JP2008243828A - Negative electrode and manufacturing method for secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、負極集電体上に負極活物質層を有する負極の製造方法、およびその負極を備えた二次電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a negative electrode having a negative electrode active material layer on a negative electrode current collector, and a method for manufacturing a secondary battery including the negative electrode.
近年、モバイル機器の高性能化および多機能化に伴い、それらの電源である二次電池の高容量化が切望されている。この要求に応える二次電池としてリチウム二次電池がある。しかし、現在におけるリチウム二次電池の代表的な形態である、正極にコバルト酸リチウム、負極に黒鉛を用いた場合の電池容量は飽和状態にあり、大幅な高容量化は極めて困難な状況である。そこで、古くから負極に金属リチウム(Li)を用いることが検討されているが、この負極を実用化するには、リチウムの析出溶解効率の向上およびデンドライト状の析出形態の制御などを図る必要がある。 2. Description of the Related Art In recent years, as mobile devices have higher performance and more functions, there is a strong demand for higher capacities of secondary batteries that are power sources thereof. There is a lithium secondary battery as a secondary battery that meets this requirement. However, when lithium cobaltate is used for the positive electrode and graphite is used for the negative electrode, which is a typical form of the present lithium secondary battery, the battery capacity is in a saturated state, and it is extremely difficult to increase the capacity significantly. . Therefore, the use of metallic lithium (Li) for the negative electrode has been studied for a long time, but in order to put this negative electrode into practical use, it is necessary to improve the precipitation dissolution efficiency of lithium and control the dendrite-like precipitation form. is there.
その一方で、最近、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、あるいはスズ(Sn)などを用いた高容量の負極を用いた二次電池の検討が盛んに行われている。しかし、これらの高容量負極は充放電を繰り返すと、活物質の激しい膨張および収縮により粉砕して微細化し、集電性が低下したり、表面積の増大に起因して電解液の分解反応が促進され、サイクル特性は極めて劣悪であった。そこで、気相法、液相法あるいは焼結法などにより集電体に活物質層を形成した負極を用いれば、粒子状の活物質およびバインダーなどを含むスラリーを塗布した従来の塗布型負極に比べて微細化を抑制することができると共に、集電体と活物質層とを一体化することができるので負極における電子伝導性が極めて良好となり、容量的にもサイクル寿命的にも高性能化が期待されている。また、従来は負極中に存在した導電材、バインダーおよび空隙などを低減または排除することもできるので、本質的に負極を薄膜化することが可能となる。 On the other hand, secondary batteries using a high-capacity negative electrode using silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), or the like have recently been actively studied. However, when these high-capacity negative electrodes are repeatedly charged and discharged, they are pulverized and refined by vigorous expansion and contraction of the active material, resulting in a decrease in current collection and an accelerated decomposition reaction of the electrolyte due to an increase in surface area. The cycle characteristics were extremely poor. Therefore, if a negative electrode in which an active material layer is formed on a current collector by a vapor phase method, a liquid phase method, or a sintering method is used, a conventional coated negative electrode coated with a slurry containing a particulate active material and a binder is used. Compared to miniaturization, the current collector and the active material layer can be integrated, so the electron conductivity in the negative electrode is extremely good, and the capacity and cycle life are improved. Is expected. In addition, since it is possible to reduce or eliminate the conductive material, binder, voids, and the like that existed in the conventional negative electrode, the negative electrode can be made essentially thin.
ところが、この負極でも、充放電に伴う活物質の非可逆的反応によりサイクル特性が十分とは言えない。また、従来の高容量負極と同様に、電解質との反応性は依然として高く、充放電に伴う電解質との反応によって、特にサイクル初期において容量が大きく劣化してしまう。さらに、これら高容量負極では、特に放電末期においてリチウムの脱離に伴い負極電位が著しく上昇してしまい、これが特性劣化を引き起こす要因の一つとなっている。 However, even this negative electrode cannot be said to have sufficient cycle characteristics due to the irreversible reaction of the active material accompanying charge / discharge. Further, like the conventional high-capacity negative electrode, the reactivity with the electrolyte is still high, and the capacity is greatly deteriorated particularly in the initial cycle due to the reaction with the electrolyte accompanying charging and discharging. Further, in these high-capacity negative electrodes, the negative electrode potential increases remarkably with the desorption of lithium particularly at the end of discharge, which is one of the factors causing characteristic deterioration.
そこで、これらの問題を解決するために、電池反応に関与するリチウムを予め負極に吸蔵させておく方法が考えられる。なお、負極に炭素を用いた従来のリチウムイオン二次電池においても、負極に予め所定量のリチウムを吸蔵させておく技術が多数報告されている。例えば、金属リチウム層と炭素層を交互に積層した構造を有する粒子を用いた負極(特許文献1参照。)、遷移金属カルコゲン化合物または炭素材料の薄層にアルカリ金属を電気化学的に担持させた負極(特許文献2参照。)、金属リチウム箔を貼り付けて炭素材料中にリチウム拡散させ保持させた負極(特許文献3参照。)、電解液を注入して金属リチウムと炭素材料を短絡させることによりリチウムを導入した負極(特許文献4参照。)、炭素材料に金属リチウムを短絡させた負極に金属リチウムと錯体を形成する芳香族炭化水素を添加したリチウム二次電池(特許文献5参照。)、電池容器内に負極に対して電気的に接触させずに設けた金属リチウム製の補給部材を有するリチウム二次電池(特許文献6参照。)の報告がなされている。 In order to solve these problems, a method in which lithium involved in the battery reaction is previously occluded in the negative electrode can be considered. In addition, even in a conventional lithium ion secondary battery using carbon as a negative electrode, many techniques have been reported in which a predetermined amount of lithium is occluded in advance in the negative electrode. For example, an alkali metal is electrochemically supported on a negative electrode using particles having a structure in which metallic lithium layers and carbon layers are alternately stacked (see Patent Document 1), a transition metal chalcogen compound, or a thin layer of a carbon material. A negative electrode (see Patent Document 2), a negative electrode (see Patent Document 3) in which a lithium metal foil is attached and diffused and held in a carbon material, and an electrolytic solution is injected to short-circuit the metal lithium and the carbon material. Lithium secondary battery in which an aromatic hydrocarbon that forms a complex with metallic lithium is added to a negative electrode in which lithium is introduced by the above (see Patent Document 4), and a negative electrode in which metallic lithium is short-circuited to a carbon material (see Patent Document 5). There has been a report of a lithium secondary battery (see Patent Document 6) having a metallic lithium supply member provided in the battery container without being in electrical contact with the negative electrode.
しかし、このような炭素系負極においては、リチウムを予め吸蔵させておくことにより炭素材料の不可逆容量分を改善することはできるが、一般に炭素系負極は上述した高容量負極と異なり充放電効率が高く、さらにリチウム吸蔵量が少ないので、予めリチウムを吸蔵させることは負極容量の大きな低下につながり、実際のエネルギー密度的な観点におけるメリットは少ない。 However, in such a carbon-based negative electrode, it is possible to improve the irreversible capacity of the carbon material by preliminarily storing lithium, but in general, the carbon-based negative electrode has a charge / discharge efficiency unlike the high-capacity negative electrode described above. Since it is high and the amount of occlusion of lithium is small, occlusion of lithium in advance leads to a large decrease in negative electrode capacity, and there are few advantages in terms of actual energy density.
また、炭素以外の負極においても、例えば、ケイ素あるいはゲルマニウムよりなる負極材料にイオン注入装置を用いて予めリチウム注入処理が施されている負極(特許文献7参照。)、正極および負極共にアルカリ金属イオンを挿入しうる状態で作製し、アルカリ金属イオンと溶媒和または錯体形成しうる化合物を含む有機溶媒中にアルカリ金属を分散させた分散液に接触させてアルカリ金属を挿入した電池(特許文献8参照。)が報告されている。
しかしながら、特許文献7に記載の技術では、予め注入するリチウムイオン濃度が1×1016イオン/cm〜1×1018イオン/cm3 程度と微量であるので、サイクル劣化を補うためのリザーバーとしての役割は果たせず、その効果も小さい。さらに、特許文献7に図示されているような、プラズマを用いたごく微量のドープを行うイオン注入装置は、装置構成も複雑化する上、効果を得られる量のリチウムを簡便にドープすることが難しい。また、特許文献8は、正極および負極を共に活物質がアルカリ金属を挿入しうる状態で作製するもの、すなわち放電開始型の正極を用いるものであり、電池反応に関与するリチウム量に比べて過剰なリチウムを負極内に予め吸蔵させることにより特性の向上を図るものではない。 However, in the technique described in Patent Document 7, since the lithium ion concentration to be implanted in advance is a very small amount of about 1 × 10 16 ions / cm to 1 × 10 18 ions / cm 3, the role as a reservoir for compensating cycle deterioration Does not work and its effect is small. Furthermore, an ion implantation apparatus that performs a very small amount of doping using plasma, as illustrated in Patent Document 7, complicates the apparatus configuration, and can easily dope an effective amount of lithium. difficult. Patent Document 8 is one in which both the positive electrode and the negative electrode are produced in a state in which an active material can insert an alkali metal, that is, a discharge-initiating positive electrode is used, which is excessive compared to the amount of lithium involved in the battery reaction. It is not intended to improve the characteristics by preliminarily storing lithium in the negative electrode.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、過剰なリチウムを負極に含ませることにより、サイクル特性などの電池特性を向上させることができる電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a battery that can improve battery characteristics such as cycle characteristics by including excess lithium in the negative electrode.
