JP2013073924A - Negative electrode for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭素材料を含む活物質層上に、チタン酸リチウムを含む保護層を形成した構造のリチウムイオン二次電池用負極、及びそれを用いたリチウムイオン二次電池用負極に関する。 The present invention relates to a negative electrode for a lithium ion secondary battery having a structure in which a protective layer containing lithium titanate is formed on an active material layer containing a carbon material, and a negative electrode for a lithium ion secondary battery using the same.
リチウムイオン二次電池は、携帯用電子機器や通信機器などの駆動電源として利用が広がっている。一般に、リチウムイオン二次電池では、負極板に、リチウムの吸蔵・放出が可能な炭素材料を用い、正極板には、LiCoO2などの遷移金属とリチウムの複合酸化物を活物質として用いており、これによって高出力、高容量の二次電池を実現している。近年、電子機器および通信機器の多機能化に伴って、さらなる高出力、高容量化が望まれている。 Lithium ion secondary batteries are widely used as drive power sources for portable electronic devices and communication devices. Generally, in a lithium ion secondary battery, a carbon material capable of occluding and releasing lithium is used for the negative electrode plate, and a composite oxide of lithium and a transition metal such as LiCoO 2 is used as the active material for the positive electrode plate. As a result, a high-power, high-capacity secondary battery is realized. In recent years, with higher functionality of electronic devices and communication devices, higher output and higher capacity are desired.
ところで、高出力、高容量化を図ったリチウムイオン二次電池においては、例えば、何らかの原因で異物が電池内部に混入することによってセパレータが損傷し、これにより、正極板と負極板とが内部短絡を起こした場合、短絡部位に電流が集中して流れることによって急激な発熱が生じ、これに起因して、正極および負極材料の分解や、電解液の沸騰又は分解によるガス発生等が起きるおそれがある。 By the way, in a lithium ion secondary battery with a high output and a high capacity, for example, a foreign substance is mixed into the battery for some reason, and thus the separator is damaged, thereby causing an internal short circuit between the positive electrode plate and the negative electrode plate. When this occurs, rapid heat generation occurs due to the concentrated current flowing in the short-circuited part, which may cause decomposition of the positive and negative electrode materials, gas generation due to boiling or decomposition of the electrolyte, and the like. is there.
このような内部短絡に起因する問題に対して、負極活物質層又は正極活物質層の表面に、アルミナ等の絶縁性微粒子を含む多孔性保護膜を被覆することによって、内部短絡の発生を防止する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 To prevent problems caused by such internal short circuits, the surface of the negative electrode active material layer or positive electrode active material layer is covered with a porous protective film containing insulating fine particles such as alumina to prevent the occurrence of internal short circuits. A method has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、負極活物質層又は正極活物質層の表面に被覆されたアルミナ等の絶縁性微粒子を含む多孔性保護膜は、導電性が低いため、電池の内部抵抗が増加し、電池の高出力特性を低下させる要因となる。また、活物質として機能しないため、電池の高容量化を阻害させる要因ともなる。 However, since the porous protective film containing insulating fine particles such as alumina coated on the surface of the negative electrode active material layer or the positive electrode active material layer has low conductivity, the internal resistance of the battery increases, and the high output characteristics of the battery It becomes a factor to reduce. Moreover, since it does not function as an active material, it becomes a factor which inhibits the high capacity | capacitance of a battery.
そこで、特許文献2には、集電体の表面に炭素材料等を含む主負極層を形成し、さらに、この主負極層の表面に、スピネル構造を有するチタン酸リチウムを含む表面層を形成した負極構造が記載されている。チタン酸リチウムは、リチウムを吸蔵、放出する性質を有するため、負極活物質として機能するが、スピネル構造を有するチタン酸リチウムは、リチウムを吸蔵している状態では低抵抗を示すが、リチウムを吸蔵していない状態では、高抵抗を示す。従って、内部短絡が発生した場合、短絡部で急激な放電が生じるため、短絡部近傍のチタン酸リチウムはリチウムを吸蔵していない状態になる。その結果、短絡部での表面層の抵抗が大きくなるため、短絡部に大電流が流れるのを抑制することができる。 Therefore, in Patent Document 2, a main negative electrode layer containing a carbon material or the like is formed on the surface of the current collector, and further, a surface layer containing lithium titanate having a spinel structure is formed on the surface of the main negative electrode layer. A negative electrode structure is described. Lithium titanate has a property of occluding and releasing lithium, and thus functions as a negative electrode active material. However, lithium titanate having a spinel structure shows low resistance in the state of occluding lithium, but occludes lithium. When it is not, it shows high resistance. Therefore, when an internal short circuit occurs, rapid discharge occurs in the short circuit part, so that lithium titanate near the short circuit part does not occlude lithium. As a result, the resistance of the surface layer at the short-circuit portion increases, so that a large current can be suppressed from flowing through the short-circuit portion.
