JP6459479B2 - Negative electrode for electric device and electric device using the same - Google Patents
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Description
本発明は、電気デバイス用負極、およびこれを用いた電気デバイスに関する。本発明の電気デバイス用負極およびこれを用いた電気デバイスは、例えば、二次電池やキャパシタ等として電気自動車、燃料電池車およびハイブリッド電気自動車等の車両のモータ等の駆動用電源や補助電源に用いられる。 The present invention relates to a negative electrode for an electric device and an electric device using the same. The negative electrode for an electric device and the electric device using the same according to the present invention are used as, for example, a driving power source or an auxiliary power source for a motor of a vehicle such as an electric vehicle, a fuel cell vehicle, and a hybrid electric vehicle as a secondary battery or a capacitor. It is done.
近年、大気汚染や地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池などの電気デバイスの開発が盛んに行われている。 In recent years, in order to cope with air pollution and global warming, reduction of the amount of carbon dioxide has been strongly desired. In the automobile industry, there is a great expectation for reducing carbon dioxide emissions by introducing electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEV). Electric devices such as secondary batteries for motor drive that hold the key to their practical application. Is being actively developed.
モータ駆動用二次電池としては、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用リチウムイオン二次電池と比較して極めて高い出力特性、および高いエネルギーを有することが求められている。したがって、全ての電池の中で最も高い理論エネルギーを有するリチウムイオン二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。 As a secondary battery for driving a motor, it is required to have extremely high output characteristics and high energy as compared with a consumer lithium ion secondary battery used in a mobile phone, a notebook personal computer or the like. Therefore, lithium ion secondary batteries having the highest theoretical energy among all the batteries are attracting attention, and are currently being developed rapidly.
リチウムイオン二次電池は、一般に、バインダを用いて正極活物質等を正極集電体の両面に塗布した正極と、バインダを用いて負極活物質等を負極集電体の両面に塗布した負極とが、電解質層を介して接続され、電池ケースに収納される構成を有している。 Generally, a lithium ion secondary battery includes a positive electrode in which a positive electrode active material or the like is applied to both surfaces of a positive electrode current collector using a binder, and a negative electrode in which a negative electrode active material or the like is applied to both surfaces of a negative electrode current collector using a binder. However, it has the structure connected through an electrolyte layer and accommodated in a battery case.
従来、リチウムイオン二次電池の負極には充放電サイクルの寿命やコスト面で有利な炭素・黒鉛系材料が用いられてきた。しかし、炭素・黒鉛系の負極材料ではリチウムイオンの黒鉛結晶中への吸蔵・放出により充放電がなされるため、最大リチウム導入化合物であるLiC6から得られる理論容量372mAh/g以上の充放電容量が得られないという欠点がある。このため、炭素・黒鉛系負極材料で車両用途の実用化レベルを満足する容量、エネルギー密度を得るのは困難である。 Conventionally, carbon / graphite-based materials that are advantageous in terms of charge / discharge cycle life and cost have been used for negative electrodes of lithium ion secondary batteries. However, since carbon / graphite-based negative electrode materials are charged / discharged by occlusion / release of lithium ions into / from graphite crystals, the charge / discharge capacity of the theoretical capacity 372 mAh / g or more obtained from LiC 6 which is the maximum lithium-introduced compound. There is a disadvantage that cannot be obtained. For this reason, it is difficult to obtain a capacity and energy density that satisfy the practical use level of the vehicle application with the carbon / graphite negative electrode material.
これに対し、負極にLiと合金化する材料を用いた電池は、従来の炭素・黒鉛系負極材料と比較しエネルギー密度が向上するため、車両用途における負極材料として期待されている。例えば、Si材料は、充放電において下記の反応式(A)のように1molあたり3.75molのリチウムイオンを吸蔵放出し、Li15Si4(=Li3.75Si)においては理論容量3600mAh/gである。 On the other hand, a battery using a material that is alloyed with Li for the negative electrode is expected as a negative electrode material for vehicle use because the energy density is improved as compared with a conventional carbon / graphite negative electrode material. For example, the Si material occludes and releases 3.75 mol of lithium ions per mol as shown in the following reaction formula (A) in charge / discharge, and the theoretical capacity is 3600 mAh / liter in Li 15 Si 4 (= Li 3.75 Si). g.
しかしながら、負極にLiと合金化する材料を用いたリチウムイオン二次電池は、充放電時の負極での膨張収縮が大きい。例えば、Liイオンを吸蔵した場合の体積膨張は、黒鉛材料では約1.2倍であるのに対し、Si材料ではSiとLiが合金化する際、アモルファス状態から結晶状態へ転移し大きな体積変化(約4倍)を起こすため、電極のサイクル寿命を低下させる問題があった。また、Si負極活物質の場合、容量とサイクル耐久性とはトレードオフの関係であり、高容量を示しつつサイクル耐久性を向上させることが困難であるといった問題があった。 However, a lithium ion secondary battery using a material that is alloyed with Li for the negative electrode has a large expansion and contraction in the negative electrode during charge and discharge. For example, when Li ions are occluded, the volume expansion is about 1.2 times in graphite materials, whereas in Si materials, when Si and Li are alloyed, transition from the amorphous state to the crystalline state causes a large volume change. (Approximately 4 times), there was a problem of reducing the cycle life of the electrode. In the case of the Si negative electrode active material, the capacity and the cycle durability are in a trade-off relationship, and there is a problem that it is difficult to improve the cycle durability while exhibiting a high capacity.
ここで、特許文献1では、高容量で、かつサイクル寿命に優れた負極ペレットを有する非水電解質二次電池を提供することを課題とした発明が開示されている。具体的には、ケイ素粉末とチタン粉末とをメカニカルアロイング法により混合し、湿式粉砕して得られるケイ素含有合金であって、ケイ素を主体とする第1相とチタンのケイ化物(TiSi2など)を含む第2相とを含むものを負極活物質として用いることが開示されている。この際、これらの2つの相の少なくとも一方を非晶質または低結晶性とすることも開示されている。 Here, Patent Document 1 discloses an invention that aims to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having a negative electrode pellet having a high capacity and an excellent cycle life. Specifically, a silicon-containing alloy obtained by mixing silicon powder and titanium powder by a mechanical alloying method and wet-pulverizing the first phase mainly composed of silicon and a silicide of titanium (such as TiSi 2 ) ) Containing a second phase containing) is disclosed as a negative electrode active material. At this time, it is also disclosed that at least one of these two phases is amorphous or low crystalline.
本発明者らの検討によれば、上記特許文献1に記載の負極ペレットを用いたリチウムイオン二次電池等の電気デバイスでは、良好なサイクル耐久性を示すことができるとされているにもかかわらず、サイクル耐久性が十分ではない場合があることが判明した。 According to the study by the present inventors, although it is said that the electric device such as a lithium ion secondary battery using the negative electrode pellet described in Patent Document 1 can exhibit good cycle durability. Therefore, it has been found that the cycle durability may not be sufficient.
そこで本発明は、リチウムイオン二次電池等の電気デバイスのサイクル耐久性を向上させうる手段を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the means which can improve the cycling durability of electric devices, such as a lithium ion secondary battery.
本発明者らは、上記課題を解決するため、鋭意研究を行った。その結果、所定の構造および組成を有するケイ素含有合金からなる負極活物質を用い、導電助剤として、アスペクト比が10未満の球状導電助剤と、アスペクト比が10〜1000の繊維状導電助剤とを組み合わせて用いることによって、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted intensive research. As a result, a negative electrode active material composed of a silicon-containing alloy having a predetermined structure and composition is used, and as a conductive assistant, a spherical conductive assistant having an aspect ratio of less than 10 and a fibrous conductive assistant having an aspect ratio of 10 to 1,000. By using the above in combination, the inventors have found that the above problems can be solved, and have completed the present invention.
すなわち、本発明は、集電体と、前記集電体の表面に配置された負極活物質、導電助剤、およびバインダを含む負極活物質層と、を有する電気デバイス用負極に関する。この際、負極活物質が、非晶質または低結晶性のケイ素を主成分とする母相中に、遷移金属のケイ化物を含むシリサイド相が分散されてなる構造を有し、下記化学式(1): That is, this invention relates to the negative electrode for electric devices which has a collector and the negative electrode active material layer arrange | positioned on the surface of the said collector, the negative electrode active material containing a conductive support agent, and a binder. At this time, the negative electrode active material has a structure in which a silicide phase containing a silicide of a transition metal is dispersed in a matrix phase containing amorphous or low crystalline silicon as a main component. ):
(上記化学式(1)において、
Aは、不可避不純物であり、
Mは、1または2以上の遷移金属元素であり、
x、y、z、およびaは、質量%の値を表し、この際、0<x<100、0≦y<100、0<z<100、および0≦a<0.5であり、x+y+z+a=100である。)
で表される組成を有するケイ素含有合金からなるものである。そして、負極活物質は、前記ケイ素含有合金のCuKα1線を用いたX線回折測定において、2θ=24〜33°の範囲におけるSiの(111)面の回折ピーク強度Aに対する、2θ=37〜45°の範囲における遷移金属のケイ化物の回折ピーク強度Bの比の値(B/A)が0.41以上である点に特徴を有する。また、導電助剤が、アスペクト比が10未満の球状導電助剤と、アスペクト比が10〜1000の繊維状導電助剤と、を含む点にも特徴を有する。
(In the above chemical formula (1),
A is an inevitable impurity,
M is one or more transition metal elements,
x, y, z, and a represent mass% values, where 0 <x <100, 0 ≦ y <100, 0 <z <100, and 0 ≦ a <0.5, and x + y + z + a = 100. )
It consists of a silicon containing alloy which has a composition represented by these. The negative electrode active material is 2θ = 37 to 45 with respect to the diffraction peak intensity A of the (111) plane of Si in the range of 2θ = 24 to 33 ° in the X-ray diffraction measurement using the CuKα1 line of the silicon-containing alloy. It is characterized in that the value (B / A) of the diffraction peak intensity B of the transition metal silicide in the range of 0 is 0.41 or more. Further, the conductive auxiliary agent is also characterized in that it includes a spherical conductive auxiliary agent having an aspect ratio of less than 10 and a fibrous conductive auxiliary agent having an aspect ratio of 10 to 1,000.