本発明の負極の製造方法は、負極集電体に、気相法,液相法および焼結法からなる群のうちの少なくとも1つの方法により、ケイ素またはゲルマニウムの単体、合金および化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含む負極活物質層を形成する工程と、その負極活物質層に、負極容量の5%以上40%以下のリチウムを吸蔵させる工程とを含むようにしたものである。 The method for producing a negative electrode of the present invention comprises a group consisting of a simple substance, an alloy and a compound of silicon or germanium on at least one method selected from the group consisting of a vapor phase method, a liquid phase method and a sintering method. A step of forming a negative electrode active material layer containing at least one of the above, and a step of occluding 5% to 40% of lithium in the negative electrode capacity in the negative electrode active material layer.
本発明の二次電池の製造方法は、負極集電体に、気相法,液相法および焼結法からなる群のうちの少なくとも1つの方法により、ケイ素またはゲルマニウムの単体、合金および化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含む負極活物質層を形成する工程と、その負極活物質層に、負極容量の5%以上40%以下のリチウムを吸蔵させることで負極を作製する工程と、正極集電体に、正極活物質を形成することにより正極を作製する工程と、負極および正極を、電解質と共に外装部材に挿入する工程とを含むようにしたものである。 The method for producing a secondary battery according to the present invention comprises applying a negative electrode current collector from a simple substance, an alloy, and a compound of silicon or germanium by at least one method selected from the group consisting of a vapor phase method, a liquid phase method, and a sintering method. A step of forming a negative electrode active material layer containing at least one member of the group consisting of, and a step of making the negative electrode active material layer occlude lithium of 5% or more and 40% or less of the negative electrode capacity; The positive electrode current collector includes a step of producing a positive electrode by forming a positive electrode active material, and a step of inserting the negative electrode and the positive electrode together with an electrolyte into an exterior member.
本発明の負極および二次電池の製造方法によれば、負極集電体に形成した負極活物質層に、放電後に負極に電気化学的に活性なリチウムが残存するようにしたので、電解液との反応などによりリチウムが消費されたとしても、リチウムを補充することができ、劣化を抑制することができる。また、放電末期における負極の電位上昇を抑制することができ、負極の電位上昇に伴う劣化を抑制することができる。よって、サイクル特性などの電池特性を向上させることができる。 According to the negative electrode and secondary battery manufacturing method of the present invention, since the negative electrode active material layer formed on the negative electrode current collector has electrochemically active lithium remaining on the negative electrode after discharge, Even if lithium is consumed by the above reaction or the like, lithium can be replenished and deterioration can be suppressed. In addition, an increase in potential of the negative electrode at the end of discharge can be suppressed, and deterioration due to an increase in potential of the negative electrode can be suppressed. Therefore, battery characteristics such as cycle characteristics can be improved.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る二次電池の構成を表すものである。この二次電池は、いわゆるコイン型といわれるものであり、外装カップ11に収容された負極12と、外装缶13に収容された正極14とが、電解液を含浸させたセパレータ15を介して積層されている。外装カップ11および外装缶13の周縁部は絶縁性のガスケット16を介してかしめることにより密閉されている。外装カップ11および外装缶13は、例えば、ステンレスあるいはアルミニウムなどの金属によりそれぞれ構成されている。
(First embodiment)
FIG. 1 shows the configuration of the secondary battery according to the first embodiment of the present invention. This secondary battery is a so-called coin-type battery, in which a
負極12は、例えば、負極集電体12Aと、負極集電体12Aに設けられた負極活物質層12Bとを有している。負極活物質層12Bは、負極集電体12Aの両面に形成されていてもよく、片面に形成されていてもよい。
The
負極集電体12Aは、リチウムと金属間化合物を形成しない金属元素の少なくとも1種を含む金属材料により構成されていることが好ましい。リチウムと金属間化合物を形成すると、充放電に伴い膨張および収縮し、構造破壊が起こって、集電性が低下する他、負極活物質層12Bを支える能力が小さくなり負極活物質層12Bが負極集電体12Aから脱落し易いからである。なお、本明細書において金属材料には、金属元素の単体だけでなく、2種以上の金属元素あるいは1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とからなる合金も含める。リチウムと金属間化合物を形成しない金属元素としては、例えば、銅(Cu),ニッケル(Ni),チタン(Ti),鉄(Fe)あるいはクロム(Cr)が挙げられる。
The anode
中でも、負極活物質層12Bと合金化する金属元素が好ましい。後述するように、負極活物質層12Bがリチウムと合金化するケイ素,ゲルマニウムあるいはスズなどの単体,合金および化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含む場合には、充放電に伴い負極活物質層12Bが大きく膨張・収縮して負極集電体12Aから脱落しやすいが、負極活物質層12Bと負極集電体12Aとを合金化させて強固に接着させることにより、脱落を抑制することができるからである。リチウムと金属間化合物を形成せず、負極活物質層12Bと合金化する金属元素、例えば、ケイ素,ゲルマニウムあるいはスズの単体,合金および化合物からなる群のうちの少なくとも1種と合金化する金属元素としては、銅,ニッケル,鉄が挙げられる。特に、負極活物質層12Bとの合金化、強度および導電性の観点からは、銅,ニッケルあるいは鉄が好ましい。
Among these, a metal element that is alloyed with the negative electrode active material layer 12B is preferable. As will be described later, when the negative electrode active material layer 12B includes at least one member selected from the group consisting of simple substances, alloys, and compounds such as silicon, germanium, and tin that are alloyed with lithium, the negative electrode active material accompanies charging / discharging. Although the layer 12B expands and contracts greatly and easily falls off the negative electrode
なお、負極集電体12Aは、単層により構成してもよいが、複数層により構成してもよい。その場合、負極活物質層12Bと接する層をケイ素,ゲルマニウムあるいはスズなどの単体,合金および化合物からなる群のうちの少なくとも1種と合金化する金属材料により構成し、他の層を他の金属材料により構成するようにしてもよい。また、負極集電体12Aは、負極活物質層12Bとの界面以外は、リチウムと金属間化合物を形成しない金属元素の少なくとも1種よりなる金属材料により構成することが好ましい。
The negative electrode
負極活物質層12Bは、例えば、負極活物質として、リチウムと合金を形成可能な元素の単体,合金および化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含んで構成されている。中でも、負極活物質としては、ケイ素,ゲルマニウムあるいはスズの単体,合金および化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含むことが好ましく、特に、ケイ素の単体,合金あるいは化合物が好ましい。これらはリチウムを吸蔵・離脱する能力が大きく、組み合わせによっては従来の黒鉛と比較して負極12のエネルギー密度を高くすることができるからである。中でも特に、ケイ素の単体,合金あるいは化合物は毒性が低く、かつ安価だからである。
The negative electrode active material layer 12B includes, for example, at least one selected from the group consisting of simple elements, alloys, and compounds of elements capable of forming an alloy with lithium as the negative electrode active material. Among them, the negative electrode active material preferably includes at least one member selected from the group consisting of silicon, germanium, or tin as a simple substance, an alloy, and a compound. In particular, a silicon simple substance, an alloy, or a compound is preferable. This is because they have a large ability to occlude and release lithium, and depending on the combination, the energy density of the
ケイ素の合金あるいは化合物としては、例えば、SiB4 ,SiB6 ,Mg2 Si,Ni2 Si,TiSi2 ,MoSi2 ,CoSi2 ,NiSi2 ,CaSi2 ,CrSi2 ,Cu5 Si,FeSi2 ,MnSi2 ,NbSi2 ,TaSi2 ,VSi2 ,WSi2 ,ZnSi2 ,SiC,Si3 N4 ,Si2 N2 O,SiOv (0<v≦2)あるいはLiSiOが挙げられる。 Examples of silicon alloys or compounds include SiB 4 , SiB 6 , Mg 2 Si, Ni 2 Si, TiSi 2 , MoSi 2 , CoSi 2 , NiSi 2 , CaSi 2 , CrSi 2 , Cu 5 Si, FeSi 2 , MnSi. 2 , NbSi 2 , TaSi 2 , VSi 2 , WSi 2 , ZnSi 2 , SiC, Si 3 N 4 , Si 2 N 2 O, SiO v (0 <v ≦ 2) or LiSiO.
