JP5135712B2 - Secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、リチウムイオン二次電池などの二次電池に関するものであり、詳しくは、サイクル特性が改善された二次電池に関するものである。 The present invention relates to a secondary battery such as a lithium ion secondary battery, and more particularly, to a secondary battery with improved cycle characteristics.
近年、モバイル機器は高性能化および多機能化されてきており、これらに伴い、モバイル機器に電源として用いられる二次電池にも、小型化、軽量化および薄型化が要求され、高容量化が求められている。 In recent years, mobile devices have become more sophisticated and multifunctional, and as a result, secondary batteries used as power sources for mobile devices are also required to be smaller, lighter, and thinner. It has been demanded.
この要求に応え得る二次電池としてリチウムイオン二次電池がある。リチウムイオン二次電池の電池特性は、用いられる電極活物質などによって大きく変化する。現在実用化されている代表的なリチウムイオン二次電池では、正極活物質としてコバルト酸リチウムが用いられ、負極活物質として黒鉛が用いられているが、このように構成されたリチウムイオン二次電池の電池容量は理論容量に近づいており、今後の改良で大幅に高容量化することは難しい。 There is a lithium ion secondary battery as a secondary battery that can meet this requirement. The battery characteristics of the lithium ion secondary battery vary greatly depending on the electrode active material used. In typical lithium ion secondary batteries currently in practical use, lithium cobaltate is used as the positive electrode active material and graphite is used as the negative electrode active material. The lithium ion secondary battery configured in this way is used. The battery capacity of is approaching the theoretical capacity, and it is difficult to increase the capacity significantly with future improvements.
そこで、充電の際にリチウムと合金化するケイ素やスズなどを負極活物質として用いて、リチウムイオン二次電池の大幅な高容量化を実現することが検討されている。しかし、ケイ素やスズなどを負極活物質として用いた場合、充電および放電に伴う膨張および収縮が大きいため、充放電に伴う膨張収縮によって活物質が微粉化したり、集電体から脱落したりして、サイクル特性が低下するという問題がある。 In view of this, it has been studied to use a silicon or tin alloyed with lithium at the time of charging as a negative electrode active material to realize a significantly increased capacity of a lithium ion secondary battery. However, when silicon or tin is used as the negative electrode active material, the expansion and contraction associated with charging and discharging is large, and the active material is pulverized or dropped from the current collector due to expansion and contraction associated with charging and discharging. There is a problem that the cycle characteristics deteriorate.
これに対し、近年、気相法などによってケイ素などの負極活物質層を負極集電体に積層して形成した負極が提案されている(例えば、特開平8−50922号公報、特許第2948205号公報、および特開平11−135115号公報)。このようにすれば、負極活物質層と負極集電体とを一体化し、充放電に伴う膨張収縮によって活物質が細分化されることを抑制できるとされている。また、負極における電子伝導性を向上させる効果も得られる。 On the other hand, in recent years, a negative electrode formed by laminating a negative electrode active material layer such as silicon on a negative electrode current collector by a vapor phase method or the like has been proposed (for example, JP-A-8-50922, Japanese Patent No. 2948205). Gazette and JP-A-11-135115). If it does in this way, it is supposed that a negative electrode active material layer and a negative electrode electrical power collector are integrated, and it can suppress that an active material is subdivided by the expansion / contraction accompanying charging / discharging. Moreover, the effect which improves the electronic conductivity in a negative electrode is also acquired.
しかしながら、上記のように負極活物質層と負極集電体とを一体化した負極においても、充放電を繰り返すと、負極活物質層の激しい膨張収縮によって界面に応力が加わり、負極活物質層が負極集電体から脱落するなどして、サイクル特性が低下する。 However, even in the negative electrode in which the negative electrode active material layer and the negative electrode current collector are integrated as described above, when charging and discharging are repeated, stress is applied to the interface due to severe expansion and contraction of the negative electrode active material layer, and the negative electrode active material layer becomes Cycle characteristics deteriorate due to falling off of the negative electrode current collector.
このような問題を解決するために、ケイ素中に不純物をドーピングした電池(特開平10−199524号公報)や、ケイ素と他の元素との合金や金属間化合物を用いたリチウムイオン二次電池(特開2000−243389号公報、特開平10−302770号公報)などが提案されている。 In order to solve such problems, a battery in which impurities are doped in silicon (Japanese Patent Laid-Open No. 10-199524), a lithium ion secondary battery using an alloy or intermetallic compound of silicon and other elements ( JP 2000-243389 A, JP 10-302770 A) and the like have been proposed.
また、後述の特許文献1には、負極活物質層として、ケイ素を主体とする薄膜であって、少なくともその表面に周期表第4周期、第5周期および第6周期のIIIa族、IVa族、Va族、VIa族、VIIa族、VIII族、Ib族、およびIIb族の元素(但し、銅(Cu)は除く。)の少なくとも1種が含まれている薄膜を用いるリチウム二次電池が提案されている。
Further, in
この薄膜中で前記元素はケイ素と固溶体を形成しているが、非平衡状態にあるため、前記元素とケイ素との混合比率は比較的広い範囲で変更することが可能である。前記元素としては、シリコン中への拡散係数が高いコバルト、クロム、亜鉛、鉄、ジルコニウム、およびニッケルなどが好ましい。これらの元素はリチウムと反応しないため、これらの元素が少なくとも表面の薄膜中に含まれると、薄膜表面と電解液との充放電反応が抑制され、充放電に伴う薄膜の膨張収縮量が減少し、充放電の際に薄膜から集電体に働く応力が減少するため、サイクル特性が向上すると説明されている。 In the thin film, the element forms a solid solution with silicon, but since it is in a non-equilibrium state, the mixing ratio of the element and silicon can be changed within a relatively wide range. As the element, cobalt, chromium, zinc, iron, zirconium, nickel and the like having a high diffusion coefficient into silicon are preferable. Since these elements do not react with lithium, if these elements are contained at least in the thin film on the surface, the charge / discharge reaction between the thin film surface and the electrolyte is suppressed, and the amount of expansion / contraction of the thin film accompanying charge / discharge decreases. It is described that the cycle characteristics are improved because the stress acting on the current collector from the thin film during charge / discharge is reduced.
しかしながら、特許文献1のリチウム二次電池では、ケイ素が前記元素と固溶体化するため、負極活物質層の加工特性が大きく変化し、電極巻回体などの作製において、従来と同様の取り扱いができなくなる懸念がある。
However, in the lithium secondary battery of
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、大きなエネルギー容量を得ることができるとともに、負極の構造破壊を抑制し、サイクル特性を向上させた二次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 secondary battery that can obtain a large energy capacity, suppress structural breakdown of the negative electrode, and improve cycle characteristics. is there.
本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、活物質層にモリブデンの単体又はその化合物を加えることにより、容量維持率などのサイクル特性を向上させることができることを発見し、本発明を完成させるに到った。 As a result of intensive studies, the inventor discovered that by adding molybdenum alone or a compound thereof to the active material layer, cycle characteristics such as capacity retention ratio can be improved, and the present invention is completed. Arrived.
即ち、本発明は、正極と電解質と負極を備え、前記負極を構成する負極活物質層中に、負極活物質としてケイ素の単体及びその化合物、並びにスズの単体及びその化合物のうちの1種以上が含まれている二次電池において、
モリブデンの単体又はその化合物が、前記負極活物質の表面に付着しているか、又は 前記負極活物質間に介在している
ことを特徴とする、二次電池に係るものである。
That is, the present invention includes a positive electrode, an electrolyte, and a negative electrode, and in the negative electrode active material layer constituting the negative electrode, as a negative electrode active material, a simple substance of silicon and a compound thereof, and a simple substance of tin and one or more of the compounds thereof In secondary batteries that contain
The present invention relates to a secondary battery, wherein molybdenum alone or a compound thereof is attached to the surface of the negative electrode active material or interposed between the negative electrode active materials.