本発明によれば、B/Aの値が上述した範囲内の値であることで、SiとLiとが合金化する際のアモルファス−結晶の相転移(Li15Si4への結晶化)が抑制される。これにより、電気デバイスの充放電過程における負極活物質を構成するケイ素含有合金の膨張収縮が抑制される。その結果、負極活物質が用いられる電気デバイスのサイクル耐久性が向上しうる。さらに、導電助剤として、アスペクト比が10未満の球状導電助剤と、アスペクト比が10〜1000の繊維状導電助剤とを組み合わせて用いることによって、負極活物質間の電子伝導性が向上し、負極活物質層の強度が向上しうる。こうした複合的な作用の結果として、本発明に係る負極は、高サイクル耐久性を有するという有用な効果が得られるのである。 According to the present invention, when the value of B / A is within the above-described range, the amorphous-crystal phase transition (crystallization to Li 15 Si 4 ) occurs when Si and Li are alloyed. It is suppressed. Thereby, the expansion | contraction and shrinkage | contraction of the silicon containing alloy which comprises the negative electrode active material in the charging / discharging process of an electrical device are suppressed. As a result, cycle durability of an electric device using the negative electrode active material can be improved. Furthermore, by using a combination of a spherical conductive assistant having an aspect ratio of less than 10 and a fibrous conductive assistant having an aspect ratio of 10 to 1000 as the conductive assistant, the electronic conductivity between the negative electrode active materials is improved. The strength of the negative electrode active material layer can be improved. As a result of such combined action, the negative electrode according to the present invention has a useful effect of having high cycle durability.
以下、図面を参照しながら、本発明の電気デバイス用負極およびこれを用いてなる電気デバイスの実施形態を説明する。但し、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみには制限されない。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of an anode for an electric device of the present invention and an electric device using the same will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention should be determined based on the description of the scope of claims, and is not limited to the following modes. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.
以下、本発明の電気デバイス用負極が適用されうる電気デバイスの基本的な構成を、図面を用いて説明する。本実施形態では、電気デバイスとしてリチウムイオン二次電池を例示して説明する。 Hereinafter, a basic configuration of an electric device to which the negative electrode for an electric device of the present invention can be applied will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, a lithium ion secondary battery will be described as an example of an electric device.
まず、本発明に係る電気デバイス用負極の代表的な一実施形態であるリチウムイオン二次電池用の負極およびこれを用いてなるリチウムイオン二次電池では、セル(単電池層)の電圧が大きく、高エネルギー密度、高出力密度が達成できる。そのため本実施形態のリチウムイオン二次電池用の負極活物質を用いてなるリチウムイオン二次電池では、車両の駆動電源用や補助電源用として優れている。その結果、車両の駆動電源用等のリチウムイオン二次電池として好適に利用できる。このほかにも、携帯電話などの携帯機器向けのリチウムイオン二次電池にも十分に適用可能である。 First, in a negative electrode for a lithium ion secondary battery, which is a typical embodiment of the negative electrode for an electric device according to the present invention, and a lithium ion secondary battery using the same, the voltage of the cell (single cell layer) is large. High energy density and high power density can be achieved. Therefore, the lithium ion secondary battery using the negative electrode active material for the lithium ion secondary battery of the present embodiment is excellent as a vehicle driving power source or an auxiliary power source. As a result, it can be suitably used as a lithium ion secondary battery for a vehicle driving power source or the like. In addition to this, the present invention can be sufficiently applied to lithium ion secondary batteries for portable devices such as mobile phones.
すなわち、本実施形態の対象となるリチウムイオン二次電池は、以下に説明する本実施形態のリチウムイオン二次電池用の負極活物質を用いてなるものであればよく、他の構成要件に関しては、特に制限されるべきものではない。 That is, the lithium ion secondary battery that is the subject of the present embodiment may be any one that uses the negative electrode active material for the lithium ion secondary battery of the present embodiment described below. It should not be restricted in particular.
例えば、上記リチウムイオン二次電池を形態・構造で区別した場合には、積層型(扁平型)電池、巻回型(円筒型)電池など、従来公知のいずれの形態・構造にも適用し得るものである。積層型(扁平型)電池構造を採用することで簡単な熱圧着などのシール技術により長期信頼性を確保でき、コスト面や作業性の点では有利である。 For example, when the lithium ion secondary battery is distinguished by form / structure, it can be applied to any conventionally known form / structure such as a stacked (flat) battery or a wound (cylindrical) battery. Is. By adopting a stacked (flat) battery structure, long-term reliability can be secured by a sealing technique such as simple thermocompression bonding, which is advantageous in terms of cost and workability.
また、リチウムイオン二次電池内の電気的な接続形態(電極構造)で見た場合、非双極型(内部並列接続タイプ)電池および双極型(内部直列接続タイプ)電池のいずれにも適用し得るものである。 Moreover, when viewed in terms of electrical connection form (electrode structure) in a lithium ion secondary battery, it can be applied to both non-bipolar (internal parallel connection type) batteries and bipolar (internal series connection type) batteries. Is.
リチウムイオン二次電池内の電解質層の種類で区別した場合には、電解質層に非水系の電解液等の溶液電解質を用いた溶液電解質型電池、電解質層に高分子電解質を用いたポリマー電池など従来公知のいずれの電解質層のタイプにも適用し得るものである。該ポリマー電池は、さらに高分子ゲル電解質(単にゲル電解質ともいう)を用いたゲル電解質型電池、高分子固体電解質(単にポリマー電解質ともいう)を用いた固体高分子(全固体)型電池に分けられる。 When distinguished by the type of electrolyte layer in the lithium ion secondary battery, a solution electrolyte type battery using a solution electrolyte such as a nonaqueous electrolyte solution for the electrolyte layer, a polymer battery using a polymer electrolyte for the electrolyte layer, etc. It can be applied to any conventionally known electrolyte layer type. The polymer battery is further divided into a gel electrolyte type battery using a polymer gel electrolyte (also simply referred to as gel electrolyte) and a solid polymer (all solid) type battery using a polymer solid electrolyte (also simply referred to as polymer electrolyte). It is done.
したがって、以下の説明では、本実施形態のリチウムイオン二次電池用の負極を用いてなる非双極型(内部並列接続タイプ)リチウムイオン二次電池につき図面を用いてごく簡単に説明する。但し、本実施形態のリチウムイオン二次電池の技術的範囲が、これらに制限されるべきものではない。 Therefore, in the following description, the non-bipolar (internal parallel connection type) lithium ion secondary battery using the negative electrode for the lithium ion secondary battery of this embodiment will be described very simply with reference to the drawings. However, the technical scope of the lithium ion secondary battery of the present embodiment should not be limited to these.
<電池の全体構造>
図1は、本発明の電気デバイスの代表的な一実施形態である、扁平型(積層型)のリチウムイオン二次電池(以下、単に「積層型電池」ともいう)の全体構造を模式的に表した断面概略図である。
<Overall battery structure>
FIG. 1 schematically shows the overall structure of a flat (stacked) lithium ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as “stacked battery”), which is a typical embodiment of the electrical device of the present invention. FIG.
図1に示すように、本実施形態の積層型電池10は、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、外装体であるラミネートシート29の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素21は、正極集電体12の両面に正極活物質層15が配置された正極と、電解質層17と、負極集電体11の両面に負極活物質層13が配置された負極とを積層した構成を有している。具体的には、1つの正極活物質層15とこれに隣接する負極活物質層13とが、電解質層17を介して対向するようにして、負極、電解質層および正極がこの順に積層されている。 As shown in FIG. 1, the stacked battery 10 of the present embodiment has a structure in which a substantially rectangular power generation element 21 in which a charge / discharge reaction actually proceeds is sealed inside a laminate sheet 29 that is an exterior body. . Here, in the power generation element 21, the positive electrode in which the positive electrode active material layer 15 is disposed on both surfaces of the positive electrode current collector 12, the electrolyte layer 17, and the negative electrode active material layer 13 is disposed on both surfaces of the negative electrode current collector 11. It has a configuration in which a negative electrode is laminated. Specifically, the negative electrode, the electrolyte layer, and the positive electrode are laminated in this order so that one positive electrode active material layer 15 and the negative electrode active material layer 13 adjacent thereto face each other with the electrolyte layer 17 therebetween. .
