JP4547963B2 - Negative electrode for secondary battery, method for producing the same, and secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池用負極、その製造方法及び二次電池に関し、さらに詳しくは、不可逆容量が小さく集電性に優れた二次電池用負極及びその製造方法、並びにサイクル特性に優れた二次電池に関する。 The present invention relates to a negative electrode for a secondary battery, a method for producing the same, and a secondary battery, and more specifically, a negative electrode for a secondary battery having a small irreversible capacity and excellent current collection, a method for producing the same, and a secondary battery having excellent cycle characteristics. Next battery.
携帯電話やノートパソコン等のモバイル端末の普及により、その電力源となる二次電池の役割が重要視されている。二次電池には、小型・軽量化、高容量化、高エネルギー密度化及び長寿命化等が求められている。このような要求を満たすため、特に二次電池の負極を構成する負極活物質の研究が行われている。 With the widespread use of mobile terminals such as mobile phones and laptop computers, the role of secondary batteries that serve as the power source has become important. Secondary batteries are required to be smaller, lighter, have higher capacity, have higher energy density, and have a longer life. In order to satisfy such a demand, researches on negative electrode active materials constituting the negative electrode of secondary batteries have been conducted.
負極活物質として金属リチウムやリチウム合金を用いた二次電池は(金属リチウム二次電池ともいう。)は、小型・軽量でエネルギー密度が高いという特徴を有するが、充放電を繰り返すことにより負極の表面に針状結晶(デンドライト)が析出することがある。この針状結晶は、正極と負極との間に設けられているセパレータを貫通して内部短絡を起こす原因となることがあるため、金属リチウムやリチウム合金を用いた金属リチウム二次電池は、電池寿命や安全性の面から問題点を有している。これに対し、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な黒鉛やハードカーボン等の炭素材料を負極活物質として用いた二次電池は、充放電を良好に繰り返すことができるという特徴を有するが、上記の金属リチウム二次電池と比較して容量が小さいという欠点を有している。また、二次電池のエネルギー密度を高める負極活物質として、組成式がLiXA(AはAl等の金属元素である。)で表されるLi吸蔵物質が検討されている。このようなLi吸蔵物質を用いた二次電池は、負極活物質の単位体積当たりのリチウムイオンの吸蔵放出量が多く、高容量であるという利点がある。 Secondary batteries using metal lithium or lithium alloy as the negative electrode active material (also referred to as metal lithium secondary batteries) are characterized by their small size, light weight, and high energy density. Needle-like crystals (dendrites) may precipitate on the surface. Since this acicular crystal may cause an internal short circuit through a separator provided between the positive electrode and the negative electrode, a metal lithium secondary battery using metal lithium or a lithium alloy is a battery. There are problems in terms of life and safety. On the other hand, a secondary battery using a carbon material such as graphite or hard carbon capable of occluding and releasing lithium ions as a negative electrode active material has a feature that charging and discharging can be favorably repeated. It has a disadvantage that its capacity is small compared to a lithium secondary battery. In addition, as a negative electrode active material for increasing the energy density of a secondary battery, a Li storage material whose composition formula is represented by Li X A (A is a metal element such as Al) has been studied. The secondary battery using such a Li storage material has an advantage that the lithium ion storage / release amount per unit volume of the negative electrode active material is large and the capacity is high.
ところで、最近、ケイ素を負極活物質として用いる二次電池が報告されている(例えば非特許文献1参照)。この二次電池は、負極活物質の単位体積当たりのリチウムイオンの吸蔵放出量が多いため高容量であるという特徴を有するものの、不可逆容量(初回の充電容量と放電容量の差をいう。)が大きく、充放電サイクル寿命が短いという問題点がある。このような問題点の要因としては、二次電池の充放電時、すなわちリチウムイオンが負極活物質に吸蔵される際又はリチウムイオンが負極活物質から放出される際に、負極活物質自体が膨脹収縮して微粉化することが挙げられる。こうした負極活物質の微粉化により、電解液と反応する活性部位が多くなり、この電解液との反応に消費される電子が多くなるので、負極の不可逆容量が大きくなる。さらに、こうした負極活物質の微粉化により、負極活物質同士の接触性が悪くなるため、二次電池の充放電を繰り返すとともに徐々に負極活物質のリチウムイオンの吸蔵放出量が減少するので、二次電池の充放電サイクル寿命が短くなる。 Recently, a secondary battery using silicon as a negative electrode active material has been reported (for example, see Non-Patent Document 1). Although this secondary battery has a feature of high capacity due to a large amount of occlusion and release of lithium ions per unit volume of the negative electrode active material, it has an irreversible capacity (refers to a difference between the initial charge capacity and the discharge capacity). There is a problem that the charge / discharge cycle life is short. The cause of such a problem is that when the secondary battery is charged / discharged, that is, when lithium ions are occluded in the negative electrode active material or when lithium ions are released from the negative electrode active material, the negative electrode active material itself expands. Shrinking into fine powders can be mentioned. By finely pulverizing the negative electrode active material, more active sites react with the electrolytic solution, and more electrons are consumed for the reaction with the electrolytic solution, so that the irreversible capacity of the negative electrode increases. Further, since the contact between the negative electrode active materials is deteriorated due to the pulverization of the negative electrode active material, the amount of occlusion and release of lithium ions in the negative electrode active material gradually decreases as the secondary battery is repeatedly charged and discharged. The charge / discharge cycle life of the secondary battery is shortened.
こうした負極活物質の微粉化を防ぐ方法として、負極活物質としてケイ素酸化物を用いることが提案されている(例えば特許文献1参照)。また、負極活物質としてケイ素酸化物を用い、さらに負極の導電率を高めるためにTiやFe等の金属粉末等を加えることが提案されている(例えば特許文献2又は特許文献3参照)。
しかしながら、上記の特許文献1に記載の方法では、負極活物質の微粉化を防ぐことはできたが、負極活物質であるケイ素酸化物の導電率が低いため、負極の集電性が十分でないおそれがある。また、上記の特許文献2及び特許文献3に記載の方法では、負極の導電率が高くなるものの、二次電池の充放電を繰り返すことにより、ケイ素酸化物や金属粉末等の粒子間の接触性又はケイ素酸化物や金属粉末等の粒子と集電体との接触性が悪くなるため、二次電池のサイクル特性が悪化するという問題点を有している。
However, although the method described in
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、その第一の目的は、負極活物質の微粉化が起こり難く、且つ、集電性に優れた二次電池用負極及びその製造方法を提供することにある。また、本発明の第二の目的は、サイクル特性のよい二次電池を提供することにある。 The present invention has been made in order to solve the above problems, and the first object thereof is a negative electrode for a secondary battery in which the negative electrode active material is less likely to be pulverized and has excellent current collecting properties. It is in providing the manufacturing method. A second object of the present invention is to provide a secondary battery with good cycle characteristics.
上記第一の目的を達成するための本発明の二次電池用負極は、活物質層が集電体上に形成された二次電池用負極において、前記活物質層は、ケイ素酸化物と少なくとも1種の金属とを含む無機複合粒子が炭素で被覆されている炭素複合粒子を含有することを特徴とする。 The negative electrode for a secondary battery according to the present invention for achieving the first object is a negative electrode for a secondary battery in which an active material layer is formed on a current collector, wherein the active material layer includes at least silicon oxide and Inorganic composite particles containing one kind of metal contain carbon composite particles coated with carbon.
この発明によれば、炭素複合粒子は無機複合粒子が炭素で被覆された構造であるので、二次電池の充放電の際にケイ素酸化物が膨張収縮しても、炭素複合粒子は微粉化し難くなる。さらに、炭素複合粒子に含まれる無機複合粒子が金属を含有するので、炭素複合粒子は高い導電率を有する。本発明の二次電池用負極は、こうした炭素複合粒子を活物質層に含むので、不可逆容量が小さく、優れた集電性を有する。 According to this invention, since the carbon composite particles have a structure in which the inorganic composite particles are coated with carbon, even if the silicon oxide expands and contracts during charge and discharge of the secondary battery, the carbon composite particles are difficult to be pulverized. Become. Furthermore, since the inorganic composite particles contained in the carbon composite particles contain a metal, the carbon composite particles have high conductivity. Since the negative electrode for secondary batteries of the present invention contains such carbon composite particles in the active material layer, it has a small irreversible capacity and excellent current collection.