上述したように、本発明者は、前記負極活物質層に前記モリブデンの単体又はその化合物を加えることにより、サイクル特性を向上させることができることを発見し、本発明を完成させた。前記モリブデンの単体又はその化合物の作用機構については不明な点も残されており、現在、検討を重ねているが、二硫化モリブデン等は一般的に潤滑材として用いられていることから、前記負極活物質の表面に付着しているか、又は前記負極活物質間に介在することによって、充放電に伴う前記負極活物質の膨張収縮によって生じる活物質粒子同士の間の応力を分散させ、活物質粒子の崩壊を防止することが考えられる。また、前記モリブデンの単体又はその化合物が前記負極活物質の表面に付着することによって、その近傍における電極反応物質の供給が阻害され、その結果、充放電反応が抑制され、充放電に伴う薄膜の膨張収縮量が減少し、前記負極活物質層と負極集電体との間に働く応力が減少するため、サイクル特性が向上することも考えられる。さらに、モリブデン化合物が触媒的に作用し、負極表面上にある皮膜組成に影響を与えている可能性も考えられる。 As described above, the present inventor has discovered that cycle characteristics can be improved by adding the molybdenum alone or a compound thereof to the negative electrode active material layer, thereby completing the present invention. As for the mechanism of action of the simple substance of molybdenum or its compound, there are still unclear points, and it is currently being studied. However, since molybdenum disulfide is generally used as a lubricant, the negative electrode By adhering to the surface of the active material or interposing between the negative electrode active materials, the stress between the active material particles generated by the expansion and contraction of the negative electrode active material accompanying charge / discharge is dispersed, and the active material particles It is conceivable to prevent the collapse of. In addition, the molybdenum simple substance or a compound thereof adheres to the surface of the negative electrode active material, so that the supply of the electrode reactant in the vicinity thereof is inhibited, and as a result, the charge / discharge reaction is suppressed, and the thin film accompanying charge / discharge is suppressed. Since the amount of expansion / contraction is reduced and the stress acting between the negative electrode active material layer and the negative electrode current collector is reduced, the cycle characteristics may be improved. Furthermore, it is conceivable that the molybdenum compound acts catalytically and affects the film composition on the negative electrode surface.
活物質粒子の崩壊は、電極構造を破壊し、集電体からの剥離を引き起こし、あるいは新生面の出現によって電解液が分解する副反応が増大する原因になるため、できるだけ抑制する必要がある。前記負極活物質層中への前記モリブデンの単体又はその化合物の添加は、その作用機構がどうであれ、活物質粒子の崩壊を抑制することによって、容量維持率などのサイクル特性を向上させることができる。この結果、前記負極活物質として前記ケイ素の単体及びその化合物、並びに前記スズの単体及びその化合物のうちの1種以上を用いることが可能になり、二次電池の高容量化を実現することができる。 The collapse of the active material particles destroys the electrode structure, causes peeling from the current collector, or causes a side reaction in which the electrolytic solution decomposes due to the appearance of a new surface, and therefore must be suppressed as much as possible. The addition of the molybdenum alone or a compound thereof to the negative electrode active material layer can improve cycle characteristics such as capacity retention rate by suppressing the collapse of the active material particles regardless of the mechanism of action. it can. As a result, it becomes possible to use one or more of the simple substance of silicon and a compound thereof, and the simple substance of tin and the compound thereof as the negative electrode active material, thereby realizing high capacity of the secondary battery. it can.
本発明において、前記モリブデンの単体又はその化合物の粒径が4μm以下であるのがよい。さらに好ましくは、前記モリブデンの単体又はその化合物の粒径が、前記負極活物質の平均粒径より小さいのがよい。ここでいう平均粒径とは、1次粒子ばかりではなく、1次粒子が合体して生じた2次粒子も含めたすべての粒子の平均粒径である。 In the present invention, the particle size of the molybdenum alone or its compound is preferably 4 μm or less. More preferably, the particle size of the molybdenum alone or a compound thereof is smaller than the average particle size of the negative electrode active material. Here, the average particle diameter is an average particle diameter of all particles including not only primary particles but also secondary particles formed by coalescence of primary particles.
また、前記モリブデンの単体又はその化合物が、前記負極活物質の表面に付着し、一部分を被覆しているのがよい。 Further, it is preferable that the simple substance of molybdenum or a compound thereof adheres to the surface of the negative electrode active material and covers a part thereof.
また、前記負極活物質層における前記モリブデンの単体又はその化合物の含有量が20質量%以下であるのがよい。 In addition, the content of the molybdenum alone or a compound thereof in the negative electrode active material layer is preferably 20% by mass or less.
また、前記モリブデンの化合物として二硫化モリブデンが含まれるのがよい。 Further, molybdenum disulfide is preferably included as the molybdenum compound.
また、前記負極活物質層を構成する元素として、酸素が含まれているのがよい。例えば、前記負極活物質層における酸素の含有量が3原子数%以上、45原子数%以下であるのがよい。 In addition, oxygen may be contained as an element constituting the negative electrode active material layer. For example, the oxygen content in the negative electrode active material layer may be 3 atomic% or more and 45 atomic% or less.
また、前記シリコン又はスズの単体の一部又は全部が、前記負極を構成する集電体と合金化しているのがよい。 Further, it is preferable that a part or all of the simple substance of silicon or tin is alloyed with the current collector constituting the negative electrode.
また、前記負極を構成する集電体の、前記負極活物質層が設けられる面が、粗化されているのがよい。例えば、前記負極集電体の表面粗度Ra値が0.01〜1μmであるのがよい。 The surface of the current collector constituting the negative electrode on which the negative electrode active material layer is provided is preferably roughened. For example, the negative electrode current collector may have a surface roughness Ra value of 0.01 to 1 μm.
また、前記電解質の溶媒として、環状炭酸エステルまたは鎖状炭酸エステルの水素原子の一部または全部がフッ素原子で置換された化合物が含まれるのがよい。 The electrolyte solvent may include a compound in which part or all of the hydrogen atoms of the cyclic carbonate or chain carbonate are substituted with fluorine atoms.
また、前記化合物がジフルオロエチレンカーボネートであるのがよい。 The compound is preferably difluoroethylene carbonate.
また、前記正極を構成する正極活物質中にリチウム化合物が含まれているのがよい。 Moreover, it is good that the lithium compound is contained in the positive electrode active material which comprises the said positive electrode.
また、前記電解質の電解質塩として、ホウ素とフッ素とを構成元素とするリチウム化合物が含まれているのがよい。 The electrolyte salt of the electrolyte may include a lithium compound having boron and fluorine as constituent elements.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本実施の形態では、本発明に基づく二次電池がリチウムイオン二次電池として構成された例について説明する。 In the present embodiment, an example in which the secondary battery according to the present invention is configured as a lithium ion secondary battery will be described.
図1は、本実施の形態に基づくリチウムイオン二次電池10の構成を示す斜視図(a)および断面図(b)である。図1に示すように、二次電池10は角型の電池であり、電極巻回体6が電池缶7の内部に収容され、電解液が電池缶7に注入されている。電池缶7の開口部は、電池蓋8により封口されている。電極巻回体6は、帯状の負極1と帯状の正極2とをセパレータ(および電解質層)3を間に挟んで対向させ、長手方向に巻回したものである。負極1から引き出された負極リード4は電池缶7に接続され、電池缶7が負極端子を兼ねている。正極2から引き出された正極リード5は正極端子9に接続されている。
FIG. 1 is a perspective view (a) and a sectional view (b) showing a configuration of a lithium ion
電池缶7および電池蓋8の材料としては、鉄やアルミニウムなどを用いることができる。但し、アルミニウムからなる電池缶7および電池蓋8を用いる場合には、リチウムとアルミニウムとの反応を防止するために、正極リード5を電池缶7と溶接し、負極リード4を端子ピン9と接続する構造とする方が好ましい。 As a material for the battery can 7 and the battery lid 8, iron, aluminum, or the like can be used. However, when the battery can 7 and the battery lid 8 made of aluminum are used, the positive electrode lead 5 is welded to the battery can 7 and the negative electrode lead 4 is connected to the terminal pin 9 in order to prevent reaction between lithium and aluminum. It is preferable that the structure be
負極1は、例えば、負極集電体と、負極集電体に設けられた負極活物質層とによって構成されている。
The
負極集電体は、リチウム(Li)と金属間化合物を形成しない金属材料によって形成されているのがよい。負極集電体がリチウムと金属間化合物を形成する材料であると、充放電に伴うリチウムとの反応によって負極集電体が膨張収縮する。この結果、負極集電体の構造破壊が起こって集電性が低下する。また、負極活物質層を保持する能力が低下して、負極活物質層が負極集電体から脱落しやすくなる。 The negative electrode current collector is preferably formed of a metal material that does not form an intermetallic compound with lithium (Li). When the negative electrode current collector is a material that forms an intermetallic compound with lithium, the negative electrode current collector expands and contracts due to a reaction with lithium accompanying charge / discharge. As a result, the structure of the negative electrode current collector is broken and the current collecting property is lowered. In addition, the ability to hold the negative electrode active material layer is reduced, and the negative electrode active material layer is easily detached from the negative electrode current collector.
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)などが挙げられる。なお、本明細書において、金属材料とは、金属元素の単体だけではなく、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むものとする。 Examples of the metal element that does not form an intermetallic compound with lithium include copper (Cu), nickel (Ni), titanium (Ti), iron (Fe), and chromium (Cr). Note that in this specification, the metal material includes not only a single metal element but also an alloy composed of two or more metal elements, or one or more metal elements and one or more metalloid elements.
