si-based negative electrode has a drawback that it has a large volume expansion upon reaction with lithium, Si is pulverized, is easily peeled off from the current collector, is highly reactive with the electrolyte, and has poor cycle characteristics. For this reason, realization of a negative electrode which is excellent in cycle characteristics and inexpensive, in which the reactivity with the electrolytic solution is suppressed while utilizing the high capacity of the alloy-based negative electrode is demanded.
こうした中で、特許文献1には、集電体上に炭素層とLi合金からなる多孔層を有することにより、充放電容量が大きく、充放電の繰り返しによる劣化の少ないリチウム二次電池負極を得ることが記載されている。 Under these circumstances, Patent Document 1 provides a negative electrode for a lithium secondary battery having a large charge / discharge capacity and less deterioration due to repeated charge / discharge by having a porous layer made of a carbon layer and a Li alloy on the current collector. It is described.
また、特許文献2には、集電体上に炭素からなる第一の活物質層を設け、その上にLiと合金化可能な金属または半導体からなる第二の活物質層を設けた電極を用いることにより、充放電時の膨張収縮による活物質の剥離を防止し、サイクル特性に優れたリチウム二次電池を得ることが記載されている。 Patent Document 2 discloses an electrode in which a first active material layer made of carbon is provided on a current collector, and a second active material layer made of a metal or semiconductor alloyable with Li is provided thereon. It is described that, when used, the active material is prevented from being peeled off due to expansion and contraction during charge and discharge, and a lithium secondary battery having excellent cycle characteristics is obtained.
また、特許文献3には、炭素を主成分とする第一層の上にLiを吸蔵可能な膜状酸化物材料を主成分とする第二層を有することにより、高い充放電効率を維持し、サイクル特性が向上した高容量な電池を得ることが記載されている。 Patent Document 3 maintains a high charge / discharge efficiency by having a second layer mainly composed of a film-like oxide material capable of occluding Li on a first layer mainly composed of carbon. It is described that a high-capacity battery having improved cycle characteristics is obtained.
また、特許文献4には、粗面化した集電体にSi等を成膜することにより、充放電容量が大きく、サイクル特性に優れたリチウム二次電池を得ることが記載されている。
近年の電池に対する更なる高容量化の必要性の増大に伴い、高容量である合金系負極の活用が望まれているが、合金系負極では以下のような課題がある。
(1)電解液との反応に伴う不可逆容量が増加し、正極活物質中のリチウムを消費し、結果として電池容量が低下する。
(2)リチウムの挿入・脱離による膨張・収縮に伴う合金の微粉化や集電体からの剥離が生じ、サイクル特性が悪化する。
(3)サイクル中に電解液との反応により、充放電可能な活物質量が減少し、サイクル特性が悪化する。
(4)集電体からの剥離や微粉化を抑制するために、集電体の粗面化等の諸種の工程を施し製造するのでコストの低減が困難である。
With the recent increase in the need for higher capacity for batteries, utilization of alloy-based negative electrodes having a high capacity is desired. However, alloy-based negative electrodes have the following problems.
(1) The irreversible capacity accompanying the reaction with the electrolytic solution increases, and lithium in the positive electrode active material is consumed, resulting in a decrease in battery capacity.
(2) The alloy is pulverized and exfoliated from the current collector due to expansion / contraction due to insertion / extraction of lithium, and cycle characteristics deteriorate.
(3) Due to the reaction with the electrolyte during the cycle, the amount of chargeable / dischargeable active material decreases, and the cycle characteristics deteriorate.
(4) In order to suppress peeling and pulverization from the current collector, various processes such as roughening of the current collector are performed, and thus it is difficult to reduce costs.
従って、リチウム二次電池の更なる高容量化においては、合金系活物質を用いることによる高容量化だけでなく、電解液との反応を抑制し、サイクル特性を向上し、且つ、安価な負極を得ることが強く求められている。 Therefore, in the further increase in capacity of the lithium secondary battery, not only the capacity is increased by using an alloy-based active material, but also the reaction with the electrolyte is suppressed, the cycle characteristics are improved, and the inexpensive negative electrode There is a strong demand to obtain.
しかしながら、特許文献1〜3では、集電体上に炭素層と、Li合金からなる多孔層や、Liと合金化可能な金属または半導体からなる層や、Liを吸蔵可能な膜状酸化物材料を主成分とする層を形成しているが、活物質層と接合している炭素層の表面について開孔度、及び/又は表面粗度Rと炭素層の気孔率を規定しておらず、リチウムの挿入・脱離による活物質層の膨張収縮により、炭素層表面の破壊が進行し、サイクル特性が低下する問題がある。 However, in Patent Documents 1 to 3, a carbon layer on a current collector, a porous layer made of a Li alloy, a layer made of a metal or a semiconductor that can be alloyed with Li, or a film-like oxide material that can occlude Li Is not defined for the surface area of the carbon layer bonded to the active material layer, and / or the surface roughness R and the porosity of the carbon layer, Due to the expansion and contraction of the active material layer due to the insertion / extraction of lithium, there is a problem that the destruction of the carbon layer surface proceeds and the cycle characteristics deteriorate.
また、特許文献4では、粗面化した集電体を用いているので、集電体のコストが大幅に増加する課題や、リチウムの挿入・脱離による活物質層の膨張収縮を緩和し難くサイクル特性が低下する問題がある。 Further, in Patent Document 4, since a roughened current collector is used, it is difficult to alleviate the problem that the cost of the current collector greatly increases and the expansion and contraction of the active material layer due to insertion / extraction of lithium. There is a problem that the cycle characteristics deteriorate.
本発明は上記の背景に鑑みて創案されたものであり、その課題は、放電容量が高く、充放電効率が高く、サイクル特性に優れ、且つ、安価な電極と、この電極を用いた非水電解質二次電池を提供することを目的とする。 The present invention has been devised in view of the above-mentioned background, and its problems are a high discharge capacity, high charge / discharge efficiency, excellent cycle characteristics, and an inexpensive electrode, and a non-aqueous solution using this electrode. An object is to provide an electrolyte secondary battery.
本発明者らは、合金系電極について鋭意検討した結果、サイクル中の充放電に伴う合金の膨張収縮により、合金と集電体の界面の密着性が悪化し、集電が取れなくなることでサイクル劣化が進行することが明らかとなり、集電体と該集電体上に設けられた導電性物質層と、該導電性物質層上に設けられた活物質層からなる電極において、活物質層と接している導電性物質層の接合面の開孔度(ここで、「活物質層と接している導電性物質層の接合面の開孔度」とは、活物質層形成前の導電性物質層表面近傍の開孔度のことを指す)が5%以上、50%以下であり、及び/又は活物質層と接している導電性物質層の接合面凹凸Raが0.01以上、3.0μm以下であって、且つ、導電性物質層の気孔率が15%以上、50%以下とすることで、
(i)充放電に伴う合金の膨張収縮の応力を導電性物質層が変形することで緩和できるので、粗面化等されていない安価な集電体が使用でき、
(ii)活物質層と接している導電性物質層の接合面の開孔度が50%より小さく、及び/又は活物質層と接している導電性物質層の接合面凹凸Raが3.0μmより小さく、且つ、導電性物質層の気孔率が50%より小さい為、活物質層形成時に導電性物質層表面の凹部に活物質層が入り込み難く、充放電に伴う活物質層の膨張収縮による導電性物質層の破壊を抑制しながら集電を確保することができるので、放電容量が高く、充放電効率が高く、サイクル特性に優れた高性能な電極及び非水電解質二次電池を安価に安定して効率的に実現し得ることを見出し、本発明を完成させた。
As a result of intensive studies on the alloy-based electrode, the present inventors have found that the adhesion between the alloy and the current collector deteriorates due to the expansion and contraction of the alloy that accompanies charging and discharging during the cycle, and the current cannot be collected. It becomes clear that the deterioration proceeds, and an electrode comprising a current collector, a conductive material layer provided on the current collector, and an active material layer provided on the conductive material layer, Opening degree of the bonding surface of the conductive material layer in contact (here, “opening degree of the bonding surface of the conductive material layer in contact with the active material layer” refers to the conductive material before the formation of the active material layer) (Referring to the degree of opening in the vicinity of the layer surface) is 5% or more and 50% or less, and / or the joint surface unevenness Ra of the conductive material layer in contact with the active material layer is 0.01 or more. 0 μm or less and the porosity of the conductive material layer is 15% or more and 50% or less.
(I) Since the stress of expansion and contraction of the alloy accompanying charging and discharging can be relaxed by the deformation of the conductive material layer, an inexpensive current collector that is not roughened can be used,
(Ii) The porosity of the joint surface of the conductive material layer in contact with the active material layer is less than 50%, and / or the joint surface unevenness Ra of the conductive material layer in contact with the active material layer is 3.0 μm. Because it is smaller and the porosity of the conductive material layer is smaller than 50%, it is difficult for the active material layer to enter the recesses on the surface of the conductive material layer during the formation of the active material layer. Since current collection can be ensured while suppressing destruction of the conductive material layer, high-performance electrodes and non-aqueous electrolyte secondary batteries with high discharge capacity, high charge / discharge efficiency, and excellent cycle characteristics can be obtained at low cost. The present invention has been completed by finding that it can be stably and efficiently realized.
即ち、本発明の要旨は、集電体と、該集電体上に設けられた導電性物質層と、該導電性物質層上に設けられた活物質層からなる電極において、次の(イ)と(ロ)の何れか若しくは両方の要件を満たすことを特徴とする電極、に存する(請求項1)。
(イ)活物質層と接している導電性物質層の接合面の開孔度が5%以上、50%以下であり、活物質層が少なくともリチウムと合金化する元素を含む活物質を含有する。
(ロ)活物質層と接している導電性物質層の接合面凹凸Raが0.01以上、3.0μm以下であって、且つ、導電性物質層の気孔率が15%以上、50%以下であり、活物質層が少なくともリチウムと合金化する元素を含む活物質を含有する。
That is, the gist of the present invention is that an electrode comprising a current collector, a conductive material layer provided on the current collector, and an active material layer provided on the conductive material layer is ) And (b), or an electrode that satisfies the requirements of both (Claim 1).
(B) The porosity of the joint surface of the conductive material layer in contact with the active material layer is 5% or more and 50% or less, and the active material layer contains an active material containing at least an element alloying with lithium. .
(B) The joint surface unevenness Ra of the conductive material layer in contact with the active material layer is 0.01 to 3.0 μm, and the porosity of the conductive material layer is 15% to 50%. And the active material layer contains an active material containing at least an element alloying with lithium.
また、本発明の別の要旨は、上記請求項1に記載の電極において、前記導電性物質が、炭素を主成分とする物質であることを特徴とする電極、に存する(請求項2)。 Another gist of the present invention resides in the electrode according to claim 1, wherein the conductive substance is a substance containing carbon as a main component (claim 2).
また、本発明の別の要旨は、上記請求項1ないし請求項2のいずれか1項に記載の電極において、前記活物質層が、Siを含む物質であることを特徴とする電極、に存する(請求項3)。 Another gist of the present invention resides in the electrode according to any one of claims 1 to 2, wherein the active material layer is a substance containing Si. (Claim 3).
また、本発明の別の要旨は、上記請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の電極において、前記活物質層が、Si中に元素Zが非平衡的に存在した相の化合物を主成分とする活物質であって、該化合物が一般式SiZxMy(式中Z、M、x、yは下記条件(1)〜(4)の通り)で表されることを特徴とする電極、に存する(請求項4)。
(1)元素Zは、C及び/又はNよりなる元素である。
(2)元素MはSiと元素Z以外の元素から選ばれる元素の1種又は2種以上である。
(3)xは、Siに最も近い組成で平衡的に存在する化合物SiaZp(式中a、pは整数)のZ濃度(p/(a+p))に対して、式Q(Z)=[x/(1+x)]/[p/(a+p)]で算出されるZ濃度比Q(Z)が0.10〜0.95となる値である。
(4)yは、0≦y≦0.50の範囲の数である。
Further, another gist of the present invention is the electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the active material layer is a compound in a phase in which element Z is present in a non-equilibrium state in Si. the a active material whose main component, characterized in that said compound is represented by the general formula SiZ x M y (as in the formula Z, M, x, y are the following conditions (1) to (4)) (Claim 4).
(1) The element Z is an element composed of C and / or N.
(2) Element M is one or more elements selected from elements other than Si and element Z.
(3) x represents the formula Q (Z) = [x with respect to the Z concentration (p / (a + p)) of the compound SiaZp (where a and p are integers) that exist in equilibrium with the composition closest to Si. / (1 + x)] / [p / (a + p)] is a value at which the Z concentration ratio Q (Z) calculated from 0.10 to 0.95.
(4) y is a number in the range of 0 ≦ y ≦ 0.50.
また、本発明の別の要旨は、前記活物質層が、気相成長で作製された物質であることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の電極、に存する(請求項5)。 Another gist of the present invention resides in the electrode according to any one of claims 1 to 4, wherein the active material layer is a material produced by vapor phase growth. (Claim 5).
また、本発明の別の要旨は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極及び負極と、電解質を備える非水電解質二次電池において、該負極が、請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の電極であることを特徴とする非水電解質二次電池、に存する(請求項6)。 Another gist of the present invention is a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode and a negative electrode capable of inserting and extracting lithium ions, and an electrolyte, wherein the negative electrode is any one of claims 1 to 5. A nonaqueous electrolyte secondary battery comprising the electrode according to claim 6.
本発明によれば、放電容量が高く、サイクル特性に優れた高性能の非水電解質二次電池を安価に安定して効率的に提供することができる。 According to the present invention, a high-performance nonaqueous electrolyte secondary battery having a high discharge capacity and excellent cycle characteristics can be stably and efficiently provided at low cost.
以下、本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を超えない範囲において、任意に変形して実施することができる。 Hereinafter, the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited to the following embodiments, and can be arbitrarily modified and implemented without departing from the gist of the present invention.
[1]電極
本発明の電極は、集電体と、該集電体上に設けられた導電性物質層と、該導電性物質層上に設けられた活物質層からなる電極において、次の(イ)と(ロ)の何れか若しくは両方の要件を満たすことを特徴とする電極である。
(イ)活物質層と接している導電性物質層の接合面の開孔度が5%以上、50%以下であり、活物質層が少なくともリチウムと合金化する元素を含む活物質を含有する。
(ロ)活物質層と接している導電性物質層の接合面凹凸Raが0.01以上、3.0μm以下であって、且つ、導電性物質層の気孔率が15%以上、50%以下であり、活物質層が少なくともリチウムと合金化する元素を含む活物質を含有する。
[1] Electrode The electrode of the present invention is an electrode comprising a current collector, a conductive material layer provided on the current collector, and an active material layer provided on the conductive material layer. It is an electrode characterized by satisfying either or both of the requirements (a) and (b).
(B) The porosity of the joint surface of the conductive material layer in contact with the active material layer is 5% or more and 50% or less, and the active material layer contains an active material containing at least an element alloying with lithium. .
(B) The joint surface unevenness Ra of the conductive material layer in contact with the active material layer is 0.01 to 3.0 μm, and the porosity of the conductive material layer is 15% to 50%. And the active material layer contains an active material containing at least an element alloying with lithium.
このような本発明の電極は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極及び負極、ならびに電解質を備えたリチウム二次電池などの非水電解質二次電池における負極として極めて有用である。例えば、本発明の電極を使用し、通常使用されるリチウム二次電池用の金属カルコゲナイド系正極及びカーボネート系溶媒を主体とする有機電解液を組み合わせて構成した非水電解質二次電池は、容量が大きく、初期サイクルに認められる不可逆容量が小さく、またサイクル特性に優れ、高温下での放置における電池の保存性及び信頼性も高く、高効率放電特性及び低温における放電特性に極めて優れたものである。
また、キャパシター等の電子エネルギー素子用の電極としても優れたものである。
Such an electrode of the present invention is extremely useful as a negative electrode in a non-aqueous electrolyte secondary battery such as a positive and negative electrodes capable of inserting and extracting lithium ions, and a lithium secondary battery including an electrolyte. For example, a non-aqueous electrolyte secondary battery that uses an electrode of the present invention and is configured by combining a metal chalcogenide-based positive electrode for a lithium secondary battery that is normally used and an organic electrolyte mainly composed of a carbonate-based solvent has a capacity. Large, low irreversible capacity observed in the initial cycle, excellent cycle characteristics, high battery storage and reliability when left at high temperatures, and extremely excellent high efficiency discharge characteristics and low temperature discharge characteristics. .
It is also excellent as an electrode for an electronic energy device such as a capacitor.
<導電性物質層>
本発明に係る導電性物質層は、次の(イ)と(ロ)の何れか若しくは両方の要件を満たす。
(イ)活物質層と接している導電性物質層の接合面の開孔度が5%以上、50%以下である。
(ロ)活物質層と接している導電性物質層の接合面凹凸Raが0.01以上、3.0μm以下であり、且つ、導電性物質層の気孔率が15%以上、50%以下である。以下、導電性物質層について更に詳細に説明する。
<Conductive material layer>
The conductive material layer according to the present invention satisfies either or both of the following requirements (A) and (B).
(A) The degree of opening of the joint surface of the conductive material layer in contact with the active material layer is 5% or more and 50% or less.
(B) The concavity and convexity Ra of the conductive material layer in contact with the active material layer is 0.01 or more and 3.0 μm or less, and the porosity of the conductive material layer is 15% or more and 50% or less. is there. Hereinafter, the conductive material layer will be described in more detail.
[元素]
導電性物質層の元素は、特に限定はされないが、Ni、Cu、Fe、C等から選ばれる元素を主成分とし、前記元素や前記元素を用いた化合物として導電性物質を形成するが、好ましくは、集電体及び/又は活物質と固溶体等を形成することが可能な元素を主成分とし、より好ましくはNi、Cu、C元素を主成分とし、更に好ましくはC元素を主成分とする。
[element]
The element of the conductive material layer is not particularly limited, but an element selected from Ni, Cu, Fe, C and the like is a main component, and the conductive material is preferably formed as the element or a compound using the element. Is composed mainly of an element capable of forming a solid solution or the like with a current collector and / or active material, more preferably composed mainly of Ni, Cu, and C elements, more preferably composed mainly of C elements. .
ここで、導電性物質の元素にCを主成分として用いると好ましい理由は、例えば活物質元素がSiで集電体元素がCuの場合、
(i)リチウムと反応し活物質としても働く
(ii)リチウムと反応しても体積変化が少ない
(iii)活物質元素Si、集電体元素Cuと反応し化合物、または拡散層を形成可能であるからである。
Here, the reason why it is preferable to use C as a main component for the element of the conductive material is, for example, when the active material element is Si and the current collector element is Cu,
(I) Reacts with lithium and acts as an active material. (Ii) Reacts with lithium with little volume change. (Iii) Reacts with active material element Si and current collector element Cu to form a compound or diffusion layer. Because there is.
[形態]
本発明の導電性物質層は、例えば、図1(a)、(b)に示した電極の模式図の様な形態であり、集電体と活物質層との間に存在している。導電性物質の形態としては、粒子状、繊維状、多孔体状等がある。
また、導電性物質層は集電体及び/または活物質層に、直接結合若しくは接合していても良く、高分子材料等の結着材を介在して接着していても良い。
[Form]
The conductive material layer of the present invention has, for example, a form as shown in the schematic diagram of the electrode shown in FIGS. 1A and 1B, and exists between the current collector and the active material layer. Examples of the conductive material include particles, fibers, and porous bodies.
In addition, the conductive material layer may be directly bonded or bonded to the current collector and / or the active material layer, or may be bonded via a binder such as a polymer material.
[活物質層に対する導電性物質層の重量割合]
以下の式で示される導電性物質層の割合は、特に限定はされないが通常50重量%以上、好ましくは60重量%以上、更に好ましくは70重量%以上、また上限は、通常99重量%以下、好ましくは95重量%以下、更に好ましくは90重量%以下である。
導電性物質層の割合=
導電性物質層の重量÷(導電性物質層の重量+活物質層の重量)×100
導電性物質層の割合がこの範囲であれば、活物質層の膨張収縮応力を緩和し易く、更に放電容量を高くできるので好ましい。
尚、導電性物質層の割合は、例えば、導電性物質層の形成前後の重量変化と活物質層の形成前後の重量変化から、負極単位面積当たりの導電性物質層重量と活物質層重量を求め、前式により算出することができる。
[Weight ratio of conductive material layer to active material layer]
The proportion of the conductive material layer represented by the following formula is not particularly limited, but is usually 50% by weight or more, preferably 60% by weight or more, more preferably 70% by weight or more, and the upper limit is usually 99% by weight or less. Preferably it is 95 weight% or less, More preferably, it is 90 weight% or less.
Ratio of conductive material layer =
Weight of conductive material layer ÷ (weight of conductive material layer + weight of active material layer) × 100
If the ratio of the conductive material layer is within this range, it is preferable because the expansion and contraction stress of the active material layer can be easily relaxed and the discharge capacity can be further increased.
The ratio of the conductive material layer is, for example, the weight of the conductive material layer and the weight of the active material layer per unit area of the negative electrode, based on the change in weight before and after the formation of the conductive material layer and the change in weight before and after the formation of the active material layer. And can be calculated by the previous equation.
[膜厚]
導電性物質層の膜厚は、特に限定はされないが、通常1μm以上、好ましくは5μm以上であり、更に好ましくは10μm以上で、また上限は、通常150μm以下、好ましくは100μm以下、更に好ましくは60μm以下である。 導電性物質層の膜厚がこの範囲であれば、活物質層の膨張収縮応力を緩和する効果が大きく好ましい。
[Film thickness]
The thickness of the conductive material layer is not particularly limited, but is usually 1 μm or more, preferably 5 μm or more, more preferably 10 μm or more, and the upper limit is usually 150 μm or less, preferably 100 μm or less, more preferably 60 μm. It is as follows. If the film thickness of the conductive material layer is within this range, the effect of relieving the expansion / contraction stress of the active material layer is large and preferable.
[導電性物質が粒子状の場合の体積基準平均粒径]
導電性物質が粒子状の場合、体積基準平均粒径は、特に限定はされないが通常1μm以上、好ましくは10μm以上、更に好ましくは13μm以上であり、また上限は、通常100μm以下、好ましくは50μm以下、更に好ましくは30μm以下である。
粒子の体積基準平均粒径がこの範囲であれば、活物質層の膨張収縮応力を緩和し易く好ましい。
[Volume-based average particle diameter when conductive material is in particulate form]
When the conductive material is in the form of particles, the volume-based average particle diameter is not particularly limited, but is usually 1 μm or more, preferably 10 μm or more, more preferably 13 μm or more, and the upper limit is usually 100 μm or less, preferably 50 μm or less. More preferably, it is 30 μm or less.
When the volume-based average particle diameter of the particles is within this range, it is preferable that the expansion and contraction stress of the active material layer is easily relaxed.
体積基準平均粒径としては、例えば、測定対象に界面活性剤であるポリオキシエチレン(20)ソルビタンモノラウレートの2体積%水溶液(約1ml)を混合し、イオン交換水を分散媒としてレーザー回折式粒度分布計(例えば、堀場製作所社製「LA−920」)にて、体積基準の平均粒径(メジアン径)を測定した値を用いることができる。後述の実施例では、この方法により体積基準平均粒径を求めた。 As the volume-based average particle diameter, for example, a 2% by volume aqueous solution (about 1 ml) of polyoxyethylene (20) sorbitan monolaurate, which is a surfactant, is mixed with a measurement target, and laser diffraction is performed using ion-exchanged water as a dispersion medium. A value obtained by measuring a volume-based average particle diameter (median diameter) with an expression particle size distribution meter (for example, “LA-920” manufactured by Horiba, Ltd.) can be used. In Examples described later, the volume-based average particle diameter was determined by this method.