本発明の二次電池用負極は、(1)前記金属が、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au又はLaであること、(2)前記無機複合粒子中のケイ素の原子数を1としたとき、当該無機複合粒子に含まれる金属の原子数が0.05以上であること、(3)前記炭素複合粒子の質量を1としたとき、前記炭素複合粒子に含まれる前記炭素の質量が0.05以上であること、(4)前記ケイ素酸化物を構成する酸素のケイ素に対する元素比が、0.8以上2未満であること、(5)前記炭素複合粒子の平均粒径が10μm以下であること、が好ましい。 The negative electrode for a secondary battery of the present invention is as follows: (1) The metal is Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag , Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, or La, (2) When the number of silicon atoms in the inorganic composite particles is 1, the number of metal atoms contained in the inorganic composite particles (3) When the mass of the carbon composite particles is 1, the mass of the carbon contained in the carbon composite particles is 0.05 or more, and (4) the silicon oxide It is preferable that the elemental ratio of oxygen to silicon constituting the product is 0.8 or more and less than 2, and (5) the average particle diameter of the carbon composite particles is 10 μm or less.
上記第一の目的を達成するための二次電池用負極の製造方法は、ケイ素酸化物と金属とを複合化して無機複合粒子を作製する工程と、該無機複合粒子を炭素で被覆して炭素複合粒子を作製する工程と、該炭素複合粒子を含むスラリーを用いて集電体上に活物質層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。 The method for producing a negative electrode for a secondary battery for achieving the first object includes a step of preparing an inorganic composite particle by compounding a silicon oxide and a metal, and coating the inorganic composite particle with carbon to form a carbon. A step of producing composite particles; and a step of forming an active material layer on a current collector using a slurry containing the carbon composite particles.
この発明によれば、ケイ素酸化物と金属とを複合化して無機複合粒子を作製する工程と、無機複合粒子を炭素で被覆して炭素複合粒子を作製する工程とを含むので、炭素複合粒子は、微粉化し難く導電率が高くなる。さらに炭素複合粒子を含むスラリーを用いて集電体上に活物質層を形成する工程を含むので、この微粉化し難く導電率の高い炭素複合粒子を有する活物質層が集電体上に形成された構造となる。その結果、得られる二次電池用負極は、不可逆容量が小さく、集電性に優れたものとなる。 According to this invention, the carbon composite particles include a step of preparing inorganic composite particles by compounding silicon oxide and metal, and a step of preparing carbon composite particles by coating the inorganic composite particles with carbon. It is difficult to pulverize and the conductivity is increased. Further, since the method includes a step of forming an active material layer on the current collector using a slurry containing carbon composite particles, an active material layer having carbon composite particles that are difficult to be pulverized and have high conductivity is formed on the current collector. Structure. As a result, the obtained negative electrode for a secondary battery has a small irreversible capacity and an excellent current collecting property.
本発明の二次電池用負極の製造方法は、上記本発明の製造方法において、ケイ素酸化物と金属との複合化が、圧接法、スパッタ法又は真空蒸着法を用いて行われることを特徴とする。 The method for producing a negative electrode for a secondary battery according to the present invention is characterized in that, in the production method according to the present invention, the composite of silicon oxide and metal is performed using a pressure contact method, a sputtering method, or a vacuum evaporation method. To do.
本発明の二次電池用負極の製造方法は、上記本発明の製造方法において、無機複合粒子の炭素による被膜が、CVD法又は圧接法を用いて行われることを特徴とする。 The method for producing a negative electrode for a secondary battery of the present invention is characterized in that, in the production method of the present invention, the inorganic composite particles are coated with carbon using a CVD method or a pressure contact method.
この発明によれば、無機複合粒子の炭素による被膜が、CVD法又は圧接法を用いて行われるので、無機複合粒子と炭素とが複合化された構造となり、無機複合粒子と炭素とが互いに分離し難くなる。その結果、炭素複合粒子の微粉化を抑制することができる。 According to this invention, since the coating of the inorganic composite particles with carbon is performed using the CVD method or the pressure contact method, the inorganic composite particles and the carbon are combined, and the inorganic composite particles and the carbon are separated from each other. It becomes difficult to do. As a result, the pulverization of the carbon composite particles can be suppressed.
上記第二の目的を達成するための本発明の二次電池は、電気化学的にリチウムイオンを取り出せるリチウム含有化合物を含む正極と、リチウムイオンを吸蔵及び放出することのできる活物質層が集電体上に形成されてなる負極と、リチウムイオン導電性の非水系電解液又はポリマー電解質とを有する二次電池において、前記活物質層は、ケイ素酸化物と少なくとも1種の金属とを含む無機複合粒子が炭素で被覆されている炭素複合粒子を含有することを特徴とする。 In order to achieve the second object, the secondary battery of the present invention includes a positive electrode containing a lithium-containing compound capable of electrochemically extracting lithium ions and an active material layer capable of inserting and extracting lithium ions. In a secondary battery having a negative electrode formed on a body and a lithium ion conductive non-aqueous electrolyte or polymer electrolyte, the active material layer is an inorganic composite containing silicon oxide and at least one metal It is characterized by containing carbon composite particles in which the particles are coated with carbon.
この発明によれば、活物質層が、ケイ素酸化物と少なくとも1種の金属とを含む無機複合粒子が炭素で被覆されている炭素複合粒子を含有し、この活物質層が集電体上に形成された二次電池用負極を用いているので、二次電池の充放電を繰り返しても炭素複合粒子が微粉化し難くなる。その結果、本発明の二次電池は、充放電を繰り返しても、二次電池用負極の高い集電性が維持されるので、サイクル特性に優れている。 According to this invention, the active material layer contains carbon composite particles in which inorganic composite particles containing silicon oxide and at least one metal are coated with carbon, and the active material layer is disposed on the current collector. Since the formed negative electrode for a secondary battery is used, the carbon composite particles are hardly pulverized even if the secondary battery is repeatedly charged and discharged. As a result, the secondary battery of the present invention is excellent in cycle characteristics because the high current collecting property of the secondary battery negative electrode is maintained even after repeated charge and discharge.
本発明の二次電池用負極及びその製造方法によって得られる二次電池用負極は、負極自活物質の微粉化が起こり難いので、不可逆容量が小さい。さらに、本発明の二次電池用負極及びその製造方法によって得られる二次電池用負極は、負極自活物質の導電率が高いので、集電性に優れている。また、本発明の二次電池は、充放電を繰り返しても、二次電池用負極の高い集電性が維持されるので、サイクル特性に優れている。 The negative electrode for a secondary battery and the negative electrode for a secondary battery obtained by the method for producing the same according to the present invention have a small irreversible capacity because it is difficult for the negative electrode self-active material to be pulverized. Furthermore, since the negative electrode for secondary batteries obtained by the secondary battery negative electrode and the method for producing the same according to the present invention has high conductivity of the negative electrode self-active material, it is excellent in current collection. In addition, the secondary battery of the present invention is excellent in cycle characteristics because the high current collecting property of the secondary battery negative electrode is maintained even after repeated charge and discharge.
以下に、本発明の二次電池用負極、その製造方法及び二次電池用負極を用いた二次電池について詳細に説明する。 Below, the negative electrode for secondary batteries of this invention, its manufacturing method, and the secondary battery using the negative electrode for secondary batteries are demonstrated in detail.