特許文献2に記載の表面層に用いるチタン酸リチウムは、炭素材料に比べて、導電性が低く、容量も小さい。そのため、表面層の膜厚を厚くすると、電池の高出力、高容量化を妨げる、という問題がある。一方、表面層の膜厚を薄くすると、スピネル構造を有するチタン酸リチウムに固有の電流遮断効果が十分に発揮できない、という問題がある。 The lithium titanate used for the surface layer described in Patent Document 2 has lower conductivity and smaller capacity than the carbon material. Therefore, when the film thickness of the surface layer is increased, there is a problem that high output and high capacity of the battery are hindered. On the other hand, when the film thickness of the surface layer is reduced, there is a problem that the current blocking effect inherent to the lithium titanate having a spinel structure cannot be sufficiently exhibited.
本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、電池の高出力、高容量特性を低下させることなく、内部短絡時等の安全性を確保したリチウムイオン二次電池用負極を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and its main purpose is a negative electrode for a lithium ion secondary battery that ensures safety at the time of an internal short circuit without deteriorating the high output and high capacity characteristics of the battery. Is to provide.
本発明に係るリチウムイオン二次電池用負極は、集電体と、集電体の上に形成された活物質を含む第1の層と、第1の層の上に形成された、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な金属酸化物を含む第2の層とを備え、活物質は、炭素材料からなり、金属酸化物の平均粒径は、炭素材料の平均粒径の1/10以下であり、保護層の平均膜厚は、金属酸化物の平均粒径の3倍以上であることを特徴とする。 A negative electrode for a lithium ion secondary battery according to the present invention includes a current collector, a first layer containing an active material formed on the current collector, and a lithium ion formed on the first layer. The active material is made of a carbon material, and the average particle size of the metal oxide is 1/10 or less of the average particle size of the carbon material. The average film thickness of the protective layer is 3 times or more the average particle diameter of the metal oxide.
ある好適な実施形態において、上記金属酸化物は、チタン酸リチウムからなる。 In a preferred embodiment, the metal oxide comprises lithium titanate.
他の好適な実施形態において、上記金属酸化物の平均粒径は、1μm以上である。さらに、金属酸化物の90%積算粒子径(D90)は、4μm以下であることが好ましい。 In another preferred embodiment, the metal oxide has an average particle size of 1 μm or more. Further, the 90% cumulative particle size (D90) of the metal oxide is preferably 4 μm or less.
他の好適な実施形態において、上記保護層の膜厚は、3〜30μmの範囲にある。 In another preferred embodiment, the protective layer has a thickness in the range of 3 to 30 μm.
本発明によれば、電池の高出力、高容量特性を低下させることなく、内部短絡時等の安全性を確保したリチウムイオン二次電池用負極を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the negative electrode for lithium ion secondary batteries which ensured safety | security at the time of an internal short circuit etc. can be provided, without reducing the high output of a battery, and a high capacity | capacitance characteristic.
本発明を説明する前に、本発明を想到するに至った経緯をまず説明する。 Before explaining the present invention, the background to the idea of the present invention will be described first.
上述したように、チタン酸リチウムは、炭素材料に比べて、導電性が低く、容量も小さい一方、チタン酸リチウム中のリチウムイオンの拡散速度は、炭素材料中のリチウムイオンの拡散速度よりも大きいという特性がある。 As described above, lithium titanate has lower conductivity and smaller capacity than carbon materials, while the diffusion rate of lithium ions in lithium titanate is larger than the diffusion rate of lithium ions in carbon material. There is a characteristic.