[導電性物質が粒子状で、元素Cの場合のタップ密度]
導電性物質が粒子状で、元素がCの場合のタップ密度は、特に限定はされないが通常0.5g/cm3以上、好ましくは0.7g/cm3以上、更に好ましくは1.0g/cm3以上であり、また上限は、通常1.5g/cm3以下、好ましくは1.3g/cm3以下である。
粒子のタップ密度がこの範囲であれば、導電性を確保し易く好ましい。
タップ密度としては、例えば、目開き300μmの篩を使用し、20cm3のタッピングセルに負極材粉末を落下させてセルを満杯に充填した後、粉体密度測定器(例えば、セイシン企業社製タップデンサー)を用いてストローク長10mmのタッピングを1000回行ない、その時のタッピング密度を測定した値を用いることができる。
[Tap density when conductive material is particulate and element C]
The tap density when the conductive material is particulate and the element is C is not particularly limited, but is usually 0.5 g / cm 3 or more, preferably 0.7 g / cm 3 or more, more preferably 1.0 g / cm. The upper limit is usually 1.5 g / cm 3 or less, preferably 1.3 g / cm 3 or less.
If the tap density of the particles is within this range, it is preferable to ensure conductivity.
As the tap density, for example, a sieve having an opening of 300 μm is used, and after the negative electrode material powder is dropped into a 20 cm 3 tapping cell to fill the cell, a powder density measuring device (for example, a tap manufactured by Seishin Enterprise Co., Ltd.) is used. A value obtained by performing tapping with a stroke length of 10 mm 1000 times using a denser and measuring the tapping density at that time can be used.
[開孔度]
活物質層と接している導電性物質層の接合面の開孔度は、通常5%以上、好ましくは15%以上、更に好ましくは20%以上で、また上限は、通常50%以下、好ましくは45%以下、更に好ましくは40%以下である。
ここで、活物質層と接している導電性物質層の接合面の開孔度とは、活物質層形成前の導電性物質層表面近傍の開孔度のことを指す。
接合面の開孔度がこの範囲を下回ると、活物質層との接合が不十分となり易くチウムの挿入・脱離による膨張収縮により活物質層が剥離する場合がある。一方この範囲を上回ると接合面の凹部に活物質層が入り込み、リチウムの挿入・脱離による膨張収縮により、導電性物質層の破壊を招きサイクル劣化する場合がある。
[Porosity]
The porosity of the joint surface of the conductive material layer in contact with the active material layer is usually 5% or more, preferably 15% or more, more preferably 20% or more, and the upper limit is usually 50% or less, preferably It is 45% or less, more preferably 40% or less.
Here, the opening degree of the bonding surface of the conductive material layer in contact with the active material layer refers to the opening degree in the vicinity of the surface of the conductive material layer before the active material layer is formed.
If the opening degree of the joint surface is below this range, the joining with the active material layer tends to be insufficient, and the active material layer may be peeled off due to expansion / contraction due to insertion / extraction of titanium. On the other hand, if it exceeds this range, the active material layer may enter the concave portion of the joint surface, and expansion and contraction due to lithium insertion / extraction may cause destruction of the conductive material layer and cycle deterioration.
導電性物質層の接合面の開孔度としては、例えば、集電体と導電性物質層と活物質層からなる電極(若しくは、活物質層形成前の集電体と導電性物質層からなる電極)を、アルゴンイオンビームを用いた試料断面加工法(例えば、日本電子社製「SM−09010」)を用いて導電性物質層と活物質層の接合断面(若しくは、導電性物質層の断面)を作り、走査型電子顕微鏡にて観察し導電性物質層の測定部分の面積(例えば、長さ100μm×幅5μm)に対する活物質層形成前の気孔部分の面積割合を求め用いることができる。
開孔度=気孔部分の面積÷測定部分の面積×100
後述の実施例では、この方法により導電性物質層の開孔度を求めた。
また、導電性物質層の厚さが、例えば、10μm未満の場合、導電性物質層の半分の厚さについて前記気孔部分の面積割合を求め開孔度の値とする。
As the degree of opening of the bonding surface of the conductive material layer, for example, an electrode composed of a current collector, a conductive material layer, and an active material layer (or a current collector and a conductive material layer before forming the active material layer) Electrode) using a sample cross-section processing method using an argon ion beam (for example, “SM-09010” manufactured by JEOL Ltd.), the cross-section of the conductive material layer and the active material layer (or the cross-section of the conductive material layer) ) And observed with a scanning electron microscope, the ratio of the area of the pore portion before the formation of the active material layer to the area of the conductive material layer (for example, length 100 μm × width 5 μm) can be obtained and used.
Opening degree = pore area / measurement area × 100
In Examples described later, the degree of opening of the conductive material layer was determined by this method.
In addition, when the thickness of the conductive material layer is less than 10 μm, for example, the area ratio of the pore portion is obtained for the half thickness of the conductive material layer and is set as the value of the degree of opening.
[開孔径]
活物質層と接している導電性物質層の接合面の開孔径は、特には限定されないが、通常0.1μm以上、好ましくは1μm以上で、また上限は100μm以下、好ましくは50μm以下、更に好ましくは10μm以下である。
ここで、活物質層と接している導電性物質層の接合面の開孔径とは、活物質層形成前の導電性物質層表面の開孔径の平均値を指す。
接合面の開孔径がこの範囲を下回ると、活物質層との接合が不十分となり易くチウムの挿入・脱離による膨張収縮により活物質層が剥離し易くなる場合もある。一方この範囲を上回ると接合面の凹部に活物質層が入り込み、リチウムの挿入・脱離による膨張収縮により、導電性物質層の破壊を招きサイクル劣化する場合もある。
[Aperture diameter]
The opening diameter of the joint surface of the conductive material layer in contact with the active material layer is not particularly limited, but is usually 0.1 μm or more, preferably 1 μm or more, and the upper limit is 100 μm or less, preferably 50 μm or less, more preferably. Is 10 μm or less.
Here, the opening diameter of the joint surface of the conductive material layer in contact with the active material layer refers to the average value of the opening diameters on the surface of the conductive material layer before forming the active material layer.
If the opening diameter of the joint surface is less than this range, joining with the active material layer tends to be insufficient, and the active material layer may be easily peeled off due to expansion / contraction due to insertion / extraction of titanium. On the other hand, if it exceeds this range, the active material layer may enter the concave portion of the joint surface, and expansion and contraction due to insertion / extraction of lithium may cause destruction of the conductive material layer and cycle deterioration.
導電性物質層の接合面の開孔径としては、例えば、前述の開孔度を求める際に、開孔部分の長さを測定し、その平均を求め開孔径の値とする。 As the hole diameter of the joint surface of the conductive material layer, for example, when obtaining the above-mentioned degree of opening, the length of the hole part is measured, and the average is obtained as the value of the hole diameter.
[接合面の凹凸Ra]
活物質層と接している導電性物質層の接合面の凹凸Raは、通常0.01μm以上、好ましくは0.1μm以上、更に好ましくは0.4μm以上で、また上限は3.0μm以下、好ましくは2.5μm以下、更に好ましくは2.0μm以下である。
接合面の凹凸Raがこの範囲であれば、活物質層との接合が十分であり、膨張収縮による活物質層の剥離を抑制できるので好ましい。
[Unevenness Ra of Bonding Surface]
The unevenness Ra of the joint surface of the conductive material layer in contact with the active material layer is usually 0.01 μm or more, preferably 0.1 μm or more, more preferably 0.4 μm or more, and the upper limit is 3.0 μm or less, preferably Is 2.5 μm or less, more preferably 2.0 μm or less.
If the unevenness Ra of the joint surface is within this range, it is preferable because the joint with the active material layer is sufficient and peeling of the active material layer due to expansion and contraction can be suppressed.
導電性物質層の接合面の凹凸Raとしては、例えば、導電性物質層の表面を、表面粗さ計(例えば、キーエンス社製「カラーレーザー顕微鏡VK-9500」)を用いて測定した平均表面粗さRa値を用いることができる。 As the unevenness Ra of the bonding surface of the conductive material layer, for example, the average surface roughness measured by using a surface roughness meter (for example, “Color Laser Microscope VK-9500” manufactured by Keyence Corporation) on the surface of the conductive material layer. Ra value can be used.
[気孔率]
導電性物質層の気孔率は、通常15%以上、好ましくは20%以上、更に好ましくは25%以上で、また上限は50%以下、好ましくは45%以下、更に好ましくは43%以下である。
気孔率がこの範囲であれば、活物質層の膨張収縮応力を緩和し易く、電解液を保持する事ができるので好ましい。
[Porosity]
The porosity of the conductive material layer is usually 15% or more, preferably 20% or more, more preferably 25% or more, and the upper limit is 50% or less, preferably 45% or less, more preferably 43% or less.
When the porosity is within this range, it is preferable because the expansion and contraction stress of the active material layer can be easily relaxed and the electrolytic solution can be retained.
導電性物質層の気孔率は、例えば、導電性物質層が形成されている電極シートを水銀ポロシメータ(例えば、マイクロメリテックス社製「オートポアー9220」)にて、全細孔容積を測定し、次の式から気孔率を算出し用いることができる。
気孔率=全細孔容積(cm3/g)×導電性物質層の嵩密度(g/cm3)×100
後述の実施例では、この方法により導電性物質層の気孔率を求めた。
For example, the porosity of the conductive material layer is measured by measuring the total pore volume of the electrode sheet on which the conductive material layer is formed with a mercury porosimeter (for example, “Autopore 9220” manufactured by Micromeritex Corporation). The porosity can be calculated from the following formula.
Porosity = total pore volume (cm 3 / g) × bulk density of conductive material layer (g / cm 3 ) × 100
In Examples described later, the porosity of the conductive material layer was determined by this method.
[嵩密度]
本発明の導電性物質層の嵩密度は、特に限定はされないが、導電性物質が元素Cを主成分としている場合、通常1.1g/cm3以上、好ましくは1.2g/cm3以上、更に好ましくは1.3g/cm3以上で、また上限は1.95g/cm3以下、好ましくは1.85g/cm3以下、更に好ましくは1.7g/cm3以下である。
また、導電性物質が元素Cuを主成分としている場合、通常4.4g/cm3以上、好ましくは4.9g/cm3以上、更に好ましくは5.0g/cm3以上で、また上限は7.6g/cm3以下、好ましくは7.5g/cm3以下、更に好ましくは6.7g/cm3以下である。
嵩密度がこの範囲であれば、活物質層の膨張収縮応力を緩和し易く、電解液を保持する事ができるので好ましい。
[The bulk density]
The bulk density of the conductive material layer of the present invention is not particularly limited, but when the conductive material is mainly composed of element C, it is usually 1.1 g / cm 3 or more, preferably 1.2 g / cm 3 or more, further preferably 1.3 g / cm 3 or more and the upper limit is 1.95 g / cm 3 or less, preferably 1.85 g / cm 3 or less, further preferably 1.7 g / cm 3 or less.
When the conductive material contains the element Cu as a main component, it is usually 4.4 g / cm 3 or more, preferably 4.9 g / cm 3 or more, more preferably 5.0 g / cm 3 or more, and the upper limit is 7 .6g / cm 3 or less, preferably 7.5 g / cm 3 or less, further preferably 6.7 g / cm 3 or less.
If the bulk density is within this range, it is preferable because the expansion and contraction stress of the active material layer can be easily relaxed and the electrolytic solution can be retained.
導電性物質層の嵩密度は、例えば、導電性物質層が形成されている電極シートを長方形に切り出し、長さ(面積)と厚さ及び重量を測定し、用いた集電体の厚さ及び同面積での重量を差し引くことで導電性物質層の体積と重量を算出し嵩密度を求めた。
導電性物質層の嵩密度=
導電性物質層の重量(g)÷面積(cm2)÷導電性物質層の厚さ(cm)
The bulk density of the conductive material layer is obtained by, for example, cutting out the electrode sheet on which the conductive material layer is formed into a rectangle, measuring the length (area), thickness, and weight, and the thickness of the current collector used and By subtracting the weight in the same area, the volume and weight of the conductive material layer were calculated to obtain the bulk density.
Bulk density of conductive material layer =
Weight of conductive material layer (g) ÷ area (cm 2 ) ÷ thickness of conductive material layer (cm)
<活物質層>
活物質層は、少なくともリチウムと合金化する元素を含む活物質を含有し、リチウムイオンを吸蔵・放出し得る能力を有するものである。以下、活物質層について更に詳細に説明する。
<Active material layer>
The active material layer contains an active material containing at least an element that forms an alloy with lithium and has the ability to occlude and release lithium ions. Hereinafter, the active material layer will be described in more detail.
[活物質元素]
少なくともリチウムと合金化する元素とは、Si、Sn、Al、Zn、Ag、Ge、Pb等のリチウムと合金化可能な元素(以下これを「活物質元素」と称することがある)であれば特に限定されないが、好ましくはSi、Sn元素であり、更に好ましくはSi元素である。なお、活物質層中には2種類以上の活物質元素を含んでも良く、また、活物質層は活物質元素以外の添加元素Z、Mを含んでいても良い。
[Active material elements]
The element that can be alloyed with lithium is at least an element that can be alloyed with lithium, such as Si, Sn, Al, Zn, Ag, Ge, and Pb (hereinafter sometimes referred to as an “active material element”). Although not particularly limited, Si and Sn elements are preferable, and Si element is more preferable. The active material layer may contain two or more kinds of active material elements, and the active material layer may contain additive elements Z and M other than the active material element.
[添加元素]
活物質層中に添加元素Z、Mを含む場合、この添加元素Zとしては、C及び/又はN元素が好ましい。また、添加元素Mとしては活物質元素と添加元素Z以外の、周期律表2族、4族、5族、6族、8族、9族、11族、13族、14族、15族及び16族より選ばれる1種又は2種以上の元素であり、より好ましくは、B、Ti、Zr、W、O元素であり、更に好ましくはO元素である。
[Additive elements]
When the active material layer contains additive elements Z and M, the additive element Z is preferably C and / or N element. Further, as the additive element M, other than the active material element and additive element Z, periodic table group 2, group 4, group 5, group 8, group 8, group 11, group 13, group 14, group 15, group 15 and One or more elements selected from Group 16 are preferable, B, Ti, Zr, W, and O elements are more preferable, and the O element is still more preferable.
ここで、添加元素ZにC、N元素を用いると好ましい理由は、例えば活物質元素がSiの場合、
(i)Siよりも高融点化合物を形成しうる
(ii)Siよりも共有結合半径が小さい
(iii)Si中での拡散係数が小さい
(iv)リチウムと反応しても体積変化が少ない
からである。
その詳細は次の通りである。
Here, the reason why it is preferable to use C and N elements as the additive element Z is, for example, when the active material element is Si,
(I) It can form a higher melting point compound than Si (ii) The covalent bond radius is smaller than Si (iii) The diffusion coefficient in Si is small (iv) The volume change is small even when reacted with lithium is there.
The details are as follows.
理由(i):元素C、Nは、具体的にはSiC、Si3N4等のSiよりも高融点である平衡的に存在する化合物を形成しうる。高融点化合物は一般的に生成の自由エネルギーが負で大きい安定な化合物である。このため、これらは後述するSiの活量を効果的に低下させることができ、電解液との反応性を抑制することができる。
理由(ii):元素C、Nは、Siの共有結合原子半径よりも小さいので、詳細は不明であるが、SiZxMy化合物中に平衡的に存在する化合物を形成し難く、高濃度で元素Zをより均質に分布させる事に有効と考えられ、Siの活量をより効果的に低下させることができ、電解液との反応性を抑制することができる。
理由(iii):元素C、Nは、Si中における拡散係数が小さいので、元素C、NがSi中に分散していると、充放電に伴うSiの凝集や結晶化が抑制され、Siの微粉化や電解液との反応を抑制することができる。
理由(iv):元素C、Nは、リチウムと反応しても体積変化が少ないので、Siの導電パス切れに影響を及ぼし難いと考えられる。
Reason (i): Specifically, the elements C and N can form an equilibrium compound having a higher melting point than Si, such as SiC and Si 3 N 4 . A high melting point compound is generally a stable compound having a large free energy of formation and a large amount. For this reason, these can reduce the activity of Si mentioned later effectively, and can control the reactivity with electrolyte solution.
Reason (ii): the elements C, N is smaller than the covalent atomic radius of Si, although details are unknown, it is difficult to form a compound that is present in equilibrium in SiZ x M y compound at a high concentration It is thought that it is effective to distribute the element Z more homogeneously, the activity of Si can be reduced more effectively, and the reactivity with the electrolytic solution can be suppressed.
Reason (iii): Since elements C and N have a small diffusion coefficient in Si, if elements C and N are dispersed in Si, aggregation and crystallization of Si accompanying charge and discharge are suppressed, and Si Micronization and reaction with the electrolyte can be suppressed.
Reason (iv): Since the elements C and N have little volume change even if they react with lithium, it is considered difficult to influence the disconnection of the conductive path of Si.
ここで、活量について説明する。
一般に、活量とは、一種の熱力学濃度である。物質量n1、n2、、、、、からなる多成分系について、成分iの化学ポテンシャルをμi、純物質の化学ポテンシャルをμi 0とすると、
μi−μi 0=RTlog ai
で定義されるaiを活量と呼ぶ。
また、活量aiと濃度ciの比γi
ai/ci=γi
を活量係数と呼ぶ。
Here, the activity will be described.
In general, activity is a kind of thermodynamic concentration. For a multi-component system consisting of substance amounts n 1 , n 2, ..., If the chemical potential of component i is μ i and the chemical potential of a pure substance is μ i 0 ,
μ i −μ i 0 = RTlog a i
A i defined by is called activity.
Also, the ratio γi between the activity ai and the concentration ci
ai / ci = γi
Is called the activity coefficient.
例えば、溶媒と溶質からなるある系を熱力学的な溶液として考えた場合に、活量係数は、系を理想溶液と考えた場合のある成分の化学ポテンシャルと、系を実在溶液と考えた場合のある成分の真の化学ポテンシャルとの差に対応する量である。(1)ある成分iが溶質である実在溶液の場合、溶質の濃度が低くなると、系は成分iが溶質の理想溶液に近づき、活量係数は1に近づいていく。反対に、(2)ある成分iが溶媒である実在溶液の場合、溶媒の濃度が高くなると、系は成分iが溶媒の理想溶液に近づき、活量係数は1に近づいていく。また、成分iの化学ポテンシャルが、実在溶液の方が理想溶液よりも安定なときはγi<1となる。 For example, when a system consisting of a solvent and a solute is considered as a thermodynamic solution, the activity coefficient is the chemical potential of a component when the system is considered as an ideal solution, and when the system is considered as a real solution. This is an amount corresponding to the difference from the true chemical potential of a certain component. (1) In the case of a real solution in which a certain component i is a solute, when the concentration of the solute decreases, the system approaches an ideal solution in which the component i is a solute, and the activity coefficient approaches 1. Conversely, (2) in the case of a real solution in which a certain component i is a solvent, when the concentration of the solvent increases, the system approaches the ideal solution in which the component i is a solvent and the activity coefficient approaches 1. Further, when the chemical potential of the component i is more stable in the real solution than in the ideal solution, γi <1.
活物質元素がSiの場合、成分iはSiであり、溶媒とみなされるSi中に、溶質とみなされる元素Zを含むことで溶媒Siの活量aiが低下し、γi<1となり、元素Zを含有したSi化合物(固溶体:実在溶液と見なす)の方がSi(理想溶液と見なす)よりも安定となり、この結果、電解液との反応性が更に抑制されていると考えられる。 When the active material element is Si, the component i is Si, and the element Z regarded as a solute is contained in the Si regarded as a solvent, whereby the activity ai of the solvent Si is reduced, and γi <1, and the element Z It is considered that the Si compound containing solid (solid solution: regarded as a real solution) is more stable than Si (considered as an ideal solution), and as a result, the reactivity with the electrolytic solution is further suppressed.
但し、Siと元素Zの平衡的に存在する化合物SiaZp等を形成すると、Siの活量を効率的に低下させることができないので、添加元素Zを含む場合、元素ZはSi中に非平衡的に存在することが重要と考えられる。 However, if the compound Si a Z p or the like in which Si and the element Z exist in an equilibrium is formed, the activity of Si cannot be reduced efficiently. Therefore, when the additive element Z is included, the element Z is contained in the Si. It is considered important to exist in a non-equilibrium state.
[組成]
活物質層の組成としては、特に限定はされないが、活物質元素の含有率が通常35at%以上、好ましくは50at%以上、更に好ましくは60at%以上で、また上限は、通常95at%以下、好ましくは90at%以下、更に好ましくは80at%以下である。
[composition]
The composition of the active material layer is not particularly limited, but the active material element content is usually 35 at% or more, preferably 50 at% or more, more preferably 60 at% or more, and the upper limit is usually 95 at% or less, preferably Is 90 at% or less, more preferably 80 at% or less.
活物質層の組成は、例えば、後述の実施例に示す如く、X線光電子分光器(例えば、アルバック・ファイ社製「ESCA」)を用い、当該活物質よりなる電極の表面が平坦になるように試料台に載せ、アルミニウムのKα線をX線源とし、Arスパッタを行いながらデプスプロファイル測定を行い、活物質層中の活物質元素等の原子濃度をそれぞれ算出することで求めることができる。 The composition of the active material layer is set such that, for example, an X-ray photoelectron spectrometer (for example, “ESCA” manufactured by ULVAC-PHI) is used to flatten the surface of the electrode made of the active material, as shown in Examples described later. It can be obtained by placing the sample on a sample stage, using the Kα ray of aluminum as an X-ray source, performing depth profile measurement while performing Ar sputtering, and calculating the atomic concentration of the active material element or the like in the active material layer.
[活物質元素がSiでSiZxMy化合物の組成]
活物質層がSi中に元素Zが非平衡的に存在した相のSiZxMy化合物を主成分とする活物質の場合、SiZxMyの組成において、SiZxMyのxは、Siに最も近い組成で平衡的に存在する化合物SiaZp(式中a、pは整数)のZ濃度(p/(a+p))に対して、式Q(Z)=[x/(1+x)]/[p/(a+p)]で算出されるZ濃度比Q(Z)は、特に限定はされないが、通常0.10以上、好ましくは0.15以上、更に好ましくは0.30以上、特に好ましくは0.40以上、また上限は、通常0.95以下、好ましくは0.85以下、更に好ましくは0.75以下、特に好ましくは0.65以下となる値である。なお、「Siに最も近い組成で平衡的に存在する化合物」とは、SiaZpにおいて、p/(a+p)の値が最低値をとって平衡的に存在する化合物SiaZpをいう。
[Composition of active material elements SiZ x M y compound Si]
If the active material which the active material layer is mainly composed of SiZ x M y compound phases element Z is present in a non-equilibrium in the Si, the composition of SiZ x M y, the x of SiZ x M y, Si For the Z concentration (p / (a + p)) of the compound SiaZp (where a and p are integers) that exist in equilibrium with the composition closest to the formula Q (Z) = [x / (1 + x)] / [ The Z concentration ratio Q (Z) calculated by [p / (a + p)] is not particularly limited, but is usually 0.10 or more, preferably 0.15 or more, more preferably 0.30 or more, and particularly preferably 0. The upper limit is usually 0.95 or less, preferably 0.85 or less, more preferably 0.75 or less, and particularly preferably 0.65 or less. The “compound that exists in equilibrium with the composition closest to Si” refers to a compound Si a Z p that exists in equilibrium with a minimum value of p / (a + p) in Si a Z p . .