また、負極集電体は、負極活物質層と合金化する金属元素を含む金属材料によって構成されているのがよい。このようであれば、合金化によって負極活物質層と負極集電体との密着性が向上し、充放電に伴う膨張収縮によって負極活物質が細分化されることが抑制され、負極集電体から負極活物質層が脱落するのが抑えられるからである。また、負極における電子伝導性を向上させる効果も得られる。 The negative electrode current collector is preferably made of a metal material containing a metal element that forms an alloy with the negative electrode active material layer. In this case, the adhesion improves the adhesion between the negative electrode active material layer and the negative electrode current collector, and the negative electrode active material is suppressed from being subdivided due to expansion and contraction associated with charge and discharge. This is because the negative electrode active material layer can be prevented from falling off. Moreover, the effect which improves the electronic conductivity in a negative electrode is also acquired.
負極集電体は、単層であってもよいが、複数層によって構成されていてもよい。複数層からなる場合、負極活物質層と接する層がケイ素と合金化する金属材料からなり、他の層がリチウムと金属間化合物を形成しない金属材料からなるのがよい。 The negative electrode current collector may be a single layer or may be composed of a plurality of layers. In the case of a plurality of layers, the layer in contact with the negative electrode active material layer is preferably made of a metal material alloyed with silicon, and the other layers are preferably made of a metal material that does not form an intermetallic compound with lithium.
負極集電体の、負極活物質層が設けられる側の面は、粗化されていることが好ましく、例えば、負極集電体の表面粗度Ra値が0.1μm以上であるのがよい。このようであれば、負極活物質層と負極集電体との密着性が向上するからである。一方、Ra値は3.5μm以下、より好ましくは3.0μm以下であるのがよい。表面粗度が大きすぎると、負極活物質層の膨張に伴って負極集電体に亀裂が生じやすくなるおそれがあるからである。なお、表面粗度Ra値は、JIS B0601に規定される算術平均粗さRaのことである。負極集電体のうち、負極活物質層が設けられている領域の表面粗度Raが上記の範囲内であればよい。 The surface of the negative electrode current collector on which the negative electrode active material layer is provided is preferably roughened. For example, the surface roughness Ra value of the negative electrode current collector is preferably 0.1 μm or more. This is because the adhesion between the negative electrode active material layer and the negative electrode current collector is improved. On the other hand, the Ra value is 3.5 μm or less, more preferably 3.0 μm or less. This is because if the surface roughness is too large, the negative electrode current collector tends to crack as the negative electrode active material layer expands. The surface roughness Ra value is an arithmetic average roughness Ra specified in JIS B0601. The surface roughness Ra of the area | region in which the negative electrode active material layer is provided among negative electrode collectors should just be in said range.
負極活物質層中には、負極活物質としてケイ素の単体及びその化合物、並びにスズの単体及びその化合物のうちの1種以上が含まれている。このうち、とくにケイ素が含まれているのがよい。ケイ素はリチウムイオンを合金化して取り込む能力、および合金化したリチウムをリチウムイオンとして再放出する能力に優れ、リチウムイオン二次電池を構成した場合、大きなエネルギー密度を実現することができる。ケイ素は、単体で含まれていても、合金で含まれていても、化合物で含まれていてもよく、それらの2種以上が混在した状態で含まれていてもよい。 The negative electrode active material layer contains one or more of a simple substance of silicon and a compound thereof, and a simple substance of tin and a compound thereof as a negative electrode active material. Of these, silicon is particularly preferable. Silicon is excellent in the ability to alloy lithium ions to be incorporated and to re-release the alloyed lithium as lithium ions. When a lithium ion secondary battery is constructed, a large energy density can be realized. Silicon may be contained as a simple substance, an alloy, a compound, or a mixture of two or more thereof.
そして、モリブデンの単体又はその化合物(以下、モリブデン材と略記することがある。)が、その負極活物質の表面に付着しているか、または負極活物質間に介在している。 And the molybdenum simple substance or its compound (henceforth abbreviate | omitting a molybdenum material) adheres to the surface of the negative electrode active material, or intervenes between negative electrode active materials.
負極活物質層は、厚さが70〜80μm程度の塗布型であっても、厚さが5〜6μm程度の薄膜型であってもよい。 The negative electrode active material layer may be a coating type having a thickness of about 70 to 80 μm or a thin film type having a thickness of about 5 to 6 μm.
塗布型である場合には、負極活物質層は、シリコンの単体及びその化合物、並びにスズの単体及びその化合物のうちの1種以上からなる負極活物質微粒子と、モリブデン材からなる微粒子とが、必要に応じて、炭素材料などの導電材、およびポリイミドやポリフッ化ビニリデンなどの結着材(バインダー)とによって、負極集電体上に形成されている。 In the case of the coating type, the negative electrode active material layer includes a simple substance of silicon and a compound thereof, a negative electrode active material fine particle composed of one or more of a simple substance of tin and the compound thereof, and a fine particle composed of a molybdenum material. If necessary, it is formed on the negative electrode current collector with a conductive material such as a carbon material and a binder (binder) such as polyimide or polyvinylidene fluoride.
この際、後述の実施例で説明する実験から、モリブデン材の粒径が4μm以下であり、さらに好ましくは、負極活物質の平均粒径より小さい場合に最も効果的であることが明らかになった。この際、モリブデンの単体又はその化合物が、負極活物質の表面に付着し、一部分を被覆しているのがよい。 At this time, the experiment described in Examples described later revealed that the effect is most effective when the particle size of the molybdenum material is 4 μm or less, and more preferably smaller than the average particle size of the negative electrode active material. . At this time, it is preferable that a simple substance of molybdenum or a compound thereof adheres to the surface of the negative electrode active material and covers a part thereof.
また、モリブデンの化合物として二硫化モリブデンが含まれるのがよい。後述の実施例で説明するように、二硫化モリブデンが最も効果的であることが実験から明らかになった。 Further, molybdenum disulfide is preferably included as a molybdenum compound. As will be described in the examples described later, it has become clear from experiments that molybdenum disulfide is most effective.
また、負極活物質層におけるモリブデン材の含有量が20質量%以下であるのがよい。モリブデン材の含有量が多いほど、その効果は高くなるものの、多すぎると、負極活物質の量が減少して充放電容量が低下するので好ましくない。後述の実施例で説明する実験から、上記含有量は、20質量%以下であるのがよいことが明らかになった。 In addition, the content of the molybdenum material in the negative electrode active material layer is preferably 20% by mass or less. Although the effect becomes higher as the content of the molybdenum material increases, an excessive amount of the molybdenum material is not preferable because the amount of the negative electrode active material decreases and the charge / discharge capacity decreases. From the experiments described in the examples described later, it has become clear that the content should be 20% by mass or less.
薄膜型である場合には、負極活物質層は、シリコンの単体及びその化合物、並びにスズの単体及びその化合物のうちの1種以上からなる負極活物質層が、負極集電体上に形成され、その上にモリブデン材からなる層が積層されている。 In the case of a thin film type, the negative electrode active material layer is formed by forming a negative electrode active material layer composed of a single substance of silicon and a compound thereof and a simple substance of tin and one or more of the compounds on a negative electrode current collector. On top of that, a layer made of molybdenum material is laminated.
この際、前記シリコン又はスズの単体の一部又は全部が、前記負極を構成する集電体と合金化しているのがよい。既述したように、負極活物質層と負極集電体との密着性を向上させることができるからである。具体的には、界面において負極集電体の構成元素が負極活物質層に、または負極活物質層の構成元素が負極集電体に、またはそれらが互いに拡散していることが好ましい。充放電により負極活物質層が膨張収縮しても、負極集電体からの脱落が抑制されるからである。なお、本願では、上述した元素の拡散も合金化の一形態に含める。 At this time, a part or all of the simple substance of silicon or tin is preferably alloyed with the current collector constituting the negative electrode. This is because, as described above, the adhesion between the negative electrode active material layer and the negative electrode current collector can be improved. Specifically, it is preferable that the constituent elements of the negative electrode current collector are diffused in the negative electrode active material layer, the constituent elements of the negative electrode active material layer are diffused in the negative electrode current collector, or they are mutually diffused at the interface. This is because even if the negative electrode active material layer expands and contracts due to charge and discharge, dropping from the negative electrode current collector is suppressed. In the present application, the above-described element diffusion is included in one form of alloying.
負極活物質層がスズの単体を含む場合、スズ層の上にコバルト層が積層され、積層後の加熱処理によって両者が合金化されているのがよい。このようにすると、充放電効率が高くなり、サイクル特性が向上する。この原因の詳細は不明であるが、リチウムと反応しないコバルトを含有することで、充放電反応を繰り返した場合のスズ層の構造安定性が向上するためと考えられる。 When the negative electrode active material layer contains a simple substance of tin, a cobalt layer is preferably laminated on the tin layer, and both are alloyed by heat treatment after lamination. If it does in this way, charging / discharging efficiency will become high and cycling characteristics will improve. Although the details of this cause are unknown, it is considered that the structural stability of the tin layer when the charge / discharge reaction is repeated is improved by containing cobalt that does not react with lithium.