従って、炭素材料を含む活物質層上に、チタン酸リチウムを含む保護層を形成した構造の負極は、リチウムイオン二次電池を高出力化したときに、炭素材料を含む活物質層上に、リチウムが析出するのを抑制する効果が期待できる。これにより、高出力化を図ったリチウムイオン二次電池において、リチウム析出に伴う内部短絡等の発生を効果的に防止することが可能となる。 Therefore, the negative electrode having a structure in which a protective layer containing lithium titanate is formed on an active material layer containing a carbon material is formed on the active material layer containing a carbon material when the output of the lithium ion secondary battery is increased. An effect of suppressing lithium deposition can be expected. This makes it possible to effectively prevent the occurrence of an internal short circuit or the like due to lithium deposition in a lithium ion secondary battery with high output.
一方、チタン酸リチウムは、炭素材料に比べて、導電性が低く、容量も小さいため、炭素材料を含む活物質層の容量低下を抑えるためには、チタン酸リチウムを含む保護層の膜厚を出来るだけ薄く形成する必要がある。 On the other hand, since lithium titanate has lower conductivity and smaller capacity than carbon materials, the thickness of the protective layer containing lithium titanate should be reduced in order to suppress a decrease in capacity of the active material layer containing carbon materials. It is necessary to make it as thin as possible.
しかしながら、保護層を薄膜化した場合、活物質層の一部が露出すると、その露出部にリチウムが析出するおそれがあり、特に、電池を高出力化した場合、安全性の低下や、サイクル特性の低下を招くおそれがある。 However, when the protective layer is thinned, if a part of the active material layer is exposed, lithium may be deposited on the exposed portion. In particular, when the output of the battery is increased, the safety is reduced and the cycle characteristics are increased. There is a risk of lowering.
本願発明者等は、チタン酸リチウムを含む保護層を形成した負極構造において、保護層の薄膜化を検討していたところ、保護層が欠損して、活物質層の一部が露出しないためには、活物質層を構成する炭素材料の粒径と、保護層を構成するチタン酸リチウムの粒径との関係を考慮しなければならないことを見出し、本発明を想到するに至った。 Inventors of the present application have been studying thinning of the protective layer in the negative electrode structure in which the protective layer containing lithium titanate is formed, because the protective layer is lost and part of the active material layer is not exposed. Has found that the relationship between the particle size of the carbon material constituting the active material layer and the particle size of lithium titanate constituting the protective layer must be considered, and the present invention has been conceived.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment. Moreover, it can change suitably in the range which does not deviate from the range which has the effect of this invention. Furthermore, combinations with other embodiments are possible.
図1は、本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池用負極2の構成を示した断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a negative electrode 2 for a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention.
図1に示すように、負極2は、集電体10と、集電体10の上に形成された活物質を含む活物質層(第1の層)11と、活物質層11の上に形成された、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な金属酸化物を含む保護層(第2の層)12とを備えている。 As shown in FIG. 1, the negative electrode 2 includes a current collector 10, an active material layer (first layer) 11 containing an active material formed on the current collector 10, and an active material layer 11. And a protective layer (second layer) 12 containing a metal oxide capable of inserting and extracting lithium ions.
ここで、活物質層11に含まれる活物質は炭素材料からなり、例えば、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、炭素繊維等が挙げられる。また、保護層12に含まれる金属酸化物は、例えば、チタン酸リチウムの他、酸化モリブデン等が挙げられる。 Here, the active material contained in the active material layer 11 is made of a carbon material, and examples thereof include graphite, carbon black, acetylene black, and carbon fiber. Examples of the metal oxide included in the protective layer 12 include molybdenum oxide in addition to lithium titanate.
なお、活物質層11には、所定量の結着剤が含まれていてもよい。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素系ゴム、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ニトリルブタジエンゴム(NBR)、アクリルゴム(ACM)等が挙げられる。 The active material layer 11 may contain a predetermined amount of binder. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVDF), fluorine-based rubber, styrene butadiene rubber (SBR), nitrile butadiene rubber (NBR), acrylic rubber (ACM), and the like.
また、保護層12には、所定量の導電剤及び結着剤が含まれていてもよい。導電剤としては、黒鉛等の炭素材料が挙げられる。また結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素系ゴム、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ニトリルブタジエンゴム(NBR)、アクリルゴム(ACM)等が挙げられる。 Further, the protective layer 12 may contain a predetermined amount of a conductive agent and a binder. Examples of the conductive agent include carbon materials such as graphite. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVDF), fluorine rubber, styrene butadiene rubber (SBR), nitrile butadiene rubber (NBR), and acrylic rubber (ACM).