これにより、隣接する正極、電解質層、および負極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、図1に示す積層型電池10は、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。なお、発電要素21の両最外層に位置する最外層の正極集電体には、いずれも片面のみに正極活物質層15が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。また、図1とは正極および負極の配置を逆にすることで、発電要素21の両最外層に最外層の負極集電体が位置するようにし、該最外層の負極集電体の片面または両面に負極活物質層が配置されているようにしてもよい。 Thereby, the adjacent positive electrode, electrolyte layer, and negative electrode constitute one unit cell layer 19. Therefore, it can be said that the stacked battery 10 shown in FIG. 1 has a configuration in which a plurality of single battery layers 19 are stacked and electrically connected in parallel. The positive electrode current collector 15 located on both outermost layers of the power generation element 21 has the positive electrode active material layer 15 disposed only on one side, but the active material layers may be provided on both sides. . That is, instead of using a current collector dedicated to the outermost layer provided with an active material layer only on one side, a current collector having an active material layer on both sides may be used as it is as an outermost current collector. Further, by reversing the arrangement of the positive electrode and the negative electrode as compared with FIG. 1, the outermost negative electrode current collector is positioned on both outermost layers of the power generation element 21, and one side of the outermost negative electrode current collector or A negative electrode active material layer may be disposed on both sides.
正極集電体12および負極集電体11は、各電極(正極および負極)と導通される正極集電板27および負極集電板25がそれぞれ取り付けられ、ラミネートシート29の端部に挟まれるようにしてラミネートシート29の外部に導出される構造を有している。正極集電板27および負極集電板25は、それぞれ必要に応じて正極リードおよび負極リード(図示せず)を介して、各電極の正極集電体12および負極集電体11に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられていてもよい。 The positive electrode current collector 12 and the negative electrode current collector 11 are attached to the positive electrode current collector plate 27 and the negative electrode current collector plate 25 that are electrically connected to the respective electrodes (positive electrode and negative electrode), and are sandwiched between the end portions of the laminate sheet 29. Thus, it has a structure led out of the laminate sheet 29. The positive electrode current collector 27 and the negative electrode current collector 25 are ultrasonically welded to the positive electrode current collector 12 and the negative electrode current collector 11 of each electrode via a positive electrode lead and a negative electrode lead (not shown), respectively, as necessary. Or resistance welding or the like.
上記で説明したリチウムイオン二次電池は、負極に特徴を有する。以下、当該負極を含めた電池の主要な構成部材について説明する。 The lithium ion secondary battery described above is characterized by a negative electrode. Hereinafter, main components of the battery including the negative electrode will be described.
<活物質層>
活物質層13または15は活物質を含み、必要に応じてその他の添加剤をさらに含む。
<Active material layer>
The active material layer 13 or 15 contains an active material, and further contains other additives as necessary.
[正極活物質層]
正極活物質層15は、正極活物質を含む。
[Positive electrode active material layer]
The positive electrode active material layer 15 includes a positive electrode active material.
(正極活物質)
正極活物質としては、例えば、LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、Li(Ni−Mn−Co)O2およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等のリチウム−遷移金属複合酸化物、リチウム−遷移金属リン酸化合物、リチウム−遷移金属硫酸化合物などが挙げられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。より好ましくはリチウムとニッケルとを含有する複合酸化物が用いられ、さらに好ましくはLi(Ni−Mn−Co)O2およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの(以下、単に「NMC複合酸化物」とも称する)が用いられる。NMC複合酸化物は、リチウム原子層と遷移金属(Mn、NiおよびCoが秩序正しく配置)原子層とが酸素原子層を介して交互に積み重なった層状結晶構造を持ち、遷移金属Mの1原子あたり1個のLi原子が含まれ、取り出せるLi量が、スピネル系リチウムマンガン酸化物の2倍、つまり供給能力が2倍になり、高い容量を持つことができる。
(Positive electrode active material)
Examples of the positive electrode active material include LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , Li (Ni—Mn—Co) O 2, and lithium-such as those obtained by replacing some of these transition metals with other elements. Examples include transition metal composite oxides, lithium-transition metal phosphate compounds, and lithium-transition metal sulfate compounds. In some cases, two or more positive electrode active materials may be used in combination. Preferably, a lithium-transition metal composite oxide is used as the positive electrode active material from the viewpoint of capacity and output characteristics. More preferably, a composite oxide containing lithium and nickel is used, and more preferably Li (Ni-Mn-Co) O 2 and a part of these transition metals substituted with other elements (hereinafter, Simply referred to as “NMC composite oxide”). The NMC composite oxide has a layered crystal structure in which a lithium atomic layer and a transition metal (Mn, Ni, and Co are arranged in order) are stacked alternately via an oxygen atomic layer. One Li atom is contained, and the amount of Li that can be taken out is twice that of the spinel lithium manganese oxide, that is, the supply capacity is doubled, so that a high capacity can be obtained.
NMC複合酸化物は、上述したように、遷移金属元素の一部が他の金属元素により置換されている複合酸化物も含む。その場合の他の元素としては、Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Cr、Fe、B、Ga、In、Si、Mo、Y、Sn、V、Cu、Ag、Znなどが挙げられ、好ましくは、Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Crであり、より好ましくは、Ti、Zr、P、Al、Mg、Crであり、サイクル特性向上の観点から、さらに好ましくは、Ti、Zr、Al、Mg、Crである。 As described above, the NMC composite oxide includes a composite oxide in which a part of the transition metal element is substituted with another metal element. Other elements in that case include Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, Cr, Fe, B, Ga, In, Si, Mo, Y, Sn, V, Cu , Ag, Zn, etc., preferably Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, Cr, more preferably Ti, Zr, P, Al, Mg, From the viewpoint of improving cycle characteristics, Ti, Zr, Al, Mg, and Cr are more preferable.
NMC複合酸化物は、理論放電容量が高いことから、好ましくは、一般式(1):LiaNibMncCodMxO2(但し、式中、a、b、c、d、xは、0.9≦a≦1.2、0<b<1、0<c≦0.5、0<d≦0.5、0≦x≦0.3、b+c+d=1を満たす。MはTi、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Crから選ばれる元素で少なくとも1種類である)で表される組成を有する。ここで、aは、Liの原子比を表し、bは、Niの原子比を表し、cは、Mnの原子比を表し、dは、Coの原子比を表し、xは、Mの原子比を表す。サイクル特性の観点からは、一般式(1)において、0.4≦b≦0.6であることが好ましい。なお、各元素の組成は、例えば、誘導結合プラズマ(ICP)発光分析法により測定できる。 Since the NMC composite oxide has a high theoretical discharge capacity, it is preferable that the general formula (1): Li a Ni b Mn c Co d M x O 2 (where a, b, c, d, x Satisfies 0.9 ≦ a ≦ 1.2, 0 <b <1, 0 <c ≦ 0.5, 0 <d ≦ 0.5, 0 ≦ x ≦ 0.3, and b + c + d = 1. And at least one element selected from Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, and Cr. Here, a represents the atomic ratio of Li, b represents the atomic ratio of Ni, c represents the atomic ratio of Mn, d represents the atomic ratio of Co, and x represents the atomic ratio of M. Represents. From the viewpoint of cycle characteristics, it is preferable that 0.4 ≦ b ≦ 0.6 in the general formula (1). The composition of each element can be measured by, for example, inductively coupled plasma (ICP) emission spectrometry.
一般に、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)およびマンガン(Mn)は、材料の純度向上および電子伝導性向上という観点から、容量および出力特性に寄与することが知られている。Ti等は、結晶格子中の遷移金属を一部置換するものである。サイクル特性の観点からは、遷移元素の一部が他の金属元素により置換されていることが好ましく、特に一般式(1)において0<x≦0.3であることが好ましい。Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、SrおよびCrからなる群から選ばれる少なくとも1種が固溶することにより結晶構造が安定化されるため、その結果、充放電を繰り返しても電池の容量低下が防止でき、優れたサイクル特性が実現し得ると考えられる。 In general, nickel (Ni), cobalt (Co), and manganese (Mn) are known to contribute to capacity and output characteristics from the viewpoint of improving the purity of materials and improving electronic conductivity. Ti or the like partially replaces the transition metal in the crystal lattice. From the viewpoint of cycle characteristics, it is preferable that a part of the transition element is substituted with another metal element, and it is particularly preferable that 0 <x ≦ 0.3 in the general formula (1). Since at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, and Cr is dissolved, the crystal structure is stabilized. It is considered that the battery capacity can be prevented from decreasing even if the above is repeated, and that excellent cycle characteristics can be realized.
より好ましい実施形態としては、一般式(1)において、b、cおよびdが、0.44≦b≦0.51、0.27≦c≦0.31、0.19≦d≦0.26であることが、容量と寿命特性とのバランスを向上させるという観点からは好ましい。例えば、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2は、一般的な民生電池で実績のあるLiCoO2、LiMn2O4、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2などと比較して、単位重量あたりの容量が大きく、エネルギー密度の向上が可能となることでコンパクトかつ高容量の電池を作製できるという利点を有しており、航続距離の観点からも好ましい。なお、より容量が大きいという点ではLiNi0.8Co0.1Al0.1O2がより有利であるが、寿命特性に難がある。これに対し、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2はLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2並みに優れた寿命特性を有しているのである。 As a more preferable embodiment, in the general formula (1), b, c and d are 0.44 ≦ b ≦ 0.51, 0.27 ≦ c ≦ 0.31, 0.19 ≦ d ≦ 0.26. It is preferable from the viewpoint of improving the balance between capacity and life characteristics. For example, LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 is LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2, etc. that have been proven in general consumer batteries. Compared to the above, the capacity per unit weight is large, and the energy density can be improved, so that a battery having a compact and high capacity can be produced, which is preferable from the viewpoint of cruising distance. In addition, LiNi 0.8 Co 0.1 Al 0.1 O 2 is more advantageous in terms of a larger capacity, but there are difficulties in life characteristics. On the other hand, LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 has life characteristics as excellent as LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 .