負極活物質層がケイ素の単体を含む場合には、リチウムと金属間化合物を形成せず、負極活物質層中のケイ素と合金化する金属元素として、銅、ニッケル、および鉄が挙げられる。中でも、銅を材料とすれば、十分な強度と導電性とを有する負極集電体が得られるので、特に好ましい。 In the case where the negative electrode active material layer includes a simple substance of silicon, copper, nickel, and iron are given as metal elements that do not form an intermetallic compound with lithium and alloy with silicon in the negative electrode active material layer. Among these, copper is particularly preferable because a negative electrode current collector having sufficient strength and conductivity can be obtained.
また、負極活物質層を構成する元素として、酸素が含まれているのがよい。酸素は負極活物質層の膨張および収縮を抑制し、放電容量の低下および膨れを抑制することができるからである。負極活物質層に含まれる酸素の少なくとも一部は、ケイ素と結合していることが好ましく、結合の状態は一酸化ケイ素でも二酸化ケイ素でも、あるいはそれら以外の準安定状態でもよい。 In addition, oxygen is preferably contained as an element constituting the negative electrode active material layer. This is because oxygen can suppress expansion and contraction of the negative electrode active material layer, and can suppress a decrease in discharge capacity and swelling. At least part of oxygen contained in the negative electrode active material layer is preferably bonded to silicon, and the bonding state may be silicon monoxide, silicon dioxide, or other metastable state.
負極活物質層における酸素の含有量は、3原子数%以上、45原子数%以下の範囲内であることが好ましい。酸素含有量が3原子数%よりも少ないと十分な酸素含有効果を得ることができない。また、酸素含有量が45原子数%よりも多いと電池のエネルギー容量が低下してしまうほか、負極活物質層の抵抗値が増大し、局所的なリチウムの挿入により膨れたり、サイクル特性が低下してしまうと考えられるからである。なお、充放電により電解液などが分解して負極活物質層の表面に形成される被膜は、負極活物質層には含めない。よって、負極活物質層における酸素含有量とは、この被膜を含めないで算出した数値である。 The oxygen content in the negative electrode active material layer is preferably in the range of 3 atomic% to 45 atomic%. If the oxygen content is less than 3 atomic%, a sufficient oxygen-containing effect cannot be obtained. In addition, if the oxygen content is higher than 45 atomic%, the energy capacity of the battery is reduced, the resistance value of the negative electrode active material layer is increased, and it is swollen by local lithium insertion, and the cycle characteristics are reduced. It is because it is thought that it will do. Note that a coating formed on the surface of the negative electrode active material layer by decomposition of the electrolyte solution or the like by charge / discharge is not included in the negative electrode active material layer. Therefore, the oxygen content in the negative electrode active material layer is a numerical value calculated without including this film.
また、負極活物質層は、酸素の含有量が少ない第1層と、酸素の含有量が第1層よりも多い第2層とが交互に積層されていることが好ましく、第2層は少なくとも第1層の間に1層以上存在することが好ましい。この場合、充放電に伴う膨張および収縮を、より効果的に抑制することができるからである。例えば、第1層におけるケイ素の含有量は90原子数%以上であることが好ましく、酸素は含まれていても含まれていなくてもよいが、酸素の含有量はなるべく少ない方が好ましく、全く酸素を含んでおらず、含有量が零であればより好ましい。この場合、より高い放電容量を得ることができるからである。一方、第2層におけるケイ素の含有量は90原子数%以下、酸素の含有量は10原子数%以上であることが好ましい。この場合、膨張および収縮による構造破壊をより効果的に抑制することができるからである。第1層と第2層とは、負極集電体の側から、第1層、第2層の順で積層されていてもよいが、第2層、第1層の順で積層されていてもよく、表面は第1層でも第2層でもよい。また、酸素の含有量は、第1層と第2層との間において段階的あるいは連続的に変化していることが好ましい。酸素の含有量が急激に変化すると、リチウムイオンの拡散性が低下し、抵抗が上昇してしまう場合があるからである。 The negative electrode active material layer is preferably formed by alternately laminating a first layer having a low oxygen content and a second layer having a higher oxygen content than the first layer. One or more layers are preferably present between the first layers. In this case, it is because the expansion | swelling and shrinkage | contraction accompanying charging / discharging can be suppressed more effectively. For example, the silicon content in the first layer is preferably 90 atomic% or more, and oxygen may or may not be contained, but the oxygen content is preferably as low as possible, More preferably, it does not contain oxygen and its content is zero. This is because a higher discharge capacity can be obtained in this case. On the other hand, the silicon content in the second layer is preferably 90 atomic% or less, and the oxygen content is preferably 10 atomic% or more. This is because structural destruction due to expansion and contraction can be more effectively suppressed. The first layer and the second layer may be laminated in the order of the first layer and the second layer from the negative electrode current collector side, but are laminated in the order of the second layer and the first layer. The surface may be the first layer or the second layer. Moreover, it is preferable that the oxygen content changes stepwise or continuously between the first layer and the second layer. This is because, if the oxygen content changes abruptly, the diffusibility of lithium ions decreases and the resistance may increase.
なお、負極活物質層は、ケイ素および酸素以外の他の1種以上の構成元素を含んでいてもよい。他の元素としては、例えば、コバルト(Co)、鉄(Fe)、スズ(Sn)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、マンガン(Mn)、亜鉛(Zn)、インジウム(In)、銀(Ag)、チタン(Ti)、ゲルマニウム(Ge)、ビスマス(Bi)、アンチモン(Sb)、あるいはクロム(Cr)が挙げられる。 Note that the negative electrode active material layer may contain one or more constituent elements other than silicon and oxygen. Examples of other elements include cobalt (Co), iron (Fe), tin (Sn), nickel (Ni), copper (Cu), manganese (Mn), zinc (Zn), indium (In), silver ( Ag), titanium (Ti), germanium (Ge), bismuth (Bi), antimony (Sb), or chromium (Cr).
正極2は、例えば、正極集電体と、正極集電体に設けられた正極活物質層とによって構成されている。
The
正極集電体は、例えば、アルミニウム,ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料によって構成されているのがよい。 The positive electrode current collector is preferably made of a metal material such as aluminum, nickel, or stainless steel.
正極活物質層は、例えば、正極活物質として、充電時にリチウムイオンを放出することができ、かつ放電時にリチウムイオンを再吸蔵することができる材料を1種以上含んでおり、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結着材(バインダー)を含んでいるのがよい。 The positive electrode active material layer includes, for example, one or more materials capable of releasing lithium ions during charging and re-occluding lithium ions during discharging, as a positive electrode active material. A conductive material such as a carbon material and a binder (binder) such as polyvinylidene fluoride are preferably included.
リチウムイオンを放出および再吸蔵することが可能な材料としては、例えば、一般式LixMO2で表される、リチウムと遷移金属元素Mからなるリチウム遷移金属複合酸化物が好ましい。これは、リチウム遷移金属複合酸化物は、リチウムイオン二次電池を構成した場合、高い起電力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実現することができるからである。なお、Mは1種類以上の遷移金属元素であり、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であるのが好ましい。xは電池の充電状態(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遷移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。 As a material capable of releasing and re-occluding lithium ions, for example, a lithium transition metal composite oxide composed of lithium and a transition metal element M represented by a general formula Li x MO 2 is preferable. This is because the lithium transition metal composite oxide can generate a high electromotive force and has a high density when a lithium ion secondary battery is configured, thereby realizing further increase in capacity of the secondary battery. Because you can. Note that M is one or more transition metal elements, and is preferably at least one of cobalt and nickel, for example. x varies depending on the state of charge (discharge state) of the battery, and is usually a value in the range of 0.05 ≦ x ≦ 1.10. Specific examples of such a lithium transition metal composite oxide include LiCoO 2 and LiNiO 2 .
なお、正極活物質として、粒子状のリチウム遷移金属複合酸化物を用いる場合には、その粉末をそのまま用いてもよいが、粒子状のリチウム遷移金属複合酸化物の少なくとも一部に、このリチウム遷移金属複合酸化物とは組成が異なる酸化物、ハロゲン化物、リン酸塩、硫酸塩からなる群のうちの少なくとも1種を含む表面層を設けるようにしてもよい。安定性を向上させることができ、放電容量の低下をより抑制することができるからである。この場合、表面層の構成元素と、リチウム遷移金属複合酸化物の構成元素とは、互いに拡散していてもよい。 When a particulate lithium transition metal composite oxide is used as the positive electrode active material, the powder may be used as it is. However, at least part of the particulate lithium transition metal composite oxide contains this lithium transition metal. A surface layer containing at least one member selected from the group consisting of oxides, halides, phosphates, and sulfates having a composition different from that of the metal composite oxide may be provided. This is because the stability can be improved and the decrease in discharge capacity can be further suppressed. In this case, the constituent element of the surface layer and the constituent element of the lithium transition metal composite oxide may diffuse to each other.