また、集電体10は、例えば、銅箔または銅合金箔を用いることができる。 Moreover, the collector 10 can use copper foil or copper alloy foil, for example.
なお、本実施形態において、保護層12は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な金属酸化物を含むため、活物質層としても機能するが、保護層12に含まれる金属酸化物が、活物質層11に含まれる炭素材料に比べて導電性の低い材料で構成されていることから、便宜的に、活物質層11と区別して、保護層12と呼んでいる。 In the present embodiment, the protective layer 12 includes a metal oxide capable of inserting and extracting lithium ions, and thus functions as an active material layer. However, the metal oxide contained in the protective layer 12 is an active material layer. 11 is made of a material having a lower conductivity than the carbon material contained in the carbon material 11, and for convenience, is distinguished from the active material layer 11 and is called a protective layer 12.
図2は、本実施形態における負極2を用いたリチウムイオン二次電池100の構成を示した断面図である。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a lithium ion secondary battery 100 using the negative electrode 2 in the present embodiment.
図2に示すように、正極1と負極2とがセパレータ3を介して捲回された電極群4が、非水電解液(不図示)とともに、電池ケース7に収容されている。正極1は、正極リード5を介して正極端子を兼ねる封口体8に接合され、負極2は、負極リード6を介して負極端子を兼ねる電池ケース7の底部に接合されている。そして、電池ケース7の開口部は、ガスケット9を介して、封口体8で封口されている。 As shown in FIG. 2, an electrode group 4 in which a positive electrode 1 and a negative electrode 2 are wound through a separator 3 is housed in a battery case 7 together with a non-aqueous electrolyte (not shown). The positive electrode 1 is joined to a sealing body 8 that also serves as a positive electrode terminal via a positive electrode lead 5, and the negative electrode 2 is joined to the bottom of a battery case 7 that also serves as a negative electrode terminal via a negative electrode lead 6. The opening of the battery case 7 is sealed with a sealing body 8 via a gasket 9.
本実施形態において、負極2以外のリチウムイオン二次電池100を構成する他の構成要素については、特に制限はなく、通常使用される部材等を用いることができる。 In this embodiment, there are no particular limitations on the other components constituting the lithium ion secondary battery 100 other than the negative electrode 2, and members that are normally used can be used.
次に、図3(a)、(b)を参照しながら、保護層12の膜厚を薄くしていったときの、金属酸化物の平均粒径と、炭素材料の平均粒径との関係を説明する。 Next, the relationship between the average particle diameter of the metal oxide and the average particle diameter of the carbon material when the film thickness of the protective layer 12 is reduced with reference to FIGS. Will be explained.
ここで、「平均粒径」とは、粒子の粒度分布において、累積体積が50%となる粒径(D50)を意味する。なお、粒子の粒度分布は、例えば、レーザー回折式の粒度分布測定装置によって測定することができる。 Here, the “average particle size” means a particle size (D50) at which the cumulative volume is 50% in the particle size distribution of the particles. The particle size distribution of the particles can be measured by, for example, a laser diffraction type particle size distribution measuring apparatus.
図3(a)、(b)は、活物質層11を構成する炭素材料21の配列と、保護層12を構成する金属酸化物20の配列を模式的に示した断面図である。なお、炭素材料21と金属酸化物20の粒子は、平均粒径の大きさを用いて表示している。 3A and 3B are cross-sectional views schematically showing the arrangement of the carbon material 21 constituting the active material layer 11 and the arrangement of the metal oxide 20 constituting the protective layer 12. In addition, the particle | grains of the carbon material 21 and the metal oxide 20 are displayed using the magnitude | size of an average particle diameter.
図3(a)、(b)に示すように、活物質層11の表面は、炭素材料21の平均粒径D2にほぼ相当した大きさの凹凸が生じている。従って、活物質層11の表面には、平均粒径D1の金属酸化物20が、その凹凸を埋めるように配列して、保護層12が形成される。 As shown in FIGS. 3A and 3B, the surface of the active material layer 11 has irregularities having a size substantially corresponding to the average particle diameter D 2 of the carbon material 21. Therefore, the surface of the active material layer 11, the average particle diameter D 1 of the metal oxide 20 are arranged so as to fill the unevenness, the protective layer 12 is formed.