<二次電池用負極>
本発明の二次電池用負極について、図面を参照して詳細に説明する。図1は本発明の二次電池用負極の断面拡大図である。本発明の二次電池用負極は、図1に示すように、活物質層6と集電体8とからなり、活物質層6は、炭素複合粒子1、導電付与剤及び結着剤を含有する。本発明の二次電池用負極を用いて二次電池を作製した際は、電解液7が活物質層の空隙を埋めることにより電子のやり取りが行われる。
<Anode for secondary battery>
The negative electrode for a secondary battery of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view of a negative electrode for a secondary battery according to the present invention. As shown in FIG. 1, the negative electrode for a secondary battery of the present invention comprises an active material layer 6 and a current collector 8, and the active material layer 6 contains
炭素複合粒子1は、無機複合粒子3と炭素2とが複合化(部分的又は全体的に融着、若しくは、部分的又は全体的に蒸着することをいう。)され、無機複合粒子3が炭素2で被覆された構造である。具体的には、図2に示すように炭素のマトリックス中に無機複合粒子3が存在する構造、又は図3に示すように無機複合粒子3の表面に炭素からなる層を有する構造のいずれもとることができる。炭素複合粒子1の粒径は、10μm以下が好ましく、3μm以下がより好ましく、1μm以下がさらに好ましい。1粒子あたりの抵抗は、粒子の大きさに依存するため、このような粒径とすることで炭素複合粒子1の粒子内抵抗を減らすことができる。なお、本願において、粒径は、JIS Z8901に基づいて、例えば粒度分布計で測定した値を用いている。
In the
炭素2は、無機複合粒子3を被覆することにより、無機複合粒子3の微粉化を抑制する作用を有するとともに、二次電池用負極の導電性を向上させる作用を有する。炭素2としては、黒鉛や、黒鉛のような層構造を持つ炭素、アモルファスカーボン、ハードカーボン、ダイヤモンドライクカーボン又は炭素繊維等等が用いられる。炭素複合粒子1に含まれる炭素2の割合は、無機複合粒子3の質量を1としたときに、炭素2の質量が0.05以上10以下であることが好ましい。このような割合とすることで、炭素複合粒子1の微粉化を抑制し、炭素複合粒子1の導電率を高めることができる。
The
無機複合粒子3は、金属とケイ素酸化物とが複合化された粒子であり、図4及び図5に示すような金属5がケイ素酸化物4で被覆された構造、ケイ素酸化物4が金属5で被覆された構造、又は、図6に示すようにケイ素酸化物4と金属5とが部分的に融着した構造のいずれもとることができる。いずれの構造であっても、ケイ素酸化物4及び金属5は、無機複合粒子3中に均一に分布することが望ましい。また、無機複合粒子3の構造は、結晶構造又はアモルファス構造であり、特にアモルファス構造であることが好ましい。このように、無機複合粒子3は、金属とケイ素酸化物とが複合化されているので炭素複合粒子1を微粉化し難くすることができる。
The inorganic
ケイ素酸化物4は、リチウムイオンを吸蔵放出する高容量の活物質材料である。ケイ素酸化物4としては、SiOx(0.8≦x<2)で表される非晶質のケイ素酸化物が好ましく用いられる。ケイ素酸化物4を構成する酸素のケイ素に対する元素比が0.8未満の場合は結晶構造を含む場合があるため、リチウムイオンを吸蔵放出する際に、ケイ素酸化物4の構造が破壊されることがある。ケイ素酸化物4を構成する酸素のケイ素に対する元素比が2以上の場合はケイ素酸化物4の抵抗が高くなることがある。
The
金属5は、二次電池用負極の導電率を向上させる作用を有し、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au及びLaの元素から選ばれる1種又は2種以上の元素からなる金属又は合金である。合金としてはFeSi、TiSi2及びCoSi等が挙げられる。これらの元素のうちTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Nb、Mo、Ag、Ta、W、Pt又はAuが好ましい。また、無機複合粒子3に含まれる金属5の原子数は、無機複合粒子3のケイ素の原子数を1としたときに、0.05以上2以下であることが好ましい。このような割合とすることで、二次電池用負極の導電率を高めることができる。
The
導電付与剤は、本発明の二次電池用負極を用いた二次電池を使用した際に、化学変化を起こさない電子伝導性材料であれば特に制限なく使用できる。例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛等)、人工黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、金属粉、金属繊維、ポリフェニレン誘導体、ポリアセチレン等の導電性材料から選ばれる1種又は2種以上の導電性材料を用いることができる。導電付与剤の活物質層6への添加量は、上述した炭素複合粒子1に対し、例えば、0.01〜50wt%程度、好ましくは0.4〜10wt%程度である。
The conductivity-imparting agent can be used without particular limitation as long as it is an electron conductive material that does not cause a chemical change when the secondary battery using the negative electrode for a secondary battery of the present invention is used. For example, from conductive materials such as natural graphite (scale-like graphite, scale-like graphite, earth-like graphite, etc.), artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon fiber, metal powder, metal fiber, polyphenylene derivative, polyacetylene, etc. One type or two or more types of conductive materials selected can be used. The addition amount of the conductivity-imparting agent to the active material layer 6 is, for example, about 0.01 to 50 wt%, preferably about 0.4 to 10 wt% with respect to the
結着剤としては、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、澱粉、ジアセチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリビニルクロリド、ポリビニルピロリドン、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム(SBR)、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、スルホン化エチレンプロピレンゴム(スルホン化EPDM)、フッ素ゴム、ポリブタジエン及びポリエチレンオキシドを挙げることができ、この中でポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)が好ましい。 As binders, polyacrylic acid, carboxymethylcellulose, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, starch, diacetylcellulose, hydroxypropylcellulose, polyvinylchloride, polyvinylpyrrolidone, polyethylene, polypropylene, styrene butadiene rubber (SBR) , Ethylene propylene rubber (EPDM), sulfonated ethylene propylene rubber (sulfonated EPDM), fluorine rubber, polybutadiene and polyethylene oxide, among which polyacrylic acid, carboxymethylcellulose, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVDF) is preferred.
活物質層6は、集電体8上に形成され、炭素複合粒子1、導電付与剤及び結着剤を含有している。活物質層6の体積充填率は、35〜75%であることが好ましい。活物質層6の体積充填率は、空隙を含んだ活物質層6の体積に対する活物質層6の割合である。例えば、電極の厚みと重さを量り、その値から算出することもできるし、液浸法でも測定することができる。活物質層6の体積充填率を35〜75%とすることにより、炭素複合粒子1同士、及び、炭素複合粒子1と集電体8との接触性を保ちつつ、二次電池として使用した際に電解液を良く染み込ませることができるため、二次電池用負極の集電性が向上する。
The active material layer 6 is formed on the current collector 8 and contains the
集電体8は、二次電池の充放電の際、電子を二次電池の外部に取り出すもの、又は、外部から二次電池内に電子を取り込むものであり、通常、導電性の金属箔が用いられる。金属箔の材質としては、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス、金、タングステン、モリブデンが挙げられる。また、集電体8の厚さは5〜30μmである。 The current collector 8 is for taking out electrons to the outside of the secondary battery during charging / discharging of the secondary battery, or for taking in electrons into the secondary battery from the outside. Usually, a conductive metal foil is used. Used. Examples of the material of the metal foil include aluminum, copper, stainless steel, gold, tungsten, and molybdenum. The current collector 8 has a thickness of 5 to 30 μm.
二次電池の充放電は、ケイ素酸化物4にリチウムイオンが吸蔵されたり、ケイ素酸化物4からリチウムイオンが放出されたりすることにより行われる。ケイ素酸化物4は、こうしたリチウムイオンの吸蔵放出時に膨張収縮するのでケイ素酸化物4を含む粒子は微粉化し易い。このようにケイ素酸化物4を含む粒子が微粉化した場合には、電解液と反応して不動態膜を形成する活性部位が増える。この不動態膜の形成に電子が消費されるため、充電容量に対して放電容量が減少し、不可逆容量が大きくなる。
Charging / discharging of the secondary battery is performed by inserting lithium ions into the
しかし、本発明の二次電池用負極は、炭素複合粒子1が無機複合粒子3を炭素2で被覆した構造であり、さらに、無機複合粒子3がケイ素酸化物4と金属5とが複合化(部分的又は全体的に融着させること、若しくは、部分的又は全体的に蒸着させることをいう。以下同じ。)された構造であるので、リチウムイオンの吸蔵放出時にケイ素酸化物4の膨張収縮が起こっても炭素複合粒子1は微粉化し難い。さらに、炭素複合粒子1に含まれる無機複合粒子3が金属5を含有するので、炭素複合粒子1は高い導電率を有する。したがって、本発明の二次電池用負極は、こうした炭素複合粒子を活物質層に含むので、不可逆容量が小さく、集電性に優れる。
However, the negative electrode for a secondary battery according to the present invention has a structure in which the
<二次電池用負極の製造方法>
本発明の二次電池用負極は、ケイ素酸化物と金属とを複合化して無機複合粒子を作製する工程と、無機複合粒子を炭素で被覆して炭素複合粒子を作製する工程と、炭素複合粒子を含むスラリーを集電体上に塗布し乾燥して活物質層を形成する工程と、を含む。以下に、それぞれの工程について説明する。
<Method for producing negative electrode for secondary battery>
A negative electrode for a secondary battery according to the present invention includes a step of preparing inorganic composite particles by compounding a silicon oxide and a metal, a step of preparing carbon composite particles by coating the inorganic composite particles with carbon, and a carbon composite particle And applying a slurry containing the material on a current collector and drying to form an active material layer. Below, each process is demonstrated.