また、正極活物質層は、長周期型周期表における2族元素,3族元素または4族元素の単体および化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含有することが好ましい。安定性を向上させることができ、放電容量の低下をより抑制することができるからである。2族元素としてはマグネシウム(Mg),カルシウム(Ca)あるいはストロンチウム(Sr)などが挙げられ、中でもマグネシウムが好ましい。3族元素としてはスカンジウム(Sc)あるいはイットリウム(Y)などが挙げられ、中でもイットリウムが好ましい。4族元素としてはチタンあるいはジルコニウム(Zr)が挙げられ、中でもジルコニウムが好ましい。これらの元素は、正極活物質中に固溶していてもよく、また、正極活物質の粒界に単体あるいは化合物として存在していてもよい。
Moreover, it is preferable that a positive electrode active material layer contains at least 1 sort (s) of the group which consists of a simple substance and a compound of a 2nd group element, a 3rd group element, or a 4th group element in a long period type periodic table. This is because the stability can be improved and the decrease in discharge capacity can be further suppressed. Examples of the
セパレータ3は、負極1と正極2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。セパレータ3の材料としては、例えば、微小な貫通孔が多数形成された微多孔性のポリエチレンやポリプロピレンなどの薄膜がよい。
The separator 3 separates the
電解液は、例えば、溶媒と、この溶媒に溶解した電解質塩とで構成され、必要に応じて添加剤を含んでいてもよい。 The electrolytic solution is composed of, for example, a solvent and an electrolyte salt dissolved in the solvent, and may contain an additive as necessary.
電解液の溶媒としては、例えば、1,3−ジオキソラン−2−オン(炭酸エチレン;EC)や4−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オン(炭酸プロピレン;PC)などの環状炭酸エステル、および、炭酸ジメチル(DMC)や炭酸ジエチル(DEC)や炭酸エチルメチル(EMC)などの鎖状炭酸エステルなどの非水溶媒が挙げられる。溶媒はいずれか1種を単独で用いてもよいが、2種以上を混合して用いるのがよい。例えば、炭酸エチレンや炭酸プロピレンなどの高誘電率溶媒と、炭酸ジメチルや炭酸ジエチルや炭酸エチルメチルなどの低粘度溶媒とを混合して用いることにより、電解質塩に対する高い溶解性と、高いイオン伝導度とを実現することができる。 Examples of the solvent for the electrolytic solution include cyclic carbonates such as 1,3-dioxolane-2-one (ethylene carbonate; EC) and 4-methyl-1,3-dioxolan-2-one (propylene carbonate; PC). And nonaqueous solvents such as chain carbonates such as dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and ethyl methyl carbonate (EMC). Any one of the solvents may be used alone, or two or more of them may be mixed and used. For example, by using a mixture of a high dielectric constant solvent such as ethylene carbonate or propylene carbonate and a low viscosity solvent such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, or ethyl methyl carbonate, it has high solubility in electrolyte salts and high ionic conductivity. And can be realized.
また、溶媒はスルトンを含有していてもよい。電解液の安定性が向上し、分解反応などによる電池の膨れを抑制することができるからである。スルトンとしては、環内に不飽和結合を有するものが好ましく、特に、化1に示した1,3−プロペンスルトンが好ましい。より高い効果を得ることができるからである。
The solvent may contain sultone. This is because the stability of the electrolytic solution is improved, and swelling of the battery due to a decomposition reaction or the like can be suppressed. As the sultone, those having an unsaturated bond in the ring are preferable, and 1,3-propene sultone shown in
また、溶媒には、1,3−ジオキソール−2−オン(炭酸ビニレン;VC)あるいは4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン(VEC)などの不飽和結合を有する環式炭酸エステルを混合して用いることが好ましい。放電容量の低下をより抑制することができるからである。特に、VCとVECとを共に用いるようにすれば、より高い効果を得ることができるので好ましい。 In addition, a cyclic carbonate having an unsaturated bond such as 1,3-dioxol-2-one (vinylene carbonate; VC) or 4-vinyl-1,3-dioxolan-2-one (VEC) is used as a solvent. It is preferable to use a mixture. This is because a decrease in discharge capacity can be further suppressed. In particular, it is preferable to use both VC and VEC because higher effects can be obtained.
更に、溶媒には、ハロゲン原子を有する炭酸エステル誘導体を混合して用いるようにしてもよい。放電容量の低下を抑制することができるからである。この場合、不飽和結合を有する環式炭酸エステルと共に混合して用いるようにすればより好ましい。より高い効果を得ることができるからである。ハロゲン原子を有する炭酸エステル誘導体は、環式化合物でも鎖式化合物でもよいが、環式化合物の方がより高い効果を得ることができるので好ましい。このような環式化合物としては、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(FEC)、4−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−ブロモ−1,3−ジオキソラン−2−オン、あるいは4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(DFEC)などが挙げられ、中でもフッ素原子を有するDFECやFEC、特にDFECが好ましい。より高い効果を得ることができるからである。 Further, a carbonate ester derivative having a halogen atom may be mixed and used as the solvent. This is because a decrease in discharge capacity can be suppressed. In this case, it is more preferable to use a mixture with a cyclic carbonate having an unsaturated bond. This is because a higher effect can be obtained. The carbonic acid ester derivative having a halogen atom may be either a cyclic compound or a chain compound, but the cyclic compound is preferable because a higher effect can be obtained. Such cyclic compounds include 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one (FEC), 4-chloro-1,3-dioxolan-2-one, 4-bromo-1,3-dioxolane- 2-one, 4,5-difluoro-1,3-dioxolane-2-one (DFEC), and the like can be mentioned. Among them, DFEC and FEC having a fluorine atom, particularly DFEC are preferable. This is because a higher effect can be obtained.
電解液の電解質塩としては、例えば、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)やテトラフルオロホウ酸リチウム(LiBF4)などのリチウム塩が挙げられる。電解質塩は、いずれか1種を単独で用いてもよいが、2種以上を混合して用いてもよい。 Examples of the electrolyte salt of the electrolytic solution include lithium salts such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) and lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ). Any one electrolyte salt may be used alone, or two or more electrolyte salts may be mixed and used.
なお、電解液はそのまま用いてもよいが、高分子化合物に保持させていわゆるゲル状の電解質としてもよい。その場合、電解質はセパレータ3に含浸されていてもよく、また、セパレータ3と負極1または正極2との間に層状に存在していてもよい。高分子材料としては、例えば、フッ化ビニリデンを含む重合体が好ましい。酸化還元安定性が高いからである。また、高分子化合物としては、重合性化合物が重合されることにより形成されたものも好ましい。重合性化合物としては、例えば、アクリル酸エステルなどの単官能アクリレート、メタクリル酸エステルなどの単官能メタクリレート、ジアクリル酸エステル,あるいはトリアクリル酸エステルなどの多官能アクリレート、ジメタクリル酸エステルあるいはトリメタクリル酸エステルなどの多官能メタクリレート、アクリロニトリル、またはメタクリロニトリルなどがあり、中でも、アクリレート基あるいはメタクリレート基を有するエステルが好ましい。重合が進行しやすく、重合性化合物の反応率が高いからである。
The electrolytic solution may be used as it is, or may be retained in a polymer compound to form a so-called gel electrolyte. In that case, the electrolyte may be impregnated in the separator 3, or may exist in a layer between the separator 3 and the
リチウムイオン二次電池10は、例えば、次のようにして製造することができる。
The lithium ion
まず、負極集電体に負極活物質層を形成し、負極1を作製する。
First, the negative electrode active material layer is formed on the negative electrode current collector, and the
塗布型の負極活物質層を形成する場合には、例えば、まず、シリコンの単体及びその化合物、並びにスズの単体及びその化合物のうちの1種以上が含まれる負極活物質を、微粒子状に粉砕し、これとモリブデン材からなる微粒子とを、必要に応じて導電材および結着剤(バインダー)と混合し、合剤を調製する。次に、この合剤をN−メチルピロリドン(NMP)などの分散媒に分散させてスラリー状にし、この合剤スラリーを負極集電体に塗布した後、分散媒を蒸発させ、圧縮成型することにより、負極1を作製する。
In the case of forming a coating type negative electrode active material layer, for example, first, a simple substance of silicon and a compound thereof, and a negative electrode active material containing at least one of a simple substance of tin and a compound thereof are pulverized into fine particles. And this and the fine particle which consists of molybdenum materials are mixed with a electrically conductive material and a binder (binder) as needed, and a mixture is prepared. Next, this mixture is dispersed in a dispersion medium such as N-methylpyrrolidone (NMP) to form a slurry, and after applying this mixture slurry to the negative electrode current collector, the dispersion medium is evaporated and compression molded. Thus, the
薄膜型の負極活物質層を形成する場合には、まず、負極集電体に、例えば、気相法,溶射法,焼成法あるいは液相法により、シリコンの単体及びその化合物、並びにスズの単体及びその化合物のうちの1種以上が含まれる負極活物質層を成膜する。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、スパッタリング法、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法、CVD法(Chemical Vapor Deposition ;化学気相成長法)、あるいは溶射法などのいずれを用いてもよい。液相法としては、例えば鍍金が挙げられる。また、それらの2つ以上の方法、更には他の方法を組み合わせて負極活物質層を成膜するようにしてもよい。 When forming a thin film type negative electrode active material layer, first, a simple substance of silicon and its compound, and a simple substance of tin are applied to the negative electrode current collector by, for example, a vapor phase method, a thermal spraying method, a firing method or a liquid phase method. And a negative electrode active material layer containing at least one of the compounds. 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 method (Chemical Vapor Deposition; chemical vapor phase). Either a growth method) or a thermal spraying method may be used. Examples of the liquid phase method include plating. In addition, the negative electrode active material layer may be formed by combining two or more of these methods, and other methods.