場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。 In some cases, two or more positive electrode active materials may be used in combination. Preferably, a lithium-transition metal composite oxide is used as the positive electrode active material from the viewpoint of capacity and output characteristics. Of course, positive electrode active materials other than those described above may be used.
正極活物質層15に含まれる正極活物質の平均粒子径は特に制限されないが、高出力化の観点からは、好ましくは1〜30μmであり、より好ましくは5〜20μmである。なお、本明細書において、「粒子径」とは、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用いて観察される活物質粒子(観察面)の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離を意味する。また、本明細書において、「平均粒子径」の値は、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。他の構成成分の粒子径や平均粒子径も同様に定義することができる。 The average particle diameter of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer 15 is not particularly limited, but is preferably 1 to 30 μm, more preferably 5 to 20 μm from the viewpoint of increasing the output. In the present specification, the “particle diameter” refers to the outline of the active material particles (observation surface) observed using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). It means the maximum distance among any two points. In this specification, the value of “average particle diameter” is the value of particles observed in several to several tens of fields using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). The value calculated as the average value of the particle diameter shall be adopted. The particle diameters and average particle diameters of other components can be defined in the same manner.
正極活物質層15は、バインダを含みうる。 The positive electrode active material layer 15 can include a binder.
(バインダ)
バインダは、活物質同士または活物質と集電体とを結着させて電極構造を維持する目的で添加される。正極活物質層に用いられるバインダとしては、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、セルロース、カルボキシメチルセルロース(CMC)、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−HFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFMVE−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。中でも、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、ポリアミドイミドであることがより好ましい。これらの好適なバインダは、耐熱性に優れ、さらに電位窓が非常に広く正極電位、負極電位双方に安定であり活物質層に使用が可能となる。これらのバインダは、1種単独で用いてもよいし、2種併用してもよい。
(Binder)
The binder is added for the purpose of maintaining the electrode structure by binding the active materials or the active material and the current collector. Although it does not specifically limit as a binder used for a positive electrode active material layer, For example, the following materials are mentioned. Polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile (PEN), polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, polyamideimide, cellulose, carboxymethylcellulose (CMC), ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene / butadiene Rubber (SBR), isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene / propylene rubber, ethylene / propylene / diene copolymer, styrene / butadiene / styrene block copolymer and hydrogenated product thereof, styrene / isoprene / styrene block copolymer and Thermoplastic polymers such as hydrogenated products, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene hexafluoropropylene Copolymer (FEP), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene Fluororesin such as copolymer (ECTFE), polyvinyl fluoride (PVF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-based fluororubber (VDF-HFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluorine Rubber (VDF-HFP-TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene fluorine rubber (VDF-PFP fluorine rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-teto Fluoroethylene fluororubber (VDF-PFP-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-PFMVE-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene Vinylidene fluoride-based fluororubbers such as epoxy-based fluororubbers (VDF-CTFE-based fluororubbers), and epoxy resins. Among these, polyvinylidene fluoride, polyimide, styrene / butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, polyamide, and polyamideimide are more preferable. These suitable binders are excellent in heat resistance, have a very wide potential window, are stable at both the positive electrode potential and the negative electrode potential, and can be used for the active material layer. These binders may be used alone or in combination of two.
正極活物質層中に含まれるバインダ量は、活物質を結着することができる量であれば特に限定されるものではないが、好ましくは活物質層に対して、0.5〜15質量%であり、より好ましくは1〜10質量%である。 The amount of the binder contained in the positive electrode active material layer is not particularly limited as long as it is an amount capable of binding the active material, but is preferably 0.5 to 15% by mass with respect to the active material layer. More preferably, it is 1-10 mass%.
正極活物質層15は、導電助剤を含みうる。 The positive electrode active material layer 15 can include a conductive additive.
(導電助剤)
導電助剤とは、正極活物質層または負極活物質層の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。正極活物質層に用いられる導電助剤としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト、気相成長炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。活物質層が導電助剤を含むと、活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上に寄与しうる。
(Conductive aid)
The conductive assistant refers to an additive that is blended in order to improve the conductivity of the positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer. Examples of the conductive additive used for the positive electrode active material layer include carbon materials such as carbon black such as acetylene black, graphite, and vapor grown carbon fiber. When the active material layer contains a conductive additive, an electronic network inside the active material layer is effectively formed, which can contribute to improvement of the output characteristics of the battery.
正極活物質層に用いられる活物質層へ混入されてなる導電助剤の含有量は、正極活物質層の総量に対して、1質量%以上、より好ましくは3質量%以上、さらに好ましくは5質量%以上の範囲である。また、正極活物質層へ混入されてなる導電助剤の含有量は、正極活物質層の総量に対して、15質量%以下、より好ましくは10質量%以下、さらに好ましくは7質量%以下の範囲である。正極活物質自体の電子導電性は低く導電助剤の量によって電極抵抗を低減できる正極活物質層での導電助剤の配合比(含有量)を上記範囲内に規定することで以下の効果が発現される。即ち、電極反応を阻害することなく、電子導電性を十分に担保することができ、電極密度の低下によるエネルギー密度の低下を抑制でき、ひいては電極密度の向上によるエネルギー密度の向上を図ることができる。 The content of the conductive additive mixed in the active material layer used for the positive electrode active material layer is 1% by mass or more, more preferably 3% by mass or more, and further preferably 5%, based on the total amount of the positive electrode active material layer. It is the range of mass% or more. In addition, the content of the conductive additive mixed into the positive electrode active material layer is 15% by mass or less, more preferably 10% by mass or less, and further preferably 7% by mass or less with respect to the total amount of the positive electrode active material layer. It is a range. By defining the compounding ratio (content) of the conductive additive in the positive electrode active material layer within the above range, the electronic conductivity of the positive electrode active material itself is low and the electrode resistance can be reduced by the amount of the conductive additive. Expressed. That is, it is possible to sufficiently ensure the electronic conductivity without hindering the electrode reaction, to suppress the decrease in the energy density due to the decrease in the electrode density, and to improve the energy density due to the increase in the electrode density. .
また、上記導電助剤とバインダの機能を併せ持つ導電性結着剤をこれら導電助剤とバインダに代えて用いてもよいし、あるいはこれら導電助剤とバインダの一方ないし双方と併用してもよい。導電性結着剤としては、既に市販のTAB−2(宝泉株式会社製)を用いることができる。 Moreover, the conductive binder having the functions of the conductive assistant and the binder may be used in place of the conductive assistant and the binder, or may be used in combination with one or both of the conductive assistant and the binder. . As the conductive binder, commercially available TAB-2 (manufactured by Hosen Co., Ltd.) can be used.
正極(正極活物質層)は、通常のスラリーを塗布(コーティング)する方法のほか、混練法、スパッタ法、蒸着法、CVD法、PVD法、イオンプレーティング法および溶射法のいずれかの方法によって形成することができる。 The positive electrode (positive electrode active material layer) can be applied by any one of a kneading method, a sputtering method, a vapor deposition method, a CVD method, a PVD method, an ion plating method, and a thermal spraying method in addition to a method of applying (coating) a normal slurry. Can be formed.
[負極活物質層]
負極活物質層13は、負極活物質を含む。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer 13 includes a negative electrode active material.
(負極活物質)
本実施形態において、負極活物質は、非晶質または低結晶性のケイ素を主成分とする母相中に、遷移金属のケイ化物を含むシリサイド相が分散されてなる構造を有し、所定の組成を有するケイ素含有合金からなるものである。
(Negative electrode active material)
In the present embodiment, the negative electrode active material has a structure in which a silicide phase containing a transition metal silicide is dispersed in a parent phase mainly composed of amorphous or low crystalline silicon, and has a predetermined structure. It consists of a silicon-containing alloy having a composition.
上述したように、本実施形態における負極活物質を構成するケイ素含有合金は、まず、非晶質(アモルファス)または低結晶性のケイ素を主成分とする母相を備えている。このように、母相を構成するケイ素が非晶質または低結晶性であると、高容量でかつサイクル耐久性に優れた電気デバイスが提供されうる。 As described above, the silicon-containing alloy constituting the negative electrode active material in the present embodiment first includes a parent phase mainly composed of amorphous or low crystalline silicon. As described above, when the silicon constituting the parent phase is amorphous or has low crystallinity, an electric device having a high capacity and excellent cycle durability can be provided.