なお、本発明におけるSiに最も近い組成で平衡的に存在する化合物SiaZpは、Siと元素Zの相図(例えば、ASM International社出版の「Desk Handbooks Phase Diagrams for Binary Alloys」)に記載されており、本発明では、このSiaZpのZ濃度(p/(a+p))に対して、上述のZ濃度比Q(Z)を設定して、Z濃度比Q(Z)の数値範囲を用いて、xの範囲を限定している。 The compound Si a Z p that exists in equilibrium with the composition closest to Si in the present invention is described in the phase diagram of Si and element Z (for example, “Desk Handbooks Phase Diagrams for Binary Alloys” published by ASM International). are, in the present invention, the numerical value of the Z concentration of the Si a Z p (p / ( a + p)), by setting the above-mentioned Z concentration ratio Q (Z), Z concentration ratio Q (Z) A range is used to limit the range of x.
ここで言う、「平衡的に存在する化合物」とは、前記相図等に線図の頂として記載されている化合物SiaZp(式中a,pは整数)等の定比化合物のことであり、例えば、ZがCである場合には、SiCが安定な化合物として知られており、本発明に於いてはこの化合物を平衡的に存在する化合物とする。従って、ZがCである場合には、SiCが本発明のSiaZpに相当する。 As used herein, “a compound present in equilibrium” refers to a stoichiometric compound such as the compound Si a Z p (where a and p are integers) described as the top of the diagram in the phase diagram or the like. For example, when Z is C, SiC is known as a stable compound, and in the present invention, this compound is a compound that exists in an equilibrium state. Therefore, when Z is C, SiC corresponds to Si a Z p of the present invention.
また、例えば、ZがNである場合には、Si3N4が最も安定な化合物として知られているが、Si2N3、SiNも定比化合物として存在することが知られており、本発明に於いてはこれらの全ての化合物を平衡的に存在する化合物とする。従って、ZがNである場合には、SiNが本発明のSiaZpに相当する。 For example, when Z is N, Si 3 N 4 is known as the most stable compound, but Si 2 N 3 and SiN are also known to exist as stoichiometric compounds. In the present invention, all these compounds are assumed to exist in equilibrium. Therefore, when Z is N, SiN corresponds to Si a Z p of the present invention.
一方、「非平衡に存在する化合物」とは、平衡的に存在する化合物以外の化合物を指す。非平衡に存在する化合物の場合には、特定の定比化合物を形成せず、Si原子とZ原子がマクロに見ると均一に分散している。 On the other hand, the “compound existing in a non-equilibrium” refers to a compound other than the compound existing in an equilibrium. In the case of a compound that exists in a non-equilibrium state, a specific stoichiometric compound is not formed, and Si atoms and Z atoms are uniformly dispersed when viewed macroscopically.
Z濃度比Q(Z)がこの範囲を下回ると、Siの活量を下げる効果が小さく電解液との反応性を抑制できず、電極膨張が大きくなり、好ましいサイクル特性が得られ難い場合もある。一方、この範囲を上回ると、平衡的に存在する安定な化合物SiaZp等を形成し、元素Zを増やしてもSiの活量は低下せず、電解液との反応性を抑制できない場合もある。また、SiaZp等は導電性が低いために、このような化合物が形成されると活物質の導電性が悪化し、リチウムのドープ、脱ドープが困難となり、充放電ができなくなる場合もある。更にまた、この範囲を大きく上回ると、Siを含むことによる高容量化の効果が得られ難く、好ましい電池特性が得られ難い場合もある。 If the Z concentration ratio Q (Z) is less than this range, the effect of lowering the Si activity is small, the reactivity with the electrolyte cannot be suppressed, the electrode expansion increases, and it may be difficult to obtain desirable cycle characteristics. . On the other hand, if it exceeds this range, a stable compound SiaZp that exists in equilibrium is formed, and even if the element Z is increased, the activity of Si does not decrease, and the reactivity with the electrolytic solution may not be suppressed. In addition, since SiaZp or the like has low conductivity, when such a compound is formed, the conductivity of the active material deteriorates, lithium doping and dedoping becomes difficult, and charging / discharging may not be possible. Furthermore, if it greatly exceeds this range, it is difficult to obtain the effect of increasing the capacity by containing Si, and it may be difficult to obtain preferable battery characteristics.
ここで、Z濃度比Q(Z)が1の場合、Siは安定な化合物SiaZpとなっていることを意味する。 Here, when the Z concentration ratio Q (Z) is 1, it means that Si is a stable compound SiaZp.
なお、元素Zとして、C、Nの元素を同時に用いる場合、2種の元素のそれぞれのSiaZp基準の元素Z濃度に対してZ濃度比Q(Z)を求め、その合計値をZ濃度比Q(Z)と見なす。 When the elements Z and C are simultaneously used as the element Z, the Z concentration ratio Q (Z) is obtained with respect to the element Z concentration based on the SiaZp of each of the two elements, and the total value is calculated as the Z concentration ratio Q. Consider (Z).
SiZxMyのyは、0≦y≦0.5を満たす実数である。化合物SiZxMyに元素Mを含み、y≠0の場合、化合物SiZxMy中における元素Mの割合yは、特に限定はされないが、通常0.08以上、好ましくは0.1であり、また上限は、通常0.5以下、好ましくは0.4以下、更に好ましくは0.3以下である。yがこの範囲を上回ると、Siの含有量が少なくなり、高容量になり難くなる場合もある。 Y in SiZ x My is a real number that satisfies 0 ≦ y ≦ 0.5. Compound comprises SiZ x M y in the element M, if the y ≠ 0, the ratio y of the element M in the compound SiZ x M y is not particularly limited, usually 0.08 or more, preferably be 0.1 The upper limit is usually 0.5 or less, preferably 0.4 or less, and more preferably 0.3 or less. When y exceeds this range, the Si content is decreased, and it may be difficult to increase the capacity.
また、元素Mを実質的に含まない場合、元素Mの割合yは、y=0又はy≒0をさす。本発明において、y≒0とは、本発明に係る活物質の製造工程等で元素Mが不可避的に含まれる(Mが実質的に含まれない)場合をさし、例えば、yは0.08未満である。 Further, when the element M is not substantially included, the ratio y of the element M indicates y = 0 or y≈0. In the present invention, y≈0 means a case where the element M is inevitably included (M is not substantially included) in the production process of the active material according to the present invention. Less than 08.
[活物質元素がSiで、添加元素ZがC、添加元素MがOの場合の組成]
活物質元素がSiで、添加元素ZがCで、添加元素MがOであり、一般式SiCxOyで表される活物質の場合、一般式SiCxOyにおいて、xは特に限定はされないが、通常0.053以上、好ましくは0.08以上、更に好ましくは0.15以上、特に好ましくは0.25以上であり、また上限は、通常0.9以下、好ましくは0.75以下、更に好ましくは0.6以下、特に好ましくは0.45以下である。
[Composition in which the active material element is Si, the additive element Z is C, and the additive element M is O]
In the active material element Si, the additive element Z is in C, and the additional element M is O, when the active material represented by the general formula SiC x O y, in the general formula SiC x O y, x particularly limited However, it is usually 0.053 or more, preferably 0.08 or more, more preferably 0.15 or more, particularly preferably 0.25 or more, and the upper limit is usually 0.9 or less, preferably 0.75 or less. More preferably, it is 0.6 or less, and particularly preferably 0.45 or less.
また、yは特に限定はされないが、通常0.0以上、好ましくは0.08以上、更に好ましくは0.1以上であり、また上限は、通常0.5以下、好ましくは0.4以下、更に好ましくは0.3以下である。 Further, y is not particularly limited, but is usually 0.0 or more, preferably 0.08 or more, more preferably 0.1 or more, and the upper limit is usually 0.5 or less, preferably 0.4 or less, More preferably, it is 0.3 or less.
[活物質元素Siで、活物質中における元素Zの存在状態]
本発明の活物質層中の元素Zの存在状態は、X線回折測定において、XIsz値が特に制限されないが、元素ZがCの場合、好ましくは1.2以下、更に好ましくは0.7以下である。元素ZがNの場合、好ましくは1.1以下、更に好ましくは1.0以下である。XIsz値がこの範囲以下であれば、元素ZがSi中に非平衡的に存在した相を主成分とし、SiaZp等の平衡的に存在する化合物は主成分でないと定義し、好ましい。XIsz値がこの範囲を上回る場合、即ち、SiaZp等の平衡的に存在する化合物の相が主成分となる(元素ZがCの場合は炭化珪素、Nの場合は窒化珪素)場合には、Siの活量が低下せず、電解液との反応性を抑制できなくなりサイクル特性が悪化する場合や、SiaZp等の導電性が低いために薄膜状負極材の導電性が悪化し、リチウムのドープ、脱ドープが困難となり、充放電ができ難くなる場合や、活物質の単位質量当たりの放電容量が小さくなる場合もある。XIsz値の下限値は通常0.0以上である。
[Active material element Si, presence state of element Z in the active material]
The presence state of the element Z in the active material layer of the present invention is not particularly limited in the XIsz value in X-ray diffraction measurement, but when the element Z is C, it is preferably 1.2 or less, more preferably 0.7 or less. It is. When the element Z is N, it is preferably 1.1 or less, more preferably 1.0 or less. If the XIsz value is less than or equal to this range, it is preferable to define a phase in which the element Z is present in a non-equilibrium state in Si as a main component and a compound that exists in an equilibrium such as SiaZp is not a main component. When the XIsz value exceeds this range, that is, when the phase of an equilibrium compound such as SiaZp is the main component (silicon carbide when element Z is C, silicon nitride when N is element), Si In the case where the activity of the electrolyte is not reduced, the reactivity with the electrolytic solution cannot be suppressed and the cycle characteristics are deteriorated, or the conductivity of the thin film negative electrode material is deteriorated due to low conductivity such as SiaZp. In some cases, dedoping becomes difficult and charge / discharge becomes difficult, or the discharge capacity per unit mass of the active material becomes small. The lower limit value of the XIsz value is usually 0.0 or more.
[X線回折測定方法]
X線回折測定における活物質のXIsz値は、例えば、本発明の電極の活物質面を照射面にセットし、X線回折装置(例えば、リガク社製「X線回折装置」)を用いて測定することができ、測定条件については後述の実施例において示す通りである。
XIsz値の定義は次の通りである。
[X-ray diffraction measurement method]
The XIsz value of the active material in the X-ray diffraction measurement is measured, for example, by setting the active material surface of the electrode of the present invention on the irradiation surface and using an X-ray diffractometer (for example, “X-ray diffractometer” manufactured by Rigaku Corporation). The measurement conditions are as shown in the examples described later.
The definition of the XIsz value is as follows.
(元素ZがCの場合のXIsz値)
2θが35.7度のピーク強度Isz、28.4度のピーク強度Isを測定し、その強度比XIsz(XIsz=Isz/Is)を算出し、活物質のXIszと定義する。
ここで、2θが35.7度のピークはSiCに由来のピーク、28.4度のピークはシリコン由来のピークと考えられ、XIsz値が1.2以下であるということは、SiCが殆ど検出されないことを意味する。
(XIsz value when element Z is C)
A peak intensity Isz with 2θ of 35.7 degrees and a peak intensity Is of 28.4 degrees are measured, and an intensity ratio XIsz (XIsz = Isz / Is) is calculated and defined as XIsz of the active material.
Here, a peak at 2θ of 35.7 degrees is considered to be a peak derived from SiC, a peak at 28.4 degrees is considered to be a peak derived from silicon, and an XIsz value of 1.2 or less means that SiC is almost detected. Means not.
(元素ZがNの場合のXIsz値)
2θが70.2度のピーク強度Isz、28.4度のピーク強度Isを測定し、その強度比XIsz(XIsz=Isz/Is)を算出し、活物質のXIszと定義する。
ここで、2θが27.1度のピークはSi3N4由来のピーク、28.4度のピークはシリコン由来のピークと考えられ、XIsz値が1.1以下であるということは、Si3N4が殆ど検出されないことを意味する。
(XIsz value when element Z is N)
The peak intensity Isz with 2θ of 70.2 degrees and the peak intensity Is with 28.4 degrees are measured, and the intensity ratio XIsz (XIsz = Isz / Is) is calculated and defined as XIsz of the active material.
Here, 2 [Theta] 27.1 ° peak Si 3 N 4 from the peak, 28.4 ° peak is considered the peak derived from silicon, that XIsz value is 1.1 or less, Si 3 This means that N 4 is hardly detected.
[活物質元素がSi、添加元素Zの活物質における元素Zの分布状態]
活物質元素Si中の元素Zは、例えば、原子、若しくは分子、或いはクラスター等として、1μm以下の大きさのレベルで存在する。薄膜状の活物質の場合、元素Zの分布状態は、特に限定はされないが、好ましくは、薄膜状活物質中の厚み方向、及び、面内方向(厚み方向に対して垂直な方向)に均一に分布しており、更に好ましくは、薄膜状活物質の面内方向に均一に分布している。元素Zの分布が活物質の不均一で、局所的に存在している場合、Siの充放電に伴う膨張・収縮が元素Zの存在しないSi部分で集中的に起きるため、サイクルの進行に伴い導電性が悪くなる場合もある。元素Zの分散状態はEPMA等で確認できる。
[Distribution of element Z in active material with active material element Si and additive element Z]
The element Z in the active material element Si exists, for example, as an atom, molecule, or cluster at a level of 1 μm or less. In the case of a thin film active material, the distribution state of the element Z is not particularly limited, but is preferably uniform in the thickness direction and in-plane direction (direction perpendicular to the thickness direction) in the thin film active material. More preferably, it is uniformly distributed in the in-plane direction of the thin film active material. When the distribution of the element Z is uneven and the active material is present locally, the expansion and contraction accompanying the charge and discharge of Si occurs intensively in the Si portion where the element Z does not exist. In some cases, the conductivity is deteriorated. The dispersion state of the element Z can be confirmed by EPMA or the like.
[活物質元素がSiで、添加元素Z、Mの活物質における元素Mの分布状態]
活物質元素Si中の元素Mは、分布状態に特に制限はなく、均一に分布していても、均一に分布していなくても、どちらでも良い。
[Distribution state of element M in active material of active element of additive element Z and M with active material element]
The element M in the active material element Si is not particularly limited in the distribution state, and may be either uniformly distributed or not uniformly distributed.
[活物質元素がSiで添加元素Cの活物質のラマンRC値、ラマンRSC値、ラマンRS値]
活物質元素がSiで添加元素Cの活物質について、ラマン法により測定したラマンRC値は、好ましくは2.0以下、より好ましくは1.0以下、特に好ましくは0.5以下である。ラマンRC値がこの範囲を上回ると、Siを含むことによる高容量化の効果が得られ難く、好ましい電池特性が得られ難い場合もある。ラマンRC値の下限値は測定上の関係から、通常0.0以上である。
[Raman RC value, Raman RSC value, Raman RS value of active material with active material element Si and additive element C]
For the active material of which the active material element is Si and the additive element C, the Raman RC value measured by the Raman method is preferably 2.0 or less, more preferably 1.0 or less, and particularly preferably 0.5 or less. When the Raman RC value exceeds this range, it is difficult to obtain the effect of increasing the capacity due to the inclusion of Si, and it may be difficult to obtain preferable battery characteristics. The lower limit of the Raman RC value is usually 0.0 or more from the measurement relationship.
また、ラマン法により測定したラマンRSC値は、好ましくは0.25以下、より好ましくは0.20以下である。ラマンRSC値がこの範囲を上回ると、導電性が悪化し、リチウムのドープ、脱ドープが困難となり充放電ができ難くなる場合もある。ラマンRSC値の下限値は測定上の関係から、通常0.0以上である。 The Raman RSC value measured by the Raman method is preferably 0.25 or less, more preferably 0.20 or less. When the Raman RSC value exceeds this range, the electrical conductivity deteriorates, and it may be difficult to dope and de-dope lithium, making it difficult to charge and discharge. The lower limit of the Raman RSC value is usually 0.0 or more from the measurement relationship.
また、ラマン法により測定したラマンRS値は、好ましくは0.4以上、より好ましくは0.5以上で、好ましくは0.75以下、より好ましくは0.65以下である。ラマンRS値がこの範囲を下回ると、サイクル特性が悪化する可能性がある場合もある。ラマンRS値がこの範囲を上回ると、充放電できない可能性がある場合もある。 Moreover, the Raman RS value measured by the Raman method is preferably 0.4 or more, more preferably 0.5 or more, preferably 0.75 or less, more preferably 0.65 or less. If the Raman RS value is below this range, the cycle characteristics may be deteriorated. If the Raman RS value exceeds this range, charging / discharging may not be possible.
なお、本発明における活物質のラマンスペクトル分析によるラマンRC値、ラマンRSC値、ラマンRS値とは、以下のラマン測定方法によるラマンスペクトル分析から求められ、各々、次のように定義される。 In addition, the Raman RC value, the Raman RSC value, and the Raman RS value by the Raman spectrum analysis of the active material in this invention are calculated | required from the Raman spectrum analysis by the following Raman measuring methods, and are respectively defined as follows.
(ラマン測定方法)
ラマン分光器(例えば、日本分光社製「ラマン分光器」)を用い、活物質が測定面となるように電極を測定セルにセットし、試料を回転させながらセル内のサンプル表面にアルゴンイオンレーザー光を照射し測定を行う。測定したラマンスペクトルのバックグラウンド補正を行うことで、ラマンRC値、RSC値、RS値を求める。なお、バックグラウンド補正は、ピーク終始点を直線で結び、バックグラウンドを求め、その値をピーク強度から差し引くことで行う。
ここでラマン測定条件は次の通りであり、スムージング処理は、コンボリューション15ポイントの単純平均とする。
アルゴンイオンレーザー波長:514.5nm
試料上のレーザーパワー:15〜40mW
分解能:10〜20cm-1
測定範囲:200cm-1〜1900cm-1
露光時間:30〜300sec
積算回数:3回
(Raman measurement method)
Using a Raman spectrometer (for example, “Raman spectrometer” manufactured by JASCO Corporation), set the electrode in the measurement cell so that the active material becomes the measurement surface, and rotate the sample to the sample surface in the cell with an argon ion laser Irradiate with light and measure. The Raman RC value, the RSC value, and the RS value are obtained by performing background correction of the measured Raman spectrum. The background correction is performed by connecting the peak start points with a straight line, obtaining the background, and subtracting the value from the peak intensity.
Here, the Raman measurement conditions are as follows, and the smoothing process is a simple average of 15 points of convolution.
Argon ion laser wavelength: 514.5nm
Laser power on the sample: 15-40mW
Resolution: 10-20cm -1
Measurement range: 200 cm −1 to 1900 cm −1
Exposure time: 30-300sec
Integration count: 3 times
(定義)
・ラマンRC値
1300cm-1〜1600cm-1付近に現れるピークcのピーク強度Ic、300cm-1〜500cm-1付近に現れるピークasのピーク強度Iasを測定し、その強度比RC(RC=Ic/Ias)を算出し、活物質のラマンRC値と定義する。
ここで、ピークcとピークasは、それぞれ炭素とシリコン由来によるピークと考えられ、従って、ラマンRC値は炭素の量を反映したものであり、ラマンRC値が2.0以下であるということは、炭素が殆ど検出されないことを意味する。
(Definition)
Raman RC value 1300cm -1 ~1600cm -1 peak intensity of peak c appearing in the vicinity of Ic, and measuring the peak intensity Ias peaks as appearing near 300cm -1 ~500cm -1, the intensity ratio RC (RC = Ic / Ias) is calculated and defined as the Raman RC value of the active material.
Here, the peak c and the peak as are considered to be peaks derived from carbon and silicon, respectively. Therefore, the Raman RC value reflects the amount of carbon, and the Raman RC value is 2.0 or less. , Which means that almost no carbon is detected.
・ラマンRSC値
650cm-1〜850cm-1付近に現れるピークscのピーク強度Isc、300cm-1〜500cm-1付近に現れるピークasのピーク強度Iasを測定し、その強度比RSC(RSC=Isc/Ias)を算出し、活物質のラマンRSC値と定義する。
ここで、ピークscとピークasは、それぞれSiCとシリコン由来によるピークと考えられ、従ってラマンRSC値はSiCの量を反映したものであり、ラマンRSC値が0.25以下であるということは、SiCが殆ど検出されないことを意味する。
Raman RSC value 650cm -1 ~850cm -1 peak intensity of the peak sc appearing near Isc, and measuring the peak intensity Ias peaks as appearing near 300cm -1 ~500cm -1, the intensity ratio RSC (RSC = Isc / Ias) is calculated and defined as the Raman RSC value of the active material.
Here, the peak sc and the peak as are considered to be peaks derived from SiC and silicon, respectively. Therefore, the Raman RSC value reflects the amount of SiC, and the Raman RSC value is 0.25 or less. This means that almost no SiC is detected.
・ラマンRS値
520cm-1の強度Is、300cm-1〜500cm-1付近に現れるピークasのピーク強度Iasを測定し、その強度比RS(RS=Is/Ias)を算出し、活物質のラマンRS値と定義する。
ラマンRS値は、Siの状態を反映したものである。
- intensity of the Raman RS value 520 cm -1 Is, and measuring the peak intensity Ias peaks as appearing near 300cm -1 ~500cm -1, to calculate the intensity ratio RS (RS = Is / Ias) , Raman active material It is defined as an RS value.
The Raman RS value reflects the state of Si.
[形態]
本発明の活物質の構造としては、例えば、柱状構造、層状構造、平板構造等が挙げられる。
[Form]
Examples of the structure of the active material of the present invention include a columnar structure, a layered structure, and a flat plate structure.
[膜厚]
活物質層の膜厚は、特に限定はされないが、通常1μm以上、好ましくは3μm以上であり、また上限は、通常30μm以下、好ましくは20μm以下、更に好ましくは15μm以下である。活物質層の膜厚がこの範囲を下回ると、これを用いた本発明の電極の1枚当たりの容量が小さく、大容量の電池を得るには数多くの負極が必要となり、従って、併せて必要な正極、セパレータ、負極自体の集電体の総容積が大きくなり、電池容積当たりに充填できる負極活物質量が実質的に減少し、電池容量を大きくすることが困難になる場合もある。一方、この範囲を上回ると、充放電に伴う膨張・収縮で、活物質が集電体基板から著しく剥離し易くなる場合があり、サイクル特性が悪くなる可能性もある。
[Film thickness]
The thickness of the active material layer is not particularly limited, but is usually 1 μm or more, preferably 3 μm or more, and the upper limit is usually 30 μm or less, preferably 20 μm or less, more preferably 15 μm or less. If the thickness of the active material layer is less than this range, the capacity per electrode of the electrode of the present invention using the active material layer is small, and a large number of negative electrodes are required to obtain a large capacity battery. The total volume of the current collector of the positive electrode, separator, and negative electrode itself increases, and the amount of the negative electrode active material that can be filled per battery volume is substantially reduced, which may make it difficult to increase the battery capacity. On the other hand, if it exceeds this range, the active material may be remarkably easily separated from the current collector substrate due to expansion / contraction associated with charge / discharge, and the cycle characteristics may be deteriorated.
なお、この活物質は後述の製造方法に記述されるように、気相から成膜するのが好ましい。 The active material is preferably formed from a vapor phase as described in the production method described later.
<集電体>
以下、集電体について詳細に説明する。
<Current collector>
Hereinafter, the current collector will be described in detail.
[材質]
集電体の材質としては、銅、ニッケル、ステンレス等が挙げられ、中でも薄膜に加工しやすく、安価な銅が好ましい。銅箔には、圧延法による圧延銅箔と、電解法による電解銅箔があり、どちらも集電体として用いることができる。銅箔の厚さが25μmよりも薄い場合、純銅よりも強度の高い銅合金(リン青銅、チタン銅、コルソン合金、Cu−Cr−Zr合金等)を用いることもできる。
[Material]
Examples of the material for the current collector include copper, nickel, and stainless steel. Among them, copper that is easy to process into a thin film and inexpensive is preferable. The copper foil includes a rolled copper foil by a rolling method and an electrolytic copper foil by an electrolytic method, both of which can be used as a current collector. When the thickness of the copper foil is less than 25 μm, a copper alloy (phosphor bronze, titanium copper, Corson alloy, Cu—Cr—Zr alloy, etc.) having higher strength than pure copper can also be used.