ゲルマニウムの化合物としては、例えば、Ge3 N4 ,GeO,GeO2 ,GeS,GeS2 ,GeF4 あるいはGeBr4 が挙げられる。スズの化合物あるいは合金としては、例えば、スズと、長周期型周期表の4〜11族に含まれる元素との合金が挙げられる。この他にも、Mg2 Sn,SnOw (0<w≦2),SnSiO3 あるいはLiSnOが挙げられる。 Examples of the germanium compound include Ge 3 N 4 , GeO, GeO 2 , GeS, GeS 2 , GeF 4, and GeBr 4 . Examples of the tin compound or alloy include an alloy of tin and an element included in groups 4 to 11 of the long-period periodic table. In addition, Mg 2 Sn, SnO w (0 <w ≦ 2), SnSiO 3 or LiSnO can be used.
負極活物質層12Bは、また、気相法,液相法および焼結法からなる群のうちの少なくとも1つの方法により形成されたものであることが好ましい。充放電に伴う負極活物質層12Bの膨張・収縮による破壊を抑制することができると共に、負極集電体12Aと負極活物質層12Bとを一体化することができ、負極活物質層12Bにおける電子伝導性を向上させることができるからである。また、バインダーおよび空隙などを低減または排除でき、負極12を薄膜化することもできるからである。なお、本明細書でいう「活物質層を焼結法により形成する」とは、活物質を含む粉末とバインダーとを混合し成形した層を、非酸化性雰囲気下等で熱処理することにより、熱処理前よりも体積密度が高く、より緻密な層を形成することを意味する。
The negative electrode active material layer 12B is preferably formed by at least one method selected from the group consisting of a vapor phase method, a liquid phase method, and a sintering method. The negative electrode active material layer 12B can be prevented from being destroyed due to expansion / contraction due to charging / discharging, and the negative electrode
負極活物質層12Bは、更に、膨張および収縮により負極集電体12Aから脱落しないように、負極集電体12Aとの界面の少なくとも一部において負極集電体12Aと合金化していることが好ましい。具体的には、界面において負極集電体12Aの構成元素が負極活物質層12Bに、または負極活物質層12Bの構成元素が負極集電体12Aに、またはそれらが互いに拡散していることが好ましい。この合金化は、負極活物質層12Bを気相法,液相法あるいは焼結法により形成する際に同時に起こることが多いが、更に熱処理が施されることにより起こったものでもよい。なお、本明細書では、上述した元素の拡散も合金化の一形態に含める。
The negative electrode active material layer 12B is preferably alloyed with the negative electrode
負極活物質層12Bには、少なくとも初期の充放電サイクルにおいて、放電後にも電気化学的に活性なリチウムが残存している。これによりこの二次電池では、電解液との反応などによりリチウムが消費されても、リチウムを補充することができると共に、放電末期における負極12の電位上昇を抑制することができるようになっている。この電気化学的に活性なリチウムは、少なくとも初回の放電後に残存していればよく、3サイクル目までの放電後に残存していればより好ましい。負極12では3サイクル程度の初期における容量劣化が著しいからである。もちろん、それ以降のサイクルにおける放電後にも電気化学的に活性なリチウムが残存していてもよい。
In the negative electrode active material layer 12B, electrochemically active lithium remains even after discharge at least in the initial charge / discharge cycle. Thereby, in this secondary battery, even if lithium is consumed due to reaction with the electrolytic solution, lithium can be replenished and the potential increase of the
負極12に電気化学的に活性なリチウムが残存しているか否かは、例えば、放電後の二次電池を解体して負極12を取り出し、金属リチウムが析出可能な金属箔などを対極とした半電池を作製し、負極12からのリチウムの脱離、対極への金属リチウムの析出が可能であるか否かにより確認される。すなわち、負極12からのリチウムの脱離が認められれば負極12に電気化学的に活性なリチウムが残存しており、負極12からのリチウムの脱離が認められなければ負極12に電気化学的に活性なリチウムが残存していないと判断される。その際、用いる電解液および半電池の形状は通電を確認することができればどのようなものでもよく、対極に用いる金属箔としてはリチウム箔,銅箔あるいはニッケル箔などが挙げられる。負極12は電池から取り出した後、リチウムとの反応性の低い有機溶媒などにより洗浄し乾燥させるようにしてもよい。
Whether or not electrochemically active lithium remains in the
このように負極活物質層12Bに放電後に電気化学的に活性なリチウムが残存するようにするには、例えば、組み立て時、すなわち初回充電前(初回充放電前)に、負極活物質層12Bに予めリチウムを吸蔵させておくことが好ましい。予めリチウムを吸蔵させておけば、充放電前にリチウムと電解液との反応により負極12に被膜を形成することができ、サイクル初期におけるリチウムの消費を抑制することができると共に、充放電に伴う膨張収縮により負極集電体12Aにかかる応力を緩和することができるからである。また、負極活物質層12Aがケイ素またはゲルマニウムの単体,合金および化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含む場合には、負極活物質層12Aに存在するダングリングボンドや、または水素あるいは酸素などの不純物を低減させることもできるからである。
Thus, in order to allow electrochemically active lithium to remain in the negative electrode active material layer 12B after discharging, for example, in the negative electrode active material layer 12B during assembly, that is, before the first charge (before the first charge / discharge). It is preferable to occlude lithium beforehand. If lithium is occluded in advance, a coating film can be formed on the
負極活物質層12Bに予め吸蔵させるリチウムの量は、負極容量の5%以上40%以下であることが好ましい。5%未満では負極12に放電後にも電気化学的に活性なリチウムを残存させることが難しく、40%を超えると容量が低下してしまうだけでなく、負極活物質とリチウムとの合金化に伴う応力により負極12が湾曲してしまい、取り扱い性および製造性が低下してしまうからである。なお、負極活物質層12Bに予め吸蔵させるリチウムの量が負極容量の5%未満であっても、負極12に放電後にも電気化学的に活性なリチウムが残存する場合もある。また、放電後に活性なリチウムが残存しない場合であっても、負極12に予めリチウムを吸蔵させておくようにすれば、残存する場合に比べて程度は小さいが、上述した効果を得ることができるので好ましい。その場合、負極活物質層12Bに予め吸蔵させるリチウムの量は、負極容量の0.5%以上とすることが好ましい。
The amount of lithium previously occluded in the negative electrode active material layer 12B is preferably 5% to 40% of the negative electrode capacity. If it is less than 5%, it is difficult to leave electrochemically active lithium in the
また、負極活物質層12Bに予め吸蔵させるリチウムの量は、金属リチウムの厚みに換算して、単位面積当たり0.02μm以上20μm以下であればより好ましい。製造方法にもよるが、単位面積当たり0.02μm未満では取り扱い雰囲気による酸化によりリチウムが失活してしまい、十分な効果を得ることができないからである。また、20μmを超えると、負極活物質層12が厚くなり、負極集電体11にかかる応力が著しく大きくなってしまい、更に、製造方法によっては取り扱い性および製造性が極度に低下してしまうからである。
The amount of lithium previously occluded in the negative electrode active material layer 12B is more preferably 0.02 μm or more and 20 μm or less per unit area in terms of the thickness of metallic lithium. Although it depends on the production method, if it is less than 0.02 μm per unit area, lithium is deactivated by oxidation in the handling atmosphere, and a sufficient effect cannot be obtained. On the other hand, if the thickness exceeds 20 μm, the negative electrode
正極14は、例えば、正極集電体14Aと、正極集電体14Aに設けられた正極活物質層14Bとを有しており、正極活物質層14Bの側が負極活物質層12Bと対向するように配置されている。正極集電体14Aは、例えば、アルミニウム,ニッケルあるいはステンレスなどにより構成されている。
The
正極活物質層14Bは、例えば、正極活物質としてリチウムを吸蔵および離脱することが可能な正極材料のいずれか1種または2種以上を含んでおり、必要に応じて炭素材料などの導電材およびポリフッ化ビニリデンなどのバインダーを含んでいてもよい。リチウムを吸蔵および離脱することが可能な正極材料としては、例えば、一般式Lix MIO2 で表されるリチウム含有金属複合酸化物が好ましい。リチウム含有金属複合酸化物は、高電圧を発生可能であると共に、高密度であるため、二次電池の更なる高容量化を図ることができるからである。なお、MIは1種類以上の遷移金属であり、例えばコバルトおよびニッケルのうちの少なくとも一方が好ましい。xは電池の充放電状態によって異なり、通常0.05≦x≦1.10の範囲内の値である。このようなリチウム含有金属複合酸化物の具体例としては、LiCoO2 あるいはLiNiO2 などが挙げられる。
The positive electrode
セパレータ15は、負極12と正極14とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。このセパレータ15は、例えば、ポリエチレンやポリプロピレンにより構成されている。
The
セパレータ15に含浸されている電解液、すなわち液状の電解質は、例えば、溶媒と、この溶媒に溶解された電解質塩であるリチウム塩と含んでおり、必要に応じて添加剤を含んでいてもよい。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,ジメチルカーボネート,ジエチルカーボネートあるいはエチルメチルカーボネート等の有機溶媒が挙げられ、これらのいずれか1種または2種以上を混合して用いてもよい。
The electrolytic solution impregnated in the
リチウム塩としては、例えば、LiPF6 ,LiCF3 SO3 あるいはLiClO4 が挙げられ、これらのいずれか1種または2種以上を混合して用いてもよい。 Examples of the lithium salt include LiPF 6 , LiCF 3 SO 3, and LiClO 4 , and any one of these or a mixture of two or more thereof may be used.