ケイ素含有合金を構成する母相は、ケイ素を主成分として含有する相であり、好ましくはSi単相(Siのみからなる相)である。この母相(Siを主成分とする相)は、本実施形態の電気デバイス(リチウムイオン二次電池)の作動時にリチウムイオンの吸蔵・放出に関与する相であり、電気化学的にLiと反応可能な相である。Si単相である場合、重量あたりおよび体積あたりに多量のLiを吸蔵・放出することが可能である。ただし、Siは電子伝導性に乏しいことから、母相にはリンやホウ素などの微量の添加元素や遷移金属などが含まれていてもよい。なお、この母相(Siを主成分とする相)は、後述するシリサイド相よりもアモルファス化していることが好ましい。かような構成とすることにより、負極活物質(ケイ素含有合金)をより高容量なものとすることができる。なお、母相がシリサイド相よりもアモルファス化しているか否かは、電子線回折分析により確認することができる。具体的には、電子線回折分析によると、単結晶相については二次元点配列のネットパターン(格子状のスポット)が得られ、多結晶相についてはデバイシェラーリング(回折環)が得られ、アモルファス相についてはハローパターンが得られる。これを利用することで、上記の確認が可能となるのである。 The parent phase constituting the silicon-containing alloy is a phase containing silicon as a main component, and is preferably a Si single phase (phase consisting of only Si). This parent phase (phase containing Si as a main component) is a phase involved in occlusion / release of lithium ions during operation of the electrical device (lithium ion secondary battery) of the present embodiment, and electrochemically reacts with Li. It is a possible phase. In the case of the Si single phase, it is possible to occlude and release a large amount of Li per weight and per volume. However, since Si has poor electron conductivity, the parent phase may contain a small amount of additive elements such as phosphorus and boron, transition metals, and the like. In addition, it is preferable that this parent phase (phase containing Si as a main component) is made amorphousr than a silicide phase described later. With such a configuration, the negative electrode active material (silicon-containing alloy) can have a higher capacity. Whether or not the parent phase is more amorphous than the silicide phase can be confirmed by electron beam diffraction analysis. Specifically, according to the electron diffraction analysis, a net pattern (lattice spot) of a two-dimensional dot arrangement is obtained for a single crystal phase, and a Debye-Scherrer ring (diffraction ring) is obtained for a polycrystalline phase, A halo pattern is obtained for the amorphous phase. By using this, the above confirmation becomes possible.
一方、本実施形態における負極活物質を構成するケイ素含有合金は、上記母相に加えて、当該母相中に分散されてなる遷移金属のケイ化物(シリサイドとも称する)を含むシリサイド相をも含んでいる。このシリサイド相は、遷移金属のケイ化物(例えばTiSi2)を含むことで母相との親和性に優れ、特に充電時の体積膨張における結晶界面での割れを抑制することができる。さらに、シリサイド相は母相と比較して電子伝導性および硬度の観点で優れている。このため、シリサイド相は母相の低い電子伝導性を改善し、かつ膨張時の応力に対して活物質の形状を維持する役割をも担っている。 On the other hand, the silicon-containing alloy constituting the negative electrode active material in the present embodiment also includes a silicide phase containing a transition metal silicide (also referred to as silicide) dispersed in the parent phase in addition to the parent phase. It is out. This silicide phase contains a transition metal silicide (eg, TiSi 2 ), so that it has excellent affinity with the parent phase, and can particularly suppress cracking at the crystal interface due to volume expansion during charging. Furthermore, the silicide phase is superior in terms of electron conductivity and hardness compared to the parent phase. For this reason, the silicide phase plays a role of improving the low electron conductivity of the parent phase and maintaining the shape of the active material against the stress during expansion.
シリサイド相には複数の相が存在していてもよく、例えば遷移金属元素MとSiとの組成比が異なる2相以上(例えば、MSi2およびMSi)が存在していてもよい。また、異なる遷移金属元素とのケイ化物を含むことにより、2相以上が存在していてもよい。ここで、シリサイド相に含まれる遷移金属の種類について特に制限はないが、好ましくはTi、Zr、Ni、Cu、およびFeからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、より好ましくはTiまたはZrであり、特に好ましくはTiである。これらの元素は、ケイ化物を形成した際に他の元素のケイ化物よりも高い電子伝導度を示し、かつ高い強度を有するものである。特に遷移金属元素がTiである場合のシリサイドであるTiSi2は、非常に優れた電子伝導性を示すため、好ましい。 A plurality of phases may exist in the silicide phase. For example, two or more phases (for example, MSi 2 and MSi) having different composition ratios between the transition metal element M and Si may exist. Moreover, two or more phases may exist by including a silicide with different transition metal elements. Here, the type of transition metal contained in the silicide phase is not particularly limited, but is preferably at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Ni, Cu, and Fe, and more preferably Ti or Zr. Yes, particularly preferably Ti. These elements exhibit higher electronic conductivity and higher strength than silicides of other elements when silicides are formed. In particular, TiSi 2 which is silicide when the transition metal element is Ti is preferable because it exhibits very excellent electron conductivity.
特に、遷移金属元素MがSiであり、シリサイド相に組成比が異なる2相以上(例えば、TiSi2およびTiSi)が存在する場合は、シリサイド相の50質量%以上、好ましくは80質量%以上、さらに好ましくは90質量%以上、特に好ましくは95質量%以上、最も好ましくは100質量%がTiSi2相である。 In particular, when the transition metal element M is Si and there are two or more phases having different composition ratios in the silicide phase (for example, TiSi 2 and TiSi), the silicide phase is 50 mass% or more, preferably 80 mass% or more, More preferably, 90% by mass or more, particularly preferably 95% by mass or more, and most preferably 100% by mass is the TiSi 2 phase.
上記シリサイド相のサイズについて特に制限はないが、好ましい実施形態において、シリサイド相のサイズは50nm以下である。かような構成とすることにより、負極活物質(ケイ素含有合金)をより高容量なものとすることができる。 The size of the silicide phase is not particularly limited, but in a preferred embodiment, the size of the silicide phase is 50 nm or less. With such a configuration, the negative electrode active material (silicon-containing alloy) can have a higher capacity.
本発明において、負極活物質を構成するケイ素含有合金は、下記化学式(1)で表される組成を有するものである。 In the present invention, the silicon-containing alloy constituting the negative electrode active material has a composition represented by the following chemical formula (1).
上記化学式(1)において、Aは、不可避不純物であり、Mは、1または2以上の遷移金属元素であり、x、y、z、およびaは、質量%の値を表し、この際、0<x<100、0≦y<100、0<z<100、および0≦a<0.5であり、x+y+z+a=100である。 In the above chemical formula (1), A is an inevitable impurity, M is one or more transition metal elements, and x, y, z, and a represent mass% values, where 0 <X <100, 0 ≦ y <100, 0 <z <100, and 0 ≦ a <0.5, and x + y + z + a = 100.
上記化学式(1)から明らかなように、本発明の好ましい実施形態に係るケイ素含有合金(SixSnyMzAaの組成を有するもの)は、SiおよびM(遷移金属)の二元系であるか(y=0の場合)、Si、SnおよびM(遷移金属)の三元系である(y>0の場合)。なかでも、Si、SnおよびM(遷移金属)の三元系であることが、サイクル耐久性の観点からはより好ましい。また、本明細書において「不可避不純物」とは、Si含有合金において、原料中に存在したり、製造工程において不可避的に混入したりするものを意味する。当該不可避不純物は、本来は不要なものであるが、微量であり、ケイ素含有合金の特性に影響を及ぼさないため、許容されている不純物である。 As is clear from the chemical formula (1), the silicon-containing alloy (having the composition of Si x Sn y M z A a ) according to a preferred embodiment of the present invention is a binary system of Si and M (transition metal). (When y = 0) or a ternary system of Si, Sn and M (transition metal) (when y> 0). Among these, a ternary system of Si, Sn, and M (transition metal) is more preferable from the viewpoint of cycle durability. Further, in the present specification, the “inevitable impurities” means an Si-containing alloy that exists in a raw material or is inevitably mixed in a manufacturing process. The inevitable impurities are originally unnecessary impurities, but are a very small amount and do not affect the characteristics of the silicon-containing alloy.
本実施形態において特に好ましくは、負極活物質(ケイ素含有合金)への添加元素(M;遷移金属)としてTiを選択し、さらに必要に応じて第2添加元素としてSnを添加することで、Li合金化の際に、アモルファス−結晶の相転移を抑制してサイクル寿命を向上させることができる。また、これによって、従来の負極活物質(例えば、炭素系負極活物質)よりも高容量のものとなる。したがって、本発明の好ましい実施形態によると、上記化学式(1)で表される組成において、Mがチタン(Ti)であることが好ましく、Mとしてチタンを含むSi−Sn−Tiの三元系であることがより好ましい。 In the present embodiment, particularly preferably, Ti is selected as an additive element (M; transition metal) to the negative electrode active material (silicon-containing alloy), and Sn is added as a second additive element as necessary. During alloying, the cycle life can be improved by suppressing the amorphous-crystal phase transition. This also increases the capacity of conventional negative electrode active materials (for example, carbon-based negative electrode active materials). Therefore, according to a preferred embodiment of the present invention, in the composition represented by the chemical formula (1), M is preferably titanium (Ti), and M is a ternary system of Si—Sn—Ti containing titanium. More preferably.
ここでLi合金化の際、アモルファス−結晶の相転移を抑制するのは、Si材料ではSiとLiとが合金化する際、アモルファス状態から結晶状態へ転移し大きな体積変化(約4倍)を起こすため、粒子自体が壊れてしまい活物質としての機能が失われるためである。そのためアモルファス−結晶の相転移を抑制することで、粒子自体の崩壊を抑制し活物質としての機能(高容量)を保持することができ、サイクル寿命も向上させることができるものである。かかる添加元素を選定することにより、高容量で高サイクル耐久性を有するケイ素含有合金負極活物質を提供できる。 Here, in the case of Li alloying, the amorphous-crystal phase transition is suppressed because, in the Si material, when Si and Li are alloyed, the amorphous state transitions to the crystalline state and a large volume change (about 4 times) occurs. This is because the particles themselves are broken and the function as an active material is lost. Therefore, by suppressing the amorphous-crystal phase transition, it is possible to suppress the collapse of the particles themselves, to maintain the function (high capacity) as an active material, and to improve the cycle life. By selecting such an additive element, a silicon-containing alloy negative electrode active material having high capacity and high cycle durability can be provided.