圧延法により作製した銅箔からなる集電体は、銅結晶が圧延方向に並んでいるため、負極を密に丸めても、鋭角に丸めても割れにくく、小型の円筒状電池に好適に用いることができる。電解銅箔は、例えば、銅イオンが溶解された電解液中に金属製のドラムを浸漬し、これを回転させながら電流を流すことにより、ドラムの表面に銅を析出させ、これを剥離して得られるものである。上記の圧延銅箔の表面に、電解法により銅を析出させていても良い。銅箔の片面又は両面には、粗面化処理や表面処理(例えば、厚さが数nm〜1μm程度までのクロメート処理、Ti等の下地処理など)がなされていても良い。
前記銅箔の中でも、コストの点から粗面化処理されていない圧延銅箔や電解銅箔を用いることが好ましい。
A current collector made of a copper foil produced by a rolling method is suitable for use in a small cylindrical battery because the copper crystals are arranged in the rolling direction so that the negative electrode is hard to crack even if it is rounded sharply or rounded at an acute angle. be able to. For example, an electrolytic copper foil is prepared by immersing a metal drum in an electrolytic solution in which copper ions are dissolved, and flowing current while rotating the copper drum, thereby depositing copper on the surface of the drum and peeling it off. It is obtained. Copper may be deposited on the surface of the rolled copper foil by an electrolytic method. One side or both sides of the copper foil may be subjected to a roughening treatment or a surface treatment (for example, a chromate treatment having a thickness of about several nm to 1 μm, a base treatment such as Ti).
Among the copper foils, it is preferable to use a rolled copper foil or an electrolytic copper foil that is not roughened from the viewpoint of cost.
[厚さ]
銅箔等よりなる集電体は、薄い方が薄い電極を製造することができ、同じ収納容積の電池容器内に、より広い表面積の負極を詰めることができる点で好ましいが、過度に薄いと、強度が不足し、電池製造時の捲回等で銅箔が切断する場合もある。このため、銅箔等よりなる集電体は、5〜70μm程度の厚さであることが好ましい。銅箔の両面に活物質を形成する場合は、銅箔は更に薄い方が良いが、充電・放電に伴う活物質の膨張・収縮による銅箔の亀裂発生を回避する観点から、この場合において、銅箔の更に好ましい厚さは8〜35μmである。
[thickness]
The current collector made of copper foil or the like is preferable in that a thinner electrode can be manufactured, and a negative electrode having a larger surface area can be packed in a battery container having the same storage volume. In some cases, the copper foil may be cut due to a lack of strength and winding during battery production. For this reason, the current collector made of copper foil or the like is preferably about 5 to 70 μm thick. In the case of forming the active material on both sides of the copper foil, the copper foil is preferably thinner, but in this case, from the viewpoint of avoiding the occurrence of cracks in the copper foil due to the expansion / contraction of the active material accompanying charging / discharging, A more preferable thickness of the copper foil is 8 to 35 μm.
集電体として銅箔以外の金属箔を使用する場合には、それぞれの金属箔に応じて、好適な厚さのものを使用することができるが、その厚さはおおむね5〜70μm程度の範囲内である。 When a metal foil other than copper foil is used as the current collector, one having a suitable thickness can be used depending on the metal foil, but the thickness is generally in the range of about 5 to 70 μm. Is within.
[物性]
集電体には、更に次のような物性が望まれる。
(1)平均表面粗さ(Ra)
JISB0601−1994に記載の方法で規定される集電体の平均表面粗さ(Ra)は、特に制限されないが、通常0.001μm以上、好ましくは0.01μm以上、特に好ましくは0.10μm以上であり、また上限は、通常1.5μm以下、好ましくは1.3μm以下、特に好ましくは1.0μm以下である。
[Physical properties]
The following physical properties are desired for the current collector.
(1) Average surface roughness (Ra)
The average surface roughness (Ra) of the current collector defined by the method described in JIS B0601-1994 is not particularly limited, but is usually 0.001 μm or more, preferably 0.01 μm or more, particularly preferably 0.10 μm or more. In addition, the upper limit is usually 1.5 μm or less, preferably 1.3 μm or less, particularly preferably 1.0 μm or less.
集電体の平均表面粗さ(Ra)を上記した下限と上限の間の範囲内とすることにより、良好な充放電サイクル特性が期待できる。上記下限値以上とすることにより、導電性物質層との界面の面積が大きくなり密着性が向上する。平均表面粗さ(Ra)の上限値は特に制限されるものではないが、平均表面粗さ(Ra)が1.5μmを超えるものは電池として実用的な厚みの箔としては一般に入手しにくいため、1.5μm以下のものが好ましい。 By setting the average surface roughness (Ra) of the current collector within the range between the lower limit and the upper limit described above, good charge / discharge cycle characteristics can be expected. By setting it to the above lower limit or more, the area of the interface with the conductive material layer is increased and the adhesion is improved. The upper limit of the average surface roughness (Ra) is not particularly limited, but those having an average surface roughness (Ra) exceeding 1.5 μm are generally difficult to obtain as foils having a practical thickness as a battery. 1.5 μm or less is preferable.
(2)引張強度
集電体の引張強度は、特に制限されないが、通常100N/mm2以上、好ましくは250N/mm2以上、更に好ましくは400N/mm2以上、特に好ましくは500N/mm2以上である。
(2) Tensile strength The tensile strength of the current collector is not particularly limited, but is usually 100 N / mm 2 or more, preferably 250 N / mm 2 or more, more preferably 400 N / mm 2 or more, and particularly preferably 500 N / mm 2 or more. It is.
引張強度とは、試験片が破断に至るまでに要した最大引張力を、試験片の断面積で割ったものである。本発明における引張強度は、伸び率と同様な装置及び方法で測定される。引張強度が高い集電体であれば、充電・放電に伴う活物質の膨張・収縮による集電体基板の亀裂を抑制することができ、良好なサイクル特性を得ることができる場合もある。 The tensile strength is obtained by dividing the maximum tensile force required until the test piece breaks by the cross-sectional area of the test piece. The tensile strength in the present invention is measured by the same apparatus and method as the elongation rate. If the current collector has a high tensile strength, cracking of the current collector substrate due to expansion / contraction of the active material accompanying charging / discharging can be suppressed, and good cycle characteristics can be obtained in some cases.
(3)0.2%耐力
集電体の0.2%耐力は、特に制限されないが、通常30N/mm2以上、好ましくは150N/mm2以上、特に好ましくは300N/mm2以上である。
(3) 0.2% proof stress of 0.2% proof stress current collector is not particularly limited, normally 30 N / mm 2 or more, preferably 150 N / mm 2 or more, particularly preferably 300N / mm 2 or more.
0.2%耐力とは、0.2%の塑性(永久)歪みを与えるに必要な負荷の大きさであり、この大きさの負荷を加えた後に除荷しても0.2%変形している事を意味している。本発明における0.2%耐力は、伸び率と同様な装置及び方法で測定される。0.2%耐力が高い集電体であれば、充電・放電に伴う活物質の膨張・収縮による集電体の塑性変形を抑制することができ、良好なサイクル特性を得ることができる場合もある。 The 0.2% proof stress is the magnitude of the load necessary to give a plastic (permanent) strain of 0.2%. It means that The 0.2% proof stress in the present invention is measured by the same apparatus and method as the elongation rate. If the current collector has a high 0.2% proof stress, plastic deformation of the current collector due to expansion / contraction of the active material accompanying charging / discharging can be suppressed, and good cycle characteristics can be obtained. is there.
[2]製造方法
本発明の電極の製造方法は、上記特徴を有する電極が製造可能な方法であれば特に制限されないが、例えば、以下に挙げる方法などによって製造することができる。
[2] Manufacturing Method The manufacturing method of the electrode of the present invention is not particularly limited as long as the electrode having the above characteristics can be manufactured. For example, the electrode can be manufactured by the following method.
<集電体表面への導電性物質層の形成方法>
[原料]
導電性物質層の原料としては、前述の導電性元素の単独体原料や該元素を含む化合物等を用いることができる。例えば、C元素としては天然黒鉛、球形化した天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維、気相成長炭素繊維、カーボンナノファイバー、非晶質炭素、黒鉛と非晶質炭素の複合体等である。
また、CuやNi元素としては銅粉末、銅ファイバー、銅多孔体、ニッケル粉末、ニッケルファイバー、ニッケル多孔体等である。
これらは1種を単独で用いても良く、2種以上を併用しても良い。
<Method for forming conductive material layer on current collector surface>
[material]
As a raw material for the conductive material layer, the above-mentioned single raw material of the conductive element, a compound containing the element, or the like can be used. Examples of element C include natural graphite, spheroidized natural graphite, artificial graphite, carbon black, carbon fiber, vapor-grown carbon fiber, carbon nanofiber, amorphous carbon, and a composite of graphite and amorphous carbon. is there.
Cu and Ni elements include copper powder, copper fiber, copper porous body, nickel powder, nickel fiber, nickel porous body, and the like.
These may be used alone or in combination of two or more.
[形成方法]
集電体と、該集電体上に設けられた導電性物質層と、該導電性物質層上に設けられた活物質層からなる電極において、集電体上の導電性物質層の形成方法としては、直接結合若しくは接合させる方法、高分子材料等の結着材を介在して接着する方法等がある。
[Formation method]
A method of forming a conductive material layer on a current collector in an electrode comprising a current collector, a conductive material layer provided on the current collector, and an active material layer provided on the conductive material layer As such, there are a direct bonding or bonding method, a bonding method such as a polymer material, and a bonding method.
[導電性物質層を直接結合若しくは接合させる方法]
導電性物質層を直接結合若しくは接合させる方法としては、a.CVD法、b.溶射法、c.焼結法、d.AD法等が用いられる。
[Method for directly bonding or bonding conductive material layers]
Methods for directly bonding or bonding the conductive material layers include: a. CVD method, b. Thermal spraying, c. Sintering method, d. An AD method or the like is used.
a.CVD法
CVD法では、原料を気相化学反応により、集電体表面に堆積させて導電性物質を形成する。一般にCVD法は、反応室内の化合物気体をガス流入によって制御するために高純度で多様な材料が合成できる特徴を持っており、その具体的な方法としては、熱CVD法、プラズマCVD法、光CVD法、cat−CVD法などを挙げることができる。熱CVD法は、蒸気圧の高いハロゲン化合物の原料ガスをキャリヤガスや反応ガスとともに、1000℃前後に加熱した反応容器内に導入し、熱化学反応を起こさせ導電性物質を形成するものである。プラズマCVD法は、熱エネルギーの代わりにプラズマを用いた方法であり、光CVD法は、熱エネルギーの代わりに光エネルギーを用いた方法である。cat−CVD法は、触媒化学気相成長法のことであり、原料ガスと加熱触媒との接触分解反応を応用することにより導電性物質を形成するものである。
a. CVD Method In the CVD method, a conductive material is formed by depositing raw materials on the surface of a current collector by a gas phase chemical reaction. In general, the CVD method is characterized by the ability to synthesize various materials with high purity in order to control the compound gas in the reaction chamber by inflow of gas. Specific methods include thermal CVD, plasma CVD, optical Examples thereof include a CVD method and a cat-CVD method. In the thermal CVD method, a raw material gas of a halogen compound having a high vapor pressure is introduced into a reaction vessel heated to about 1000 ° C. together with a carrier gas and a reaction gas to cause a thermochemical reaction to form a conductive material. . The plasma CVD method is a method using plasma instead of thermal energy, and the photo CVD method is a method using light energy instead of thermal energy. The cat-CVD method is a catalytic chemical vapor deposition method, and forms a conductive substance by applying a catalytic decomposition reaction between a source gas and a heating catalyst.
この中でも、cat−CVD法は低温でC元素を主成分とする導電性物質を高速に形成できるので好ましい。触媒として用いる元素はFe、Ni、Co、希土類金属等が挙げられ、好ましくはNi触媒が用いられ、酢酸塩、硝酸塩等としてアルコールや水等の溶媒に溶解し、集電体上に塗布、乾燥し、更に還元することにより触媒金属を形成する。 Among these, the cat-CVD method is preferable because a conductive material containing C element as a main component can be formed at a low temperature at a high speed. Examples of the element used as a catalyst include Fe, Ni, Co, rare earth metals, etc., preferably a Ni catalyst is used, and it is dissolved in a solvent such as alcohol or water as an acetate or nitrate, and is applied onto a current collector and dried. And further reducing to form a catalytic metal.
前記cat−CVD法の原料ガスと加熱触媒との接触分解反応温度は、特に限定はされないが通常450℃以上、好ましくは500℃以上、より好ましくは550℃以上であり、また上限は、通常1100℃以下、好ましくは900℃以下、より好ましくは800℃以下である。
接触分解反応温度がこの範囲を下回ると、C元素の成長が遅い場合もある。また、この範囲を上回ると、集電体と触媒金属の反応が進行したり、集電体の変質が起きる可能性がある場合もある。
The catalytic cracking reaction temperature between the source gas of the cat-CVD method and the heating catalyst is not particularly limited, but is usually 450 ° C. or higher, preferably 500 ° C. or higher, more preferably 550 ° C. or higher, and the upper limit is usually 1100. C. or lower, preferably 900 C or lower, more preferably 800 C or lower.
If the catalytic cracking reaction temperature is below this range, the growth of element C may be slow. In addition, if it exceeds this range, there is a possibility that the reaction between the current collector and the catalytic metal proceeds or that the current collector is altered.
b.溶射法
溶射法では、導電性物質となる上記原料を加熱により溶融若しくは軟化させ、微粒子状にして加速し集電体基板上に粒子を凝固・堆積させる。その具体的な方法としては、フレーム溶射法、アーク溶射法、直流プラズマ溶射法、RFプラズマ溶射法、レーザー溶射法等を挙げることができる。
b. Thermal spraying In thermal spraying, the above-mentioned raw material that becomes a conductive substance is melted or softened by heating, accelerated into fine particles, and solidified and deposited on the current collector substrate. Specific examples of the method include flame spraying, arc spraying, direct current plasma spraying, RF plasma spraying, and laser spraying.
c.焼結法
焼結法では、導電性物質と焼結剤を集電体上に形成してなり、通常、導電性物質と焼結性有する物質を分散、混合させたものを、集電体基板上に薄く塗布(若しくは成型)・乾燥、続いて所定の厚み・密度まで圧密プレスし、熱処理工程により焼結させて製造される。
c. Sintering method In the sintering method, a conductive material and a sintering agent are formed on a current collector. Usually, a material obtained by dispersing and mixing a conductive material and a sinterable material is used as a current collector substrate. It is manufactured by thinly coating (or molding) and drying on top, followed by compaction pressing to a predetermined thickness and density, and sintering by a heat treatment process.
焼結剤には、酸化物、炭化物、窒化物等の前駆体や、炭素前駆体を用いる。例えば、酸化物前駆体としては、有機ジルコニウム化合物、有機チタニウム化合物等が、炭素前駆体としては、石油ピッチやコールタールピッチ類を熱処理(酸化)し、軟化点、揮発分を調整した物(大阪化成社製TGP3500)などが挙げられる。 As the sintering agent, precursors such as oxides, carbides and nitrides, and carbon precursors are used. For example, as an oxide precursor, an organic zirconium compound, an organic titanium compound or the like is used, and as a carbon precursor, petroleum pitch or coal tar pitch is heat-treated (oxidized) to adjust the softening point and volatile content (Osaka) Kasei TGP3500) and the like.
d.AD法
AD(エアロゾルデポジション)法では、バインダー成分無しに導電性物質層として集電体上に形成してなり、通常、導電性物質を集電体基板上に真空下で高速衝突させる常温衝撃固化等によりバインダー成分無しに集電体と一体化する方法により製造される。
d. AD Method In the AD (Aerosol Deposition) method, a conductive material layer is formed on the current collector without a binder component, and usually a normal temperature impact is applied to the current collector substrate at high speed under vacuum on the current collector substrate. It is manufactured by a method of integrating with a current collector without a binder component by solidification or the like.
[導電性物質層を高分子材料等の結着材を介在して接着する方法]
導電性物質層を高分子材料等の結着材を介在して接着する方法としては、導電性物質と、結着剤を溶媒中に分散させたスラリー状のものを、集電体基板上に薄く塗布・乾燥する工程、続いて所定の厚み・密度まで圧密するプレス工程により製造される。
[Method of adhering the conductive material layer through a binder such as a polymer material]
As a method of adhering the conductive substance layer with a binder such as a polymer material interposed, a conductive substance and a slurry in which a binder is dispersed in a solvent are placed on a current collector substrate. It is manufactured by a process of thinly applying and drying, followed by a pressing process of compacting to a predetermined thickness and density.
結着剤としては、後述する液体溶媒に対して安定な高分子が好ましい。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、芳香族ポリアミド、セルロース等の樹脂系高分子、スチレン・ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム又はエチレン・プロピレンゴム等のゴム状高分子、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体、その水素添加物、スチレン・エチレン・ブタジエン・スチレン共重合体、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体及びその水素添加物等の熱可塑性エラストマー状高分子、シンジオタクチック1,2−ポリブタジエン、エチレン・酢酸ビニル共重合体、又はプロピレン・α−オレフィン(炭素数2〜12)共重合体等の軟質樹脂状高分子、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、又はポリテトラフルオロエチレン・エチレン共重合体等のフッ素系高分子、アルカリ金属イオン(特にリチウムイオン)のイオン伝導性を有する高分子組成物などが挙げられる。これらは1種を単独で用いても良く、2種以上を組み合わせて用いても良い。 As the binder, a polymer that is stable against a liquid solvent described later is preferable. For example, resin polymers such as polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, aromatic polyamide, and cellulose, rubbery polymers such as styrene / butadiene rubber, isoprene rubber, butadiene rubber or ethylene / propylene rubber, and styrene / butadiene / styrene blocks. Polymers, hydrogenated products thereof, styrene / ethylene / butadiene / styrene copolymers, styrene / isoprene / styrene block copolymers and thermoplastic elastomeric polymers such as hydrogenated products thereof, syndiotactic 1,2-polybutadiene , Ethylene / vinyl acetate copolymer, or soft resinous polymer such as propylene / α-olefin (carbon number 2 to 12) copolymer, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, or polytetrafluoroethylene / ethylene The fluoropolymer of the polymer or the like, and the like alkali metal ion (especially lithium ion) polymer composition having ion conductivity. These may be used alone or in combination of two or more.
上記のイオン伝導性を有する高分子組成物としては、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物や、ポリエーテル化合物の架橋体高分子や、ポリエピクロルヒドリン、ポリフォスファゼン、ポリシロキサン、ポリビニルピロリドン、ポリビニリデンカーボネート、又はポリアクリロニトリル等の高分子化合物に、リチウム塩もしくはリチウムを主体とするアルカリ金属塩を複合させた高分子、あるいはこれにプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン等の高い誘電率もしくはイオン−双極子相互作用力を有する有機化合物を配合した高分子を用いることができる。 Examples of the polymer composition having ionic conductivity include, for example, polyether polymer compounds such as polyethylene oxide and polypropylene oxide, crosslinked polymers of polyether compounds, polyepichlorohydrin, polyphosphazene, polysiloxane, High polymer such as propylene carbonate, ethylene carbonate, γ-butyrolactone, etc., in which a polymer compound such as polyvinyl pyrrolidone, polyvinylidene carbonate, or polyacrylonitrile is combined with a lithium salt or an alkali metal salt mainly composed of lithium. A polymer containing an organic compound having a dielectric constant or an ion-dipole interaction force can be used.
具体的には、通常、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、芳香族ポリアミド、ポリイミド、又はセルロース及びその誘導体(例えばカルボキシメチルセルロース)等の樹脂系高分子、スチレン・ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、又はエチレン・プロピレンゴム等のゴム状高分子;ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、又はポリテトラフルオロエチレン・エチレン共重合体等のフッ素系高分子;ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物;ポリエーテル化合物の架橋体高分子が挙げられ、好ましくは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、又はポリエチレンオキシドが挙げられ、更に好ましくは、ポリエチレン、スチレン・ブタジエンゴム、ポリフッ化ビニリデン、又はポリテトラフルオロエチレンが挙げられる。これらは、現在工業的に一般に使用されており、扱い易いため好適である。 Specifically, resin polymers such as polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, aromatic polyamide, polyimide, or cellulose and derivatives thereof (for example, carboxymethylcellulose), styrene / butadiene rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, or ethylene are usually used. Rubbery polymers such as propylene rubber; Fluorine polymers such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, or polytetrafluoroethylene / ethylene copolymer; Polyether polymer compounds such as polyethylene oxide and polypropylene oxide; Examples thereof include crosslinked polymers of polyether compounds, preferably polyethylene, polypropylene, polyimide, styrene / butadiene rubber, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, or polyethylene. Ethylene oxide and the like, more preferably, polyethylene, styrene-butadiene, polyvinylidene fluoride, or polytetrafluoroethylene. These are currently used industrially and are suitable because they are easy to handle.
導電性物質と結着剤を混合して集電体上に塗布する際のスラリーの調製には、水系溶媒又は有機溶媒が分散媒として用いられる。水系溶媒としては、通常、水が用いられるが、これにエタノール等のアルコール類、N−メチルピロリドン等の環状アミド類等の添加剤を水に対して、30重量%以下程度まで添加することもできる。 An aqueous solvent or an organic solvent is used as a dispersion medium for preparing the slurry when the conductive substance and the binder are mixed and applied onto the current collector. As the aqueous solvent, water is usually used, and additives such as alcohols such as ethanol and cyclic amides such as N-methylpyrrolidone may be added to water up to about 30% by weight or less. it can.
有機溶媒としては、通常、N−メチルピロリドン等の環状アミド類、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等の直鎖状アミド類、アニソール、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類、ブタノール、シクロヘキサノール等のアルコール類が挙げられ、中でも、N−メチルピロリドン等の環状アミド類、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等の直鎖状アミド類等が好ましい。 As the organic solvent, usually, cyclic amides such as N-methylpyrrolidone, linear amides such as N, N-dimethylformamide and N, N-dimethylacetamide, and aromatic hydrocarbons such as anisole, toluene and xylene And alcohols such as butanol and cyclohexanol. Among them, cyclic amides such as N-methylpyrrolidone, linear amides such as N, N-dimethylformamide and N, N-dimethylacetamide are preferable.
<導電性物質層への活物質層の形成方法>
[原料]
活物質層の原料としては、前述の活物質元素の単独体、化合物、組成物、混合物を用いることが出来る。活物質元素としては、前述のSi、Sn、Al、Zn、Ag、Ge、Pb等のリチウムと合金化可能な元素が挙げられるが、その単独体としては、例えば結晶性Si、アモルファスSi、金属Sn、Al、Zn、Ag等を、化合物としては、シリコン化合物(SiC、Si3N4、SiS、SiS2等の昇華性化合物)等を用いることができる。
<Method for forming active material layer on conductive material layer>
[material]
As the raw material for the active material layer, the above-mentioned active material elements alone, compounds, compositions, and mixtures can be used. Examples of the active material element include elements that can be alloyed with lithium, such as Si, Sn, Al, Zn, Ag, Ge, and Pb, and examples of the active material element include crystalline Si, amorphous Si, and metal. As a compound of Sn, Al, Zn, Ag, or the like, a silicon compound (sublimation compound such as SiC, Si 3 N 4 , SiS, or SiS 2 ) or the like can be used.