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。 For example, the secondary battery can be manufactured as follows.
まず、例えば、金属箔よりなる負極集電体12Aを用意し、負極集電体12Aに、気相法または液相法により、負極活物質を堆積させることにより負極活物質層12Bを成膜する。また、粒子状の負極活物質を含む前駆層を集電体12Aに形成したのち、これを焼結させる焼結法により負極活物質層12Bを成膜してもよいし、気相法,液相法および焼結法のうちの2つまたは3つの方法を組み合わせて負極活物質層12Bを成膜するようにしてもよい。このように気相法,液相法および焼結法からなる群のうちの少なくとも1つの方法を用いることにより、場合によっては、負極集電体12Aとの界面の少なくとも一部において負極集電体12Aと合金化した負極活物質層12Bが成膜される。なお、負極集電体12Aと負極活物質層12Bとの界面をより合金化させるために、更に、真空雰囲気下または非酸化性雰囲気下で熱処理を行うようにしてもよい。特に、鍍金により負極活物質層12Bを成膜する場合には、合金化しにくい場合があるので、必要に応じてこの熱処理を行うことが好ましい。また、気相法により成膜する場合においても、負極集電体12Aと負極活物質層12Bとの界面をより合金化させることにより特性を向上させることができる場合があるので、必要に応じてこの熱処理を行うことが好ましい。
First, for example, a negative electrode
なお、気相法としては、例えば、物理堆積法あるいは化学堆積法が挙げられ、具体的には、真空蒸着法,スパッタ法,イオンプレーティング法,レーザーアブレーション法,CVD(Chemical Vapor Deposition ;化学気相成長)法などが挙げられる。液相法としては電解鍍金あるいは無電解鍍金等の公知の手法が利用可能である。焼結法に関しても公知の手法が利用可能であり、例えば、雰囲気焼結法,反応焼結法あるいはホットプレス焼結法が利用可能である。 Examples of the vapor phase method include a physical deposition method and a chemical deposition method. Specifically, a vacuum deposition method, a sputtering method, an ion plating method, a laser ablation method, a CVD (Chemical Vapor Deposition; Phase growth) method. As the liquid phase method, a known method such as electrolytic plating or electroless plating can be used. As for the sintering method, a known method can be used, for example, an atmosphere sintering method, a reaction sintering method, or a hot press sintering method can be used.
次いで、例えば、負極活物質層12Bに負極容量の0.5%以上40%以下のリチウムを吸蔵させることが好ましい。リチウムを吸蔵させる方法には、公知のいずれの技術を用いてもよい。例えば、負極活物質層12Bの表面に気相法により金属リチウムを堆積させて吸蔵させるようにしてもよく、金属リチウム箔を貼り付けることにより、あるいは粉末状の金属リチウムを塗布することにより、リチウムを吸蔵させるようにしてもよい。また、金属リチウムと錯体を形成する芳香族化合物を用い、そのリチウム錯体と負極活物質層12Bとを接触させることによりリチウムを吸蔵させるようにしてもよいし、負極活物質層12Bに電気化学的にリチウムを挿入するようにしてもよい。 Next, for example, it is preferable that 0.5% to 40% of lithium of the negative electrode capacity be occluded in the negative electrode active material layer 12B. Any known technique may be used for the method of occluding lithium. For example, metal lithium may be deposited on the surface of the negative electrode active material layer 12B by a vapor phase method and occluded, or lithium metal foil may be attached or lithium powder may be applied by applying powdered metal lithium. May be occluded. Alternatively, an aromatic compound that forms a complex with metallic lithium may be used, and the lithium complex may be brought into contact with the negative electrode active material layer 12B so that lithium is occluded. You may make it insert lithium in.
中でも、気相法により金属リチウムを堆積させてリチウムを吸蔵させる方法が好ましい。活性の高い粉末状の金属リチウムを扱うのは危険性が高く、また、電気化学的にリチウムを挿入する場合などのように溶媒を用いると負極の取り扱いが悪くなり、電池の製造プロセスへの適用性も悪くなってしまうからである。更に、気相法によれば吸蔵させるリチウムの量を容易に制御することができると共に、大面積にわたって均一にリチウムを吸蔵させることもでき、ロール状の電極なども連続的に処理することができるからである。 Among them, a method of depositing metallic lithium by a vapor phase method and occluding lithium is preferable. It is very dangerous to handle highly active powdered metallic lithium, and if a solvent is used, such as when lithium is inserted electrochemically, the negative electrode will be handled poorly, and it will be applied to the battery manufacturing process. It is because the nature also gets worse. Furthermore, according to the vapor phase method, the amount of lithium to be occluded can be easily controlled, lithium can be occluded uniformly over a large area, and roll-shaped electrodes can be continuously processed. Because.
気相法としては、例えば真空蒸着法あるいはイオンプレーティング法などの原材料を加熱して成膜するものが好ましいが、スパッタリング法などを用いてもよい。例えば、負極活物質層12Bを気相法により成膜する場合には、用いる装置によっては大気開放せずに金属リチウムを連続して堆積させるようにしてもよい。このように連続して行うようにすれば、余分な吸着水の存在や酸化皮膜の形成を抑制することができるので好ましい。この場合、負極活物質層12Bの成膜と金属リチウムの堆積とを真空蒸着法などの同一の方法により行うようにしてもよく、負極活物質層12Bをスパッタリング法により成膜し、金属リチウムを真空蒸着により堆積させるなどの異なる方法により行うようにしてもよい。 As the vapor phase method, for example, a film formed by heating raw materials such as a vacuum deposition method or an ion plating method is preferable, but a sputtering method or the like may be used. For example, when the negative electrode active material layer 12B is formed by a vapor phase method, depending on the apparatus used, metallic lithium may be continuously deposited without opening to the atmosphere. It is preferable to carry out in this way continuously, since the presence of excess adsorbed water and the formation of an oxide film can be suppressed. In this case, the negative electrode active material layer 12B and the deposition of metallic lithium may be performed by the same method such as a vacuum evaporation method. The negative electrode active material layer 12B is formed by a sputtering method, and the metallic lithium is deposited. You may make it carry out by different methods, such as depositing by vacuum evaporation.
気相法を用いる場合、堆積させた金属リチウムは、その量あるいは堆積速度などにもよるが、堆積させる過程において負極活物質層12Bに拡散し、合金化が進行して吸蔵される。なお、リチウムの負極活物質層12Bへの拡散、合金化を促進するために、更に、非酸化雰囲気下において熱処理を行うようにしてもよい。 When the vapor phase method is used, the deposited metal lithium is diffused into the negative electrode active material layer 12B in the process of deposition, depending on the amount or deposition rate, and is alloyed and occluded. In order to promote diffusion and alloying of lithium into the negative electrode active material layer 12B, heat treatment may be further performed in a non-oxidizing atmosphere.
また、気相法を用いる場合には特に、リチウムの吸蔵量を、金属リチウムの厚みに換算して、単位面積当たり0.02μm以上20μm以下とすることが好ましい。上述したように、0.02μm未満では酸化によるリチウムの失活により十分な効果を得ることがでず、20μmを超えると、製造性が低下してしまうからである。 In particular, when the vapor phase method is used, the occlusion amount of lithium is preferably 0.02 μm or more and 20 μm or less per unit area in terms of the thickness of metallic lithium. As described above, if the thickness is less than 0.02 μm, a sufficient effect cannot be obtained due to the deactivation of lithium due to oxidation, and if it exceeds 20 μm, the productivity decreases.