上記化学式(1)の組成において、遷移金属M(特にTi)の組成比zは、7<z<100であることが好ましく、10<z<100であることがより好ましく、15<z<100であることがさらに好ましく、20≦z<100であることが特に好ましい。遷移金属M(特にTi)の組成比zをこのような範囲とすることにより、サイクル特性をより一層向上させることができる。 In the composition of the chemical formula (1), the composition ratio z of the transition metal M (particularly Ti) is preferably 7 <z <100, more preferably 10 <z <100, and 15 <z <100. It is more preferable that 20 ≦ z <100. By setting the composition ratio z of the transition metal M (particularly Ti) within such a range, the cycle characteristics can be further improved.
より好ましくは、化学式(1)における前記x、y、およびzは、下記数式(1)または(2): More preferably, the x, y, and z in the chemical formula (1) are represented by the following formula (1) or (2):
を満たすことが好ましい。各成分含有量が上記範囲内にあると、1000Ah/gを超える初期放電容量を得ることができ、サイクル寿命についても90%(50サイクル)を超えうる。 It is preferable to satisfy. When the content of each component is within the above range, an initial discharge capacity exceeding 1000 Ah / g can be obtained, and the cycle life can also exceed 90% (50 cycles).
なお、当該負極活物質の上記特性のさらなる向上を図る観点からは、遷移金属M(特にTi)の含有量は7質量%超の範囲とすることが望ましい。すなわち、前記x、y、およびzが、下記数式(3)または(4): From the viewpoint of further improving the above characteristics of the negative electrode active material, the content of the transition metal M (particularly Ti) is preferably in the range of more than 7% by mass. That is, the x, y, and z are represented by the following formula (3) or (4):
を満たすことが好ましい。これにより、サイクル特性をよりいっそう向上させることが可能となる。 It is preferable to satisfy. As a result, the cycle characteristics can be further improved.
そして、より良好なサイクル耐久性を確保する観点から、前記x、y、およびzが、下記数式(5)または(6): And from the viewpoint of ensuring better cycle durability, the x, y, and z are represented by the following formula (5) or (6):
を満たすことが好ましい。 It is preferable to satisfy.
そして、初期放電容量およびサイクル耐久性の観点から、本実施形態の負極活物質では、前記x、y、およびzが、下記数式(7): From the viewpoint of initial discharge capacity and cycle durability, in the negative electrode active material of this embodiment, the x, y, and z are represented by the following formula (7):
を満たすことが好ましい。 It is preferable to satisfy.
なお、Aは上述のように、原料や製法に由来する上記3成分以外の不純物(不可避不純物)である。前記aは、0≦a<0.5であり、0≦a<0.1であることが好ましい。 As described above, A is an impurity (unavoidable impurity) other than the three components derived from the raw materials and the manufacturing method. The a is 0 ≦ a <0.5, and preferably 0 ≦ a <0.1.
本実施形態における負極活物質を構成するケイ素含有合金は、CuKα1線を用いたX線回折測定において、2θ=24〜33°の範囲におけるSiの(111)面の回折ピーク強度Aに対する、2θ=37〜45°の範囲における遷移金属のケイ化物の回折ピーク強度Bの比の値(B/A)が0.41以上である点に特徴を有している。この比の値(B/A)は、好ましくは0.89以上であり、さらに好ましくは2.55以上であり、特に好ましくは7.07以上である。なお、本願において、上記回折ピークの強度比を算出するためのX線回折分析は、後述する実施例の欄に記載の手法を用いて行うものとする。 In the X-ray diffraction measurement using CuKα1 ray, the silicon-containing alloy that constitutes the negative electrode active material in the present embodiment is 2θ = for the diffraction peak intensity A of the (111) plane of Si in the range of 2θ = 24 to 33 °. It is characterized in that the value (B / A) of the diffraction peak intensity B of the transition metal silicide in the range of 37 to 45 ° is 0.41 or more. The value of this ratio (B / A) is preferably 0.89 or more, more preferably 2.55 or more, and particularly preferably 7.07 or more. In the present application, the X-ray diffraction analysis for calculating the intensity ratio of the diffraction peaks is performed using the method described in the column of Examples described later.
ここで、2θ=24〜33°の範囲におけるSiの(111)面の回折ピーク強度Aは、以下のようにして求めることができる(後述する参考例1の結果に対応する図3Aを参照)。 Here, the diffraction peak intensity A of the (111) plane of Si in the range of 2θ = 24 to 33 ° can be obtained as follows (see FIG. 3A corresponding to the result of Reference Example 1 described later). .
まず、X線回折分析により得られた回折スペクトルにおいて、2θ=24°における垂線と回折スペクトルとが交わる点をaとする。同様に、2θ=33°における垂線とX線路回折スペクトルとが交わる点をbとする。ここで、線分abをベースラインとし、Siの(111)面の回折ピーク(2θ=約28.5°)における垂線と当該ベースラインとが交わる点をcとする。そして、Siの(111)面の回折ピーク(2θ=約28.5°)の頂点dと点cとを結ぶ線分cdの長さとして、Siの(111)面の回折ピーク強度Aを求めることができる。 First, in the diffraction spectrum obtained by the X-ray diffraction analysis, a point where the perpendicular and the diffraction spectrum at 2θ = 24 ° intersect is defined as a. Similarly, let b be the point where the perpendicular at 2θ = 33 ° and the X-ray diffraction spectrum intersect. Here, a line segment ab is defined as a base line, and a point at which a perpendicular line at the diffraction peak (2θ = about 28.5 °) of the Si (111) plane intersects the base line is defined as c. Then, the diffraction peak intensity A of the Si (111) plane is obtained as the length of the line segment cd connecting the vertex d and the point c of the diffraction peak (2θ = about 28.5 °) of the Si (111) plane. be able to.
同様に、2θ=37〜45°の範囲における遷移金属のケイ化物の回折ピーク強度Bは、以下のようにして求めることができる。以下では、遷移金属のケイ化物がTiSi2である場合を例に挙げて説明する。 Similarly, the diffraction peak intensity B of the transition metal silicide in the range of 2θ = 37 to 45 ° can be obtained as follows. Hereinafter, the case where the silicide of the transition metal is TiSi 2 will be described as an example.
まず、X線回折分析により得られた回折スペクトルにおいて、2θ=37°における垂線と回折スペクトルとが交わる点をeとする。同様に、2θ=45°における垂線とX線路回折スペクトルとが交わる点をfとする。ここで、線分efをベースラインとし、TiSi2の回折ピーク(2θ=約39°)における垂線と当該ベースラインとが交わる点をgとする。そして、TiSi2の回折ピーク(2θ=約39°)の頂点hと点gとを結ぶ線分ghの長さとして、TiSi2の回折ピーク強度Bを求めることができる。 First, in the diffraction spectrum obtained by X-ray diffraction analysis, let e be the point where the perpendicular and diffraction spectrum at 2θ = 37 ° intersect. Similarly, let f be the point where the perpendicular at 2θ = 45 ° and the X-ray diffraction spectrum intersect. Here, the line segment ef is the base line, and g is the point where the perpendicular line at the TiSi 2 diffraction peak (2θ = about 39 °) and the base line intersect. Then, the diffraction peak intensity B of TiSi 2 can be obtained as the length of the line segment gh connecting the vertex h of the diffraction peak of TiSi 2 (2θ = about 39 °) and the point g.
ここで、Siの(111)面の回折ピーク強度Aおよび遷移金属のケイ化物の回折ピーク強度Bそれぞれの具体的な値については特に制限はないが、Siの(111)面の回折ピーク強度Aは、好ましくは6000〜25000(cps)であり、より好ましくは6000〜15000である。また、遷移金属のケイ化物の回折ピーク強度Bは、好ましくは9000〜46000(cps)であり、より好ましくは25000〜46000(cps)である。AおよびBをこれらの範囲内の値に制御することによって、上述した回折ピークの強度比(B/A)を確実に達成しやすくなるという利点がある。 Here, specific values of the diffraction peak intensity A of the Si (111) plane and the diffraction peak intensity B of the transition metal silicide are not particularly limited, but the diffraction peak intensity A of the Si (111) plane is not particularly limited. Is preferably 6000 to 25000 (cps), more preferably 6000 to 15000. The diffraction peak intensity B of the transition metal silicide is preferably 9000 to 46000 (cps), more preferably 25,000 to 46000 (cps). By controlling A and B to values within these ranges, there is an advantage that the above-described diffraction peak intensity ratio (B / A) can be easily achieved.
本実施形態における負極活物質を構成するケイ素含有合金の粒子径は特に制限されないが、平均粒子径として、好ましくは0.1〜20μmであり、より好ましくは0.2〜10μmである。 Although the particle diameter of the silicon-containing alloy constituting the negative electrode active material in the present embodiment is not particularly limited, the average particle diameter is preferably 0.1 to 20 μm, more preferably 0.2 to 10 μm.