次に、その上にモリブデン材からなる層を、真空蒸着法やRFスパッタリング法によって積層する。 Next, a layer made of a molybdenum material is laminated thereon by a vacuum deposition method or an RF sputtering method.
負極活物質層に酸素を含有させる場合、酸素の含有量は、例えば、負極活物質層を形成する際の雰囲気中に酸素を含有させたり、焼成時あるいは熱処理時の雰囲気中に酸素を含有させたり、または用いる負極活物質粒子の酸素濃度により調節する。 When oxygen is included in the negative electrode active material layer, the oxygen content is, for example, that oxygen is included in the atmosphere when forming the negative electrode active material layer, or oxygen is included in the atmosphere during firing or heat treatment. Or by adjusting the oxygen concentration of the negative electrode active material particles to be used.
また、前述したように、酸素の含有量が少ない第1層と、酸素の含有量が第1層よりも多い第2層とを交互に積層して負極活物質層を形成する場合には、雰囲気中における酸素濃度を変化させることにより調節するようにしてもよく、また、第1層を形成したのち、その表面を酸化させることにより第2層を形成するようにしてもよい。 In addition, as described above, when the negative electrode active material layer is formed by alternately stacking the first layer having a low oxygen content and the second layer having a higher oxygen content than the first layer, You may make it adjust by changing the oxygen concentration in atmosphere, and after forming a 1st layer, you may make it form a 2nd layer by oxidizing the surface.
なお、負極活物質層を形成したのちに、真空雰囲気下または非酸化性雰囲気下で熱処理を行い、負極集電体と負極活物質層との界面をより合金化させるようにしてもよい。 Note that after the negative electrode active material layer is formed, heat treatment may be performed in a vacuum atmosphere or a non-oxidizing atmosphere to further alloy the interface between the negative electrode current collector and the negative electrode active material layer.
次に、正極集電体に正極活物質層を形成する。例えば、正極活物質と、必要に応じて導電材および結着剤(バインダー)とを混合して合剤を調製し、これをNMPなどの分散媒に分散させてスラリー状にして、この合剤スラリーを正極集電体に塗布した後、圧縮成型することにより正極2を形成する。
Next, a positive electrode active material layer is formed on the positive electrode current collector. For example, a positive electrode active material and, if necessary, a conductive material and a binder (binder) are mixed to prepare a mixture, which is dispersed in a dispersion medium such as NMP to form a slurry. After applying the slurry to the positive electrode current collector, the
次に、負極1と正極2とをセパレータ3を間に挟んで対向させ、長手方向に巻き回すことにより、電極巻回体6を形成する。この際、負極1と正極2とは、負極活物質層と正極活物質層とが対向するように配置する。次に、この電極巻回体6を角型形状の電池缶7に挿入し、電池缶7の開口部に電池蓋8を溶接する。次に、電池蓋8に形成されている電解液注入口から電解液を注入した後、注入口を封止する。以上のようにして、角型形状のリチウムイオン二次電池10を組み立てる。
Next, the electrode winding body 6 is formed by making the
また、電解液を高分子化合物に保持させる場合には、ラミネートフィルムなどの外装材からなる容器に電解液とともに重合性化合物を注入し、容器内において重合性化合物を重合させることにより、電解質をゲル化する。また、電極の大きな膨張収縮に対応するために、容器として金属缶を用いてもよい。また、負極1と正極2とを巻回する前に、負極1または正極2に塗布法などによってゲル状電解質を被着させ、その後、セパレータ3を間に挟んで負極1と正極2とを巻回するようにしてもよい。
In addition, when the electrolytic solution is held in the polymer compound, the electrolyte is gelled by injecting the polymerizable compound together with the electrolytic solution into a container made of a packaging material such as a laminate film and polymerizing the polymerizable compound in the container. Turn into. Further, a metal can may be used as the container in order to cope with the large expansion and contraction of the electrode. Further, before winding the
組み立て後、リチウムイオン二次電池10を充電すると、正極2からリチウムイオンが放出され、電解液を介して負極1側へ移動し、負極1において還元され、生じたリチウムは負極活物質と合金を形成し、負極1に取り込まれる。放電を行うと、負極1に取り込まれていたリチウムがリチウムイオンとして再放出され、電解液を介して正極2側へ移動し、正極2に再び吸蔵される。
After the assembly, when the lithium ion
この際、リチウムイオン二次電池10では、負極活物質層中に負極活物質としてケイ素の単体及びその化合物、並びにスズの単体及びその化合物のうちの1種以上が含まれているため、二次電池の高容量化が可能になる。しかも、モリブデン材が、負極活物質の表面に付着しているか、または負極活物質間に介在しているため、容量維持率などのサイクル特性が向上する。
In this case, in the lithium ion
以下、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。なお、以下の実施例の説明では、実施の形態において用いた符号および記号をそのまま対応させて用いる。 Hereinafter, specific examples of the present invention will be described in detail. In the following description of the examples, the symbols and symbols used in the embodiments are used correspondingly.
実施例1-1〜1-12
負極活物質として平均粒径1μmの微粒子状のケイ素の単体(シリコン;Si)を用い、塗布型の負極活物質層を形成し、図1に示した角型の電極巻回方式のリチウムイオン二次電池10を作製した。
Examples 1-1 to 1-12
As a negative electrode active material, a simple substance of silicon in the form of fine particles having an average particle diameter of 1 μm (silicon; Si) is used to form a coating type negative electrode active material layer. A
<負極1の形成>
まず、チップ状に砕いたシリコン(純度99%)を、ジェットミルを用いて平均粒径1μmまで粉砕した。このシリコン粉末と、モリブデンの単体又はその化合物からなる微粒子粉末(モリブデン材)とを、3質量%のポリアミド酸(結着材(バインダー)であるポリイミドの前駆体)のNMP溶液中に分散させてスラリー状とし、このスラリーを電解銅箔からなる負極集電体に塗布し、溶媒を蒸発させ乾燥させた後、ロールプレスを行い、圧縮成型した。その後、400℃にて3時間、真空中で熱処理を行い、負極活物質層を形成した。その後、負極リード4を取り付け、負極1を形成した。
<Formation of
First, silicon crushed into chips (purity 99%) was pulverized to an average particle size of 1 μm using a jet mill. This silicon powder and a fine particle powder (molybdenum material) made of molybdenum alone or a compound thereof are dispersed in an NMP solution of 3% by mass of polyamic acid (a precursor of polyimide which is a binder). The slurry was applied, and this slurry was applied to a negative electrode current collector made of an electrolytic copper foil. After the solvent was evaporated and dried, roll pressing was performed and compression molding was performed. Thereafter, heat treatment was performed in vacuum at 400 ° C. for 3 hours to form a negative electrode active material layer. Then, the negative electrode lead 4 was attached and the
実施例1-1〜1-12では、熱処理後の負極活物質におけるシリコンとポリイミド(PI)とモリブデン材の質量比が、表1の負極組成の欄に記した比になるように、スラリーの組成を調整した。 In Examples 1-1 to 1-12, the slurry was prepared so that the mass ratio of silicon, polyimide (PI), and molybdenum material in the negative electrode active material after the heat treatment became the ratio described in the column of the negative electrode composition in Table 1. The composition was adjusted.