また、正極14を、例えば、正極活物質と導電材とバインダーとを混合して合剤を調製し、これをN−メチルピロリドンなどの分散媒に分散させて合剤スラリーとして正極集電体14Aに塗布し、圧縮成型して正極活物質層14Bを形成することにより作製する。
Further, for example, the
そののち、例えば、負極12、電解液を含浸させたセパレータ15および正極14を積層して、外装カップ11と外装缶13との中に入れ、それらをかしめる。これにより図1に示した二次電池が得られる。
After that, for example, the
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極14からリチウムイオンが離脱し、電解液を介して負極12に吸蔵される。放電を行うと、例えば、負極12からリチウムイオンが離脱し、電解液を介して正極14に吸蔵される。その際、負極12には、少なくとも初期の充放電サイクルにおいて、放電後にも電気化学的に活性なリチウムが残存している。よって、リチウムが電解液との反応などにより消費されても、負極12からリチウムが補充される。また、放電末期においても、負極12の電位上昇が抑制される。よって、優れた充放電サイクル特性が得られる。
In this secondary battery, when charged, for example, lithium ions are released from the
このように本実施の形態では、負極12が少なくとも初期の充放電サイクルにおいて放電後にも電気化学的に活性なリチウムを有するようにしたので、電解液との反応などによりリチウムが消費されてもリチウムを補充することができ、特に初期の充放電サイクルにおいて著しく生じる劣化を抑制することができる。また、放電末期における負極12の電位上昇を抑制することもでき、負極12の電位上昇に伴う劣化も抑制することができる。よって、サイクル特性などの電池特性を向上させることができる。
As described above, in the present embodiment, since the
特に、負極12が初回充電前(初回充放電前)にリチウムを予め吸蔵しているようにすれば、予め吸蔵しているリチウムにより負極12の表面に被膜を形成することができ、サイクル初期において電解液との反応などによりリチウムが消費されることを抑制することができる。また、放電に伴う負極活物質層12の膨張収縮により負極集電体11にかかる応力を緩和することができる。更に、負極活物質層12Aがケイ素またはゲルマニウムの単体,合金および化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含む場合には、負極活物質層12Aに存在するダングリングボンドや、または水素あるいは酸素などの不純物を低減させることもできる。
In particular, if the
また、負極活物質層12Bに予め吸蔵させるリチウムの量を負極容量の0.5%以上40%以下とすれば、サイクル特性をより向上させることができると共に、容量も大きくすることができる。 Further, when the amount of lithium previously occluded in the negative electrode active material layer 12B is 0.5% or more and 40% or less of the negative electrode capacity, the cycle characteristics can be further improved and the capacity can be increased.
更に、負極活物質層12Bに予め吸蔵させるリチウムの量を、金属リチウムの厚みに換算して、単位面積当たり0.02μm以上20μm以下の範囲内とすれば、より高い効果を得ることができると共に、取り扱い性および製造性を向上させることができる。 Furthermore, if the amount of lithium previously occluded in the negative electrode active material layer 12B is converted to the thickness of metallic lithium and is within the range of 0.02 μm or more and 20 μm or less per unit area, higher effects can be obtained. , Handling and manufacturability can be improved.
加えて、負極活物質層12Bに気相法により金属リチウムを堆積させてリチウムを吸蔵させるようにすれば、吸蔵させるリチウムの量を容易に制御することができると共に、大面積にわたって均一にリチウムを吸蔵させることもできる。また、金属リチウムを堆積させる過程において負極活物質層12Bにリチウムを吸蔵させることもできるので、負極12の取り扱いを容易とすることができる。更に、負極活物質層12Bを気相法により形成する場合には、連続成膜も可能であり、製造工程を簡素化することができる。
In addition, if metal lithium is deposited on the negative electrode active material layer 12B by a vapor phase method to occlude lithium, the amount of occluded lithium can be easily controlled, and lithium can be uniformly distributed over a large area. It can also be occluded. Further, since the lithium can be occluded in the negative electrode active material layer 12B in the process of depositing metallic lithium, the
(第2の実施の形態)
図2は、本発明の第2の実施の形態に係る二次電池の構成を表すものである。この二次電池は、リード21,22が取り付けられた電極巻回体30をフィルム状の外装部材40A,40Bの内部に収容したものであり、小型化,軽量化および薄型化が可能となっている。
(Second Embodiment)
FIG. 2 shows a configuration of a secondary battery according to the second embodiment of the present invention. In this secondary battery, the
リード21,22は、外装部材40A,40Bの内部から外部に向かい例えば同一方向にそれぞれ導出されている。リード21,リード22は、例えば、アルミニウム,銅,ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料によりそれぞれ構成されており、それぞれ薄板状または網目状とされている。
The leads 21 and 22 are led out, for example, in the same direction from the inside of the
外装部材40A,40Bは、例えば、ナイロンフィルム,アルミニウム箔およびポリエチレンフィルムをこの順に張り合わせた矩形状のアルミラミネートフィルムにより構成されている。外装部材40A,40Bは、例えば、ポリエチレンフィルム側と電極巻回体30とが対向するように配設されており、各外縁部が融着あるいは接着剤により互いに密着されている。外装部材40A,40Bとリード21,リード22との間には、外気の侵入を防止するための密着フィルム41が挿入されている。密着フィルム41は、リード21,リード22に対して密着性を有する材料、例えば、ポリエチレン,ポリプロピレン,変性ポリエチレンあるいは変性ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂により構成されている。
The
なお、外装部材40A,40Bは、上述したアルミラミネートフィルムに代えて、他の構造を有するラミネートフィルム,ポリプロピレンなどの高分子フィルムあるいは金属フィルムにより構成するようにしてもよい。
The
図3は、図2に示した電極巻回体30のI−I線に沿った断面構造を表すものである。電極巻回体30は、負極31と正極32とをセパレータ33および電解質層34を介して積層し、巻回したものであり、最外周部は保護テープ35により保護されている。
FIG. 3 shows a cross-sectional structure taken along line II of the
負極31は、負極集電体31Aの片面あるいは両面に負極活物質層31B設けられた構造を有している。正極32も、正極集電体32Aの片面あるいは両面に正極活物質層32Bが設けられた構造を有しており、正極活物質層32Bの側が負極活物質層31Bと対向するように配置されている。負極集電体31A,負極活物質層31B,正極集電体32A,正極活物質層32Bおよびセパレータ33の具体的な構成は、第1の実施の形態における負極集電体12A,負極活物質層12B,正極集電体14A,正極活物質層14Bおよびセパレータ15と同様である。
The
電解質層34は、保持体に電解液を保持させたいわゆるゲル状の電解質により構成されている。ゲル状の電解質は高いイオン伝導率を得ることができると共に、電池の漏液あるいは高温における膨れを防止することができるので好ましい。電解液(すなわち溶媒および電解質塩)の構成は、第1の実施の形態と同様である。保持体は、例えば高分子材料により構成されている。高分子材料としては、例えばポリフッ化ビニリデンが挙げられる。
The
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。 For example, the secondary battery can be manufactured as follows.
まず、負極31および正極32のそれぞれに、保持体に電解液を保持させた電解質層123を形成する。そののち、負極集電体31Aの端部にリード21を溶接により取り付けると共に、正極集電体32Aの端部にリード22を溶接により取り付ける。次いで、電解質層34が形成された負極31と正極32とをセパレータ33を介して積層し積層体としたのち、この積層体をその長手方向に巻回して、最外周部に保護テープ35を接着して電極巻回体30を形成する。最後に、例えば、外装部材40A,40Bの間に電極巻回体30を挟み込み、外装部材40A,40Bの外縁部同士を熱融着などにより密着させて封入する。その際、リード21,22と外装部材40A,40Bとの間には密着フィルム41を挿入する。これにより、図2および図3に示した二次電池が完成する。
First, on each of the
この二次電池は、第1の実施の形態と同様に作用し、第1の実施の形態と同様の効果を有する。 This secondary battery operates in the same manner as in the first embodiment, and has the same effect as in the first embodiment.
更に、本発明の実施例について、図面を参照して具体的に説明する。なお、以下の実施例では、上記実施の形態において用いた符合および記号をそのまま対応させて用いる。 Further, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. In the following examples, the symbols and symbols used in the above embodiment are used in correspondence with each other.