ケイ素酸化物と金属とを複合化して無機複合粒子を作製する工程:
ケイ素酸化物と金属とを複合化して無機複合粒子が作製されるので、炭素複合粒子が微粉化し難い構造となる。
The process of producing inorganic composite particles by compounding silicon oxide and metal:
Since inorganic composite particles are produced by combining silicon oxide and metal, the carbon composite particles have a structure that is difficult to be pulverized.
ケイ素酸化物と金属を複合化する方法としては、圧接法、スパッタ法又は真空蒸着法が好適に挙げられる。 As a method for compounding the silicon oxide and the metal, a pressure welding method, a sputtering method, or a vacuum deposition method is preferably exemplified.
圧接法とは、機械的に圧力を加えて接合する方法をいう。圧接法としては、メカノフュージョン法及びメカニカルミリング法等が挙げられる。メカニカルミリング法は、粉砕装置等を用いて機械的に粉砕や圧接を繰り返す方法であり、粉砕装置としては、ボールミル、ジェットミル及び乳鉢等が挙げられ、これらの粉砕装置は、ケイ素酸化物と金属とを粉砕して微粒子を作成しながら混合し圧接して複合化することができる。メカノフュージョン法は、粒子に剪断力を与えその際のエネルギーを利用する方法であり、ケイ素酸化物の表面に金属を融合、又は金属の表面にケイ素酸化物を融合することができる。さらに、圧接法を行った後に、熱処理を施してもよい。 The pressure welding method refers to a method of joining by applying pressure mechanically. Examples of the pressure welding method include a mechano-fusion method and a mechanical milling method. The mechanical milling method is a method of mechanically repeating pulverization and pressure contact using a pulverizer or the like. Examples of the pulverizer include a ball mill, a jet mill, and a mortar. These pulverizers include silicon oxide and metal. Can be pulverized and mixed to form fine particles, and pressed to form a composite. The mechano-fusion method is a method in which shearing force is applied to particles and energy is used at that time. Metal can be fused to the surface of silicon oxide, or silicon oxide can be fused to the surface of metal. Further, heat treatment may be performed after the pressure welding method.
スパッタ法を用いる場合は、ケイ素酸化物と金属とをターゲットとして膜又はブロックを作製する。このとき、ケイ素酸化物と金属とは同時にターゲットとしてもよいし、交互にターゲットとしてもよい。 In the case of using the sputtering method, a film or a block is produced using silicon oxide and metal as targets. At this time, the silicon oxide and the metal may be the target at the same time, or may be the target alternately.
真空蒸着法を用いる場合は、ケイ素酸化物と金属とを加熱蒸発させて膜又はブロックを作製する。このとき、ケイ素酸化物と金属とは同時に加熱蒸発させてもよいし、交互に加熱蒸発させてもよい。 In the case of using a vacuum deposition method, silicon oxide and metal are heated and evaporated to produce a film or block. At this time, the silicon oxide and the metal may be heated and evaporated at the same time, or may be alternately heated and evaporated.
このようにして得られた膜又はブロックを、例えば上述の粉砕装置で粉砕することにより無機複合粒子を作製することができる。 Inorganic composite particles can be produced by pulverizing the membrane or block thus obtained with, for example, the above-described pulverizer.
また、圧接法、スパッタ法、真空蒸着法の他に、CVD法、めっき法を用いてもよく、これらの方法を組み合わせて無機複合粒子を作製してもよい。例えば、めっき法で金属を成膜し、その成膜された金属上に真空蒸着法、スパッタ法又はCVD法によりケイ素酸化物を成膜し、金属からなる膜とケイ素酸化物からなる膜とを積層することにより膜又はブロックを作製し、これを例えば上述の粉砕装置で粉砕して無機複合粒子を作製することもできる。 Further, in addition to the pressure welding method, the sputtering method, and the vacuum deposition method, a CVD method or a plating method may be used, and inorganic composite particles may be produced by combining these methods. For example, a metal is formed by a plating method, a silicon oxide film is formed on the formed metal by a vacuum deposition method, a sputtering method, or a CVD method, and a film made of metal and a film made of silicon oxide are formed. By laminating, a film or a block can be produced, and this can be pulverized by, for example, the above-described pulverizer to produce inorganic composite particles.
無機複合粒子を炭素で被覆して炭素複合粒子を作製する工程:
炭素複合粒子は、無機複合粒子を炭素で被覆して作製されるので、微粉化が起こり難い構造となる。無機複合粒子を炭素で被覆する方法としては、CVD法及び圧接法が挙げられる。CVD法又は圧接法を行った後に、熱処理を施してもよい。こうした方法を用いることにより、無機複合粒子と炭素とが複合化され、無機複合粒子と炭素とが互いに分離し難い構造となるので、二次電池の充放電の際に炭素複合粒子の微粉化が抑制される。
A process for producing carbon composite particles by coating inorganic composite particles with carbon:
Since the carbon composite particles are produced by coating the inorganic composite particles with carbon, the carbon composite particles have a structure in which pulverization hardly occurs. Examples of a method for coating the inorganic composite particles with carbon include a CVD method and a pressure welding method. Heat treatment may be performed after the CVD method or the pressure contact method is performed. By using such a method, the inorganic composite particles and the carbon are combined, and the inorganic composite particles and the carbon are difficult to separate from each other. Therefore, the fine particles of the carbon composite particles are reduced during charging and discharging of the secondary battery. It is suppressed.
CVD法を用いる場合は、炭素を無機複合粒子に化学蒸着させて、無機複合粒子に炭素からなる膜を形成する。 When using the CVD method, carbon is chemically vapor-deposited on the inorganic composite particles to form a film made of carbon on the inorganic composite particles.
圧接法を用いる場合は、上述したメカノフュージョン法及びメカニカルミリング法等を用いることができる。メカニカルミリング法を用いる場合は、無機複合粒子と炭素とを粉砕して微粒子を作成しながら混合し圧接して複合化することができる。メカノフュージョン法を用いる場合は、無機複合粒子の表面に炭素を融合させることができる。さらに、圧接法を行った後に、熱処理を施してもよい。 When using the pressure welding method, the above-described mechano-fusion method, mechanical milling method, or the like can be used. In the case of using the mechanical milling method, inorganic composite particles and carbon can be pulverized to form fine particles, mixed and pressed to form a composite. When the mechanofusion method is used, carbon can be fused to the surface of the inorganic composite particles. Further, heat treatment may be performed after the pressure welding method.
炭素複合粒子を含むスラリーを集電体上に塗布し乾燥して活物質層を形成する工程:
上述した炭素複合粒子及び炭素と、導電付与剤及び結着剤とを混合し、混練してスラリーを作製する。このスラリーを集電体上に塗布して乾燥した後、活物質層の体積充填率が上述した範囲となるようプレスして二次電池用負極とする。スラリーを集電体上に塗布する方法としては、ドクターブレード法及びスプレー塗布等公知の方法を用いることができる。スラリー乾燥する方法としては、真空乾燥及び加熱乾燥等公知の方法を用いることができる。活物質層をプレスする方法としては、ローラープレス等の装置を用いてプレスする方法を用いることができる。
A step of applying a slurry containing carbon composite particles onto a current collector and drying to form an active material layer:
The above-described carbon composite particles and carbon, and a conductivity-imparting agent and a binder are mixed and kneaded to prepare a slurry. The slurry is applied onto a current collector and dried, and then pressed so that the volume filling factor of the active material layer is in the above-described range to obtain a negative electrode for a secondary battery. As a method for applying the slurry onto the current collector, a known method such as a doctor blade method or spray coating can be used. As a method of drying the slurry, known methods such as vacuum drying and heat drying can be used. As a method of pressing the active material layer, a method of pressing using an apparatus such as a roller press can be used.