(負極活物質の製造方法)
本実施形態に係る電気デバイス用負極活物質の製造方法について特に制限はなく、従来公知の知見が適宜参照されうるが、本願では、X線回折分析による回折ピークの強度比B/Aの値を上述したような範囲内のものとするための製造方法の一例として、以下のような工程を有する製造方法が提供される。
(Method for producing negative electrode active material)
There is no particular limitation on the method for producing the negative electrode active material for an electrical device according to the present embodiment, and conventionally known knowledge can be referred to as appropriate. In this application, the value of the intensity ratio B / A of the diffraction peak by X-ray diffraction analysis is As an example of a manufacturing method for achieving the above-described range, a manufacturing method having the following steps is provided.
まず、ケイ素含有合金の原料を混合して混合粉末を得る工程を行う。この工程では、得られる負極活物質(ケイ素含有合金)の組成を考慮して、当該合金の原料を混合する。当該合金の原料としては、負極活物質として必要な元素の比率を実現できれば、その形態などは特に限定されない。例えば、負極活物質を構成する元素単体を、目的とする比率に混合したものや、目的とする元素比率を有する合金、固溶体、または金属間化合物を用いることができる。また、通常は粉末状態の原料を混合する。これにより、原料からなる混合粉末が得られる。なお、原料中のケイ素(Si)とチタン(Ti)との組成比を調節することにより、上記回折ピークの強度比(B/A)を制御可能である。例えば、Siに対するTiの組成比を大きくすると、強度比(B/A)を大きくすることができる。 First, a step of obtaining a mixed powder by mixing raw materials of a silicon-containing alloy is performed. In this step, in consideration of the composition of the obtained negative electrode active material (silicon-containing alloy), raw materials for the alloy are mixed. The raw material of the alloy is not particularly limited as long as the ratio of elements necessary as the negative electrode active material can be realized. For example, it is possible to use a single element constituting the negative electrode active material mixed in a target ratio, an alloy having a target element ratio, a solid solution, or an intermetallic compound. Usually, raw materials in a powder state are mixed. Thereby, the mixed powder which consists of a raw material is obtained. The intensity ratio (B / A) of the diffraction peak can be controlled by adjusting the composition ratio between silicon (Si) and titanium (Ti) in the raw material. For example, when the composition ratio of Ti to Si is increased, the strength ratio (B / A) can be increased.
続いて、上記で得られた混合粉末に対して合金化処理を行う。これにより、電気デバイス用負極活物質として用いることが可能なケイ素含有合金が得られる。 Subsequently, an alloying process is performed on the mixed powder obtained above. Thereby, the silicon-containing alloy which can be used as a negative electrode active material for electric devices is obtained.
合金化処理の手法としては、固相法、液相法、気相法があるが、例えば、メカニカルアロイ法やアークプラズマ溶融法、鋳造法、ガスアトマイズ法、液体急冷法、イオンビームスパッタリング法、真空蒸着法、メッキ法、気相化学反応法などが挙げられる。なかでも、メカニカルアロイ法を用いて合金化処理を行うことが好ましい。メカニカルアロイ法により合金化処理を行うことで、相の状態の制御を容易に行うことができるため、好ましい。また、合金化処理を行う前に、原材料を溶融する工程や前記溶融した溶融物を急冷して凝固させる工程が含まれてもよい。 Examples of alloying methods include a solid phase method, a liquid phase method, and a gas phase method. For example, a mechanical alloy method, an arc plasma melting method, a casting method, a gas atomizing method, a liquid quenching method, an ion beam sputtering method, a vacuum method, and the like. Examples include vapor deposition, plating, and gas phase chemical reaction. Especially, it is preferable to perform an alloying process using a mechanical alloy method. It is preferable to perform the alloying process by the mechanical alloy method because the phase state can be easily controlled. Further, before the alloying treatment, a step of melting the raw material and a step of rapidly cooling and solidifying the molten material may be included.
本形態に係る製造方法では、上述した合金化処理を行う。これにより、上述したような母相/シリサイド相からなる構造とすることができる。特に、合金化処理の時間が12時間以上であれば、所望のサイクル耐久性を発揮させうる負極活物質(ケイ素含有合金)を得ることができる。なお、合金化処理の時間は、好ましくは24時間以上であり、より好ましくは30時間以上であり、さらに好ましくは36時間以上であり、さらにより好ましくは42時間以上であり、特に好ましくは48時間以上である。このように、合金化処理に要する時間を長くすることによっても、回折ピークの強度比(B/A)を大きくすることができる。なお、合金化処理のための時間の上限値は特に設定されないが、通常は72時間以下であればよい。 In the manufacturing method according to this embodiment, the alloying process described above is performed. Thereby, it can be set as the structure which consists of a mother phase / silicide phase as mentioned above. In particular, when the alloying time is 12 hours or longer, a negative electrode active material (silicon-containing alloy) capable of exhibiting desired cycle durability can be obtained. The alloying treatment time is preferably 24 hours or more, more preferably 30 hours or more, still more preferably 36 hours or more, still more preferably 42 hours or more, and particularly preferably 48 hours. That's it. As described above, the diffraction peak intensity ratio (B / A) can also be increased by increasing the time required for the alloying treatment. In addition, although the upper limit of the time for alloying process is not set in particular, it may usually be 72 hours or less.
上述した手法による合金化処理は、通常乾式雰囲気下で行われるが、合金化処理後の粒度分布は大小の幅が非常に大きい場合がある。このため、粒度を整えるための粉砕処理および/または分級処理を行うことが好ましい。 The alloying treatment by the above-described method is usually performed in a dry atmosphere, but the particle size distribution after the alloying treatment may have a very large or small width. For this reason, it is preferable to perform the grinding | pulverization process and / or classification process for adjusting a particle size.
以上、負極活物質層に必須に含まれる所定の合金について説明したが、負極活物質層はその他の負極活物質を含んでいてもよい。上記所定の合金以外の負極活物質としては、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、もしくはハードカーボンなどのカーボン、SiやSnなどの純金属や上記所定の組成比を外れる合金系活物質、あるいはTiO、Ti2O3、TiO2、もしくはSiO2、SiO、SnO2などの金属酸化物、Li4/3Ti5/3O4もしくはLi7MnNなどのリチウムと遷移金属との複合酸化物(複合窒化物)、Li−Pb系合金、Li−Al系合金、Liなどが挙げられる。ただし、上記所定の合金を負極活物質として用いることにより奏される作用効果を十分に発揮させるという観点からは、負極活物質の全量100質量%に占める上記所定の合金の含有量は、好ましくは50〜100質量%であり、より好ましくは80〜100質量%であり、さらに好ましくは90〜100質量%であり、特に好ましくは95〜100質量%であり、最も好ましくは100質量%である。 As described above, the predetermined alloy included in the negative electrode active material layer has been described, but the negative electrode active material layer may contain other negative electrode active materials. Examples of the negative electrode active material other than the predetermined alloy include natural graphite, artificial graphite, carbon black, activated carbon, carbon fiber, coke, soft carbon, carbon such as hard carbon, pure metal such as Si and Sn, and the predetermined composition. Alloy-based active material out of ratio, or metal oxide such as TiO, Ti 2 O 3 , TiO 2 , SiO 2 , SiO, SnO 2 , lithium such as Li 4/3 Ti 5/3 O 4 or Li 7 MnN And transition metal composite oxides (composite nitrides), Li—Pb alloys, Li—Al alloys, Li, and the like. However, from the viewpoint of sufficiently exerting the effects exhibited by using the predetermined alloy as the negative electrode active material, the content of the predetermined alloy in the total amount of 100% by mass of the negative electrode active material is preferably It is 50-100 mass%, More preferably, it is 80-100 mass%, More preferably, it is 90-100 mass%, Especially preferably, it is 95-100 mass%, Most preferably, it is 100 mass%.
続いて、負極活物質層13は、バインダを含む。 Subsequently, the negative electrode active material layer 13 includes a binder.
(バインダ)
バインダは、活物質同士または活物質と集電体とを結着させて電極構造を維持する目的で添加される。負極活物質層に用いられるバインダの種類についても特に制限はなく、正極活物質層に用いられるバインダとして上述したものが同様に用いられうる。よって、ここでは詳細な説明は省略する。
(Binder)
The binder is added for the purpose of maintaining the electrode structure by binding the active materials or the active material and the current collector. There is no restriction | limiting in particular also about the kind of binder used for a negative electrode active material layer, What was mentioned above as a binder used for a positive electrode active material layer can be used similarly. Therefore, detailed description is omitted here.
なお、負極活物質層中に含まれるバインダ量は、活物質を結着することができる量であれば特に限定されるものではないが、好ましくは負極活物質層に対して、0.5〜20質量%であり、より好ましくは1〜15質量%である。 Note that the amount of the binder contained in the negative electrode active material layer is not particularly limited as long as it is an amount capable of binding the active material, but is preferably 0.5 to It is 20 mass%, More preferably, it is 1-15 mass%.
さらに、負極活物質層13は、導電助剤を含む。 Furthermore, the negative electrode active material layer 13 includes a conductive additive.
(導電助剤)
負極活物質層は、導電助剤として、アスペクト比が10未満の球状導電助剤と、アスペクト比が10〜1000の繊維状導電助剤と、を含む。
(Conductive aid)
The negative electrode active material layer includes, as conductive assistants, spherical conductive assistants having an aspect ratio of less than 10 and fibrous conductive assistants having an aspect ratio of 10 to 1,000.