(実施例1−1〜1−4)
図2および図3に示したような二次電池を作製した。まず、厚み15μmの銅箔よりなる負極集電体31Aの上にスパッタリング法によりケイ素よりなる負極活物質層31Bを形成した。次いで、負極活物質層31Bの上に真空蒸着法により金属リチウムを堆積させた。金属リチウムを堆積させる際の雰囲気は1×10-3Pa未満とし、堆積速度は5nm/sよりも大きくした。なお、堆積させる金属リチウムの量、すなわち負極活物質層31Bに予め吸蔵させるリチウムの量は、実施例1−1〜1−4で負極活物質層31Bの有するリチウム吸蔵容量の5%、10%、20%、30%と順に変化させた。また、負極活物質層31Bの厚みは、負極活物質層31Bの持つ容量から予め吸蔵させるリチウムの容量を差し引いた容量が一定となるようにした。すなわち負極活物質層31Bの厚みは、実施例1−1では5.26μm、実施例1−2では5.56μm、実施例1−3では6.25μm、実施例1−4では7.14μmとした。
(Examples 1-1 to 1-4)
A secondary battery as shown in FIGS. 2 and 3 was produced. First, a negative electrode active material layer 31B made of silicon was formed on a negative electrode current collector 31A made of a copper foil having a thickness of 15 μm by a sputtering method. Next, metallic lithium was deposited on the negative electrode active material layer 31B by vacuum evaporation. The atmosphere for depositing metallic lithium was less than 1 × 10 −3 Pa, and the deposition rate was greater than 5 nm / s. The amount of metallic lithium to be deposited, that is, the amount of lithium previously occluded in the negative electrode active material layer 31B is 5% and 10% of the lithium occlusion capacity of the negative electrode active material layer 31B in Examples 1-1 to 1-4. , 20%, and 30%. In addition, the thickness of the negative electrode active material layer 31B was made constant by subtracting the lithium capacity previously stored from the capacity of the negative electrode active material layer 31B. That is, the thickness of the negative electrode active material layer 31B was 5.26 μm in Example 1-1, 5.56 μm in Example 1-2, 6.25 μm in Example 1-3, and 7.14 μm in Example 1-4. did.
金属リチウムを堆積させたのち、真空槽にアルゴンガスを注入して大気圧とし負極31を取り出したところ、その段階ですでに金属リチウムは負極活物質層31Bに合金化して吸蔵されており、金属リチウムとしては存在していなかった。これにより実施例1−1〜1−4の負極31を得た。
After depositing metallic lithium, argon gas was injected into the vacuum chamber to atmospheric pressure and the
続いて、正極活物質である平均粒径5μmのコバルト酸リチウム(LiCoO2 )の粉末と、導電材であるカーボンブラックと、バインダーであるポリフッ化ビニリデンとを、コバルト酸リチウム:カーボンブラック:ポリフッ化ビニリデン=92:3:5の質量比で混合し、これを分散媒であるN−メチルピロリドンへ投入して合剤スラリーとした。そののち、この合剤スラリーを厚み15μmのアルミニウムよりなる正極集電体32Aに塗布して乾燥させ、加圧して正極活物質層32Bを形成し、正極32を作製した。
Subsequently, lithium cobaltate (LiCoO 2 ) powder having an average particle diameter of 5 μm as a positive electrode active material, carbon black as a conductive material, and polyvinylidene fluoride as a binder, lithium cobaltate: carbon black: polyfluoride Vinylidene was mixed at a mass ratio of 92: 3: 5, and this was added to N-methylpyrrolidone as a dispersion medium to form a mixture slurry. Thereafter, the mixture slurry was applied to a positive electrode
負極31および正極32を作製したのち、これらの上に、エチレンカーボネート42.5質量%と、プロピレンカーボネート42.5質量%と、リチウム塩であるLiPF6 15質量%とからなる電解液30質量%に、重量平均分子量60万のブロック共重合であるポリフッ化ビニリデン10質量%と、ジメチルカーボネート60質量%とを混合して溶解させた前駆体溶液を塗布し、常温で8時間放置してジメチルカーボネートを揮発させることにより電解質層34を形成した。
After forming the
電解質層34を形成したのち、電解質層34を形成した負極31と正極32とをセパレータ33を介して積層し、長手方向に巻回して最外周部に保護テープ35を接着して電極巻回体30を形成した。セパレータ33にはポリプロピレン製フィルムを用いた。そののち、アルミラミネートフィルムよりなる外装部材40A,40Bの内部に電極巻回体30を挟み込み封入した。これにより、実施例1−1〜1−4の二次電池を得た。
After the
作製した実施例1−1〜1−4の二次電池について、25℃の条件下で充放電試験を行い、50サイクル目の容量維持率を求めた。その際、充電は、1mA/cm2 の定電流密度で電池電圧が4.2Vに達するまで行ったのち、4.2Vの定電圧で電流密度が0.02mA/cm2 に達するまで行い、放電は、1mA/cm2 の定電流密度で電池電圧が2.5Vに達するまで行った。なお、充電を行う際には、負極31の容量から予め吸蔵させたリチウムの量を差し引いた容量の初回での利用率が90%となるようにし、負極31に金属リチウムが析出しないようにした。50サイクル目の容量維持率は、初回放電容量に対する50サイクル目の放電容量の比率、すなわち(50サイクル目の放電容量/初回放電容量)×100として算出した。得られた結果を表1に示す。
About the produced secondary battery of Examples 1-1 to 1-4, the charge / discharge test was done on 25 degreeC conditions, and the capacity | capacitance maintenance factor of the 50th cycle was calculated | required. At that time, the charge is then made in a constant current density of 1 mA / cm 2 until the battery voltage reached 4.2V, carried out at constant voltage of 4.2V until the current density reached 0.02 mA / cm 2, discharge Was performed at a constant current density of 1 mA / cm 2 until the battery voltage reached 2.5V. In addition, when performing charging, the initial utilization of the capacity obtained by subtracting the amount of lithium previously occluded from the capacity of the
また、作製した実施例1−1〜1−4の二次電池について、3サイクル目の放電終了後に電池を解体し、負極31を取り出してジメチルカーボネートで洗浄し、これを作用極としたコイン型の半電池を作製した。その際、電解質にはエチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを1:1の質量比で混合した溶媒にリチウム塩であるLiPF6 を1.0mol/dm3 となるように溶解させた電解液を用い、セパレータにはポリプロピレン製フィルムを用い、対極には金属リチウム箔を用いた。
Moreover, about the produced secondary battery of Examples 1-1 to 1-4, the battery was disassembled after the end of the third cycle discharge, the
作製した半電池について、作用極からリチウムが脱離するように、電解を0.06mA/cm2 の定電流密度で両極間電位差が1.4Vに達するまで行ったのち、1.4Vの定電圧で電流密度が0.02mA/cm2 に達するまで行ったところ、作用極からリチウムの脱離に相当する電気量が観察された。すなわち、実施例1−1〜1−4の二次電池では、負極31に放電後にも電気化学的に活性なリチウムが残存していることが分かった。なお、表1には残存Liの欄に“有”と示した。
The produced half-cell was electrolyzed at a constant current density of 0.06 mA / cm 2 until the potential difference between both electrodes reached 1.4 V so that lithium was desorbed from the working electrode, and then a constant voltage of 1.4 V When the current density reached 0.02 mA / cm 2 , an amount of electricity corresponding to lithium desorption from the working electrode was observed. That is, in the secondary batteries of Examples 1-1 to 1-4, it was found that electrochemically active lithium remained in the
実施例1−1〜1−4に対する比較例1−1として、負極に予めリチウムを吸蔵させないことを除き、他は実施例1−1〜1−4と同様にして二次電池を作製した。比較例1−1の二次電池についても、実施例1−1〜1−4と同様にして、充放電試験を行い、50サイクル目の容量維持率を求めた。その結果も表1に合わせて示す。また、実施例1−1〜1−4と同様にして、1サイクル目の放電終了後に負極を取り出して半電池を作製し、作用極からリチウムの脱離が有るか否かを確認した。その結果、作用極からリチウムの脱離に相当する電気量は観察されず、比較例1−1の二次電池では、負極に放電後に電気化学的に活性なリチウムが残存していないことが分かった。なお、表1には残存Liの欄に“無”と示した。 As Comparative Example 1-1 with respect to Examples 1-1 to 1-4, secondary batteries were fabricated in the same manner as in Examples 1-1 to 1-4 except that lithium was not previously stored in the negative electrode. For the secondary battery of Comparative Example 1-1, a charge / discharge test was performed in the same manner as in Examples 1-1 to 1-4, and the capacity retention ratio at the 50th cycle was obtained. The results are also shown in Table 1. Further, in the same manner as in Examples 1-1 to 1-4, after the discharge of the first cycle was completed, the negative electrode was taken out to prepare a half cell, and it was confirmed whether lithium was desorbed from the working electrode. As a result, the amount of electricity corresponding to lithium desorption from the working electrode was not observed, and it was found that no electrochemically active lithium remained in the negative electrode after discharging in the secondary battery of Comparative Example 1-1. It was. In Table 1, “None” is shown in the column of residual Li.