以上説明したように、本発明の二次電池用負極の製造方法によれば、炭素複合粒子は無機複合粒子が炭素で被覆されて作製され、さらに無機複合粒子はケイ素酸化物と金属とを複合化されて作製されるので、炭素複合粒子は、リチウムイオンの吸蔵放出時に体積膨張が起こっても微粉化し難く、高い導電率を有する。このため、このような炭素複合粒子を活物質層に有する二次電池用負極は、不可逆容量が小さく、集電性に優れたものとなる。 As described above, according to the method for manufacturing a negative electrode for a secondary battery of the present invention, the carbon composite particles are prepared by coating inorganic composite particles with carbon, and the inorganic composite particles are formed by combining silicon oxide and metal. Therefore, even if volume expansion occurs during occlusion and release of lithium ions, the carbon composite particles are difficult to be pulverized and have high conductivity. For this reason, the negative electrode for secondary batteries which has such a carbon composite particle in an active material layer has a small irreversible capacity, and is excellent in current collection.
<二次電池>
本発明の二次電池は、正極と上述した二次電池用負極とを、セパレータを介して、乾燥空気又は不活性気体雰囲気において積層又は積層したものを捲回した後に、容器に封入して作製される。
<Secondary battery>
The secondary battery of the present invention is produced by winding a positive electrode and the above-described negative electrode for a secondary battery in a dry air or inert gas atmosphere via a separator, and then enclosing it in a container. Is done.
正極は、電気化学的にリチウムイオンを取り出せるリチウム含有化合物を含むものである。こうしたリチウム含有化合物としては、LixMO2(ただしMは、少なくとも1つの遷移金属を表す。)である複合酸化物、例えば、LixCoO2、LixNiO2、LixMn2O4、LixMnO3、LixNiyC1−yO2等が挙げられる。こうしたリチウム含有化合物と、カーボンブラック等の導電性物質と、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等の結着剤とを、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)等の溶剤と分散混練したものをアルミニウム箔等の集電体5上に塗布したものを用いることができる。
A positive electrode contains the lithium containing compound which can take out lithium ion electrochemically. As such lithium-containing compound, LixMO 2 (where M represents at least one transition metal.) Composite oxide is, for example, LixCoO 2, LixNiO 2, LixMn 2
電解液は、リチウムイオン導電性の非水系電解液であり、有機溶媒にリチウム塩を溶解させたものを使用する。有機溶媒としては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)等の環状カーボネート類、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジプロピルカーボネート(DPC)等の鎖状カーボネート類、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸エチル等の脂肪族カルボン酸エステル類、γ−ブチロラクトン等のγ−ラクトン類、1,2−エトキシエタン(DEE)、エトキシメトキシエタン(EME)等の鎖状エーテル類、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等の環状エーテル類、ジメチルスルホキシド、1,3−ジオキソラン、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、プロピルニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エチルエーテル、1,3−プロパンサルトン、アニソール、N−メチルピロリドン等の非プロトン性有機溶媒、から選ばれる1種又は2種以上の溶媒を混合して使用することができる。 The electrolytic solution is a lithium ion conductive non-aqueous electrolytic solution in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent. Examples of the organic solvent include cyclic carbonates such as propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate ( EMC), chain carbonates such as dipropyl carbonate (DPC), aliphatic carboxylic acid esters such as methyl formate, methyl acetate, ethyl propionate, γ-lactones such as γ-butyrolactone, 1,2-ethoxyethane (DEE), chain ethers such as ethoxymethoxyethane (EME), cyclic ethers such as tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, acetamide, dimethylform Muamide, dioxolane, acetonitrile, propylnitrile, nitromethane, ethyl monoglyme, phosphoric acid triester, trimethoxymethane, dioxolane derivative, sulfolane, methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, 3-methyl-2- One or more solvents selected from aprotic organic solvents such as oxazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethyl ether, 1,3-propane sultone, anisole, and N-methylpyrrolidone are used in combination. can do.
リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiAsF6、LiAlCl4、LiClO4、LiBF4、LiSbF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、Li(CF3SO2)2、LiN(CF3SO2)2、LiB10Cl10、低級脂肪族カルボン酸リチウム、クロロボランリチウム、四フェニルホウ酸リチウム、LiBr、LiI、LiSCN、LiCl及びイミド類等が挙げられる。また、電解液に代えてポリマー電解質を用いてもよい。 Examples of the lithium salt include LiPF 6 , LiAsF 6 , LiAlCl 4 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiB 10 Cl 10 , lower aliphatic lithium carboxylate, lithium chloroborane, lithium tetraphenylborate, LiBr, LiI, LiSCN, LiCl and imides. Further, a polymer electrolyte may be used instead of the electrolytic solution.
セパレータとしては、ポリプロピレン及びポリエチレン等のポリオレフィン、フッ素樹脂等の多孔性フィルムを用いることができる。 As the separator, a polyolefin film such as polypropylene and polyethylene, or a porous film such as a fluororesin can be used.
容器の形状としては、上記の有底円筒形の他に、例えば、有底角筒形及び袋状を挙げることができる。 Examples of the shape of the container include a bottomed rectangular tube shape and a bag shape in addition to the above-described bottomed cylindrical shape.
容器の材質としては、例えば、金属缶及びフィルム材等を挙げることができる。金属缶は、アルミニウム、鉄、ステンレス又はニッケル等からなる金属板から形成される。フィルム材としては、金属フィルム、熱可塑性樹脂等の樹脂製フィルム、金属層と樹脂層を含む複合フィルムが挙げられる。金属フィルムは、例えば、アルミニウム、鉄、ステンレス又はニッケル等から形成することができる。 Examples of the material of the container include a metal can and a film material. The metal can is formed from a metal plate made of aluminum, iron, stainless steel, nickel, or the like. Examples of the film material include a metal film, a resin film such as a thermoplastic resin, and a composite film including a metal layer and a resin layer. The metal film can be formed from, for example, aluminum, iron, stainless steel, nickel, or the like.
金属層と樹脂層を含む複合フィルムとしては、例えば、可撓性を有する金属層の片面又は両面を樹脂で被覆した構成であるラミネートフィルム等を挙げることができる。このラミネートフィルムは、軽量で強度が高く且つ外部からの水分の侵入を防止することができるため好適に用いられる。樹脂層は、1種又は2種以上の樹脂から形成される。複合フィルムを用いて作製された容器の封止する際には、ヒートシール等によりなされることが多いため、樹脂層は、熱可塑性樹脂であることが好ましい。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレンのようなポリオレフィン等が挙げられ、熱可塑性樹脂の融点は、120℃以上、更に望ましくは140℃〜250℃の範囲にあるものが好ましい。特に、融点が150℃以上のポリプロピレンを用いるのが、ヒートシールの封止強度が高くなるため好ましい。複合フィルムを構成する金属層は、例えば、アルミニウム、鉄、ステンレス及びニッケル等から選ばれる1種又は2種以上の金属から形成することができる。中でも、二次電池内部への水の侵入を防ぐことのできるアルミニウムが好ましい。 Examples of the composite film including a metal layer and a resin layer include a laminate film having a configuration in which one or both surfaces of a flexible metal layer are covered with a resin. This laminate film is preferably used because it is lightweight and has high strength and can prevent moisture from entering from the outside. A resin layer is formed from 1 type, or 2 or more types of resin. When sealing a container produced using a composite film, the resin layer is preferably a thermoplastic resin because it is often done by heat sealing or the like. Examples of the thermoplastic resin include polyolefins such as polyethylene and polypropylene. The melting point of the thermoplastic resin is preferably 120 ° C. or higher, more preferably 140 ° C. to 250 ° C. In particular, it is preferable to use polypropylene having a melting point of 150 ° C. or higher because the sealing strength of the heat seal is increased. The metal layer which comprises a composite film can be formed from 1 type, or 2 or more types of metals chosen from aluminum, iron, stainless steel, nickel, etc., for example. Among these, aluminum that can prevent water from entering the secondary battery is preferable.