ここで、保護層12が、炭素材料21の表面に、金属酸化物20が1個程度に配列する程度の薄さで、活物質層11上に形成されることを想定した場合、図3(a)に示すように、金属酸化物20の平均粒径D1が、炭素材料21の平均粒径D2よりも十分小さければ、炭素材料21上に、金属酸化物20が欠損することなく、凹凸を埋めて保護層12を形成することができる。しかし、図3(b)に示すように、金属酸化物20の平均粒径D1が、炭素材料21の平均粒径D2に対して相対的に大きくなれば、炭素材料21上に、金属酸化物20が欠損する可能性が高くなる。 Here, when it is assumed that the protective layer 12 is formed on the surface of the carbon material 21 on the active material layer 11 with such a thin thickness that the metal oxides 20 are arranged in about one piece, FIG. as shown in a), the average particle diameter D 1 of the metal oxide 20 is sufficiently smaller than the average particle diameter D 2 of the carbon material 21, on the carbon material 21, without the metal oxide 20 is lost, The protective layer 12 can be formed by filling the unevenness. However, as shown in FIG. 3B, if the average particle diameter D 1 of the metal oxide 20 is relatively larger than the average particle diameter D 2 of the carbon material 21, a metal is formed on the carbon material 21. The possibility that the oxide 20 is lost increases.
また、上述のように薄膜化した保護層12は、凹凸の生じた活物質層11上に形成されるため、膜厚は均一でない。そこで、保護層12の平均膜厚Lを、図3(a)、(b)に示したように、一定の範囲で測定した膜厚の平均値で定義すると、図3(a)に示すように、金属酸化物20の平均粒径D1が、保護層12の平均膜厚Lよりも小さければ、炭素材料21上に、金属酸化物20が欠損することはないが、図3(b)に示すように、金属酸化物20の平均粒径D1が、保護層12の平均膜厚Lに対して相対的に大きくなれば、炭素材料21上に、金属酸化物20が欠損する可能性が高くなる。 Moreover, since the protective layer 12 thinned as described above is formed on the active material layer 11 with unevenness, the film thickness is not uniform. Therefore, when the average film thickness L of the protective layer 12 is defined by the average value of the film thickness measured in a certain range as shown in FIGS. 3A and 3B, as shown in FIG. the average particle diameter D 1 of the metal oxide 20 is less than the average thickness L of the protective layer 12, on the carbon material 21, the metal oxide 20 is not deficient, and FIG. 3 (b) As shown in FIG. 4, if the average particle diameter D 1 of the metal oxide 20 is relatively larger than the average film thickness L of the protective layer 12, the metal oxide 20 may be lost on the carbon material 21. Becomes higher.
以上の考察から、炭素材料を含む活物質層11上に、金属酸化物を含む保護層12を形成した負極2の構造において、保護層12を薄膜化しても、保護層12が欠損して、活物質層11の一部が露出しないためには、保護層12を構成する金属酸化物20の平均粒径D1と、活物質層11を構成する炭素材料21の平均粒径D2との関係、及び金属酸化物20の平均粒径D1と、保護層12の平均膜厚Lとの関係を考慮しなければならない。 From the above consideration, in the structure of the negative electrode 2 in which the protective layer 12 including the metal oxide is formed on the active material layer 11 including the carbon material, the protective layer 12 is lost even if the protective layer 12 is thinned. In order not to expose part of the active material layer 11, the average particle diameter D 1 of the metal oxide 20 constituting the protective layer 12 and the average particle diameter D 2 of the carbon material 21 constituting the active material layer 11 relationship, and the average particle diameter D 1 of the metal oxide 20, must take into account the relationship between the average thickness L of the protective layer 12.
そこで、このような定性的な示唆に基づき、図1に示したような負極2を実際に作製し、上記の各パラメータと、保護層12の欠損発生の関係を定量的に評価した。さらに、保護層12の欠損程度を評価するために、図2に示したリチウムイオン二次電池を作製して、内部短絡試験を行った。 Therefore, based on such qualitative suggestions, the negative electrode 2 as shown in FIG. 1 was actually produced, and the relationship between the above parameters and the occurrence of defects in the protective layer 12 was quantitatively evaluated. Furthermore, in order to evaluate the defect | deletion degree of the protective layer 12, the lithium ion secondary battery shown in FIG. 2 was produced, and the internal short circuit test was done.