<リチウムイオン二次電池10の作製>
次に、正極活物質であるコバルト酸リチウム(LiCoO2)と、導電材であるカーボンブラックと、結着材であるポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを混合して合剤を調製し、この合剤を分散媒であるNMPに分散させてスラリー状とし、この合剤スラリーをアルミニウム箔からなる正極集電体に塗布し、分散媒を蒸発させ乾燥させた後、圧縮成型することにより、正極活物質層を形成した。その後、正極リード5を取り付け、正極2を形成した。
<Preparation of lithium ion
Next, lithium cobaltate (LiCoO 2 ) as a positive electrode active material, carbon black as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder are mixed to prepare a mixture, and this mixture Is dispersed in NMP as a dispersion medium to form a slurry, and this mixture slurry is applied to a positive electrode current collector made of an aluminum foil, and after the dispersion medium is evaporated and dried, the positive electrode active material is formed by compression molding. A layer was formed. Then, the positive electrode lead 5 was attached and the
次に、負極1と正極2とを厚さ23μmの微多孔性ポリエチレンフィルムからなるセパレータ3を間に挟んで対向させ、巻き回し、電極回巻体6を作製した。次に、この電極巻回体6を角型形状の電池缶7に挿入し、電池缶7の開口部に電池蓋8を溶接する。次に、電池蓋8に形成されている電解液注入口から電解液を注入した後、注入口を封止して、リチウムイオン二次電池10を組み立てた。
Next, the
電解液は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ビニレン(VC)と炭酸ジエチル(DEC)とを、EC:VC:DEC=20:10:70の質量比で混合した混合溶媒に、電解質塩としてLiPF6を1mol/dm3(1M)の濃度で溶解させた溶液を標準電解液として用いた。 The electrolyte was LiPF 6 as an electrolyte salt in a mixed solvent in which ethylene carbonate (EC), vinylene carbonate (VC), and diethyl carbonate (DEC) were mixed at a mass ratio of EC: VC: DEC = 20: 10: 70. Was dissolved as a standard electrolyte solution at a concentration of 1 mol / dm 3 (1M).
比較例1-1、および比較例1-11〜1-15
実施例1-1〜1-12に対する比較例として、比較例1-1ではモリブデン材を含まない負極活物質層を形成し、比較例1-11〜1-15ではシリコンの代わりに平均粒径6μmの人造黒鉛粉末を用いて負極活物質層を形成し、それぞれ、上記と同様にして二次電池を作製した。
Comparative Example 1-1 and Comparative Examples 1-1-11 to 1-15
As a comparative example for Examples 1-1 to 1-12, in Comparative Example 1-1, a negative electrode active material layer not containing a molybdenum material was formed. A negative electrode active material layer was formed using 6 μm artificial graphite powder, and secondary batteries were fabricated in the same manner as described above.
実施例1-21〜1-25、および比較例1-2および1-3
モリブデン材の粒径の影響を調べるために、二硫化モリブデンの粒径を種々に変えて負極活物質層を形成し、上記と同様にして二次電池を作製した。
Examples 1-21 to 1-25, and Comparative Examples 1-2 and 1-3
In order to investigate the influence of the particle size of the molybdenum material, the negative electrode active material layer was formed by changing the particle size of molybdenum disulfide in various ways, and a secondary battery was fabricated in the same manner as described above.
<リチウムイオン二次電池の評価>
作製した実施例1-1〜1-12および比較例1-1の二次電池について、サイクル試験を行い、容量維持率を測定した。このサイクル試験の1サイクルでは、まず、500mAの定電流で電池電圧が4.2Vに達するまで充電を行い、引き続き4.2Vの定電圧で電流値が50mAになるまで充電を行い、その後、500mAの定電流で電池電圧が2.5Vになるまで放電を行った。この充放電サイクルを室温にて100サイクル行い、次式
100サイクル目の容量維持率(%)
=(100サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100(%)
で定義される、100サイクル目の容量維持率(%)を調べた。結果を表1に示す。
<Evaluation of lithium ion secondary battery>
For the fabricated secondary batteries of Examples 1-1 to 1-12 and Comparative Example 1-1, a cycle test was performed to measure the capacity retention rate. In one cycle of this cycle test, the battery is first charged with a constant current of 500 mA until the battery voltage reaches 4.2 V, then charged with a constant voltage of 4.2 V until the current value reaches 50 mA, and then 500 mA. The battery was discharged until the battery voltage became 2.5 V at a constant current of. This charge / discharge cycle is performed 100 times at room temperature, and the capacity retention rate (%) of the 100th cycle of the following formula
= (Discharge capacity at 100th cycle / Discharge capacity at 1st cycle) × 100 (%)
The capacity retention rate (%) at the 100th cycle, defined by The results are shown in Table 1.
表1に示されているように、モリブデン材を添加した実施例1-1〜1-12では、いずれも、無添加の比較例1-1に比べて、容量維持率が向上した。モリブデン材の中でも、二硫化モリブデンおよび金属モリブデンの添加による容量維持率の改善効果が高い。 As shown in Table 1, in Examples 1-1 to 1-12 to which the molybdenum material was added, the capacity retention rate was improved as compared with Comparative Example 1-1 to which no additive was added. Among the molybdenum materials, the effect of improving the capacity retention rate by adding molybdenum disulfide and metal molybdenum is high.
図2は、実施例1−5〜1−8におけるモリブデン材の質量分率と、容量維持率および100サイクル目の放電容量との関係を示すグラフである。容量維持率は、モリブデン材の含有量が多いほど高くなるものの、5%以上では向上の度合いは小さくなる。一方、モリブデン材を加えるとその分だけ活物質の量が減少するから、1サイクル目の初期放電容量は減少する。モリブデン材の添加によって初期容量がどの程度低下するかを検討したところ、無添加の比較例1−1の初期容量を100%とした場合、実施例1−5で99%、実施例1−6で97%、実施例1−7で94%、実施例1−8で90%であった。この初期容量の減少を考慮して100サイクル目の放電容量を比較すると、比較例1−1の初期容量を100%とした場合、比較例1−1で62%、実施例1−1で68%、実施例1−2で74%、実施例1−3で72%、実施例1−4で72%であった。これを図示した図2に示されているように、モリブデン材の含有量が10質量%をこえると、容量維持率はよくなるが、初期容量が減少するため、100サイクル目の放電容量はほとんど変化しない。モリブデン材の含有量が20質量%をこえると、初期容量の減少の影響が著しくなるため、負極活物質層におけるモリブデン材の含有量は20質量%以下であるのがよい。 FIG. 2 is a graph showing the relationship between the mass fraction of molybdenum material in Examples 1-5 to 1-8, the capacity retention rate, and the discharge capacity at the 100th cycle. Although the capacity retention rate increases as the content of molybdenum material increases, the degree of improvement decreases at 5% or more. On the other hand, when the molybdenum material is added, the amount of the active material is reduced by that amount, so that the initial discharge capacity in the first cycle is reduced. As a result of examining how much the initial capacity is reduced by the addition of the molybdenum material, when the initial capacity of the additive-free Comparative Example 1-1 is set to 100%, 99% in Example 1-5 and Example 1-6 97%, 94% in Example 1-7 and 90% in Example 1-8. When the discharge capacity at the 100th cycle is compared in consideration of the decrease in the initial capacity, when the initial capacity of Comparative Example 1-1 is set to 100%, 62% in Comparative Example 1-1 and 68 in Example 1-1. %, 74% in Example 1-2, 72% in Example 1-3, and 72% in Example 1-4. As shown in FIG. 2 illustrating this, when the content of the molybdenum material exceeds 10% by mass, the capacity retention rate is improved, but the initial capacity is reduced, so that the discharge capacity at the 100th cycle is almost unchanged. do not do. When the content of the molybdenum material exceeds 20% by mass, the influence of the decrease in the initial capacity becomes significant. Therefore, the content of the molybdenum material in the negative electrode active material layer is preferably 20% by mass or less.
比較例1-11〜1-15について、上記と同様にサイクル試験を行い、容量維持率を測定した結果を表2に示す。表2に示されているように、負極活物質が人造黒鉛粉末である場合には、モリブデン材の添加による容量維持率の改善効果はみられないことがわかる。 About Comparative Examples 1-11 to 1-15, the cycle test was done similarly to the above and the result of having measured the capacity | capacitance maintenance factor is shown in Table 2. As shown in Table 2, when the negative electrode active material is artificial graphite powder, it can be seen that the effect of improving the capacity retention rate due to the addition of the molybdenum material is not observed.
また、実施例1-21〜1-24、実施例1-7、および比較例1-2〜1-4について、上記と同様にサイクル試験を行い、容量維持率を測定した結果を表3および図3に示す。 In addition, with respect to Examples 1-21 to 1-24, Example 1-7, and Comparative Examples 1-2 to 1-4, a cycle test was performed in the same manner as described above, and the results of measuring the capacity retention rate were shown in Table 3 and As shown in FIG.
表3および図3に示されているように、二硫化モリブデンの粒径が4.1μm以下である場合に無添加の比較例1−1に比べて容積維持率が改善され、3.8μm以下である場合に効果が大きく、さらに好ましくは、負極活物質の実質的な平均粒径(1μm)より小さい場合に効果が著しいことがわかった。モリブデン材の添加による初期の放電容量の減少を考慮すると、二硫化モリブデンの粒径は4μm以下であるのがよい。 As shown in Table 3 and FIG. 3, when the particle size of molybdenum disulfide is 4.1 μm or less, the volume retention rate is improved as compared with Comparative Example 1-1 without addition, and 3.8 μm or less. It has been found that the effect is large when it is, and more preferably, the effect is remarkable when it is smaller than the substantial average particle diameter (1 μm) of the negative electrode active material. Considering the initial reduction in discharge capacity due to the addition of molybdenum material, the particle size of molybdenum disulfide is preferably 4 μm or less.