活物質元素を含む昇華性の化合物は前述の通りであるが、昇華性の化合物を用いると、後述の蒸着法において容器との反応を抑制し易く、且つ、活物質の組成を制御し易く好ましい。特にSiCは、雰囲気から混入する酸素がSiC中の炭素と反応することで、活物質中に含まれる酸素量を低減しながら、且つ、炭素量を調整できるので好ましい。
また、活物質原料中の少なくとも一部に昇華性の化合物を用いる場合、昇華性化合物の割合は、通常20重量%以上、好ましくは30重量%以上、更に好ましくは40重量%以上であり、また上限は、通常100重量%以下、好ましくは90重量%以下、更に好ましくは70重量%以下である。昇華性化合物の割合がこの範囲を下回ると、前述の昇華性化合物を用いた効果を得難い場合がある。
The sublimable compound containing the active material element is as described above. However, it is preferable to use the sublimable compound because it is easy to suppress reaction with the container in the vapor deposition method described later and to easily control the composition of the active material. . In particular, SiC is preferable because oxygen mixed from the atmosphere reacts with carbon in SiC, so that the amount of oxygen contained in the active material can be reduced and the amount of carbon can be adjusted.
Further, when a sublimable compound is used for at least a part of the active material raw material, the ratio of the sublimable compound is usually 20% by weight or more, preferably 30% by weight or more, more preferably 40% by weight or more, The upper limit is usually 100% by weight or less, preferably 90% by weight or less, and more preferably 70% by weight or less. When the ratio of the sublimable compound is below this range, it may be difficult to obtain the effect using the above-described sublimable compound.
添加元素Zの種類は前述の通りであるが、その原料のうち、例えば、C元素の原料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、非晶質炭素等の炭素や、炭化物等の炭素との反応種を、N元素の原料としては、窒化物等が挙げられる。また、原料がガスの場合、C元素の原料としては、Cを含むガス(CH4、C2H6、C3H8等)や黒鉛のアーク放電や抵抗加熱などによりCを気化させたガスを、N元素の原料としては、Nを含むガス(NH3、N2等)を用いることができる。 The kind of the additive element Z is as described above. Among the raw materials, for example, as the raw material for the C element, the reactive species with carbon such as natural graphite, artificial graphite and amorphous carbon, and carbon such as carbide As the N element raw material, nitride or the like can be used. In addition, when the raw material is a gas, the C element raw material is a gas containing C (CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8, etc.) or a gas obtained by vaporizing C by graphite arc discharge or resistance heating. As a source of N element, a gas containing NH (NH 3 , N 2, etc.) can be used.
後述の蒸着法での気相成長の場合、成長速度を上げるには活物質原料の加熱温度を上げることが最も効果的であるが、同時に雰囲気から混入する酸素が活物質と反応し易くなり酸化物が多く形成してしまう場合もあるが、添加元素ZにC元素を含む場合、高温になるほど雰囲気中の酸素と炭素の反応が進行するため、活物質中に含まれる酸素量を低減できるので好ましい。 In the case of vapor phase growth by the vapor deposition method described later, it is most effective to increase the heating temperature of the active material raw material in order to increase the growth rate, but at the same time, oxygen mixed from the atmosphere easily reacts with the active material and is oxidized. Many substances may be formed, but when the additive element Z contains a C element, the reaction between oxygen and carbon in the atmosphere proceeds as the temperature rises, so the amount of oxygen contained in the active material can be reduced. preferable.
また、例えば、活物質元素がSiである場合、Siと炭素が反応することでSi単独よりも蒸発速度の速いSiとCからなる化合物が形成し蒸発するため、気相成長速度が速まり好ましい。 In addition, for example, when the active material element is Si, the reaction between Si and carbon forms a compound composed of Si and C, which has a higher evaporation rate than Si alone, and evaporates. .
また、活物質元素と添加元素Z、Mを組み合わせた単一の化合物を用いても良く、複数の化合物として用いても良い。
また、これら活物質元素、活物質元素を含む昇華性の化合物、添加元素Z、Mの原料の形態は、例えば粉末状、顆粒状、ペレット状、塊状、板状等として用いられる。
Moreover, a single compound combining the active material element and the additive elements Z and M may be used, or a plurality of compounds may be used.
The active material elements, the sublimable compounds containing the active material elements, and the raw materials of the additive elements Z and M are used as, for example, powder, granules, pellets, lumps, plates, and the like.
一般式SiZxMyにおいて、y≠0で添加元素Mを含む場合、添加元素Mは活物質元素と添加元素Z以外の、周期律表2族、4族、5族、6族、8族、9族、11族、13族、14族、15族及び16族より選ばれる1種又は2種以上の元素であり、より好ましくは、B、Ti、Zr、W、O元素であり、更に好ましくはO元素を用いることができる。 In the general formula SiZ x M y, if it contains an additional element M at y ≠ 0, the additional element M is other than the additive element Z as an active material element, periodic table Group 2, Group 4, Group 5, Group 6, Group 8 , Group 9, Group 13, Group 14, Group 14, Group 15 and Group 16 or more elements, more preferably B, Ti, Zr, W, O elements, Preferably, O element can be used.
活物質層は、以下に詳述される、A:スパッタリング、B:真空蒸着、C:CVD、D:イオンプレーティング、の少なくとも1つによって形成することができる。また、これらを組み合せて活物質を形成させてもよい。 The active material layer can be formed by at least one of A: sputtering, B: vacuum deposition, C: CVD, and D: ion plating, which will be described in detail below. Moreover, you may form an active material combining these.
A.スパッタリング
スパッタリングでは、減圧下で、プラズマを利用して上記原料よりなるターゲットから発せられた活物質材料を集電体表面の導電性物質層上に衝突、堆積させて薄膜等を形成する。スパッタリングによると、形成した活物質と導電性物質や集電体との界面状態が良好であり、導電性物質や集電体に対する活物質の密着性も高い。
A. Sputtering Sputtering uses active plasma material generated from a target made of the above-mentioned raw material under reduced pressure to collide and deposit on the conductive material layer on the current collector surface to form a thin film or the like. According to sputtering, the interface state between the formed active material and the conductive material or current collector is good, and the adhesion of the active material to the conductive material or current collector is also high.
ターゲットに対するスパッタ電圧の印加方法としては、直流電圧、交流電圧のいずれも用いることができる。その際、集電体に実質的に負のバイアス電圧を印加して、プラズマからのイオンの衝突エネルギーを制御することも可能である。 As a method for applying the sputtering voltage to the target, either a DC voltage or an AC voltage can be used. At that time, it is possible to control the collision energy of ions from the plasma by applying a substantially negative bias voltage to the current collector.
活物質形成を開始する前のチャンバー内の到達真空度は、不純物の混入を防ぐため、通常0.1Pa以下である。 The ultimate vacuum in the chamber before starting the active material formation is usually 0.1 Pa or less in order to prevent impurities from being mixed.
スパッタガスとしては、Ne、Ar、Kr、Xe等の不活性ガスが用いられる。中でも、アルゴンガスが、スパッタ効率などの点で好ましく用いられる。化合物SiZxMy中の元素ZがNの場合、前記不活性ガス中に微量の窒素ガスとして共存させることが製造上好ましい。通常、スパッタガス圧は0.05〜70Pa程度である。 As the sputtering gas, an inert gas such as Ne, Ar, Kr, or Xe is used. Among these, argon gas is preferably used in terms of sputtering efficiency. When the compound SiZ x M element Z in y is N, said to coexist as a small amount of nitrogen gas in the inert gas production preferable. Usually, the sputtering gas pressure is about 0.05 to 70 Pa.
スパッタリングにより活物質を形成する際の集電体は、水冷やヒーター等により温度を制御することもできる。集電体の温度範囲としては、通常室温〜900℃であるが、150℃以下が好ましい。 The current collector for forming the active material by sputtering can also be controlled in temperature by water cooling or a heater. The temperature range of the current collector is usually room temperature to 900 ° C, but preferably 150 ° C or less.
スパッタリングによる活物質の形成における成長速度は、通常0.01〜0.5μm/分である。 The growth rate in forming an active material by sputtering is usually 0.01 to 0.5 μm / min.
活物質の形成前に、逆スパッタや、その他のプラズマ処理などの前処理により、導電性物質層や集電体表面をエッチングすることができる。このような前処理は、導電性物質層や集電体表面の汚染物や酸化膜の除去、活物質の密着性の向上に有効である。 Before the formation of the active material, the conductive material layer and the current collector surface can be etched by pre-treatment such as reverse sputtering or other plasma treatment. Such pretreatment is effective for removing contaminants and oxide films on the conductive material layer and the current collector surface, and improving the adhesion of the active material.
B.真空蒸着
真空蒸着では、活物質となる上記原料を溶融・蒸発させて、導電性物質層上に堆積させる。真空蒸着は、スパッタリングに比べて高い成長速度で膜を形成できる。真空蒸着は、スパッタリングに比べて、所定膜厚の活物質形成時間の短縮を図る観点から製造コスト面で有利に活用することができる。その具体的な方法としては、誘導加熱法、抵抗加熱法、電子ビーム加熱蒸着法などを挙げることができる。誘導加熱法では黒鉛等の蒸着坩堝を誘導電流により、抵抗加熱法では蒸着ボートなど通電した加熱電流により、電子ビーム加熱蒸着では電子ビームにより、それぞれ蒸着材料を加熱溶融し、蒸発させて形成する。
B. Vacuum deposition In the vacuum deposition, the raw material that becomes the active material is melted and evaporated and deposited on the conductive material layer. Vacuum deposition can form a film at a higher growth rate than sputtering. Vacuum deposition can be advantageously used in terms of manufacturing cost from the viewpoint of shortening the time for forming an active material having a predetermined thickness as compared with sputtering. Specific examples of the method include an induction heating method, a resistance heating method, and an electron beam heating vapor deposition method. In the induction heating method, a vapor deposition crucible such as graphite is formed by inductive current, in the resistance heating method by an energized heating current such as a vapor deposition boat, and in electron beam heating vapor deposition, the vapor deposition material is heated and melted and evaporated by an electron beam.
真空蒸着の雰囲気としては、一般的に真空下が用いられる。化合物SiZxMy中の元素ZがNの場合、微量の窒素ガスを不活性ガスと一緒に導入しながら減圧にし、真空下で同時にSiZxMyを形成することも可能である。 As an atmosphere for vacuum deposition, a vacuum is generally used. When the compound SiZ x M y in the element Z is N, a small amount of nitrogen gas to a reduced pressure while introducing with an inert gas, it is possible to form simultaneously SiZ x M y in vacuo.
活物質形成を開始する前のチャンバー内の到達真空度は、不純物の混入を防ぐため、通常0.1Pa以下である。 The ultimate vacuum in the chamber before starting the active material formation is usually 0.1 Pa or less in order to prevent impurities from being mixed.
真空蒸着により活物質を形成する際の集電体は、ヒーター等により温度を制御することもできる。集電体の温度範囲としては、通常室温〜900℃であるが、150℃以下が好ましい。 The current collector for forming the active material by vacuum deposition can also be controlled in temperature by a heater or the like. The temperature range of the current collector is usually room temperature to 900 ° C, but preferably 150 ° C or less.
真空蒸着による活物質の形成における成長速度は、通常0.1〜500μm/分程度である。 The growth rate in forming an active material by vacuum deposition is usually about 0.1 to 500 μm / min.
スパッタリングの場合と同様に、導電性物質層に活物質を堆積させる前に、イオンガンなどでイオン照射をすることにより導電性物質層や集電体表面にエッチング処理を施しても良い。このようなエッチング処理により、導電性物質層や基板と活物質との密着性を更に高めることができる。活物質を形成する間に、導電性物質層や集電体にイオンを衝突させることにより、導電性物質や集電体に対する活物質の密着性を更に向上させることもできる。 Similarly to the case of sputtering, before the active material is deposited on the conductive material layer, the conductive material layer or the current collector surface may be etched by ion irradiation with an ion gun or the like. Such etching treatment can further enhance the adhesion between the conductive material layer or the substrate and the active material. By forming ions to collide with the conductive material layer or the current collector during the formation of the active material, the adhesion of the active material to the conductive material or the current collector can be further improved.
C.CVD(Chemical Vapor Deposition)
CVDでは、活物質となる上記原料を気相化学反応により導電性物質層上に堆積させる。一般にCVDは、反応室内の化合物気体をガス流入によって制御するために高純度で多様な材料が合成できる特徴を持っており、その具体的な方法としては、熱CVD、プラズマCVD、光CVD、cat−CVDなどを挙げることができる。熱CVDでは、蒸気圧の高いハロゲン化合物の原料ガスをキャリヤガスや反応ガスとともに、1000℃前後に加熱した反応容器内に導入し、熱化学反応を起こさせ活物質を形成する。プラズマCVDは、熱エネルギーの代わりにプラズマを用いる。光CVDは、熱エネルギーの代わりに光エネルギーを用いる。cat−CVDは、触媒化学気相成長法のことであり、原料ガスと加熱触媒との接触分解反応を応用することにより活物質を形成する。
C. CVD (Chemical Vapor Deposition)
In the CVD, the raw material that becomes an active material is deposited on a conductive material layer by a gas phase chemical reaction. In general, CVD has a feature that various materials with high purity can be synthesized in order to control a compound gas in a reaction chamber by gas inflow. Specific methods include thermal CVD, plasma CVD, photo CVD, cat -CVD etc. can be mentioned. In thermal CVD, a raw material gas of a halogen compound having a high vapor pressure is introduced together with a carrier gas and a reaction gas into a reaction vessel heated to around 1000 ° C., and a thermochemical reaction is caused to form an active material. Plasma CVD uses plasma instead of thermal energy. Photo CVD uses light energy instead of thermal energy. Cat-CVD is a catalytic chemical vapor deposition method, in which an active material is formed by applying a catalytic decomposition reaction between a source gas and a heating catalyst.
CVDで用いられるSi源としてはSiH4、SiCl4等であり、Z源としてはNH3、N2、CH4、C2H6、C3H8等である。これらは1種を単独で用いても良く、2種以上を併用しても良い。 Si sources used in CVD are SiH 4 , SiCl 4, etc., and Z sources are NH 3 , N 2 , CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8, etc. These may be used alone or in combination of two or more.
D.イオンプレーティング
イオンプレーティングでは、活物質となる上記原料を溶融・蒸発させ、プラズマ下で蒸発粒子をイオン化及び励起することで、導電性物質層上に強固に形成させる。具体的には、原料を溶融・蒸発させる方法としては、誘導加熱法、抵抗加熱法、電子ビーム加熱蒸着法等を挙げることができ、イオン化及び励起する方法としては、活性化反応蒸着法、多陰極熱電子照射法、高周波励起法、HCD法、クラスターイオンビーム法、マルチアーク法等を挙げることができる。また、前記原料を蒸発させる方法とイオン化及び励起する方法は、適宜選択し、それらを組み合わせて行うことができる。
D. Ion plating In ion plating, the raw material that is an active material is melted and evaporated, and the evaporated particles are ionized and excited under plasma to form a solid material on the conductive material layer. Specifically, examples of the method for melting and evaporating the raw material include an induction heating method, a resistance heating method, an electron beam heating vapor deposition method, and the like. Examples thereof include cathodic thermionic irradiation method, high frequency excitation method, HCD method, cluster ion beam method, and multi-arc method. Moreover, the method of evaporating the raw material and the method of ionization and excitation can be selected as appropriate and performed in combination.
蒸着法の高い成長速度の利点と、スパッタリングの導電性物質層や集電体への強い密着性の利点を利用し、例えば、スパッタリングにより第1の薄膜層を形成し、その後蒸着法により高速に第2の薄膜層を形成することにより、導電性物質や集電体との密着性が良好になる界面領域を形成すると共に、高い成長速度で活物質を形成することができる。このような成長方法のハイブリッドな組合せ手法により、充放電容量が高く、且つ充放電サイクル特性に優れた電極を効率的に製造することができる。 Utilizing the advantages of the high growth rate of the vapor deposition method and the strong adhesion of the sputtering to the conductive material layer and the current collector, for example, the first thin film layer is formed by sputtering, and then the vapor deposition method is used at high speed. By forming the second thin film layer, it is possible to form an interface region where the adhesion to the conductive material and the current collector is good, and to form the active material at a high growth rate. By such a hybrid combination method of growth methods, an electrode having a high charge / discharge capacity and excellent charge / discharge cycle characteristics can be efficiently produced.
スパッタリングと蒸着法を組合せて活物質を形成することは、減圧雰囲気を保ちつつ連続的に行われることが好ましい。これは、大気に暴露することなく連続的に第1の薄膜層と第2の薄膜層とを形成することによって、不純物の混入を防止できるからである。例えば、同一の真空環境の中で、集電体を移動させながら、スパッタ及び蒸着を順次行うような薄膜形成装置を用いることが好ましい。 Forming the active material by combining sputtering and vapor deposition is preferably performed continuously while maintaining a reduced pressure atmosphere. This is because contamination of impurities can be prevented by continuously forming the first thin film layer and the second thin film layer without being exposed to the atmosphere. For example, it is preferable to use a thin film forming apparatus that sequentially performs sputtering and vapor deposition while moving the current collector in the same vacuum environment.
集電体の両面に活物質を形成する場合、集電体の一方の面に対する活物質層(上記第1の薄膜層と第2の薄膜層の組み合せであっても良い。)の形成と、集電体の他方の面に対する活物質層(上記第1の薄膜層と第2の薄膜層の組み合せであっても良い。)の形成とは、減圧雰囲気を保持したまま連続して行うことが好ましい。 When forming an active material on both surfaces of a current collector, forming an active material layer (which may be a combination of the first thin film layer and the second thin film layer) on one surface of the current collector; The formation of the active material layer (which may be a combination of the first thin film layer and the second thin film layer) on the other surface of the current collector is performed continuously while maintaining a reduced-pressure atmosphere. preferable.
[3]非水電解質二次電池
本発明の非水電解質二次電池は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極及び負極と、電解質を備える非水電解質二次電池において、負極として本発明の電極を用いたものである。
[3] Non-aqueous electrolyte secondary battery The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode and a negative electrode capable of occluding and releasing lithium ions, and an electrolyte. Is used.
本発明の非水電解質二次電池を構成する正極、電解質等の電池構成上必要な、負極以外の部材の選択については特に制限されない。以下において、本発明の非水電解質二次電池を構成する負極以外の部材の材料等を例示するが、使用し得る材料はこれらの具体例に限定されるものではない。 There is no particular limitation on the selection of members other than the negative electrode necessary for the battery configuration such as the positive electrode and the electrolyte constituting the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention. In the following, materials of members other than the negative electrode constituting the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention will be exemplified, but usable materials are not limited to these specific examples.
<正極>
正極は、集電体上に、正極活物質と、結着及び増粘効果を有する有機物(結着剤)を含有する活物質層を形成してなる。正極は、通常、正極活物質と結着及び増粘効果を有する有機物を水あるいは有機溶媒中に分散させたスラリー状のものを、集電体上に薄く塗布した後、乾燥する工程、続いて所定の厚み及び密度まで圧密するプレス工程により形成される。
<Positive electrode>
The positive electrode is formed by forming, on a current collector, an active material layer containing a positive electrode active material and an organic substance (binder) having a binding and thickening effect. The positive electrode is usually a slurry-like material in which an organic substance having a binding and thickening effect with the positive electrode active material is dispersed in water or an organic solvent. It is formed by a pressing process for compacting to a predetermined thickness and density.
正極活物質材料には、リチウムを吸蔵・放出できる機能を有している限り特に制限はないが、金属カルコゲナイド系の正極材料が特に好ましい。具体的には、例えば、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物等のリチウム遷移金属複合酸化物材料;二酸化マンガン等の遷移金属酸化物材料;フッ化黒鉛等の炭素質材料などを使用することができる。具体的には、LiFeO2、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4及びこれらの非定比化合物、MnO2、TiS2、FeS2、Nb3S4、Mo3S4、CoS2、V2O5、P2O5、CrO3、V3O3、TeO2、GeO2等を用いることができる。これらは1種を単独で用いても良く、2種以上を併用しても良い。 The positive electrode active material is not particularly limited as long as it has a function capable of inserting and extracting lithium, but a metal chalcogenide-based positive electrode material is particularly preferable. Specifically, for example, lithium transition metal composite oxide materials such as lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, and lithium manganese oxide; transition metal oxide materials such as manganese dioxide; carbonaceous materials such as fluorinated graphite Can be used. Specifically, LiFeO 2 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 and their non-stoichiometric compounds, MnO 2 , TiS 2 , FeS 2 , Nb 3 S 4 , Mo 3 S 4 , CoS 2 , V 2 O 5 , P 2 O 5 , CrO 3 , V 3 O 3 , TeO 2 , GeO 2 and the like can be used. These may be used alone or in combination of two or more.
正極活物質層には、正極用導電剤を用いることができる。正極用導電剤は、用いる正極活物質材料の充放電電位において、化学変化を起こさない電子伝導性材料であれば何でも良い。例えば、天然黒鉛(鱗片状黒鉛など)、人造黒鉛などのグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカ−ボンブラック類、炭素繊維、金属繊維などの導電性繊維類、フッ化カーボン、アルミニウム等の金属粉末類、酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー類、酸化チタンなどの導電性金属酸化物あるいはポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料などを単独又はこれらの混合物として含ませることができる。これらの導電剤のなかで、人造黒鉛、アセチレンブラックが特に好ましい。導電剤の添加量は、特に限定されないが、正極活物質材料に対して1〜50重量%が好ましく、特に1〜30重量%が好ましい。カーボンやグラファイトでは、正極活物質材料に対して2〜15重量%が特に好ましい。 A positive electrode conductive agent can be used for the positive electrode active material layer. The positive electrode conductive agent may be any electron conductive material that does not cause a chemical change at the charge / discharge potential of the positive electrode active material used. For example, natural graphite (such as flake graphite), graphite such as artificial graphite, carbon black such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black, carbon fiber, metal fiber, etc. Conductive fibers, metal powders such as carbon fluoride and aluminum, conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate, conductive metal oxides such as titanium oxide, and organic conductive materials such as polyphenylene derivatives It can be included alone or as a mixture thereof. Among these conductive agents, artificial graphite and acetylene black are particularly preferable. Although the addition amount of a electrically conductive agent is not specifically limited, 1-50 weight% is preferable with respect to positive electrode active material material, and 1-30 weight% is especially preferable. In the case of carbon or graphite, 2 to 15% by weight is particularly preferable with respect to the positive electrode active material.
正極活物質層の形成に用いられる結着及び増粘効果を有する有機物としては、特に制限はなく、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれであっても良い。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレン・ブタジエンゴム、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、フッ化ビニリデン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン・クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE樹脂)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、フッ化ビニリデン・ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレン・テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ビニリデン・ヘキサフルオロプロピレン・テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン・パーフルオロメチルビニルエーテル・テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン・アクリル酸共重合体又は前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン・メタクリル酸共重合体又は前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン・アクリル酸メチル共重合体又は前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン・メタクリル酸メチル共重合体又は前記材料の(Na+)イオン架橋体を挙げることができ、これらの材料を単独又は混合物として用いることができる。これらの材料の中でより好ましい材料はポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)である。 There is no restriction | limiting in particular as an organic substance which has a binding and thickening effect used for formation of a positive electrode active material layer, Any of a thermoplastic resin and a thermosetting resin may be sufficient. For example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene / butadiene rubber, tetrafluoroethylene / hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP) , Tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), vinylidene fluoride / hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride / chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE resin) ), Polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), vinylidene fluoride / pentafluoropropylene copolymer, propylene / tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-chlorotri Fluoroethylene copolymer (ECTFE), vinylidene fluoride / hexafluoropropylene / tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride / perfluoromethyl vinyl ether / tetrafluoroethylene copolymer, ethylene / acrylic acid copolymer or (Na + ) ion cross-linked body, ethylene / methacrylic acid copolymer or (Na + ) ion cross-linked body of the material, ethylene / methyl acrylate copolymer or (Na + ) ion cross-linked body of the material, ethylene / methacrylic acid Examples thereof include an acid methyl copolymer or a (Na + ) ion crosslinked product of the above materials, and these materials can be used alone or as a mixture. Among these materials, more preferable materials are polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE).