上述したフィルム材及び金属板の厚さは、0.05mm以上0.5mm以下とすることが好ましい。フィルム材及び金属板の厚さが0.05mm未満であると容器の強度が低くなり、フィルム材及び金属板の厚さが0.5mmを超えると二次電池のエネルギー密度の向上が阻害される。これにより、容器の強度を確保しつつ、電池の薄型化・軽量化を実現することができる。 The thickness of the above-described film material and metal plate is preferably 0.05 mm or more and 0.5 mm or less. When the thickness of the film material and the metal plate is less than 0.05 mm, the strength of the container is lowered, and when the thickness of the film material and the metal plate exceeds 0.5 mm, the improvement of the energy density of the secondary battery is hindered. . Thereby, thinning and weight reduction of a battery are realizable, ensuring the intensity | strength of a container.
本発明の二次電池は、活物質層が、ケイ素酸化物と少なくとも1種の金属とを含む無機複合粒子が炭素で被覆されている炭素複合粒子を含有し、この活物質層が集電体上に形成された二次電池用負極を用いているので、充放電を繰り返しても炭素複合粒子が微粉化し難く、二次電池用負極の高い集電性を維持できる。その結果、本発明の二次電池は、充放電を繰り返しても、リチウムイオンの吸蔵放出量が維持されるので、サイクル特性に優れている。 In the secondary battery of the present invention, the active material layer contains carbon composite particles in which inorganic composite particles containing silicon oxide and at least one metal are coated with carbon, and the active material layer is a current collector. Since the secondary battery negative electrode formed above is used, the carbon composite particles are not easily pulverized even after repeated charge and discharge, and the high current collecting property of the secondary battery negative electrode can be maintained. As a result, the secondary battery of the present invention has excellent cycle characteristics because the amount of occlusion and release of lithium ions is maintained even after repeated charge and discharge.
以下に、実施例を示して本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.
(実施例1)
平均粒径15μmのケイ素酸化物(酸素:ケイ素=1:1)と、金属として平均粒径1μmのFe粒子を用い、ケイ素酸化物中のケイ素と金属との原子数比が3:1となるように配合し、これを遊星型ボールミル装置を用いて、複合化処理を100時間行った。このとき、遊星型ボールミル装置中のボールミル容器及び直径10mmのボールはジルコニア製であった。ケイ素酸化物と金属の配合処理及び複合化処理はAr雰囲気で行った。次に、Ar雰囲気中、1100℃で1時間、熱処理を施し、無機複合粒子を得た。その後、メタンガスを用いてCVD法で炭素被覆を行い、無機複合粒子に炭素からなる層を形成した後、分級し、粒径10μmの炭素複合粒子を得た。炭素複合粒子中の無機複合粒子と炭素の質量比は、無機複合粒子:炭素=4:1とした。
Example 1
Using silicon oxide with an average particle size of 15 μm (oxygen: silicon = 1: 1) and Fe particles with an average particle size of 1 μm as the metal, the atomic ratio of silicon to metal in the silicon oxide is 3: 1. The mixture was compounded as described above, and composite treatment was performed for 100 hours using a planetary ball mill apparatus. At this time, the ball mill container and the ball having a diameter of 10 mm in the planetary ball mill apparatus were made of zirconia. The compounding treatment and compounding treatment of silicon oxide and metal were performed in an Ar atmosphere. Next, heat treatment was performed at 1100 ° C. for 1 hour in an Ar atmosphere to obtain inorganic composite particles. Then, carbon coating was performed by CVD using methane gas to form a layer made of carbon on the inorganic composite particles, followed by classification to obtain carbon composite particles having a particle size of 10 μm. The mass ratio of the inorganic composite particles to carbon in the carbon composite particles was inorganic composite particles: carbon = 4: 1.
次に、炭素複合粒子、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)をN−メチルピロリドンに溶かしたもの及び導電付与剤を、炭素複合粒子:ポリフッ化ビニリデン(PVDF):導電付与剤=85:10:5の質量比となるように混錬してスラリーを形成した。このとき、導電付与剤としてケッチェンブラックを用いた。このスラリーを厚さ10μmのCu箔からなる集電体上に塗布して活物質層を形成し、120℃で1時間乾燥後、ローラープレスにより活物質層の体積充填率が60%となるまで加圧成型し、二次電池用負極を得た。 Next, carbon composite particles, those obtained by dissolving polyvinylidene fluoride (PVDF) in N-methylpyrrolidone, and a conductive agent, carbon composite particles: polyvinylidene fluoride (PVDF): conductive agent = 85: 10: 5 mass A slurry was formed by kneading to a ratio. At this time, ketjen black was used as a conductivity-imparting agent. This slurry is applied onto a current collector made of Cu foil having a thickness of 10 μm to form an active material layer, dried at 120 ° C. for 1 hour, and then the roller material presses until the volume filling rate of the active material layer reaches 60%. The negative electrode for secondary batteries was obtained by pressure molding.
次に、リチウム含有化合物、導電付与剤及びポリフッ化ビニリデン(PVDF)をN−メチルピロリドンに溶かしたものを、リチウム含有化合物:導電付与剤:ポリフッ化ビニリデン(PVDF)=90:6:4の質量比となるよう混合し、スラリーを形成した。このとき、リチウム含有化合物として平均粒径10μmのLiCoO2の粉末を用い、導電付与剤として黒鉛を用いた。このスラリーを十分に混錬後、厚さ20μmの集電体であるAl箔に塗布した。これを120℃で1時間乾燥後、ローラープレスにより電極を加圧成型し、正極を得た。 Next, a lithium-containing compound, a conductivity-imparting agent, and a material obtained by dissolving polyvinylidene fluoride (PVDF) in N-methylpyrrolidone, a mass of lithium-containing compound: conductivity-imparting agent: polyvinylidene fluoride (PVDF) = 90: 6: 4 The resulting mixture was mixed to form a slurry. At this time, LiCoO 2 powder having an average particle diameter of 10 μm was used as the lithium-containing compound, and graphite was used as the conductivity-imparting agent. The slurry was sufficiently kneaded and then applied to an Al foil as a current collector having a thickness of 20 μm. After drying this at 120 ° C. for 1 hour, the electrode was pressure-molded with a roller press to obtain a positive electrode.
このようにして作製した二次電池用負極及び正極を、捲回し、ラミネート製の容器に封入して二次電池を作成した。電解液は、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)との3:7の混合溶媒に、1モル/リットルとなるようにLiPF6を溶解したものを用いた。 The secondary battery negative electrode and positive electrode thus produced were wound and sealed in a laminate container to prepare a secondary battery. The electrolytic solution used was a solution of LiPF 6 dissolved in a 3: 7 mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) so as to be 1 mol / liter.
次に、この二次電池を充電電流1A,充電終止電圧4.2Vで充電し、放電電流1A,放電終止電圧2.5Vで放電させる充放電サイクル試験を実施して、この二次電池の特性を評価した。また、100サイクル後に交流インピーダンス法にてインピーダンス測定を行った。 Next, a charge / discharge cycle test is performed in which the secondary battery is charged at a charge current of 1A and a charge end voltage of 4.2V, and discharged at a discharge current of 1A and a discharge end voltage of 2.5V. Evaluated. Further, impedance measurement was performed by an alternating current impedance method after 100 cycles.
(実施例2)
実施例1において、金属として平均粒径1μmのNi粒子を用いた以外は、実施例1と同様の方法にて、二次電池の作製、充放電サイクル試験及びインピーダンス測定を行った。
(Example 2)
In Example 1, a secondary battery was produced, a charge / discharge cycle test, and impedance measurement were performed in the same manner as in Example 1 except that Ni particles having an average particle diameter of 1 μm were used as the metal.
(実施例3)
実施例1において、金属として平均粒径1μmのTi粒子を用い、無機複合粒子と炭素の質量比を1:5とした以外は、実施例1と同様の方法にて、二次電池の作製、充放電サイクル試験及びインピーダンス測定を行った。
(Example 3)
In Example 1, a secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that Ti particles having an average particle diameter of 1 μm were used as the metal and the mass ratio of the inorganic composite particles to carbon was set to 1: 5. A charge / discharge cycle test and impedance measurement were performed.
(実施例4)
実施例1において、金属として平均粒径1μmのW粒子を用い、ケイ素酸化物中のケイ素と金属との原子数比を1:0.05とした以外は、実施例1と同様の方法にて、二次電池の作製、充放電サイクル試験及びインピーダンス測定を行った。
Example 4
In Example 1, the same method as in Example 1 was used, except that W particles having an average particle diameter of 1 μm were used as the metal and the atomic ratio of silicon to metal in the silicon oxide was 1: 0.05. Then, a secondary battery was manufactured, a charge / discharge cycle test, and an impedance measurement were performed.