また、モリブデン化合物を添加した負極活物質層をSEM(走査電子顕微鏡)−EDX(Energy Dispersive X-ray Fluorescence Spectrometer;エネルギー分散型蛍光X線分析装置)により元素分析したところ、活物質粒子の表面にモリブデン化合物粒子が皮膜状に存在していることを確認した。一方、比較例1-2〜1-4のように、モリブデン材微粒子の粒径が負極活物質の粒径よりはるかに大きく、モリブデン材の添加によって効果がない場合には、モリブデン材微粒子は負極活物質層内に点在するような存在状態であることを確認した。以上の実験から、モリブデン材微粒子の粒径が負極活物質の粒径より小さく、表面に皮膜状に存在している場合に効果が高いことがわかった。 Further, when the negative electrode active material layer to which the molybdenum compound was added was subjected to elemental analysis by SEM (Scanning Electron Microscope) -EDX (Energy Dispersive X-ray Fluorescence Spectrometer), it was found on the surface of the active material particles. It was confirmed that the molybdenum compound particles were present in the form of a film. On the other hand, as in Comparative Examples 1-2 to 1-4, when the particle size of the molybdenum material particles is much larger than the particle size of the negative electrode active material and there is no effect due to the addition of the molybdenum material, the molybdenum material particles are the negative electrode. It was confirmed that the existence state was scattered in the active material layer. From the above experiment, it was found that the effect is high when the particle diameter of the molybdenum material fine particles is smaller than the particle diameter of the negative electrode active material and exists on the surface in the form of a film.
実施例2-1、2-2、および比較例2
まず、表面を粗化した電解銅箔上に真空蒸着法によって、厚さ6μmのスズ層と厚さ2μmのコバルト層を積層して形成した。既述したように、スズ層の上にコバルト層を積層し、積層後の加熱処理によって合金化すると、充放電効率が高くなり、サイクル特性が向上する。その上に、RFスパッタリング法によって二硫化モリブデン層を水晶振動子膜厚測定計換算で厚さが0.2μmまたは0.5μmとなるよう成膜した。これをアルゴン雰囲気中で12時間、280℃で加熱処理して、負極1を形成した。
Examples 2-1 and 2-2, and Comparative Example 2
First, a 6 μm-thick tin layer and a 2 μm-thick cobalt layer were laminated on the electrolytic copper foil whose surface was roughened by vacuum deposition. As described above, when a cobalt layer is laminated on a tin layer and alloyed by heat treatment after the lamination, charge / discharge efficiency is increased and cycle characteristics are improved. On top of that, a molybdenum disulfide layer was formed by RF sputtering so that the thickness was 0.2 μm or 0.5 μm in terms of a crystal oscillator thickness meter. This was heat-treated in an argon atmosphere for 12 hours at 280 ° C. to form the
次に、実施例1と同様にして二次電池を作製し、100サイクル後の容量維持率を測定した。結果を表4に示す。 Next, a secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, and the capacity retention rate after 100 cycles was measured. The results are shown in Table 4.
表4から、二硫化モリブデン層を積層した実施例2-1および2-2では、容量維持率が向上することがわかる。なお、サイクル特性が良好なスズ蒸着負極は、電極断面をオージェ電子分光分析法によってライン分析した結果、集電体と活物質層界面が合金化していることを確認した。 From Table 4, it can be seen that in Examples 2-1 and 2-2 in which molybdenum disulfide layers are stacked, the capacity retention ratio is improved. In addition, as for the tin vapor deposition negative electrode with favorable cycling characteristics, as a result of carrying out the line analysis of the electrode cross section by Auger electron spectroscopy, it confirmed that the collector and the active material layer interface were alloyed.
実施例3-1、3-2、および比較例3
まず、表面を粗化した電解銅箔上に、実験1で用いたシリコン(純度99%)を原料として、アルゴンで希釈した酸素ガスをチャンバー内へ流入させながら、電子ビーム蒸着法によって、厚さ4μmの部分酸化非晶質シリコン層を形成した。実験2と同様、その上にRFスパッタリング法によって二硫化モリブデン層を水晶振動子膜厚測定計換算で厚さが0.2μmまたは0.4μmとなるよう成膜した。これをアルゴン雰囲気中で12時間、280℃で加熱処理して、負極1を形成した。
Examples 3-1 and 3-2 and Comparative Example 3
First, on the electrolytic copper foil whose surface is roughened, the thickness of the silicon oxide (purity 99%) used in
次に、実施例1と同様にして二次電池を作製し、100サイクル後の容量維持率を測定した。結果を表5に示す。 Next, a secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, and the capacity retention rate after 100 cycles was measured. The results are shown in Table 5.
表5から、二硫化モリブデン層を積層した実施例3-1および3-2では、容量維持率が向上することがわかる。なお、サイクル特性が良好なシリコン蒸着負極は、電極断面をオージェ電子分光分析法によってライン分析した結果、集電体と活物質層界面が合金化していることを確認した。 From Table 5, it can be seen that in Examples 3-1 and 3-2 in which molybdenum disulfide layers are stacked, the capacity retention ratio is improved. In addition, as for the silicon vapor deposition negative electrode with favorable cycling characteristics, as a result of carrying out the line analysis of the electrode cross section by Auger electron spectroscopy, it confirmed that the collector and the active material layer interface were alloyed.
実施例4-1〜4-3
実験3で作製した負極を用い、電解液の組成を表6に示すとおりに変更して二次電池を作製し、100サイクル後の容量維持率を測定した。結果を表6に示す。
Examples 4-1 to 4-3
Using the negative electrode produced in Experiment 3, the composition of the electrolytic solution was changed as shown in Table 6 to produce a secondary battery, and the capacity retention rate after 100 cycles was measured. The results are shown in Table 6.
表6から、電解液を構成する溶媒として、フッ素原子を有する4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(DFEC)および 4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(FEC)、特にDFECを加えると、モリブデン材の添加による容量維持率の改善効果が向上することがわかる。また、電解液を構成する電解質塩としてLiBF4を加えると、モリブデン材の添加による容量維持率の改善効果が向上することがわかる。 Table 6 shows that as the solvent constituting the electrolyte, 4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one (DFEC) and 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one (FEC) having fluorine atoms are used. In particular, it can be seen that when DFEC is added, the effect of improving the capacity retention rate by adding the molybdenum material is improved. It can also be seen that when LiBF 4 is added as an electrolyte salt constituting the electrolytic solution, the effect of improving the capacity retention rate due to the addition of the molybdenum material is improved.
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、種々に変形可能である。 The present invention has been described with reference to the embodiments and examples. However, the present invention is not limited to the above embodiments and examples, and can be variously modified.
例えば、上記の実施の形態および実施例では、外装部材として角型缶を用いる場合について説明したが、本発明は、外装部材としてフィルム状の外装材などを用いる場合についても適用することができ、その形状も、円筒型、角型、コイン型、ボタン型、薄型、あるいは大型など、どのようなものでもよい。 For example, in the above embodiments and examples, the case where a square can is used as the exterior member has been described, but the present invention can also be applied to the case where a film-like exterior material or the like is used as the exterior member. The shape may be any shape such as a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, a button shape, a thin shape, or a large size.
また、負極1および正極2を巻回した電極巻回体6を備える場合について説明したが、本発明は、負極と正極とを1層または複数層積層した積層型のものについても同様に適用することができる。
Moreover, although the case where the electrode winding body 6 which wound the
本発明に係る二次電池は、ケイ素およびスズの単体などを負極活物質として用いて、大きなエネルギー容量と良好なサイクル特性を実現し、モバイル型電子機器の小型化、軽量化、および薄型化に寄与し、その利便性を向上させる。 The secondary battery according to the present invention uses a simple substance of silicon and tin as a negative electrode active material to achieve a large energy capacity and good cycle characteristics, thereby reducing the size, weight and thickness of mobile electronic devices. Contribute and improve its convenience.
1…負極、2…正極、3…セパレータ、4…負極リード、5…正極リード、
6…電極巻回体、7…電池缶、8…電池蓋、9…正極端子、
10…リチウムイオン二次電池
DESCRIPTION OF
6 ... electrode winding body, 7 ... battery can, 8 ... battery lid, 9 ... positive electrode terminal,
10 ... Lithium ion secondary battery
Claims (12)
前記負極においては、負極集電体上に、前記負極活物質層とモリブデン単体又はその 化合物層とがこの順に積層されている
二次電池。 A thin-film negative electrode active material layer comprising a positive electrode, an electrolyte, and a negative electrode, and the negative electrode active material includes a simple substance of silicon and a compound thereof, and a simple substance of tin and one or more of the compounds as a negative electrode active material It has been,
In the negative electrode, a secondary battery in which the negative electrode active material layer and molybdenum alone or a compound layer thereof are laminated in this order on a negative electrode current collector.
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