正極活物質層には、前述の導電剤の他、更にフィラー、分散剤、イオン伝導体、圧力増強剤及びその他の各種添加剤を配合することができる。フィラーは、構成された電池において、化学変化を起こさない繊維状材料であれば何でも用いることができる。通常、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのオレフィン系ポリマー、ガラス、炭素などの繊維が用いられる。フィラーの添加量は特に限定されないが、活物質層中の含有量として0〜30重量%が好ましい。 In addition to the conductive agent described above, the positive electrode active material layer may further contain a filler, a dispersant, an ionic conductor, a pressure enhancer, and other various additives. Any filler can be used as long as it is a fibrous material that does not cause a chemical change in the constructed battery. Usually, olefin polymers such as polypropylene and polyethylene, fibers such as glass and carbon are used. Although the addition amount of a filler is not specifically limited, 0-30 weight% is preferable as content in an active material layer.
正極活物質スラリーの調製には、水系溶媒又は有機溶媒が分散媒として用いられる。水系溶媒としては、通常、水が用いられるが、これにエタノール等のアルコール類、N−メチルピロリドン等の環状アミド類等の添加剤を水に対して、30重量%以下程度まで添加することもできる。 In preparing the positive electrode active material slurry, an aqueous solvent or an organic solvent is used as a dispersion medium. As the aqueous solvent, water is usually used, and additives such as alcohols such as ethanol and cyclic amides such as N-methylpyrrolidone may be added to water up to about 30% by weight or less. it can.
有機溶媒としては、通常、N−メチルピロリドン等の環状アミド類、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等の直鎖状アミド類、アニソール、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類、ブタノール、シクロヘキサノール等のアルコール類が挙げられ、中でも、N−メチルピロリドン等の環状アミド類、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等の直鎖状アミド類等が好ましい。これらは1種を単独で用いても良く、2種以上を併用しても良い。 As the organic solvent, usually, cyclic amides such as N-methylpyrrolidone, linear amides such as N, N-dimethylformamide and N, N-dimethylacetamide, and aromatic hydrocarbons such as anisole, toluene and xylene And alcohols such as butanol and cyclohexanol. Among them, cyclic amides such as N-methylpyrrolidone, linear amides such as N, N-dimethylformamide and N, N-dimethylacetamide are preferable. These may be used alone or in combination of two or more.
正極活物質、結着剤である結着及び増粘効果を有する有機物及び必要に応じて配合される正極用導電剤、その他フィラー等をこれらの溶媒に混合して正極活物質スラリーを調製し、これを正極用集電体基板に所定の厚みとなるように塗布することにより正極活物質層が形成される。 A positive electrode active material, a binder as a binder, an organic substance having a thickening effect, a positive electrode conductive agent blended as necessary, and other fillers are mixed in these solvents to prepare a positive electrode active material slurry, The positive electrode active material layer is formed by applying this to the positive electrode current collector substrate so as to have a predetermined thickness.
正極活物質スラリー中の正極活物質の濃度の上限は通常70重量%以下、好ましくは55重量%以下であり、下限は通常30重量%以上、好ましくは40重量%以上である。正極活物質の濃度がこの上限を超えると正極活物質スラリー中の正極活物質が凝集しやすくなり、下限を下回ると正極活物質スラリーの保存中に正極活物質が沈降しやすくなる。 The upper limit of the concentration of the positive electrode active material in the positive electrode active material slurry is usually 70% by weight or less, preferably 55% by weight or less, and the lower limit is usually 30% by weight or more, preferably 40% by weight or more. If the concentration of the positive electrode active material exceeds this upper limit, the positive electrode active material in the positive electrode active material slurry tends to aggregate, and if it falls below the lower limit, the positive electrode active material tends to settle during storage of the positive electrode active material slurry.
正極活物質スラリー中の結着剤の濃度の上限は通常30重量%以下、好ましくは10重量%以下であり、下限は通常0.1重量%以上、好ましくは0.5重量以上である。結着剤の濃度がこの上限を超えると得られる正極の内部抵抗が大きくなり、下限を下回ると正極活物質層の結着性に劣るものとなる。 The upper limit of the concentration of the binder in the positive electrode active material slurry is usually 30% by weight or less, preferably 10% by weight or less, and the lower limit is usually 0.1% by weight or more, preferably 0.5% or more. When the concentration of the binder exceeds the upper limit, the internal resistance of the positive electrode obtained is increased, and when the concentration is lower than the lower limit, the binding property of the positive electrode active material layer is deteriorated.
正極用集電体基板には、例えば、電解液中での陽極酸化によって表面に不動態皮膜を形成する弁金属又はその合金を用いるのが好ましい。弁金属としては、周期表4族、5族、13族に属する金属及びこれらの合金を例示することができる。具体的には、Al、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta及びこれらの金属を含む合金などを例示することができ、Al、Ti、Ta及びこれらの金属を含む合金を好ましく使用することができる。特にAl及びその合金は軽量であるためエネルギー密度が高くて望ましい。正極用集電体基板の厚みは特に限定されないが通常1〜50μm程度である。 For the positive electrode current collector substrate, it is preferable to use, for example, a valve metal or an alloy thereof that forms a passive film on the surface by anodic oxidation in an electrolytic solution. Examples of the valve metal include metals belonging to Groups 4, 5, and 13 of the periodic table and alloys thereof. Specifically, Al, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta and alloys containing these metals can be exemplified, and Al, Ti, Ta and alloys containing these metals can be preferably used. . In particular, Al and its alloys are desirable because of their light weight and high energy density. The thickness of the positive electrode current collector substrate is not particularly limited, but is usually about 1 to 50 μm.
<電解質>
電解質としては、電解液や固体電解質など、任意の電解質を用いることができる。電解質とはイオン導電体すべてのことをいい、電解液及び固体電解質は共に電解質に含まれるものとする。
<Electrolyte>
Any electrolyte such as an electrolytic solution or a solid electrolyte can be used as the electrolyte. The electrolyte refers to all ionic conductors, and both the electrolytic solution and the solid electrolyte are included in the electrolyte.
電解液としては、例えば、非水系溶媒に溶質を溶解したものを用いることができる。溶質としては、アルカリ金属塩や4級アンモニウム塩などを用いることができる。具体的には、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiC(CF3SO2)3等が好ましく用いられる。これらの溶質は、1種類を選択して使用しても良いし、2種以上を混合して使用しても良い。
電解液中のこれらの溶質の含有量は、0.2mol/L以上、特に0.5mol/L以上で、2mol/L以下、特に1.5mol/L以下であることが好ましい。
As the electrolytic solution, for example, a solution obtained by dissolving a solute in a non-aqueous solvent can be used. As the solute, an alkali metal salt, a quaternary ammonium salt, or the like can be used. Specifically, LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ), LiC (CF 3 SO 2 ) 3 and the like are preferably used. One kind of these solutes may be selected and used, or two or more kinds may be mixed and used.
The content of these solutes in the electrolytic solution is preferably 0.2 mol / L or more, particularly 0.5 mol / L or more, and 2 mol / L or less, particularly 1.5 mol / L or less.
非水系溶媒としては、例えば、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等の環状カーボネート、γ−ブチロラクトンなどの環状エステル化合物;1,2−ジメトキシエタン等の鎖状エーテル;クラウンエーテル、2−メチルテトラヒドロフラン、1,2−ジメチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、テトラヒドロフラン等の環状エーテル;ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート等の鎖状カーボネートなどを用いることができる。これらの中でも、環状カーボネートと鎖状カーボネートを含有する非水溶媒が好ましい。 Examples of the non-aqueous solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and vinylene carbonate; cyclic ester compounds such as γ-butyrolactone; chain ethers such as 1,2-dimethoxyethane; crown ethers, 2- Cyclic ethers such as methyltetrahydrofuran, 1,2-dimethyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, and tetrahydrofuran; chain carbonates such as diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and dimethyl carbonate can be used. Among these, a nonaqueous solvent containing a cyclic carbonate and a chain carbonate is preferable.
これらの溶媒は1種類を選択して使用しても良いし、2種以上を混合して使用しても良い。 One type of these solvents may be selected and used, or two or more types may be mixed and used.
本発明に係る非水系電解液は、分子内に不飽和結合を有する環状炭酸エステルや従来公知の過充電防止剤、脱酸剤、脱水剤などの種々の助剤を含有していても良い。 The nonaqueous electrolytic solution according to the present invention may contain various auxiliary agents such as a cyclic carbonate having an unsaturated bond in the molecule and conventionally known overcharge inhibitors, deoxidizers, and dehydrators.
分子内に不飽和結合を有する環状炭酸エステルとしては、例えば、ビニレンカーボネート系化合物、ビニルエチレンカーボネート系化合物、メチレンエチレンカーボネート系化合物等が挙げられる。 Examples of the cyclic carbonate having an unsaturated bond in the molecule include vinylene carbonate compounds, vinyl ethylene carbonate compounds, methylene ethylene carbonate compounds, and the like.
ビニレンカーボネート系化合物としては、例えば、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、4,5−ジメチルビニレンカーボネート、4,5−ジエチルビニレンカーボネート、フルオロビニレンカーボネート、トリフルオロメチルビニレンカーボネート等が挙げられる。 Examples of the vinylene carbonate compounds include vinylene carbonate, methyl vinylene carbonate, ethyl vinylene carbonate, 4,5-dimethyl vinylene carbonate, 4,5-diethyl vinylene carbonate, fluoro vinylene carbonate, trifluoromethyl vinylene carbonate, and the like.
ビニルエチレンカーボネート系化合物としては、例えば、ビニルエチレンカーボネート、4−メチル−4−ビニルエチレンカーボネート、4−エチル−4−ビニルエチレンカーボネート、4−n−プロピル−4−ビニルエチレンカーボネート、5−メチル−4−ビニルエチレンカーボネート、4,4−ジビニルエチレンカーボネート、4,5−ジビニルエチレンカーボネート等が挙げられる。 Examples of the vinyl ethylene carbonate compound include vinyl ethylene carbonate, 4-methyl-4-vinyl ethylene carbonate, 4-ethyl-4-vinyl ethylene carbonate, 4-n-propyl-4-vinyl ethylene carbonate, 5-methyl- Examples include 4-vinylethylene carbonate, 4,4-divinylethylene carbonate, 4,5-divinylethylene carbonate, and the like.
メチレンエチレンカーボネート系化合物としては、例えば、メチレンエチレンカーボネート、4,4−ジメチル−5−メチレンエチレンカーボネート、4,4−ジエチル−5−メチレンエチレンカーボネート等が挙げられる。
これらのうち、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネートが好ましく、特にビニレンカーボネートが好ましい。
これらは1種を単独で用いても、2種類以上を併用しても良い。
Examples of the methylene ethylene carbonate compound include methylene ethylene carbonate, 4,4-dimethyl-5-methylene ethylene carbonate, 4,4-diethyl-5-methylene ethylene carbonate, and the like.
Of these, vinylene carbonate and vinyl ethylene carbonate are preferable, and vinylene carbonate is particularly preferable.
These may be used alone or in combination of two or more.
非水系電解液が分子内に不飽和結合を有する環状炭酸エステル化合物を含有する場合、非水系電解液中におけるその割合は、通常0.01重量%以上、好ましくは0.1重量%以上、特に好ましくは0.3重量%以上、最も好ましくは0.5重量%以上であり、また上限は、通常8重量%以下、好ましくは4重量%以下、特に好ましくは3重量%以下である。 When the non-aqueous electrolyte contains a cyclic carbonate compound having an unsaturated bond in the molecule, the proportion in the non-aqueous electrolyte is usually 0.01% by weight or more, preferably 0.1% by weight or more, particularly Preferably it is 0.3 wt% or more, most preferably 0.5 wt% or more, and the upper limit is usually 8 wt% or less, preferably 4 wt% or less, particularly preferably 3 wt% or less.
分子内に不飽和結合を有する環状炭酸エステルを電解液に含有させることにより、電池のサイクル特性を向上させることができる。その理由は明らかではないが、負極の表面に安定な保護被膜を形成することができるためと推測される。ただし、その含有量が少ないとこの特性が十分に向上しない。しかし、含有量が多すぎると高温保存時にガス発生量が増大する傾向にあるので、電解液中の含有量は上記の範囲にするのが好ましい。 By including in the electrolyte a cyclic carbonate having an unsaturated bond in the molecule, the cycle characteristics of the battery can be improved. The reason is not clear, but it is presumed that a stable protective film can be formed on the surface of the negative electrode. However, when the content is small, this property is not sufficiently improved. However, if the content is too large, the gas generation amount tends to increase during high-temperature storage, so the content in the electrolyte is preferably in the above range.
過充電防止剤としては、例えば、ビフェニル、アルキルビフェニル、ターフェニル、ターフェニルの部分水素化体、シクロヘキシルベンゼン、t−ブチルベンゼン、t−アミルベンゼン、ジフェニルエーテル、ジベンゾフラン等の芳香族化合物;2−フルオロビフェニル、o−シクロヘキシルフルオロベンゼン、p−シクロヘキシルフルオロベンゼン等の前記芳香族化合物の部分フッ素化物;2,4−ジフルオロアニソール、2,5−ジフルオロアニソール及び2,6−ジフルオロアニソ−ル等の含フッ素アニソール化合物などが挙げられる。
これらは1種を単独で用いても良く、2種類以上を併用しても良い。
Examples of the overcharge inhibitor include aromatic compounds such as biphenyl, alkylbiphenyl, terphenyl, partially hydrogenated terphenyl, cyclohexylbenzene, t-butylbenzene, t-amylbenzene, diphenyl ether, and dibenzofuran; 2-fluoro Partially fluorinated products of the above aromatic compounds such as biphenyl, o-cyclohexylfluorobenzene, p-cyclohexylfluorobenzene; fluorine-containing compounds such as 2,4-difluoroanisole, 2,5-difluoroanisole and 2,6-difluoroanisole Anisole compounds and the like can be mentioned.
These may be used alone or in combination of two or more.
非水系電解液中における過充電防止剤の割合は、通常0.1〜5重量%である。過充電防止剤を含有させることにより、過充電等のときの電池の破裂・発火を抑制することができる。 The ratio of the overcharge inhibitor in the non-aqueous electrolyte is usually 0.1 to 5% by weight. By containing an overcharge preventing agent, rupture / ignition of the battery during overcharge or the like can be suppressed.
他の助剤としては、例えば、フルオロエチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネート、フェニルエチレンカーボネート、エリスリタンカーボネート、スピロ−ビス−ジメチレンカーボネート、メトキシエチル−メチルカーボネート等のカーボネート化合物;無水コハク酸、無水グルタル酸、無水マレイン酸、無水シトラコン酸、無水グルタコン酸、無水イタコン酸、無水ジグリコール酸、シクロヘキサンジカルボン酸無水物、シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物及びフェニルコハク酸無水物等のカルボン酸無水物;エチレンサルファイト、1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトン、メタンスルホン酸メチル、ブスルファン、スルホラン、スルホレン、ジメチルスルホン及びテトラメチルチウラムモノスルフィド、N,N−ジメチルメタンスルホンアミド、N,N−ジエチルメタンスルホンアミド等の含硫黄化合物;1−メチル−2−ピロリジノン、1−メチル−2−ピペリドン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン及びN−メチルスクシイミド等の含窒素化合物;ヘプタン、オクタン、シクロヘプタン等の炭化水素化合物、フルオロベンゼン、ジフルオロベンゼン、ヘキサフルオロベンゼン、ベンゾトリフルオライド等の含フッ素芳香族化合物などが挙げられる。
これらは1種を単独で用いても良く、2種類以上を併用して用いても良い。
Other auxiliary agents include, for example, carbonate compounds such as fluoroethylene carbonate, trifluoropropylene carbonate, phenylethylene carbonate, erythritan carbonate, spiro-bis-dimethylene carbonate, methoxyethyl-methyl carbonate; succinic anhydride, anhydrous glutar Carboxylic anhydrides such as acid, maleic anhydride, citraconic anhydride, glutaconic anhydride, itaconic anhydride, diglycolic anhydride, cyclohexanedicarboxylic anhydride, cyclopentanetetracarboxylic dianhydride and phenylsuccinic anhydride; Ethylene sulfite, 1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone, methyl methanesulfonate, busulfan, sulfolane, sulfolene, dimethyl sulfone and tetramethylthiuram monosulfate Sulfur-containing compounds such as N, N-dimethylmethanesulfonamide, N, N-diethylmethanesulfonamide; 1-methyl-2-pyrrolidinone, 1-methyl-2-piperidone, 3-methyl-2-oxazolidinone, 1 , 3-dimethyl-2-imidazolidinone and nitrogen-containing compounds such as N-methylsuccinimide; hydrocarbon compounds such as heptane, octane and cycloheptane; fluorobenzene, difluorobenzene, hexafluorobenzene, benzotrifluoride, etc. And fluorine-containing aromatic compounds.
These may be used alone or in combination of two or more.
非水系電解液中におけるこれらの助剤の割合は、通常0.1〜5重量%である。これらの助剤を含有することにより、高温保存後の容量維持特性やサイクル特性を向上させることができる。 The ratio of these auxiliaries in the nonaqueous electrolytic solution is usually 0.1 to 5% by weight. By containing these auxiliaries, capacity maintenance characteristics and cycle characteristics after high temperature storage can be improved.
非水系電解液は、電解液中に有機高分子化合物を含ませ、ゲル状、ゴム状、或いは固体シート状の固体電解質としても良い。有機高分子化合物の具体例としては、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物;ポリエーテル系高分子化合物の架橋体高分子;ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールなどのビニルアルコール系高分子化合物;ビニルアルコール系高分子化合物の不溶化物;ポリエピクロルヒドリン;ポリフォスファゼン;ポリシロキサン;ポリビニルピロリドン、ポリビニリデンカーボネート、ポリアクリロニトリルなどのビニル系高分子化合物;ポリ(ω−メトキシオリゴオキシエチレンメタクリレート)、ポリ(ω−メトキシオリゴオキシエチレンメタクリレート−co−メチルメタクリレート)等のポリマー共重合体などが挙げられる。 The non-aqueous electrolyte solution may include an organic polymer compound in the electrolyte solution, and may be a gel, rubber, or solid sheet solid electrolyte. Specific examples of organic polymer compounds include polyether polymer compounds such as polyethylene oxide and polypropylene oxide; crosslinked polymers of polyether polymer compounds; vinyl alcohol polymer compounds such as polyvinyl alcohol and polyvinyl butyral; vinyl Insoluble matter of alcohol polymer compound; polyepichlorohydrin; polyphosphazene; polysiloxane; vinyl polymer compound such as polyvinylpyrrolidone, polyvinylidene carbonate, polyacrylonitrile; poly (ω-methoxyoligooxyethylene methacrylate), poly (ω -Methoxyoligooxyethylene methacrylate-co-methyl methacrylate) and the like.
<電池構成>
本発明の非水電解質二次電池は、少なくとも正極および負極と、電解質によって構成され、更に必要に応じて、外缶、セパレータ、ガスケット、封口板、セルケース等など備えて構成されてもよい。
<Battery configuration>
The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is composed of at least a positive electrode and a negative electrode, and an electrolyte, and may further include an outer can, a separator, a gasket, a sealing plate, a cell case, and the like as necessary.
セパレータの材質や形状は特に制限されない。セパレータは正極と負極が物理的に接触しないように分離するものであり、イオン透過性が高く、電気抵抗が低いものであるのが好ましい。セパレータは電解液に対して安定で保液性が優れた材料の中から選択するのが好ましい。具体例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンを原料とする多孔性シート又は不織布が挙げられる。 The material and shape of the separator are not particularly limited. The separator is separated so that the positive electrode and the negative electrode do not come into physical contact with each other, and preferably has high ion permeability and low electrical resistance. The separator is preferably selected from materials that are stable with respect to the electrolyte and excellent in liquid retention. Specific examples include porous sheets or nonwoven fabrics made from polyolefins such as polyethylene and polypropylene.
本発明の非水電解質二次電池の形状は特に制限されず、例えば、シート電極及びセパレータをスパイラル状にしたシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを組み合わせたインサイドアウト構造のシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを積層したコインタイプ等にすることができる。 The shape of the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is not particularly limited. For example, a cylinder type in which a sheet electrode and a separator are spiral, a cylinder type having an inside-out structure in which a pellet electrode and a separator are combined, a pellet electrode and a separator It can be made into a laminated coin type or the like.
電解質、負極及び正極を少なくとも有する本発明の非水電解質二次電池を製造する方法は特に限定されず、通常採用されている方法の中から適宜選択することができる。
本発明の非水電解質二次電池の製造方法の一例を挙げると、外缶上に負極を乗せ、その上に電解液とセパレータを設け、更に負極と対向するように正極を乗せて、ガスケット及び封口板と共にかしめて電池を組み立てる方法が挙げられる。
The method for producing the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention having at least an electrolyte, a negative electrode, and a positive electrode is not particularly limited, and can be appropriately selected from commonly employed methods.
An example of the method for producing the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is as follows: a negative electrode is placed on an outer can, an electrolytic solution and a separator are provided thereon, a positive electrode is placed so as to face the negative electrode, and a gasket and A method of assembling the battery by caulking with a sealing plate is mentioned.
次に実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、これらの実施例によって何ら限定されるものではない。 EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited at all by these Examples, unless the summary is exceeded.
[実施例1]
<導電性物質層の形成>
集電体として、平均表面粗さ(Ra)が0.05μm、引張強度が400N/mm2、0.2%耐力が380N/mm2で、厚さが12μmである、表面が平滑な圧延銅箔を用い、導電性物質として、結晶面(002)の面間隔d002=0.336nm、体積基準平均粒径=18.5μm、タップ密度=1.07g/cm3、比表面積=5.2m2/g、ラマンR値=0.2、円形度=0.92の粒子状の人造黒鉛と、結着剤としてカルボキシルメチルセルロース(CMC)2重量%(導電性物質を100重量%とした時)、及びスチレン・ブタジエンゴム(SBR)1重量%とを、それぞれ水溶液や水懸濁液の形で加えて混合した。こうして得られた混合物を、塗工機を用いて前記銅箔上に塗布後、80℃で30分予備乾燥し、ロールプレス機にてプレスし導電性物質層の嵩密度を約1.4g/cm3(目付け約4.3mg/cm2)に調整した。
[Example 1]
<Formation of conductive material layer>
As a current collector, rolled copper having a smooth surface with an average surface roughness (Ra) of 0.05 μm, a tensile strength of 400 N / mm 2 , a 0.2% proof stress of 380 N / mm 2 and a thickness of 12 μm. Using foil, as a conductive substance, the crystal plane (002) spacing d 002 = 0.336 nm, volume-based average particle size = 18.5 μm, tap density = 1.07 g / cm 3 , specific surface area = 5.2 m 2 / g, Raman R value = 0.2, circularity = 0.92 particulate artificial graphite and 2% by weight of carboxymethyl cellulose (CMC) as a binder (when the conductive material is 100% by weight) And 1% by weight of styrene-butadiene rubber (SBR) were added and mixed in the form of an aqueous solution or a water suspension, respectively. The mixture thus obtained was applied onto the copper foil using a coating machine, pre-dried at 80 ° C. for 30 minutes, and pressed with a roll press to make the bulk density of the conductive material layer about 1.4 g / It adjusted to cm < 3 > (weighing about 4.3 mg / cm < 2 >).
得られた導電性物質層を4cm角に切り、大きさと厚さと重量を測定し、集電体厚さと重量を差し引き、導電性物質層の嵩密度を求めたところ1.42g/cm3であった。また、表面の凹凸Raを下記の方法に従って測定したところ1.5μmであった。また、水銀ポロシメータにて全細孔容積を下記の方法に従って測定したところ0.278ml/gであり、気孔率は39%に相当した。 The obtained conductive material layer was cut into 4 cm square, the size, thickness and weight were measured, the current collector thickness and weight were subtracted, and the bulk density of the conductive material layer was determined to be 1.42 g / cm 3. It was. The surface roughness Ra was measured according to the following method to be 1.5 μm. Moreover, when the total pore volume was measured with the mercury porosimeter according to the following method, it was 0.278 ml / g and the porosity corresponded to 39%.