表1から分かるように、負極31に放電後も電気化学的に活性なリチウムが残存している実施例1−1〜1−4によれば、残存していない比較例1−1に比べて、高い容量維持率が得られた。すなわち、負極31が放電後にも電気化学的に活性なリチウムを有するようにすれば、サイクル特性を向上させることができることが分かった。
As can be seen from Table 1, according to Examples 1-1 to 1-4 in which electrochemically active lithium remains in the
(実施例2−1〜2−4)
負極活物質層31Bをスパッタリング法でゲルマニウムにより形成したことを除き、他は実施例1−1〜1−4と同様にして実施例2−1〜2−4の負極31を作製し、同様にして二次電池を作製した。また、実施例2−1〜2−4に対する比較例2−1として、負極に予めリチウムを吸蔵させないことを除き、他は実施例2−1〜2−4と同様にして負極を作製し、二次電池を作製した。作製した実施例2−1〜2−4および比較例2−1の二次電池についても、実施例1−1〜1−4と同様にして、充放電試験を行い、50サイクル目の容量維持率を求めた。また、放電後の負極31を取り出して半電池を作製し、実施例2−1〜2−4については3サイクル目の放電後の負極31に電気化学的に活性なリチウムが残存しているか否かを、比較例2−1については1サイクル目の放電後の負極に電気化学的に活性なリチウムが残存しているか否かを確認した。その結果を表2に示す。
(Examples 2-1 to 2-4)
Except that the negative electrode active material layer 31B was formed of germanium by a sputtering method, the
表2に示したように、実施例2−1〜2−4には放電後に電気化学的に活性なリチウムが残存していたが、比較例2−1には放電後に電気化学的に活性なリチウムが残存していなかった。また、実施例2−1〜2−4によれば、実施例1−1〜1−4と同様に、比較例2−1よりも高い容量維持率が得られた。すなわち、負極活物質にゲルマニウムを用いても、ケイ素を用いた場合と同様に、負極31に放電後も電気化学的に活性なリチウムが残存するようにすれば、サイクル特性を向上させることができることが分かった。
As shown in Table 2, in Examples 2-1 to 2-4, electrochemically active lithium remained after discharge, but in Comparative Example 2-1, it was electrochemically active after discharge. Lithium did not remain. Moreover, according to Examples 2-1 to 2-4, a capacity retention rate higher than that of Comparative Example 2-1 was obtained as in Examples 1-1 to 1-4. That is, even when germanium is used as the negative electrode active material, cycle characteristics can be improved if electrochemically active lithium remains in the
(実施例3−1〜3−4)
厚み15μmの銅箔よりなる負極集電体31Aの上に真空蒸着法によりスズよりなる厚み5μmの負極活物質層31Bを形成し、続いて不活性雰囲気下において200℃で12時間熱処理を行い、そののち負極活物質層31Bの上に真空蒸着法により金属リチウムを堆積させて負極31を作製したことを除き、他は実施例1−1〜1−4と同様にして二次電池を作製した。また、実施例3−1〜3−4に対する比較例3−1として、負極に予めリチウムを吸蔵させないことを除き、他は実施例3−1〜3−4と同様にして負極を作製し、二次電池を作製した。作製した実施例3−1〜3−4および比較例3−1の二次電池についても、実施例1−1〜1−4と同様にして、充放電試験を行い、50サイクル目の容量維持率を求めた。また、放電後の負極31を取り出して半電池を作製し、実施例3−1〜3−4については3サイクル目の放電後の負極31に電気化学的に活性なリチウムが残存しているか否かを、比較例3−1については1サイクル目の放電後の負極に電気化学的に活性なリチウムが残存しているか否かを確認した。その結果を表3に示す。
(Examples 3-1 to 3-4)
The anode active material layer 31B having a thickness of 5μm composed of tin by vacuum evaporation on the anode current collector 31A made of a copper foil having a thickness of 15μm was formed, followed by 200 ° C. under an inert atmosphere is performed for 12 hours heat treatment Thereafter, a secondary battery was produced in the same manner as in Examples 1-1 to 1-4 except that the
表3に示したように、実施例3−1〜3−4には放電後に電気化学的に活性なリチウムが残存していたが、比較例3−1には放電後に電気化学的に活性なリチウムが残存していなかった。また、実施例3−1〜3−4によれば、実施例1−1〜1−4,2−1〜2−4と同様に、比較例3−1よりも高い容量維持率が得られた。すなわち、負極活物質にスズを用いても、ケイ素あるいはゲルマニウムを用いた場合と同様に、負極31に放電後も電気化学的に活性なリチウムが残存するようにすれば、サイクル特性を向上させることができることが分かった。
As shown in Table 3, in Examples 3-1 to 3-4, electrochemically active lithium remained after discharge, but in Comparative Example 3-1, it was electrochemically active after discharge. Lithium did not remain. Moreover, according to Examples 3-1 to 3-4, a capacity retention rate higher than that of Comparative Example 3-1 is obtained as in Examples 1-1 to 1-4 and 2-1 to 2-4. It was. That is, even if tin is used for the negative electrode active material, cycle characteristics can be improved if electrochemically active lithium remains in the
なお、真空蒸着法に代えてめっきにより負極活物質層31Bを形成したことを除き、実施例3−1〜3−4と同様にして二次電池を作製し、評価したところ、実施例3−1〜3−4と同様の結果が得られた。 A secondary battery was fabricated and evaluated in the same manner as in Examples 3-1 to 3-4 except that the negative electrode active material layer 31B was formed by plating instead of the vacuum evaporation method. Results similar to 1-3-4 were obtained.
(実施例4−1〜4−5)
図1に示したようなコイン型の二次電池を作製した。負極12は実施例1−1〜1−4と同様にして作製した。その際、堆積させる金属リチウムの量、すなわち負極活物質層12Bに予め吸蔵させるリチウムの量は、実施例4−1〜4−5で負極活物質層12Bの有するリチウム吸蔵容量の5%、10%、20%、30%、40%と順に変化させた。また、負極活物質層12Bの厚みは、負極活物質層12Bの持つ容量から予め吸蔵させるリチウムの容量を差し引いた容量が一定となるように、実施例4−1では5.26μm、実施例4−2では5.56μm、実施例4−3では6.25μm、実施例4−4では7.14μm、実施例4−5では8.33μmとした。
(Examples 4-1 to 4-5)
A coin-type secondary battery as shown in FIG. 1 was produced. The
また、正極14も実施例1−1〜1−4と同様にして作製した。次いで、作製した負極12と正極14とを電解液を含浸させたセパレータ15を介して積層し、外装カップ11および電池缶13の中に入れ、かしめることにより封入した。電解液にはエチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを1:1の質量比で混合した溶媒に、リチウム塩であるLiPF6 を1.0mol/dm3 となるように溶解させたものを用い、セパレータ50にはポリプロピレン製フィルムを用いた。これにより実施例4−1〜4−5の二次電池を得た。電池の大きさは直径20mm、厚み16mmとした。
The
実施例4−1〜4−5に対する比較例4−1として、負極に予めリチウムを吸蔵させないことを除き、他は実施例4−1〜4−5と同様にして負極を作製し、二次電池を作製した。また、実施例4−1〜4−5に対する比較例4−2〜4−4として、負極に予め吸蔵させるリチウムの量を負極活物質層の有するリチウム吸蔵容量の0.3%、0.5%、または1%としたことを除き、他は実施例4−1〜4−5と同様にして負極を作製し、二次電池を作製した。 As Comparative Example 4-1, with respect to Examples 4-1 to 4-5, a negative electrode was produced in the same manner as in Examples 4-1 to 4-5 except that lithium was not previously stored in the negative electrode. A battery was produced. Further, as Comparative Examples 4-2 to 4-4 with respect to Examples 4-1 to 4-5, the amount of lithium previously stored in the negative electrode was 0.3% of the lithium storage capacity of the negative electrode active material layer, 0.5% A negative electrode was produced in the same manner as in Examples 4-1 to 4-5, except that the content was changed to% or 1%, and a secondary battery was produced.