(実施例5)
実施例1において、金属として平均粒径1μmのCo粒子を用い、ケイ素酸化物中のケイ素と金属との原子数比を1:1とした以外は、実施例1と同様の方法にて、二次電池の作製、充放電サイクル試験及びインピーダンス測定を行った。
(Example 5)
In Example 1, Co particles having an average particle diameter of 1 μm were used as the metal, and the atomic ratio of silicon to metal in the silicon oxide was changed to 1: 1. Preparation of a secondary battery, a charge / discharge cycle test, and impedance measurement were performed.
(参考例1)
実施例1において、金属として平均粒径1μmのV粒子を用い、無機複合粒子と炭素の質量比を1:10とした以外は、実施例1と同様の方法にて、二次電池の作製、充放電サイクル試験及びインピーダンス測定を行った。
( Reference Example 1 )
In Example 1, a secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that V particles having an average particle diameter of 1 μm were used as the metal and the mass ratio of the inorganic composite particles to carbon was 1:10. A charge / discharge cycle test and impedance measurement were performed.
(実施例7)
実施例1において、金属として平均粒径1μmのMo粒子を用い、ケイ素酸化物として酸素のケイ素に対する元素比が0.8であるケイ素酸化物を用いた以外は、実施例1と同様の方法にて、二次電池の作製、充放電サイクル試験及びインピーダンス測定を行った。
(Example 7)
In Example 1, the same method as in Example 1 was used except that Mo particles having an average particle diameter of 1 μm were used as the metal and silicon oxide having an element ratio of oxygen to silicon of 0.8 was used as the silicon oxide. Then, a secondary battery was manufactured, a charge / discharge cycle test, and an impedance measurement were performed.
(実施例8)
実施例1において、金属として平均粒径1μmのCr粒子を用い、ケイ素酸化物として酸素のケイ素に対する元素比が1.9であるケイ素酸化物を用いた以外は、実施例1と同様の方法にて、二次電池の作製、充放電サイクル試験及びインピーダンス測定を行った。
(Example 8)
In Example 1, the same method as in Example 1 was used, except that Cr particles having an average particle diameter of 1 μm were used as the metal, and silicon oxide having an element ratio of oxygen to silicon of 1.9 was used as the silicon oxide. Then, a secondary battery was manufactured, a charge / discharge cycle test, and an impedance measurement were performed.
(実施例9)
実施例1において、金属として平均粒径1μmのMn粒子を用いた以外は、実施例1と同様の方法にて、二次電池の作製、充放電サイクル試験及びインピーダンス測定を行った。
Example 9
In Example 1, a secondary battery was produced, a charge / discharge cycle test, and impedance measurement were performed in the same manner as in Example 1 except that Mn particles having an average particle diameter of 1 μm were used as the metal.
(実施例10)
実施例1において、金属として平均粒径1μmのTa粒子を用い、無機複合粒子と炭素の質量比と1:3とした以外は、実施例1と同様の方法にて、二次電池の作製、充放電サイクル試験及びインピーダンス測定を行った。
(Example 10)
In Example 1, a secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that Ta particles having an average particle diameter of 1 μm were used as the metal, and the mass ratio of the inorganic composite particles and carbon was 1: 3. A charge / discharge cycle test and impedance measurement were performed.
(実施例11)
実施例1において、金属として平均粒径1μmのNb粒子を用い、分級により炭素複合粒子の平均粒径を3μmとした以外は、実施例1と同様の方法にて、二次電池の作製、充放電サイクル試験及びインピーダンス測定を行った。
(Example 11)
In Example 1, a secondary battery was fabricated and charged in the same manner as in Example 1 except that Nb particles having an average particle diameter of 1 μm were used as the metal and the average particle diameter of the carbon composite particles was changed to 3 μm by classification. A discharge cycle test and impedance measurement were performed.
(実施例12)
実施例1において、金属として平均粒径1μmのPd粒子を用い、ケイ素酸化物中のケイ素と金属との原子数比を1:2とした以外は、実施例1と同様の方法にて、二次電池の作製、充放電サイクル試験及びインピーダンス測定を行った。
(Example 12)
In Example 1, two Pd particles having an average particle diameter of 1 μm were used as the metal, and the atomic ratio of silicon to metal in the silicon oxide was set to 1: 2. Preparation of a secondary battery, a charge / discharge cycle test, and impedance measurement were performed.
(実施例13)
実施例1において、金属として平均粒径1μmのAu粒子を用い、CVD法の代わりに、メカノフュージョン法にて炭素被覆を行った以外は、実施例1と同様の方法にて、二次電池の作製、充放電サイクル試験及びインピーダンス測定を行った。
(Example 13)
In Example 1, except that Au particles having an average particle diameter of 1 μm were used as the metal and carbon coating was performed by a mechanofusion method instead of the CVD method, the secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1. Fabrication, charge / discharge cycle test and impedance measurement were performed.
(実施例14)
実施例1において、金属として平均粒径1μmのAg粒子を用いた以外は、実施例1と同様の方法にて、二次電池の作製、充放電サイクル試験及びインピーダンス測定を行った。
(Example 14)
In Example 1, a secondary battery was produced, a charge / discharge cycle test, and impedance measurement were performed in the same manner as in Example 1 except that Ag particles having an average particle diameter of 1 μm were used as the metal.
(実施例15)
実施例1において、金属として平均粒径1μmのCu粒子を用いた以外は、実施例1と同様の方法にて、二次電池の作製、充放電サイクル試験及びインピーダンス測定を行った。
(Example 15)
In Example 1, a secondary battery was produced, a charge / discharge cycle test, and impedance measurement were performed in the same manner as in Example 1 except that Cu particles having an average particle diameter of 1 μm were used as the metal.
(実施例16)
実施例1において、金属として平均粒径1μmのPt粒子を用いた以外は、実施例1と同様の方法にて、二次電池の作製、充放電サイクル試験及びインピーダンス測定を行った。
(Example 16)
In Example 1, a secondary battery was produced, a charge / discharge cycle test, and impedance measurement were performed in the same manner as in Example 1 except that Pt particles having an average particle diameter of 1 μm were used as the metal.
(実施例17)
実施例1において、無機複合粒子と炭素の質量比が19:1となるように炭素複合体を作製した以外は、実施例1と同様の方法にて、二次電池の作製、充放電サイクル試験及びインピーダンス測定を行った。
(Example 17)
In Example 1, a secondary battery was prepared and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as in Example 1 except that the carbon composite was prepared so that the mass ratio of inorganic composite particles to carbon was 19: 1. And impedance measurement.
(実施例18)
実施例1において、無機複合粒子と炭素の質量比が5:1となるように炭素複合体を作製した以外は、実施例1と同様の方法にて、二次電池の作製、充放電サイクル試験及びインピーダンス測定を行った。
(Example 18)
In Example 1, a secondary battery was prepared and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as in Example 1 except that the carbon composite was prepared so that the mass ratio of the inorganic composite particles to carbon was 5: 1. And impedance measurement.
(実施例19)
実施例1において、無機複合粒子と炭素の質量比が1:1となるように炭素複合体を作製した以外は、実施例1と同様の方法にて、二次電池の作製、充放電サイクル試験及びインピーダンス測定を行った。
(Example 19)
In Example 1, a secondary battery was prepared and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as in Example 1 except that the carbon composite was prepared so that the mass ratio of the inorganic composite particles to carbon was 1: 1. And impedance measurement.
(実施例20)
ケイ素酸化物として、平均粒径5μmのケイ素酸化物(酸素:ケイ素=1:1)を用い、金属として平均粒径1μmのFe粒子を用いた。このケイ素酸化物粒子と金属を、SiとFeの原子数の比が4:1となるように配合し、これを遊星型ボールミル装置で複合化処理を12時間行って、無機複合粒子を得た。このとき、遊星型ボールミル装置中のボールミル容器及び直径10mmのボールはジルコニア製で、配合処理及び複合化処理はAr雰囲気で行った。
(Example 20)
Silicon oxide (oxygen: silicon = 1: 1) having an average particle diameter of 5 μm was used as the silicon oxide, and Fe particles having an average particle diameter of 1 μm were used as the metal. The silicon oxide particles and the metal were blended so that the ratio of the number of Si and Fe atoms was 4: 1, and this was subjected to a composite treatment for 12 hours using a planetary ball mill apparatus to obtain inorganic composite particles. . At this time, the ball mill container and the ball having a diameter of 10 mm in the planetary ball mill apparatus were made of zirconia, and the compounding process and the compounding process were performed in an Ar atmosphere.