表1は、その結果を示した表である。ここで、金属酸化物20は、チタン酸リチウム(LixTiyOz:LTO)を使用し、炭素材料21は、黒鉛を使用した。なお、リチウムイオン二次電池の正極活物質は、ニッケル酸リチウムを使用した。 Table 1 shows the results. Here, the metal oxide 20 used lithium titanate (LixTiyOz: LTO), and the carbon material 21 used graphite. Note that lithium nickelate was used as the positive electrode active material of the lithium ion secondary battery.
表1に示した電池1〜4では、黒鉛の平均粒径D2を一定の大きさ(17μm)にして、LTOの平均粒径D1を1.2〜1.9μmの範囲に変化させ、また、保護層12の平均膜厚Lを、電池1では10μm、電池2〜4では5μmとして作製した負極をそれぞれ使用した。 In the battery 1-4 shown in Table 1, the average particle diameter D 2 of the graphite in a certain size (17 .mu.m), changing the average particle diameter D 1 of the LTO to a range of 1.2~1.9Myuemu, Moreover, the negative electrode produced by making the average film thickness L of the protective layer 12 into 10 micrometers in the battery 1, and 5 micrometers in the batteries 2-4 was used, respectively.
表1の被覆率は、負極2の保護層12の表面を光学顕微鏡写真で撮影し、欠損の生じた箇所を2値化して、5mm×5mmの面積に対して、欠損の生じていない面積の比率を計算で求めたものである。なお、図4は、欠損の生じた負極の拡大断面電子顕微鏡写真で、薄膜化された保護層12の一部に、欠損Aが観察される。 The coverage shown in Table 1 is obtained by photographing the surface of the protective layer 12 of the negative electrode 2 with an optical microscope photograph, binarizing a portion where the defect occurred, and having an area where no defect occurs with respect to an area of 5 mm × 5 mm. The ratio is calculated. FIG. 4 is an enlarged cross-sectional electron micrograph of a negative electrode in which a defect has occurred. The defect A is observed in a part of the protective layer 12 that has been thinned.
また、表1の内部短絡試験は、JIS C 8712「密閉形小形二次電池の安全性」、JIS C 8714「携帯電子機器用リチウムイオン蓄電池の単電池及び組電池の安全性試験」における強制内部短絡試験による発火した電池の数で評価を行った。 In addition, the internal short-circuit test in Table 1 is the compulsory internal in JIS C 8712 “Safety of sealed small-sized secondary batteries” and JIS C 8714 “Safety tests of single-cell batteries and assembled batteries of lithium ion storage batteries for portable electronic devices”. Evaluation was performed by the number of batteries ignited by the short-circuit test.
表1に示すように、電池1、2に用いた負極では、被覆率は、99.8%以上と高く、内部短絡試験でも、発火は観察されなかった。これに対し、電池3、4に用いた負極では、被覆率は98%以下となり、内部短絡試験では、発火が観察された。 As shown in Table 1, in the negative electrodes used for the batteries 1 and 2, the coverage was as high as 99.8% or more, and no ignition was observed even in the internal short circuit test. On the other hand, in the negative electrode used for the batteries 3 and 4, the coverage was 98% or less, and ignition was observed in the internal short circuit test.
この結果から、LTOの平均粒径D1を、黒鉛の平均粒径D2の1/10以下に、保護層12の平均膜厚Lを、LTOの平均粒径の3倍以上にすることによって、保護層12を薄膜化しても、保護層12が欠損して、活物質層11の一部が露出するのを防止することができる。加えて、保護層12を構成するLTOが活物質として機能し、かつ、リチウムイオンの拡散速度が大きいことから、電池の高出力、高容量化も同時に図ることができる。これにより、保護層12を薄膜化しても、電池の高出力、高容量特性を低下させることなく、内部短絡時等の安全性を確保したリチウムイオン二次電池を実現することができる。 From this result, the average particle diameter D 1 of the LTO, 1/10 in the following average particle diameter D 2 of the graphite, the average thickness L of the protective layer 12, by more than 3 times the average particle size of LTO Even if the protective layer 12 is thinned, it is possible to prevent the protective layer 12 from being lost and a part of the active material layer 11 from being exposed. In addition, since the LTO constituting the protective layer 12 functions as an active material and the diffusion rate of lithium ions is high, the battery can have high output and high capacity at the same time. Thereby, even if the protective layer 12 is made thin, it is possible to realize a lithium ion secondary battery that ensures safety in the case of an internal short circuit without reducing the high output and high capacity characteristics of the battery.