作製した実施例4−1〜4−5および比較例4−1〜4−4の二次電池についても、実施例1−1〜1−4と同様にして、充放電試験を行い、50サイクル目の容量維持率を求めた。また、1サイクル目の放電後の負極12を取り出して半電池を作製し、負極12に電気化学的に活性なリチウムが残存しているか否かを確認した。その結果を表4に示す。
For the fabricated secondary batteries of Examples 4-1 to 4-5 and Comparative Examples 4-1 to 4-4, a charge / discharge test was performed in the same manner as in Examples 1-1 to 1-4, and 50 cycles were performed. The eye capacity retention rate was determined. Further, the
表4に示したように、実施例4−1〜4−5には放電後に電気化学的に活性なリチウムが残存していたが、比較例4−1〜4−4には放電後に電気化学的に活性なリチウムが残存しておらず、実施例4−1〜4−5の方が比較例4−1〜4−4よりも高い容量維持率が得られた。なお、比較例4−1〜4−4の結果から、放電後に電気化学的に活性なリチウムが残存しない場合であっても、負極に予めリチウムを吸蔵させておくようにすれば、サイクル特性を改善できることが分かった。また、負極に予め吸蔵させるリチウムの量を負極活物質層の有するリチウム吸蔵容量の0.5%以上とすればより好ましいことも分かった。 As shown in Table 4, in Examples 4-1 to 4-5, electrochemically active lithium remained after discharge, but in Comparative Examples 4-1 to 4-4, electrochemical after discharge. No active lithium remained, and Examples 4-1 to 4-5 were higher in capacity retention than Comparative Examples 4-1 to 4-4. In addition, from the results of Comparative Examples 4-1 to 4-4, even when electrochemically active lithium does not remain after discharge, cycle characteristics can be improved by preliminarily storing lithium in the negative electrode. It turns out that it can improve. It has also been found that it is more preferable if the amount of lithium previously stored in the negative electrode is 0.5% or more of the lithium storage capacity of the negative electrode active material layer.
(実施例5−1〜5−5)
負極活物質層12Bをスパッタリング法でゲルマニウムにより形成したことを除き、他は実施例4−1〜4−5と同様にして負極12を作製し、同様にして二次電池を作製した。また、実施例5−1〜5−5に対する比較例5−4として、負極に予め吸蔵させるリチウムの量を表5に示したように変えたことを除き、他は実施例5−1〜5−5と同様にして負極を作製し、二次電池を作製した。作製した実施例5−1〜5−5および比較例5−1〜5−4の二次電池についても、実施例1−1〜1−4と同様にして、充放電試験を行い、50サイクル目の容量維持率を求めた。また、1サイクル目の放電後の負極12を取り出して半電池を作製し、負極12に電気化学的に活性なリチウムが残存しているか否かを確認した。その結果を表5に示す。
(Examples 5-1 to 5-5)
Except that the negative electrode active material layer 12B was formed of germanium by a sputtering method, the
表5に示したように、実施例5−1〜5−5には放電後に電気化学的に活性なリチウムが残存していたが、比較例5−1〜5−4には放電後に電気化学的に活性なリチウムが残存しておらず、実施例5−1〜5−5の方が比較例5−1〜5−4よりも高い容量維持率が得られた。また、比較例5−1〜5−4の結果から、負極活物質にゲルマニウムを用いた場合も、ケイ素を用いた場合と同様に、負極に予めリチウムを吸蔵させておくようにすればサイクル特性を改善することができ、予め吸蔵させるリチウムの量を負極活物質層の有するリチウム吸蔵容量の0.5%以上とすればより好ましいことが分かった。 As shown in Table 5, in Examples 5-1 to 5-5, electrochemically active lithium remained after discharge, but in Comparative Examples 5-1 to 5-4, electrochemical after discharge. No active lithium remained, and Examples 5-1 to 5-5 were higher in capacity retention than Comparative Examples 5-1 to 5-4. In addition, from the results of Comparative Examples 5-1 to 5-4, when germanium is used as the negative electrode active material, cycle characteristics can be obtained by previously storing lithium in the negative electrode, as in the case of using silicon. It has been found that it is more preferable that the amount of lithium stored in advance is 0.5% or more of the lithium storage capacity of the negative electrode active material layer.
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、電解質の保持体として高分子材料を用いる場合について説明したが、窒化リチウムあるいはリン酸リチウムを含む無機伝導体を保持体として用いてもよく、高分子材料と無機伝導体とを混合して用いてもよい。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments and examples, the present invention is not limited to the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiments and examples, the case where a polymer material is used as an electrolyte holding member has been described. However, an inorganic conductor containing lithium nitride or lithium phosphate may be used as a holding member. And an inorganic conductor may be mixed and used.
また、上記実施の形態および実施例では、負極集電体12A,31Aに負極活物質層12B,31Bが設けられた負極12,31について説明したが、負極集電体と負極活物質層との間に他の層を有していてもよい。
Moreover, although the said embodiment and Example demonstrated the
更に、上記実施の形態および実施例では、コイン型、または巻回ラミネート型の二次電池について説明したが、本発明は、円筒型、角型、ボタン型、薄型、大型、積層ラミネート型の二次電池についても同様に適用することができる。また、二次電池に限らず、一次電池についても適用することができる。 Further, in the above embodiments and examples, a coin type or wound laminate type secondary battery has been described. However, the present invention is not limited to a cylindrical type, a square type, a button type, a thin type, a large size, and a laminated laminate type. The same applies to the secondary battery. Moreover, not only a secondary battery but a primary battery is applicable.
11…外装カップ、12,31…負極、12A,31A…負極集電体、12B,31B
…負極活物質層、13…外装缶、14,32…正極、14A,32A…正極集電体、14
B,32B…正極活物質層、15,33…セパレータ、16…ガスケット、21,22…
リード、30…電極巻回体、34…電解質層、35…保護テープ
11 ... exterior cup, 12, 31 ... negative electrode, 12A, 31A ... negative electrode current collector, 12B, 31B
... negative electrode active material layer, 13 ... outer can, 14, 32 ... positive electrode, 14A, 32A ... positive electrode current collector, 14
B, 32B ... positive electrode active material layer, 15, 33 ... separator, 16 ... gasket, 21, 22 ...
Lead, 30 ... wound electrode body, 34 ... electrolyte layer, 35 ... protective tape
Claims (8)
前記負極活物質層に、負極容量の5%以上40%以下のリチウムを吸蔵させる工程と
を含む負極の製造方法。 The negative electrode current collector is subjected to at least one method selected from the group consisting of a vapor phase method, a liquid phase method, and a sintering method, from the group consisting of a simple substance, an alloy, and a compound of silicon (Si) or germanium (Ge). Forming a negative electrode active material layer containing at least one kind;
And a step of occluding 5% to 40% of lithium in the negative electrode capacity in the negative electrode active material layer.
請求項1記載の負極の製造方法。 The method for producing a negative electrode according to claim 1, wherein in the step of occluding lithium, metallic lithium is deposited on the surface of the negative electrode active material layer by a vapor phase method.
請求項2記載の負極の製造方法。 3. The method for producing a negative electrode according to claim 2, wherein the storage amount of lithium is 0.02 μm or more and 20 μm or less per unit area in terms of the thickness of metallic lithium.
請求項1記載の負極の製造方法。 The method for producing a negative electrode according to claim 1, wherein in the step of occluding lithium, a metal lithium foil is attached to or applied to the surface of the negative electrode active material layer.
請求項1記載の負極の製造方法。 The method for producing a negative electrode according to claim 1, wherein in the step of occluding lithium, a lithium complex of an aromatic compound that forms a complex with metallic lithium is brought into contact with the negative electrode active material layer.
請求項1記載の負極の製造方法。 The method for producing a negative electrode according to claim 1, further comprising a step of performing a heat treatment in a vacuum atmosphere or a non-oxidizing atmosphere after the step of forming the negative electrode active material layer.
請求項1記載の負極の製造方法。 The method for producing a negative electrode according to claim 1, further comprising a step of performing a heat treatment in a non-oxidizing atmosphere after the step of occluding lithium.
前記負極活物質層に、負極容量の5%以上40%以下のリチウムを吸蔵させることで負極を作製する工程と、
正極集電体に、正極活物質を形成することにより正極を作製する工程と、
前記負極および正極を、電解質と共に、外装部材に挿入する工程と
を含む二次電池の製造方法。 The negative electrode current collector is subjected to at least one method selected from the group consisting of a vapor phase method, a liquid phase method, and a sintering method, from the group consisting of a simple substance, an alloy, and a compound of silicon (Si) or germanium (Ge). Forming a negative electrode active material layer containing at least one kind;
Producing a negative electrode by occluding 5% to 40% of lithium in the negative electrode capacity in the negative electrode active material layer;
Forming a positive electrode by forming a positive electrode active material on the positive electrode current collector;
A step of inserting the negative electrode and the positive electrode together with an electrolyte into an exterior member.
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