次に、無機複合粒子と炭素を、無機複合粒子:炭素=5:1の質量比で配合し、これを上記と同じ遊星型ボールミル装置で複合化処理を5時間行った後、Ar雰囲気中で1100℃,1時間の熱処理を施し炭素複合粒子を得た。このとき、炭素としては人造黒鉛を用い、配合処理及び複合化処理はAr雰囲気で行った。 Next, inorganic composite particles and carbon are blended at a mass ratio of inorganic composite particles: carbon = 5: 1, and this is subjected to a composite treatment for 5 hours in the same planetary ball mill apparatus as described above, and then in an Ar atmosphere. Heat treatment was performed at 1100 ° C. for 1 hour to obtain carbon composite particles. At this time, artificial graphite was used as carbon, and the compounding process and the compounding process were performed in an Ar atmosphere.
次に、この炭素複合粒子、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)をN−メチルピロリドンに溶かしたもの及び導電付与剤を、炭素複合粒子:ポリフッ化ビニリデン(PVDF):導電付与剤=85:10:5の質量比となるようにを混錬しスラリーを形成した。このとき、導電付与剤としてケッチェンブラックを用いた。このスラリーを厚さ20μmのCu箔からなる集電体上に塗布して活物質層を形成した。この活物質層を120℃で1時間乾燥後、ローラープレスにより活物質層の体積充填率が60%となるまで加圧成型した後二次電池用負極を得た。 Next, the carbon composite particles, those obtained by dissolving polyvinylidene fluoride (PVDF) in N-methylpyrrolidone, and a conductivity-imparting agent, carbon composite particles: polyvinylidene fluoride (PVDF): conductivity-imparting agent = 85: 10: 5 The slurry was kneaded so as to have a mass ratio. At this time, ketjen black was used as a conductivity-imparting agent. This slurry was applied on a current collector made of Cu foil having a thickness of 20 μm to form an active material layer. The active material layer was dried at 120 ° C. for 1 hour, and then pressure-molded by a roller press until the volume filling factor of the active material layer became 60%, to obtain a negative electrode for a secondary battery.
この負極及び実施例1と同様に作製した正極を、角型缶に封入して二次電池を作成した。電解液は、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)との3:7の混合溶媒に、1モル/リットルとなるようにLiPF6を溶解したものを用いた。 The negative electrode and a positive electrode produced in the same manner as in Example 1 were enclosed in a square can to produce a secondary battery. The electrolytic solution used was a solution of LiPF 6 dissolved in a 3: 7 mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) so as to be 1 mol / liter.
この電池を充電電流0.9A、充電終止電圧4.2Vで充電し、放電電流0.9A,放電終止電圧2.7Vで放電させる充放電サイクル試験を実施した。また、100サイクル後に交流インピーダンス法にてインピーダンス測定を行った。 A charge / discharge cycle test was performed in which the battery was charged at a charge current of 0.9 A and a charge end voltage of 4.2 V, and discharged at a discharge current of 0.9 A and a discharge end voltage of 2.7 V. Further, impedance measurement was performed by an alternating current impedance method after 100 cycles.
(実施例21)
実施例20において、無機複合粒子と炭素の質量比を1:2とした以外は、実施例20と同様の方法にて、二次電池の作製、充放電サイクル試験及びインピーダンス測定を行った。
(Example 21)
In Example 20, a secondary battery was produced, a charge / discharge cycle test, and impedance measurement were performed in the same manner as in Example 20, except that the mass ratio of the inorganic composite particles to carbon was 1: 2.
(実施例22)
実施例20において、無機複合粒子と炭素の質量比を1:3とした以外は、実施例20と同様の方法にて、二次電池の作製、充放電サイクル試験及びインピーダンス測定を行った。
(Example 22)
In Example 20, a secondary battery was fabricated, a charge / discharge cycle test, and impedance measurement were performed in the same manner as in Example 20 except that the mass ratio of the inorganic composite particles to carbon was 1: 3.
(比較例1)
実施例1において、無機複合粒子の代わりに、金属を添加していないケイ素酸化物粒子を用いた以外は、実施例1と同様の方法にて、二次電池の作製、充放電サイクル試験及びインピーダンス測定を行った。
(Comparative Example 1)
In Example 1, in place of the inorganic composite particles, silicon oxide particles to which no metal was added were used, and in the same manner as in Example 1, production of a secondary battery, charge / discharge cycle test and impedance Measurements were made.
(比較例2)
実施例1において、無機複合粒子に炭素被覆を行わないでそのまま無機複合粒子を活物質層に用いて二次電池用負極を作製した以外は、実施例1と同様の方法にて、二次電池の作製、充放電サイクル試験及びインピーダンス測定を行った。
(Comparative Example 2)
In Example 1, the secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the inorganic composite particles were used as they were in the active material layer without carbon coating on the inorganic composite particles to produce a secondary battery negative electrode. , Charge / discharge cycle test and impedance measurement.
(結果)
実施例1〜5,7〜16、参考例1及び比較例1〜2のサイクル試験及びインピーダンス測定の結果を表1に示す。このとき、100サイクル後の容量維持率は、(各サイクルにおける放電容量)/(5サイクル目における放電容量)の計算式にて算出した。また、インピーダンス測定の結果は、100サイクル後の界面抵抗Rを比較例1の界面抵抗Rの値で除した結果で示す。界面抵抗Rは20KHzから50MHzまでの周波数でコールコールプロットを作製した際に虚軸の−Xの値が最大値となるときの実軸の値とした(図8に示す)。
(result)
Table 1 shows the results of the cycle tests and impedance measurements of Examples 1 to 5 , 7 to 16 , Reference Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. At this time, the capacity retention rate after 100 cycles was calculated by a calculation formula of (discharge capacity in each cycle) / (discharge capacity in the fifth cycle). The result of impedance measurement is shown as a result of dividing the interface resistance R after 100 cycles by the value of the interface resistance R of Comparative Example 1. The interface resistance R was a real axis value when the value of -X of the imaginary axis was the maximum value when a Cole-Cole plot was produced at a frequency from 20 KHz to 50 MHz (shown in FIG. 8).
実施例1〜5,7〜22の二次電池は、界面抵抗Rの値を比較例1の界面抵抗Rの値で除した値が0.2〜0.45となり、比較例1や比較例2の二次電池と比較して低い値を示した。また、実施例1〜5,7〜22の二次電池は、比較例1、比較例2と比較して100サイクル後の容量維持率が67%以上高く、サイクル特性の良い電池を提供できることが証明できた。
In the secondary batteries of Examples 1 to 5, 7 to 22, the value obtained by dividing the value of the interface resistance R by the value of the interface resistance R of Comparative Example 1 is 0.2 to 0.45, and Comparative Example 1 and Comparative Example The value was lower than that of No. 2 secondary battery. In addition, the secondary batteries of Examples 1 to 5, 7 to 22 have a capacity retention rate after 100 cycles higher than that of Comparative Examples 1 and 2 by 67% or more, and can provide a battery with good cycle characteristics. I was able to prove.
1 炭素複合粒子
2 炭素
3 無機複合粒子
4 ケイ素酸化物
5 金属
6 活物質層
7 電解液
8 集電体
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記活物質層は、ケイ素酸化物と少なくとも1種の金属とを含む無機複合粒子が炭素で被覆されている炭素複合粒子を含有し、前記金属が、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au又はLaであることを特徴とする二次電池。
A positive electrode containing a lithium-containing compound capable of electrochemically extracting lithium ions, a negative electrode in which an active material layer capable of inserting and extracting lithium ions is formed on a current collector, and lithium ion conductive non-aqueous electrolysis In a secondary battery having a liquid or polymer electrolyte,
The active material layer includes carbon composite particles in which inorganic composite particles including silicon oxide and at least one metal are coated with carbon, and the metal includes Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni , Cu, Zn, Y, Zr , Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, secondary batteries, characterized Au or La der Rukoto.
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