<活物質層の形成>
集電体として、前記C元素からなる導電性物質層を形成した集電体を用い、ターゲット材として、SiとCの混合物(原子比でSi:C=1:0.3)を用い、RFスパッタ装置(徳田製作所社製「CFS−4ES」)にて成膜を行い、集電体上に導電性物質層及び薄膜状活物質層が形成された負極を得た。この時、SUS基板は水冷されたホルダーに取り付け、約25℃に維持し、チャンバーを予め2×10-3Paまで真空引き後、チャンバー内に高純度アルゴンガスを流して圧力を0.67Paの雰囲気としてから、電力密度8.8W/cm2で78分間成膜を行った。このスパッタガスの酸素濃度は0.001%程度であった。
<Formation of active material layer>
A current collector in which a conductive material layer made of the C element is formed as a current collector, a mixture of Si and C (Si: C = 1: 0.3 by atomic ratio) is used as a target material, and RF Film formation was performed with a sputtering apparatus (“CFS-4ES” manufactured by Tokuda Seisakusho Co., Ltd.) to obtain a negative electrode in which a conductive material layer and a thin film active material layer were formed on a current collector. At this time, the SUS substrate is attached to a water-cooled holder and maintained at about 25 ° C., and the chamber is evacuated to 2 × 10 −3 Pa in advance, and then a high-purity argon gas is allowed to flow through the chamber to a pressure of 0.67 Pa. After forming the atmosphere, film formation was performed at a power density of 8.8 W / cm 2 for 78 minutes. The oxygen concentration of this sputtering gas was about 0.001%.
得られた負極について、アルゴンイオンビームを用いた試料断面加工法(日本電子社製「SM−09010」)で断面を作製し、導電性物質層と活物質層の接合部分を走査型電子顕微鏡(SEM)観察した。
導電性物質層の開孔度は、測定面積(長さ100μm×幅5μm)に対する気孔部分の占める面積割合を接合部3箇所の視野で求め、平均値を用いて次の式により算出したところ開孔度は38%であった。
また、活物質層形成前の導電性物質層についても同様に断面を作製し、導電性物質層表面近傍の開孔度を同様に算出したところ開孔度は38%であった。
開孔度=気孔部分の面積÷測定部分の面積×100
また、導電性物質層の開孔径は、前述の視野で求めたところ10μmであった。
また、導電性物質層と活物質層の厚さはそれぞれ30μmと5.5μmであった。更に、導電性物質層の形成前後の重量変化と活物質層の形成前後の重量変化から、負極単位面積当たりの導電性物質層重量と活物質層重量を求め、導電性物質層の活物質層に対する割合を次の式により算出したところ75重量%であった。
導電性物質層の割合=
導電性物質層の重量÷(導電性物質層の重量+活物質層の重量)×100
About the obtained negative electrode, a cross section was produced by a sample cross section processing method using an argon ion beam (“SM-09010” manufactured by JEOL Ltd.), and a bonding portion between the conductive material layer and the active material layer was scanned with a scanning electron microscope ( SEM) was observed.
The degree of opening of the conductive material layer was determined by calculating the area ratio of the pore portion to the measurement area (length 100 μm × width 5 μm) in the field of view of the three joints, and calculating the average value using the following formula. The porosity was 38%.
Moreover, the cross section was similarly produced for the conductive material layer before the formation of the active material layer, and the degree of opening in the vicinity of the surface of the conductive material layer was calculated in the same manner. As a result, the degree of opening was 38%.
Opening degree = pore area / measurement area × 100
The pore diameter of the conductive material layer was 10 μm as determined from the above-mentioned field of view.
The thicknesses of the conductive material layer and the active material layer were 30 μm and 5.5 μm, respectively. Further, from the weight change before and after the formation of the conductive material layer and the weight change before and after the formation of the active material layer, the weight of the conductive material layer and the active material layer per unit area of the negative electrode are obtained. It was 75 weight% when the ratio with respect to was computed by the following formula.
Ratio of conductive material layer =
Weight of conductive material layer ÷ (weight of conductive material layer + weight of active material layer) × 100
また、下記の方法に従ってXPSにて活物質層の組成分析をしたところ、Si薄膜中に元素Cは24原子%含有されており、SiC中の元素C濃度に対するC濃度比Q(C)は0.49に相当した。また、原子濃度比で表すとSi/C/O=1.00/0.33/0.04であった。また、下記の方法に従ってラマン測定にて活物質層のラマン値を求めたところ、RC=0.05、RSC=scピーク検出されず、RS=0.55であった。更にまた、下記の方法に従って活物質層のX線回折測定を行ったところ、SiCの明確なピークは検出されずXIsz=0.38であった。 Moreover, when the composition analysis of the active material layer was performed by XPS according to the following method, the element C was contained in the Si thin film by 24 atomic%, and the C concentration ratio Q (C) with respect to the element C concentration in SiC was 0. .49. In terms of atomic concentration ratio, Si / C / O = 1.00 / 0.33 / 0.04. Further, when the Raman value of the active material layer was determined by Raman measurement according to the following method, RC = 0.05, RSC = sc peak was not detected, and RS = 0.55. Furthermore, when X-ray diffraction measurement of the active material layer was performed according to the following method, no clear peak of SiC was detected and XIsz = 0.38.
<接合面の凹凸Ra測定>
導電性物質層の接合面の凹凸Raとしては、導電性物質層が形成された電極シート3cm×3cmについて導電性物質層の表面を、表面粗さ計(キーエンス社製「カラーレーザー顕微鏡VK−9500」)で測定し、平均表面粗さRaを用いた。
<Measurement of unevenness Ra of joint surface>
As the unevenness Ra of the bonding surface of the conductive material layer, the surface of the conductive material layer was measured with a surface roughness meter (“Color Laser Microscope VK-9500” manufactured by Keyence Corporation) on the electrode sheet 3 cm × 3 cm on which the conductive material layer was formed. )) And the average surface roughness Ra was used.
<気孔率測定>
導電性物質層の気孔率測定としては、導電性物質層が形成された電極シート20cm2を短冊状に切り、シート同士の張り付きを防ぐため、間にニッケルメッシュを挟みながらサンプルセルに入れ、水銀ポロシメータ(マイクロメリテックス社製「オートポアー9220」)にて、全細孔容積を測定し、次の式から気孔率を算出した。尚、導電性物質層の重量は、電極シート重量から同面積の銅箔重量を差し引いて用いた。
気孔率=全細孔容積(cm3/g)×導電性物質層の嵩密度(g/cm3)×100
<Porosity measurement>
In order to measure the porosity of the conductive material layer, 20 cm 2 of the electrode sheet on which the conductive material layer is formed is cut into strips, and in order to prevent the sheets from sticking to each other, put in a sample cell with a nickel mesh sandwiched between them. The total pore volume was measured with a porosimeter ("Autopore 9220" manufactured by Micromeritex Corporation), and the porosity was calculated from the following equation. The weight of the conductive material layer was used by subtracting the weight of the copper foil of the same area from the weight of the electrode sheet.
Porosity = total pore volume (cm 3 / g) × bulk density of conductive material layer (g / cm 3 ) × 100
<XPS測定>
X線光電子分光法測定としては、X線光電子分光器(アルバック・ファイ社製「ESCA」)を用い、活物質層の表面が平坦になるように試料台に載せ、アルミニウムのKα線をX線源とし、Arスパッタを行いながらデプスプロファイル測定を実施した。濃度一定になった深さ(例えば、200nm)での、Si2p(90〜110eV)とC1s(280〜300eV)とO1s(525〜545eV)のスペクトルを得た。得られたC1sのピークトップを284.5eVとして帯電補正し、Si2p、C1s、O1sのスペクトルのピーク面積を求め、更に装置感度係数を掛けて、Si、C、Oの原子濃度をそれぞれ算出した。得られたそのSiとCとOの原子濃度から、原始濃度比Si/C/O(Si原子濃度/C原子濃度/O原子濃度)を算出し、活物質層の組成値Si/C/Oと定義する。
<XPS measurement>
For the X-ray photoelectron spectroscopy measurement, an X-ray photoelectron spectrometer (“ESCA” manufactured by ULVAC-PHI) was used to place the active material layer on the sample stage so that the surface of the active material layer was flat, and the aluminum Kα ray was X-rayed. The depth profile was measured while performing Ar sputtering with the source. Spectra of Si2p (90 to 110 eV), C1s (280 to 300 eV), and O1s (525 to 545 eV) at a constant depth (for example, 200 nm) were obtained. The obtained C1s peak top was 284.5 eV, charge correction was performed, the peak areas of the Si2p, C1s, and O1s spectra were obtained, and the device sensitivity coefficient was multiplied to calculate the atomic concentrations of Si, C, and O, respectively. From the obtained atomic concentrations of Si, C, and O, a primitive concentration ratio Si / C / O (Si atomic concentration / C atomic concentration / O atomic concentration) is calculated, and the composition value Si / C / O of the active material layer is calculated. It is defined as
<ラマン測定>
ラマン測定としては、ラマン分光器(日本分光社製「ラマン分光器」)を用い、活物質層を分析面となるよう測定セルへセットし、測定はセル内のサンプル表面にアルゴンイオンレーザー光を照射させながら行った。
なお、ここでのラマン測定条件は次のとおりである。
アルゴンイオンレーザー波長:514.5nm
試料上のレーザーパワー:15〜40mW
分解能:10〜20cm-1
測定範囲:200cm-1〜1900cm-1
スムージング処理:単純平均、コンボリューション15ポイント
<Raman measurement>
For Raman measurement, a Raman spectrometer (“Raman spectrometer” manufactured by JASCO Corporation) is used, and the active material layer is set in the measurement cell so that it becomes the analysis surface. The measurement is performed by applying an argon ion laser beam to the sample surface in the cell. I went while irradiating.
The Raman measurement conditions here are as follows.
Argon ion laser wavelength: 514.5nm
Laser power on the sample: 15-40mW
Resolution: 10-20cm -1
Measurement range: 200 cm −1 to 1900 cm −1
Smoothing processing: simple average, 15 points of convolution
<X線回折測定>
X線回折測定としては、リガク社製「RINT2000PC」を用い、活物質層を分析面となるよう測定セルへセットし、Out-of-Plane法にて、2θ=10〜70度の範囲の測定を行った。バックグラウンドの補正は、2θ=15〜20度付近と、40〜45度付近を直線で結び行った。
<X-ray diffraction measurement>
For X-ray diffraction measurement, “RINT2000PC” manufactured by Rigaku Corporation was used, the active material layer was set in the measurement cell so as to be the analysis surface, and measurement in the range of 2θ = 10 to 70 degrees by the Out-of-Plane method. Went. The background was corrected by connecting 2θ = 15-20 ° and 40-45 ° with straight lines.
なお、以下の実施例及び比較例において、得られた導電性物質層と活物質層の分析及び測定方法は、特記しない限り、実施例1におけると同様である。 In the following Examples and Comparative Examples, the analysis and measurement methods of the obtained conductive material layer and active material layer are the same as in Example 1 unless otherwise specified.
上記で製造された負極を用いて、下記の方法に従ってリチウム二次電池を作製し、この電池について、下記方法で放電容量、充放電効率、サイクル特性の評価を行い、結果を表2に示した。また、図2に開孔度を求めるために用いたSEM写真の例を示した。 Using the negative electrode produced above, a lithium secondary battery was prepared according to the following method. The discharge capacity, charge / discharge efficiency, and cycle characteristics of this battery were evaluated by the following method. The results are shown in Table 2. . Moreover, the example of the SEM photograph used in order to obtain | require a hole opening degree in FIG. 2 was shown.
<コイン型リチウム二次電池作製方法>
上記方法で作製した集電体の片面に導電性物質層と活物質層が形成されている負極を10mmφに打ち抜き、110℃で真空乾燥した後、グローブボックスへ移し、アルゴン雰囲気下で、電解液とセパレータと対極とを用いてコイン型電池(リチウム二次電池)を作製した。電解液としてはエチレンカーボネート(EC)/ジエチルカーボネート(DEC)=3/7(重量比)の混合液を溶媒とした1mol/L−LiPF6電解液を用いた。セパレータとしてはポリエチレンセパレータを用いた。対極としてはリチウム金属対極を用いた。
<Coin-type lithium secondary battery manufacturing method>
A negative electrode having a conductive material layer and an active material layer formed on one side of the current collector produced by the above method is punched out to 10 mmφ, vacuum-dried at 110 ° C., transferred to a glove box, and electrolyzed under an argon atmosphere. And a coin-type battery (lithium secondary battery) was produced using the separator and the counter electrode. As the electrolytic solution, a 1 mol / L-LiPF 6 electrolytic solution using a mixed solution of ethylene carbonate (EC) / diethyl carbonate (DEC) = 3/7 (weight ratio) as a solvent was used. A polyethylene separator was used as the separator. A lithium metal counter electrode was used as the counter electrode.
<放電容量評価>
0.25mA/cm2の電流密度でリチウム対極に対して10mVまで充電し、更に、10mVの一定電圧で電流値が0.02mAになるまで充電し、負極中にリチウムをドープした後、0.25mA/cm2の電流密度でリチウム対極に対して1.5Vまで放電を行う充放電サイクルを5サイクル繰り返し、1〜3サイクル目の放電の平均値を放電容量とした。また、面積当りの放電容量とする場合は、負極面積で割ることで求め、以下に従って計算した。
放電容量(mAh/cm2)
=1〜3サイクル目の平均放電容量(mAh)/負極面積(cm2)
<Evaluation of discharge capacity>
The battery is charged to 10 mV with respect to the lithium counter electrode at a current density of 0.25 mA / cm 2 , and further charged to a current value of 0.02 mA at a constant voltage of 10 mV. A charge / discharge cycle of discharging to 1.5 V with respect to the lithium counter electrode at a current density of 25 mA / cm 2 was repeated 5 times, and an average value of discharges in the first to third cycles was defined as a discharge capacity. Moreover, when setting it as the discharge capacity per area, it calculated | required by dividing by the negative electrode area, and calculated according to the following.
Discharge capacity (mAh / cm 2 )
= Average discharge capacity (mAh) in the first to third cycles / negative electrode area (cm 2 )
<充放電効率評価>
放電容量の測定時に、以下に従って計算した。
充放電効率(%)={初回放電容量(mAh)/初回充電容量(mAh)}×100
<Charge / discharge efficiency evaluation>
When measuring the discharge capacity, it was calculated according to the following.
Charging / discharging efficiency (%) = {initial discharge capacity (mAh) / initial charge capacity (mAh)} × 100
<サイクル特性評価>
上述の放電容量の測定方法に従い、この充放電サイクルを20回繰り返し、以下の式でサイクル維持率を計算した。
サイクル維持率(%)=
{20サイクル後の放電容量(mAh)/1〜3サイクルの平均放電容量
(mAh)}×100
<Cycle characteristic evaluation>
This charge / discharge cycle was repeated 20 times according to the above-described discharge capacity measurement method, and the cycle retention rate was calculated by the following equation.
Cycle maintenance rate (%) =
{Discharge capacity after 20 cycles (mAh) / 1. Average discharge capacity after 1 to 3 cycles (mAh)} × 100
[実施例2]
<導電性物質層の形成>
導電性物質層のプレス時の嵩密度を約1.8g/cm3、目付けを7.8mg/cm2とした以外は実施例1と同様に集電体上に導電性物質層を形成した。
[Example 2]
<Formation of conductive material layer>
A conductive material layer was formed on the current collector in the same manner as in Example 1 except that the bulk density during pressing of the conductive material layer was about 1.8 g / cm 3 and the basis weight was 7.8 mg / cm 2 .
実施例1と同様の方法に従って、得られた導電性物質層について、嵩密度を求めたところ1.77g/cm3であった。また、導電性物質層の表面の凹凸Raは0.7μmであった。また、全細孔容積は0.168ml/gであり、気孔率は30%に相当した。 According to the same method as in Example 1, the bulk density of the obtained conductive material layer was determined to be 1.77 g / cm 3 . The unevenness Ra on the surface of the conductive material layer was 0.7 μm. The total pore volume was 0.168 ml / g, and the porosity corresponded to 30%.
<活物質層の形成>
成膜時間を46分間にした以外は実施例1と同様に導電性物質層上に活物質層を形成した。
<Formation of active material layer>
An active material layer was formed on the conductive material layer in the same manner as in Example 1 except that the film formation time was 46 minutes.
実施例1と同様の方法に従って、得られた導電性物質層について、開孔度を算出したところ25%であり、開孔径は5μmであった。また、導電性物質層と活物質層の厚さはそれぞれ44μmと3.5μmであった。更に、導電性物質層の活物質層に対する割合を算出したところ90重量%であった。
また、XPS、ラマン測定、X線回折測定にて活物質層の分析をしたところ、実施例1と同様であった。
この負極を用いて実施例1と同様にしてコイン電池の作製及び評価を行い、結果を表2に示した。
According to the same method as in Example 1, the degree of opening of the obtained conductive material layer was calculated to be 25%, and the opening diameter was 5 μm. The thicknesses of the conductive material layer and the active material layer were 44 μm and 3.5 μm, respectively. Furthermore, when the ratio of the conductive material layer to the active material layer was calculated, it was 90% by weight.
Further, when the active material layer was analyzed by XPS, Raman measurement, and X-ray diffraction measurement, it was the same as in Example 1.
Using this negative electrode, coin batteries were produced and evaluated in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 2.
[実施例3]
<導電性物質層の形成>
導電性物質として、体積基準平均粒径=16.9μm、タップ密度=1.13g/cm3、比表面積=3.1m2/g、ラマンR値=0.32、円形度=0.93の粒子状の天然黒鉛−非晶質炭素の複合体を用い、導電性物質層のプレス時の嵩密度を約1.50g/cm3、目付けを4.7mg/cm2とした以外は実施例1と同様に集電体上に導電性物質層を形成した。
[Example 3]
<Formation of conductive material layer>
As the conductive material, volume-based average particle diameter = 16.9 μm, tap density = 1.13 g / cm 3 , specific surface area = 3.1 m 2 / g, Raman R value = 0.32, circularity = 0.93. Example 1 except that a particulate natural graphite-amorphous carbon composite was used, the bulk density of the conductive material layer during pressing was about 1.50 g / cm 3 , and the basis weight was 4.7 mg / cm 2. Similarly to the above, a conductive material layer was formed on the current collector.
実施例1と同様の方法に従って、得られた導電性物質層について、嵩密度を求めたところ1.50g/cm3であった。また、導電性物質層の表面の凹凸Raは1.6μmであった。また、全細孔容積は0.263ml/gであり、気孔率は39%に相当した。 According to the same method as in Example 1, the bulk density of the obtained conductive material layer was determined to be 1.50 g / cm 3 . The unevenness Ra on the surface of the conductive material layer was 1.6 μm. The total pore volume was 0.263 ml / g, and the porosity corresponded to 39%.
<活物質層の形成>
導電性物質層を形成した集電体を用い、活物質原料として破砕Siを用い、セキスイメディカル電子社製「MU−1700D高周波誘導加熱装置」にて、高周波誘導加熱式の真空蒸着を行って負極を作製した。
集電体は水冷されたホルダーに取り付け、約25℃に維持し、チャンバー内を真空引きし1×10-3Paの雰囲気としてから、破砕Siの入った黒鉛坩堝を高周波誘導加熱電流9Aにて加熱し80秒間真空蒸着を行った。またこの時、放射温度計で測定した真空蒸着時の坩堝上面の温度は1650℃であった。
<Formation of active material layer>
Using a current collector formed with a conductive material layer, using crushed Si as an active material raw material, and performing negative frequency deposition by high frequency induction heating type vacuum deposition using “MU-1700D high frequency induction heating apparatus” manufactured by Sekisui Medical Electronics Co., Ltd. Was made.
The current collector is attached to a water-cooled holder and maintained at about 25 ° C., and the inside of the chamber is evacuated to create an atmosphere of 1 × 10 −3 Pa. It heated and vacuum-deposited for 80 seconds. Moreover, the temperature of the upper surface of the crucible at the time of vacuum deposition measured with the radiation thermometer at this time was 1650 degreeC.
実施例1と同様の方法に従って、得られた導電性物質層について、開孔度を算出したところ30%であり、開孔径は9μmであった。また、導電性物質層と活物質層の厚さはそれぞれ31μmと4μmであった。更に、導電性物質層の活物質層に対する割合を算出したところ80重量%であった。
また、この負極について、実施例1と同様の方法に従ってXPSにて活物質の組成分析をしたところ、Si薄膜中に黒鉛坩堝から混入させた添加元素Cが11原子%、雰囲気から混入させた添加元素Oが11原子%含有されており、SiC中の元素C濃度に対するC濃度比Q(C)は0.25に相当した。また、原子濃度比で表すとSi/C/O=1.00/0.14/0.14であった。また、実施例1と同様の方法に従ってラマン測定にて活物質のラマン値を求めたところ、RC=ピーク検出されず、RSC=0.05、RS=0.57であった。更に、実施例1と同様の方法に従って活物質のX線回折測定を行ったところ、SiCの明確なピークは検出されずXIsz=0.12であった。この負極を用いて実施例1と同様にしてコイン電池の作製及び評価を行い、結果を表2に示した。
According to the same method as in Example 1, the degree of opening of the obtained conductive material layer was calculated to be 30%, and the opening diameter was 9 μm. The thicknesses of the conductive material layer and the active material layer were 31 μm and 4 μm, respectively. Furthermore, when the ratio of the conductive material layer to the active material layer was calculated, it was 80% by weight.
Further, when the composition of the active material was analyzed by XPS in accordance with the same method as in Example 1, the additive element C mixed from the graphite crucible into the Si thin film was added at 11 atomic% from the atmosphere. The element O contained 11 atomic%, and the C concentration ratio Q (C) with respect to the element C concentration in SiC corresponded to 0.25. Moreover, it was Si / C / O = 1.00 / 0.14 / 0.14 in terms of atomic concentration ratio. Moreover, when the Raman value of the active material was determined by Raman measurement according to the same method as in Example 1, RC = peak was not detected, and RSC = 0.05 and RS = 0.57. Furthermore, when the X-ray diffraction measurement of the active material was performed according to the same method as in Example 1, no clear SiC peak was detected and XIsz = 0.12. Using this negative electrode, coin batteries were produced and evaluated in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 2.
[実施例4]
<導電性物質層の形成>
導電性物質として、純度99.9%、体積基準平均粒径=10μmの粒子状の銅粉末(レアメタリック社製)を用い、結着剤としてCMC0.5重量%、SBR0.25重量%を用い塗工し、導電性物質層のプレス時の嵩密度を約5g/cm3、目付けを16mg/cm2とした以外は実施例1と同様に集電体上に導電性物質層を形成した。
[Example 4]
<Formation of conductive material layer>
As the conductive material, particulate copper powder (made by Rare Metallic) having a purity of 99.9% and a volume-based average particle size = 10 μm was used, and CMC 0.5 wt% and SBR 0.25 wt% were used as binders. The conductive material layer was formed on the current collector in the same manner as in Example 1 except that the bulk density when the conductive material layer was pressed was about 5 g / cm 3 and the basis weight was 16 mg / cm 2 .
実施例1と同様の方法に従って、得られた導電性物質層について、嵩密度を求めたところ4.91g/cm3であった。また、導電性物質層の表面の凹凸Raは1.2μmであった。また、全細孔容積は0.094ml/gであり、気孔率は46%に相当した。 According to the same method as in Example 1, the bulk density of the obtained conductive material layer was determined to be 4.91 g / cm 3 . The unevenness Ra on the surface of the conductive material layer was 1.2 μm. The total pore volume was 0.094 ml / g, and the porosity corresponded to 46%.