さらに、表1に示すように、LTOの平均粒径D1を1.9μm、黒鉛の平均粒径D2を21μmとし、保護層12の平均膜厚Lを、それぞれ10μmと8μmとした負極を用いて電池5、6を作製して、電池1〜4と同様に、被覆率及び内部短絡試験の評価を行った。その結果、表1に示すように、両電池5、6とも、被覆率は、99.8%以上で、内部短絡試験でも、発煙は観察されなかった。 Furthermore, as shown in Table 1, 1.9 .mu.m average particle diameter D 1 of the LTO, the average particle diameter D 2 of graphite and 21 [mu] m, an average thickness L of the protective layer 12, a negative electrode was 10μm and 8μm respectively The batteries 5 and 6 were produced using the same, and the coverage and the internal short circuit test were evaluated in the same manner as the batteries 1 to 4. As a result, as shown in Table 1, in both batteries 5 and 6, the coverage was 99.8% or more, and no smoke was observed in the internal short circuit test.
なお、電解液との副反応によるガス発生抑制の観点から、LTOの平均粒径は1μm以上が好ましい。 From the viewpoint of suppressing gas generation due to side reaction with the electrolytic solution, the average particle size of LTO is preferably 1 μm or more.
ところで、図3(a)、(b)に示した模式図では、金属酸化物20及び炭素材料21を、平均粒径(D50)の大きさを用いて表示したが、実際には、それぞれの粒径は、一定の粒度分布をもって分散している。もし、粒度分布が広がっていると、粒子径の大きな金属酸化物20が存在することにより、活物質層11表面の被覆率が低下するおそれがある。同様に、粒子径の大きな炭素材料21が存在することにより、活物質層11の表面の凹凸が大きくなり、これによっても、活物質層11表面の被覆率が低下するおそれがある。 By the way, in the schematic diagrams shown in FIGS. 3A and 3B, the metal oxide 20 and the carbon material 21 are displayed using the average particle diameter (D50). The particle size is dispersed with a certain particle size distribution. If the particle size distribution is widened, the metal oxide 20 having a large particle size is present, which may reduce the coverage of the active material layer 11 surface. Similarly, due to the presence of the carbon material 21 having a large particle size, the unevenness of the surface of the active material layer 11 becomes large, and this may also reduce the coverage of the surface of the active material layer 11.
表2は、表1の内部短絡試験において、発火の観察されなかった電池1、5について、LTOと黒鉛の粒度分布を測定した結果を示した表で、10%積算粒子径(D10)、50%積算粒子径(D50)、80%積算粒子径(D90)の値をそれぞれ示す。 Table 2 shows the results of measuring the particle size distribution of LTO and graphite for batteries 1 and 5 in which ignition was not observed in the internal short-circuit test of Table 1, with 10% cumulative particle diameter (D10), 50 The values of% cumulative particle diameter (D50) and 80% cumulative particle diameter (D90) are shown respectively.
表2に示すように、LTOの90%積算粒子径(D90)が、4μm以下であれば、被覆率の低下のない、安全性の高い電池を得ることができる。同じく、黒鉛の90%積算粒子径(D90)が、40μm以下であれば、被覆率の低下のない、安全性の高い電池を得ることができる。 As shown in Table 2, when the 90% cumulative particle diameter (D90) of LTO is 4 μm or less, a highly safe battery without a reduction in coverage can be obtained. Similarly, if the 90% cumulative particle diameter (D90) of graphite is 40 μm or less, a highly safe battery without a reduction in coverage can be obtained.
本実施形態における負極2は、通常用いる方法、例えば、ダイコート法、あるいはグラビアコート法等により、集電体10上に、活物質層11を塗布、乾燥した後、さらに、活物質層11上に、保護層12を塗布、乾燥して製造することができる。 In the present embodiment, the negative electrode 2 is formed by applying and drying the active material layer 11 on the current collector 10 by a commonly used method such as a die coating method or a gravure coating method, and then further on the active material layer 11. The protective layer 12 can be applied and dried.