<活物質層の形成>
実施例1と同様に導電性物質層上に活物質層を形成した。
<Formation of active material layer>
In the same manner as in Example 1, an active material layer was formed on the conductive material layer.
実施例1と同様の方法に従って、得られた導電性物質層について、開孔度を算出したところ43%であり、開孔径は6μmであった。また、導電性物質層と活物質層の厚さはそれぞれ33μmと5.5μmであった。また、導電性物質層の活物質層に対する割合を算出したところ92重量%であった。
また、XPS、ラマン測定、X線回折測定にて活物質層の分析をしたところ、実施例1と同様であった。
この負極を用いて実施例1と同様にしてコイン電池の作製及び評価を行い、結果を表2に示した。
According to the same method as in Example 1, the degree of opening of the obtained conductive material layer was calculated to be 43%, and the opening diameter was 6 μm. The thicknesses of the conductive material layer and the active material layer were 33 μm and 5.5 μm, respectively. The ratio of the conductive material layer to the active material layer was calculated to be 92% by weight.
Further, when the active material layer was analyzed by XPS, Raman measurement, and X-ray diffraction measurement, it was the same as in Example 1.
Using this negative electrode, coin batteries were produced and evaluated in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 2.
[実施例5]
<導電性物質層の形成>
導電性物質として、結晶面(002)の面間隔d002=0.3358nm、体積基準平均粒径=22.0μm、タップ密度=1.01g/cm3、比表面積=5.3m2/g、ラマンR値=0.26、円形度=0.92の粒子状の天然黒鉛を用い、導電性物質層のプレス時の嵩密度を約1.5g/cm3、目付けを7.4mg/cm2とした以外は実施例1と同様に集電体上に導電性物質層を形成した。
[Example 5]
<Formation of conductive material layer>
As the conductive substance, the crystal plane (002) spacing d 002 = 0.3358 nm, volume-based average particle size = 22.0 μm, tap density = 1.01 g / cm 3 , specific surface area = 5.3 m 2 / g, Using granular natural graphite having a Raman R value = 0.26 and circularity = 0.92, the bulk density of the conductive material layer during pressing is about 1.5 g / cm 3 and the basis weight is 7.4 mg / cm 2. A conductive material layer was formed on the current collector in the same manner as in Example 1 except that.
実施例1と同様の方法に従って、得られた導電性物質層について、嵩密度を求めたところ1.51g/cm3であった。また、導電性物質層の表面の凹凸Raは1.0μmであった。また、全細孔容積は0.261ml/gであり、気孔率は39%に相当した。 According to the same method as in Example 1, the bulk density of the obtained conductive material layer was determined to be 1.51 g / cm 3 . The surface roughness Ra of the conductive material layer was 1.0 μm. The total pore volume was 0.261 ml / g, and the porosity corresponded to 39%.
<活物質層の形成>
ターゲット材としてSiを用い、RFスパッタ装置(徳田製作所社製「CFS−4ES」)にて成膜を行い、導電性物質層上に薄膜状活物質層が形成された負極を得た。この時、SUS基板は水冷されたホルダーに取り付け、約25℃に維持し、チャンバーを予め2×10-3Paまで真空引き後、チャンバー内に高純度アルゴンガスを流して圧力を0.67Paの雰囲気としてから、電力密度8.8W/cm2で30分間成膜を行った。このスパッタガスの酸素濃度は0.001%程度であった。
<Formation of active material layer>
Using Si as a target material, film formation was performed with an RF sputtering apparatus (“CFS-4ES” manufactured by Tokuda Manufacturing Co., Ltd.) to obtain a negative electrode in which a thin film active material layer was formed on a conductive material layer. At this time, the SUS substrate is attached to a water-cooled holder and maintained at about 25 ° C., and the chamber is evacuated to 2 × 10 −3 Pa in advance, and then a high-purity argon gas is allowed to flow through the chamber to a pressure of 0.67 Pa. After forming the atmosphere, film formation was performed at a power density of 8.8 W / cm 2 for 30 minutes. The oxygen concentration of this sputtering gas was about 0.001%.
実施例1と同様の方法に従って、得られた導電性物質層について、開孔度を算出したところ30%であり、開孔径は9μmであった。また、導電性物質層と活物質層の厚さはそれぞれ31μmと4μmであった。また、導電性物質層の活物質層に対する割合を算出したところ80重量%であった。
また、この負極について、実施例1と同様の方法に従ってXPSにて活物質の組成分析をしたところ、原子濃度比で表すとSi/O=1.00/0.05であった。
この負極を用いて実施例1と同様にしてコイン電池の作製及び評価を行い、結果を表2に示した。
According to the same method as in Example 1, the degree of opening of the obtained conductive material layer was calculated to be 30%, and the opening diameter was 9 μm. The thicknesses of the conductive material layer and the active material layer were 31 μm and 4 μm, respectively. The ratio of the conductive material layer to the active material layer was calculated to be 80% by weight.
Further, when this negative electrode was analyzed for the composition of the active material by XPS according to the same method as in Example 1, it was Si / O = 1.00 / 0.05 in terms of atomic concentration ratio.
Using this negative electrode, coin batteries were produced and evaluated in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 2.
[比較例1]
<活物質層の形成>
集電体上に導電性物質層を形成しないで、そのまま活物質層を銅箔表面に直接形成した以外は、実施例1と同様にして集電体上に活物質層を形成して負極を作製した。なお、成膜前に銅箔表面の酸化膜等を除去する目的で逆スパッタを行い、基板表面のエッチングをした。
得られた薄膜状活物質層の断面の走査型電子顕微鏡(SEM)観察から、成膜された活物質層の膜厚は約5μmであった。また、活物質層は集電体表面に直接形成されていたが、一部に集電体表面からの剥離も観察された。
[Comparative Example 1]
<Formation of active material layer>
The active material layer was formed on the current collector in the same manner as in Example 1 except that the active material layer was directly formed on the surface of the copper foil without forming the conductive material layer on the current collector. Produced. In addition, the reverse sputtering was performed for the purpose of removing the oxide film etc. on the copper foil surface before film formation, and the substrate surface was etched.
From observation with a scanning electron microscope (SEM) of the cross section of the obtained thin film active material layer, the film thickness of the formed active material layer was about 5 μm. Moreover, although the active material layer was formed directly on the current collector surface, peeling from the current collector surface was also observed in part.
また、XPS、ラマン測定、X線回折測定にて活物質層の分析をしたところ、実施例1と同様であった。
この負極を用いて実施例1と同様にしてコイン電池の作製及び評価を行い、結果を表2に示した。
Further, when the active material layer was analyzed by XPS, Raman measurement, and X-ray diffraction measurement, it was the same as in Example 1.
Using this negative electrode, coin batteries were produced and evaluated in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 2.
[比較例2]
<導電性物質層の形成>
実施例2と同様に集電体上に導電性物質層を形成した。導電性物質層の上に活物質層を形成しないで、導電性物質層をそのまま負極として用いた。
[Comparative Example 2]
<Formation of conductive material layer>
A conductive material layer was formed on the current collector in the same manner as in Example 2. Without forming an active material layer on the conductive material layer, the conductive material layer was used as a negative electrode as it was.
実施例1と同様の方法に従って、得られた導電性物質層について、嵩密度を求めたところ1.77g/cm3であった。また、導電性物質層の表面の凹凸Raは0.70μmであった。また、全細孔容積は0.168ml/gであり、気孔率は30%に相当した。
この負極を用いて実施例1と同様にしてコイン電池の作製及び評価を行い、結果を表2に示した。
According to the same method as in Example 1, the bulk density of the obtained conductive material layer was determined to be 1.77 g / cm 3 . Further, the surface roughness Ra of the conductive material layer was 0.70 μm. The total pore volume was 0.168 ml / g, and the porosity corresponded to 30%.
Using this negative electrode, a coin battery was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 2.
[比較例3]
<導電性物質層の形成>
導電性物質層を塗布、乾燥後、ロールプレス機に掛けなかった以外は実施例1と同様に集電体上に導電性物質層を形成した。
[Comparative Example 3]
<Formation of conductive material layer>
After the conductive material layer was applied and dried, a conductive material layer was formed on the current collector in the same manner as in Example 1 except that it was not subjected to a roll press.
実施例1と同様の方法に従って、得られた導電性物質層について、嵩密度を求めたところ1.06g/cm3であった。また、導電性物質層の表面の凹凸Raは4.0μmであった。また、全細孔容積は0.565ml/gであり、気孔率は60%に相当した。 According to the same method as in Example 1, the bulk density of the obtained conductive material layer was determined to be 1.06 g / cm 3 . The unevenness Ra on the surface of the conductive material layer was 4.0 μm. The total pore volume was 0.565 ml / g, and the porosity corresponded to 60%.
<活物質層の形成>
実施例1と同様に導電性物質層上に活物質層を形成した。
<Formation of active material layer>
In the same manner as in Example 1, an active material layer was formed on the conductive material layer.
実施例1と同様の方法に従って、得られた導電性物質層について、開孔度を算出したところ57%であり、開孔径は20μmであった。また、導電性物質層と活物質層の厚さはそれぞれ110μmと5.5μmであった。また、導電性物質層の活物質層に対する割合を算出したところ89重量%であった。
この負極を用いて実施例1と同様にしてコイン電池の作製及び評価を行い、結果を表2に示した。
According to the same method as in Example 1, the degree of opening of the obtained conductive material layer was calculated to be 57%, and the opening diameter was 20 μm. The thicknesses of the conductive material layer and the active material layer were 110 μm and 5.5 μm, respectively. The ratio of the conductive material layer to the active material layer was calculated to be 89% by weight.
Using this negative electrode, coin batteries were produced and evaluated in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 2.
[比較例4]
<導電性物質層の形成>
導電性物質として、繊維径=150nm、繊維長=約20μm、比表面積=13m2/gの繊維状の気相成長炭素繊維(昭和電工社製)を用い、結着剤としてCMC1重量%、SBR4重量%を用い塗工し、導電性物質層のプレス時の嵩密度を約0.7g/cm3、目付けを1.1mg/cm2とした以外は実施例1と同様に集電体上に導電性物質層を形成した。
[Comparative Example 4]
<Formation of conductive material layer>
As the conductive material, a fibrous vapor-grown carbon fiber (manufactured by Showa Denko) having a fiber diameter of 150 nm, a fiber length of about 20 μm, and a specific surface area of 13 m 2 / g was used. As a binder, CMC 1% by weight, SBR4 It was coated on the current collector in the same manner as in Example 1 except that the weight density was applied and the bulk density at the time of pressing the conductive material layer was about 0.7 g / cm 3 and the basis weight was 1.1 mg / cm 2. A conductive material layer was formed.
実施例1と同様の方法に従って、得られた導電性物質層について、嵩密度を求めたところ0.7g/cm3であった。また、導電性物質層の全細孔容積は0.632ml/gであり、気孔率は67%に相当した。 According to the same method as in Example 1, the bulk density of the obtained conductive material layer was determined to be 0.7 g / cm 3 . Further, the total pore volume of the conductive material layer was 0.632 ml / g, and the porosity corresponded to 67%.
<活物質層の形成>
実施例1と同様に導電性物質層上に活物質層を形成した。
<Formation of active material layer>
In the same manner as in Example 1, an active material layer was formed on the conductive material layer.
実施例1と同様の方法に従って、得られた導電性物質層について、開孔度を算出したところ65%であった。また、導電性物質層と活物質層の厚さはそれぞれ15μmと5.5μmであった。また、導電性物質層の活物質層に対する割合を算出したところ45重量%であった。
この負極を用いて実施例1と同様にしてコイン電池の作製をしたところ、作製中に活物質層が剥離しコイン電池の評価を行なうことが出来なかった。
According to the same method as in Example 1, the degree of opening of the obtained conductive material layer was calculated to be 65%. The thicknesses of the conductive material layer and the active material layer were 15 μm and 5.5 μm, respectively. The ratio of the conductive material layer to the active material layer was calculated to be 45% by weight.
When a coin battery was produced using this negative electrode in the same manner as in Example 1, the active material layer peeled off during the production, and the coin battery could not be evaluated.
[比較例5]
<活物質層の形成>
集電体として、平均表面粗さ(Ra)が0.05μm、引張強度が400N/mm2、0.2%耐力が380N/mm2で、厚さが12μmである、表面が平滑な圧延銅箔を用い、ターゲット材としてSiを用い、RFスパッタ装置(徳田製作所社製「CFS−4ES」)にて成膜を行い、集電体上に薄膜状活物質層が形成された負極を得た。この時、SUS基板は水冷されたホルダーに取り付け、約25℃に維持し、チャンバーを予め2×10-3Paまで真空引き後、チャンバー内に高純度アルゴンガスを流して圧力を0.67Paの雰囲気としてから、電力密度8.8W/cm2で30分間成膜を行った。このスパッタガスの酸素濃度は0.001%程度であった。なお、成膜前に銅箔表面の酸化膜等を除去する目的で逆スパッタを行い、基板表面のエッチングをした。
[Comparative Example 5]
<Formation of active material layer>
As a current collector, rolled copper having a smooth surface with an average surface roughness (Ra) of 0.05 μm, a tensile strength of 400 N / mm 2 , a 0.2% proof stress of 380 N / mm 2 and a thickness of 12 μm. Using foil, Si was used as a target material, and film formation was performed with an RF sputtering apparatus (“CFS-4ES” manufactured by Tokuda Manufacturing Co., Ltd.) to obtain a negative electrode in which a thin film active material layer was formed on a current collector. . At this time, the SUS substrate is attached to a water-cooled holder and maintained at about 25 ° C., and the chamber is evacuated to 2 × 10 −3 Pa in advance, and then a high-purity argon gas is allowed to flow through the chamber to a pressure of 0.67 Pa. After forming the atmosphere, film formation was performed at a power density of 8.8 W / cm 2 for 30 minutes. The oxygen concentration of this sputtering gas was about 0.001%. In addition, the reverse sputtering was performed for the purpose of removing the oxide film etc. on the copper foil surface before film formation, and the substrate surface was etched.
<導電性物質層の形成>
集電体の替わりに活物質層が形成された負極を用いた以外は、実施例1と同様に導電性物質層(集電体上に活物質層、該活物質層上に導電性物質層が形成した構造)を形成した。
<Formation of conductive material layer>
A conductive material layer (an active material layer on a current collector and a conductive material layer on the active material layer) was used in the same manner as in Example 1 except that a negative electrode having an active material layer formed thereon was used instead of the current collector. Was formed).
実施例1と同様の方法に従って、得られた導電性物質層について、嵩密度を求めたところ1.41g/cm3であった。また、導電性物質層の表面の凹凸Raは1.5μmであった。また、全細孔容積は0.280ml/gであり、気孔率は39%に相当した。 The bulk density of the obtained conductive material layer obtained in the same manner as in Example 1 was 1.41 g / cm 3 . The surface roughness Ra of the conductive material layer was 1.5 μm. The total pore volume was 0.280 ml / g, and the porosity corresponded to 39%.
実施例1と同様の方法に従って、得られた活物質層と導電性物質層の厚さはそれぞれ2μmと30μmであった。 また、導電性物質層の活物質層に対する割合を算出したところ88重量%であった。
上記実施例及び比較例で作製した負極の分析値等を表1及び表2に纏めて示す。
According to the same method as in Example 1, the thicknesses of the obtained active material layer and conductive material layer were 2 μm and 30 μm, respectively. The ratio of the conductive material layer to the active material layer was calculated to be 88% by weight.
Tables 1 and 2 collectively show analysis values and the like of the negative electrodes prepared in the above examples and comparative examples.
比較例1の負極は、表面が平滑な圧延銅箔に直接活物質層を形成しており、導電性物質層が形成していないため本発明の規定範囲外であり、その結果、良いサイクル特性が得られなかった。
The negative electrode of Comparative Example 1 has an active material layer directly formed on a rolled copper foil with a smooth surface, and is outside the specified range of the present invention because no conductive material layer is formed. As a result, good cycle characteristics Was not obtained.
比較例2の負極は、表面が平滑な圧延銅箔に導電性物質層のみを形成しており、活物質層が形成されていないため本発明の規定範囲外であり、その結果、高い放電容量が得られなかった。 The negative electrode of Comparative Example 2 is formed of only a conductive material layer on a rolled copper foil having a smooth surface and is outside the specified range of the present invention because no active material layer is formed. As a result, a high discharge capacity Was not obtained.
比較例3の負極は、集電体上に導電性物質層と、該導電性物質層上に活物質層を形成しており、本発明の要件の一部を満たしているが、活物質層と接している導電性物質層の接合面の開孔度、Ra、気孔率が本発明の規定範囲外であり、その結果、良いサイクル特性が得られなかった。 The negative electrode of Comparative Example 3 has a conductive material layer formed on a current collector and an active material layer formed on the conductive material layer, and satisfies a part of the requirements of the present invention. The porosity, Ra, and porosity of the joint surface of the conductive material layer in contact with the surface were outside the specified ranges of the present invention, and as a result, good cycle characteristics could not be obtained.
比較例4の負極は、集電体上に導電性物質層と、該導電性物質層上に活物質層を形成しており、本発明の要件の一部を満たしているが、活物質層と接している導電性物質層の接合面の開孔度、気孔率が本発明の規定範囲外であり、その結果、良いサイクル特性が得られなかった。 The negative electrode of Comparative Example 4 has a conductive material layer formed on a current collector and an active material layer formed on the conductive material layer, and satisfies a part of the requirements of the present invention. The porosity and porosity of the joint surface of the conductive material layer in contact with the surface were outside the specified ranges of the present invention, and as a result, good cycle characteristics could not be obtained.
比較例5の負極は、集電体上に活物質層と、該活物質層上に導電性物質層を形成しており、導電性物質層と活物質層の形成順が逆で本発明の規定範囲外であり、その結果、良いサイクル特性が得られなかった。 In the negative electrode of Comparative Example 5, the active material layer is formed on the current collector, and the conductive material layer is formed on the active material layer, and the formation order of the conductive material layer and the active material layer is reversed. As a result, good cycle characteristics could not be obtained.
これらに対して、実施例1〜5の本発明の負極は、集電体と、該集電体上に設けられた導電性物質層と、該導電性物質層上に設けられた活物質層からなる電極であり、活物質層と接している導電性物質層の接合面の開孔度が5%以上、50%以下であり、活物質層が少なくともリチウムと合金化する活物質元素を含んでおり、及び/又は活物質層と接している導電性物質層の接合面凹凸Raが0.01以上、3.0μm以下であり、且つ、導電性物質層の気孔率が15%以上、50%以下であり、活物質層が少なくともリチウムと合金化する元素を含む活物質を含んでおり、全てが本発明の規定範囲を満たしている。そして、このような負極を用いると、放電容量が高く、充放電効率が高く、サイクル特性に優れた高性能の電池が得られる。 On the other hand, the negative electrodes of the present invention of Examples 1 to 5 are a current collector, a conductive material layer provided on the current collector, and an active material layer provided on the conductive material layer. The open area of the joint surface of the conductive material layer in contact with the active material layer is 5% or more and 50% or less, and the active material layer contains at least an active material element that is alloyed with lithium And / or the joint surface unevenness Ra of the conductive material layer in contact with the active material layer is 0.01 or more and 3.0 μm or less, and the porosity of the conductive material layer is 15% or more, 50 %, And the active material layer contains an active material containing at least an element alloying with lithium, and all satisfy the specified range of the present invention. When such a negative electrode is used, a high-performance battery having high discharge capacity, high charge / discharge efficiency, and excellent cycle characteristics can be obtained.
集電体と、該集電体上に設けられた導電性物質層と、該導電性物質層上に設けられた活物質層からなる電極において、次の(イ)と(ロ)の何れか若しくは両方の要件を満たすことを特徴とする電極を用いることにより、放電容量が高く、充放電効率が高く、サイクル特性に優れ、且つ、安価な非水電解質二次電池を実現することができるため、本発明の電極及び非水電解質二次電池は、非水電解質二次電池が適用される電子機器等の各種の分野において好適に利用可能である。
(イ)活物質層と接している導電性物質層の接合面の開孔度が5%以上、50%以下であり、活物質層が少なくともリチウムと合金化する元素を含む活物質を含有する。
(ロ)活物質層と接している導電性物質層の接合面凹凸Raが0.01以上、3.0μm以下であって、且つ、導電性物質層の気孔率が15%以上、50%以下であり、活物質層が少なくともリチウムと合金化する元素を含む活物質を含有する。
In an electrode comprising a current collector, a conductive material layer provided on the current collector, and an active material layer provided on the conductive material layer, one of the following (a) and (b) Alternatively, by using an electrode characterized by satisfying both requirements, it is possible to realize a non-aqueous electrolyte secondary battery with high discharge capacity, high charge / discharge efficiency, excellent cycle characteristics, and low cost. The electrode and non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention can be suitably used in various fields such as electronic devices to which the non-aqueous electrolyte secondary battery is applied.
(B) The porosity of the joint surface of the conductive material layer in contact with the active material layer is 5% or more and 50% or less, and the active material layer contains an active material containing at least an element alloying with lithium. .
(B) The joint surface unevenness Ra of the conductive material layer in contact with the active material layer is 0.01 to 3.0 μm, and the porosity of the conductive material layer is 15% to 50%. And the active material layer contains an active material containing at least an element alloying with lithium.
1 導電性物質層
2 活物質層
3 導電性物質
4 気孔
5 集電体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Conductive material layer 2 Active material layer 3 Conductive material 4 Pore 5 Current collector
Claims (6)
(イ)活物質層と接している導電性物質層の接合面の開孔度が5%以上、50%以下であり、活物質層が少なくともリチウムと合金化する元素を含む活物質を含有する。
(ロ)活物質層と接している導電性物質層の接合面凹凸Raが0.01以上、3.0μm以下であって、且つ、導電性物質層の気孔率が15%以上、50%以下であり、活物質層が少なくともリチウムと合金化する元素を含む活物質を含有する。 In an electrode comprising a current collector, a conductive material layer provided on the current collector, and an active material layer provided on the conductive material layer, one of the following (a) and (b) An electrode characterized by satisfying both requirements.
(B) The porosity of the joint surface of the conductive material layer in contact with the active material layer is 5% or more and 50% or less, and the active material layer contains an active material containing at least an element alloying with lithium. .
(B) The joint surface unevenness Ra of the conductive material layer in contact with the active material layer is 0.01 to 3.0 μm, and the porosity of the conductive material layer is 15% to 50%. And the active material layer contains an active material containing at least an element alloying with lithium.
(1)元素Zは、C及び/又はNよりなる元素である。
(2)元素MはSiと元素Z以外の元素から選ばれる元素の1種又は2種以上である。
(3)xは、Siに最も近い組成で平衡的に存在する化合物SiaZp(式中a、pは整数)のZ濃度(p/(a+p))に対して、式Q(Z)=[x/(1+x)]/[p/(a+p)]で算出されるZ濃度比Q(Z)が0.10〜0.95となる値である。
(4)yは、0≦y≦0.50の範囲の数である。 The active material, a material element Z in Si as a main component a compound of a non-equilibrium exists and phase, said compound formula SiZ x M y (wherein Z, M, x, y are The electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the electrode is represented by the following conditions (1) to (4).
(1) The element Z is an element composed of C and / or N.
(2) Element M is one or more elements selected from elements other than Si and element Z.
(3) x represents the formula Q (Z) = [x with respect to the Z concentration (p / (a + p)) of the compound SiaZp (where a and p are integers) that exist in equilibrium with the composition closest to Si. / (1 + x)] / [p / (a + p)] is a value at which the Z concentration ratio Q (Z) calculated from 0.10 to 0.95.
(4) y is a number in the range of 0 ≦ y ≦ 0.50.
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