図5は、生産性を向上させた負極2の製造方法を示した断面図である。上記方法では、2回の塗布を行う必要があるのに対し、本方法では、1回の塗布で、集電体10上に、活物質層11と保護層12とを同時に形成することができる。 FIG. 5 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the negative electrode 2 with improved productivity. In the above method, it is necessary to apply twice, whereas in this method, the active material layer 11 and the protective layer 12 can be simultaneously formed on the current collector 10 by one application. .
図5に示すように、2つのスリット31、32が形成されたダイヘッド30を、集電体10に対して平行に移動させながら、スリット31、32から、炭素材料を含むスラリーA、及び金属酸化物を含むスラリーBをそれぞれ集電体10上に供給することによって、集電体10上に、活物質層11及び保護層12を同時に形成することができる。 As shown in FIG. 5, the slurry A containing the carbon material and the metal oxidation are moved from the slits 31 and 32 while the die head 30 in which the two slits 31 and 32 are formed is moved in parallel to the current collector 10. The active material layer 11 and the protective layer 12 can be simultaneously formed on the current collector 10 by supplying each of the slurry B containing the material onto the current collector 10.
ここで、活物質層11の膜厚、及び保護層12の膜厚は、それぞれ、スリット31、32の先端のリップと、集電体10との距離を調整することによって、制御することができる。なお、保護層12の膜厚は、3〜30μm、より好ましくは、3〜10μmの厚さに制御して形成する必要があるため、保護層12に塗工スジを発生させないためには、スリット32の先端のリップ径を、金属酸化物の90%積算粒子径(D90)よりも大きくしておくことが好ましい。 Here, the film thickness of the active material layer 11 and the film thickness of the protective layer 12 can be controlled by adjusting the distance between the lip at the tip of the slits 31 and 32 and the current collector 10, respectively. . In addition, since it is necessary to control and form the film thickness of the protective layer 12 to 3-30 micrometers, More preferably, it is 3-10 micrometers in thickness, in order not to produce a coating stripe in the protective layer 12, it is a slit. The lip diameter at the tip of 32 is preferably larger than the 90% cumulative particle diameter (D90) of the metal oxide.
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態においては、負極2は、集電体10の片面に活物質層11及び保護層12を形成したが、集電体10の両面に形成してもよい。 As mentioned above, although this invention was demonstrated by suitable embodiment, such description is not a limitation matter and of course various modifications are possible. For example, although the active material layer 11 and the protective layer 12 are formed on one surface of the current collector 10 in the above embodiment, the negative electrode 2 may be formed on both surfaces of the current collector 10.
本発明は、自動車、電動バイク又は電動遊具等の駆動用電源として有用である。 The present invention is useful as a power source for driving automobiles, electric motorcycles, electric playground equipment and the like.
1 正極
2 負極
3 セパレータ
4 電極群
5 正極リード
6 負極リード
7 電池ケース
8 封口体
9 ガスケット
10 集電体
11 活物質層(第1の層)
12 保護層(第2の層)
20 金属酸化物(LTO)
21 炭素材料(黒鉛)
30 ダイヘッド
31、32 スリット
100 リチウムイオン二次電池
1 Positive electrode
2 Negative electrode
3 Separator
4 Electrode group
5 Positive lead
6 Negative lead
7 Battery case
8 Sealing body
9 Gasket
10 Current collector
11 Active material layer (first layer)
12 Protective layer (second layer)
20 Metal oxide (LTO)
21 Carbon material (graphite)
30 die head
31, 32 Slit
100 Lithium ion secondary battery
Claims (8)
前記集電体の上に形成された活物質を含む第1の層と、
前記第1の層の上に形成された、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な金属酸化物を含む第2の層と
を備え、
前記活物質は、炭素材料からなり、
前記金属酸化物の平均粒径は、前記炭素材料の平均粒径の1/10以下であり、
前記保護層の平均膜厚は、前記金属酸化物の平均粒径の3倍以上である、リチウムイオン二次電池用負極。 A current collector,
A first layer including an active material formed on the current collector;
A second layer containing a metal oxide capable of inserting and extracting lithium ions formed on the first layer;
The active material is made of a carbon material,
The average particle diameter of the metal oxide is 1/10 or less of the average particle diameter of the carbon material,
The negative electrode for a lithium ion secondary battery, wherein the average film thickness of the protective layer is at least three times the average particle diameter of the metal oxide.
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