導電助剤は、活物質層の導電性を向上させるために配合される。この際、アスペクト比が10未満の球状導電助剤は、負極活物質粒子同士の微小な空隙に充填され、負極活物質層全体においてある程度の強度を担保する。しかしながら、球状導電助剤のみでは、負極活物質粒子の周囲を覆うように存在することはできないため、一定以上の強度を得ることは難しい。 A conductive support agent is mix | blended in order to improve the electroconductivity of an active material layer. At this time, the spherical conductive additive having an aspect ratio of less than 10 is filled in minute voids between the negative electrode active material particles, and ensures a certain level of strength in the entire negative electrode active material layer. However, it is difficult to obtain a certain strength or higher because the spherical conductive auxiliary agent alone cannot exist so as to cover the periphery of the negative electrode active material particles.
また、球状導電助剤は、負極活物質粒子同士の微小な空隙に充填されるが、球状導電助剤のみでは、負極活物質粒子を囲うように存在することができないため、比較的短距離での導電パスが形成されにくい。そのため、負極活物質層において十分な導電性が得られず、結果として電池の容量が低下しやすくなり、高いサイクル耐久性が得られにくい。 In addition, the spherical conductive auxiliary agent is filled in minute gaps between the negative electrode active material particles, but since the spherical conductive auxiliary agent alone cannot exist so as to surround the negative electrode active material particles, It is difficult to form a conductive path. Therefore, sufficient conductivity cannot be obtained in the negative electrode active material layer, and as a result, the capacity of the battery tends to decrease, and high cycle durability is difficult to obtain.
一方、アスペクト比が10〜1000の繊維状導電助剤は、負極活物質粒子の表面を覆うように存在するが、負極活物質粒子間の微小な空隙を埋めることはできないため、繊維状導電助剤のみでは安定な導電パスを形成しにくい。また、繊維状導電助剤のみでは、負極活物質粒子間の微小な空隙に侵入することが困難であるため、空隙が発生することにより負極活物質層に十分な強度を与えることは難しくなる。結果として、電池の容量が低下しやすくなり、高いサイクル耐久性が得られにくい。 On the other hand, the fibrous conductive additive having an aspect ratio of 10 to 1000 is present so as to cover the surface of the negative electrode active material particles, but cannot fill the minute gaps between the negative electrode active material particles. It is difficult to form a stable conductive path only with the agent. Moreover, since it is difficult for only the fibrous conductive auxiliary agent to enter the minute gaps between the negative electrode active material particles, it is difficult to give sufficient strength to the negative electrode active material layer due to the generation of voids. As a result, the capacity of the battery tends to decrease, and high cycle durability is difficult to obtain.
しかしながら、球状導電助剤と繊維状導電助剤とを組み合わせて用いることで、球状導電助剤が主に負極活物質粒子間の微小な空隙に充填され、繊維状導電助剤が、前記球状導電助剤が充填された部分以外で負極活物質粒子の表面を覆うように配置される。その結果、全体として負極活物質層の強度が向上しうる。また、長距離、短距離のどちらの導電パスも確保できるようになるため、電子伝導性が向上しうる。このように活物質層の強度と電子伝導性が向上することにより、安定に充放電が進行し、サイクル耐久性の向上につながるものと考えられる。 However, by using the spherical conductive aid and the fibrous conductive aid in combination, the spherical conductive aid is mainly filled in the fine gaps between the negative electrode active material particles, and the fibrous conductive aid is used as the spherical conductive aid. It arrange | positions so that the surface of negative electrode active material particles may be covered except the part with which the adjuvant was filled. As a result, the strength of the negative electrode active material layer can be improved as a whole. In addition, since both long-distance and short-distance conductive paths can be secured, the electron conductivity can be improved. Thus, it is thought that charge and discharge progress stably and lead to improvement in cycle durability by improving the strength and electronic conductivity of the active material layer.
ここで、粒子状導電助剤は、アスペクト比(長径/短径)が10未満のものであれば、その粒子径や形状は特に制限されない。 Here, the particle size and shape of the particulate conductive aid are not particularly limited as long as the aspect ratio (major axis / minor axis) is less than 10.
粒子状導電助剤の平均粒子径は、例えば23〜48nmであり、好ましくは35〜45nmである。また、粒子状導電助剤のアスペクト比は、1に近づくほどよいが、例えば1〜5であることが好ましく、1〜2であることがより好ましい。上記範囲であれば、本発明の効果がより顕著に得られうる。 The average particle diameter of the particulate conductive auxiliary agent is, for example, 23 to 48 nm, and preferably 35 to 45 nm. Moreover, although the aspect ratio of a particulate-form conductive support agent is so good that it approaches 1, it is preferable that it is 1-5, for example, and it is more preferable that it is 1-2. If it is the said range, the effect of this invention can be acquired more notably.
粒子状導電助剤としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(ファーネスブラック)、チャネルブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛(グラファイト)等のカーボン粉末などが挙げられるが、これらに限定されない。 Examples of the particulate conductive aid include carbon black such as acetylene black, ketjen black (furnace black), channel black, thermal black and the like, and graphite (graphite) such as natural graphite and artificial graphite. However, it is not limited to these.
一方、繊維状導電助剤は、アスペクト比(繊維長/繊維径)が10〜1000のものであれば、繊維径や繊維長などの形状は特に制限されない。本発明においては、繊維径が1〜300nmであることが好ましく、1〜50nmであることがより好ましい。また、繊維長は、0.1〜100μmであることが好ましく、5〜50μmであることがより好ましい。また、アスペクト比は、20〜1000であることが好ましい。上記範囲であれば、本発明の効果がより顕著に得られうる。 On the other hand, as long as the fibrous conductive additive has an aspect ratio (fiber length / fiber diameter) of 10 to 1000, the shape such as the fiber diameter and the fiber length is not particularly limited. In the present invention, the fiber diameter is preferably 1 to 300 nm, and more preferably 1 to 50 nm. Moreover, it is preferable that fiber length is 0.1-100 micrometers, and it is more preferable that it is 5-50 micrometers. The aspect ratio is preferably 20 to 1000. If it is the said range, the effect of this invention can be acquired more notably.
繊維状導電助剤としては、例えば、気相法炭素繊維又は液相法炭素繊維(カーボンナノチューブ(CNT)、黒鉛ファイバー等)、カーボンナノファイバーなどの炭素繊維(カーボンファイバ)が用いられうる。尚、上記炭素繊維は液相法でも気相法でも合成可能である。 As the fibrous conductive additive, for example, carbon fiber (carbon fiber) such as gas phase method carbon fiber or liquid phase method carbon fiber (carbon nanotube (CNT), graphite fiber, etc.) and carbon nanofiber can be used. The carbon fiber can be synthesized by a liquid phase method or a gas phase method.
なお、粒子状導電助剤および繊維状導電助剤のアスペクト比、粒子径は、透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の平均値として算出される値を採用するものとする。 The aspect ratio and particle diameter of the particulate conductive aid and the fibrous conductive aid are the average values of the particles observed in several to several tens of fields using an observation means such as a transmission electron microscope (TEM). The calculated value shall be adopted.
本実施形態の負極において、前記球状導電助剤と前記繊維状導電助剤との総量に対する前記球状導電助剤の含有量((球状導電助剤の質量/(球状導電助剤の質量+繊維状導電助材の質量)×100))は、特に制限されないが、25〜80質量%であることが好ましく40〜60質量%であることがより好ましい。上記範囲であると、球状導電助剤が活物質粒子間の空隙を十分に充填し、かつ、繊維状導電助剤がこれらの周りを効果的に補強するのに適する。そのため、負極活物質層における電子伝導性がより向上し、負極活物質層の強度がより高くなることから、より優れたサイクル耐久性が得られうる。 In the negative electrode of the present embodiment, the content of the spherical conductive additive relative to the total amount of the spherical conductive additive and the fibrous conductive additive ((mass of spherical conductive additive / (mass of spherical conductive additive + fibrous The mass of the conductive aid) × 100)) is not particularly limited, but is preferably 25 to 80% by mass, and more preferably 40 to 60% by mass. When the amount is in the above range, the spherical conductive auxiliary agent sufficiently fills the gaps between the active material particles, and the fibrous conductive auxiliary agent is suitable for effectively reinforcing the surroundings. Therefore, the electron conductivity in the negative electrode active material layer is further improved, and the strength of the negative electrode active material layer is further increased, so that more excellent cycle durability can be obtained.
負極活物質層へ混入されてなる導電助剤の含有量は、球状導電助剤と繊維状導電助剤との総量が、負極活物質層の総量に対して、例えば1質量%以上、より好ましくは3質量%以上、さらに好ましくは5質量%以上の範囲である。また、負極活物質層へ混入されてなる導電助剤の含有量は、球状導電助剤と繊維状導電助剤との総量が、負極活物質層の総量に対して、例えば15質量%以下、より好ましくは10質量%以下、さらに好ましくは7質量%以下の範囲である。導電助剤の配合比(含有量)を上記範囲内に規定することで以下の効果が発現される。即ち、電極反応を阻害することなく、電子導電性を十分に担保することができ、電極密度の低下によるエネルギー密度の低下を抑制でき、ひいては電極密度の向上によるエネルギー密度の向上を図ることができる。 The content of the conductive auxiliary agent mixed into the negative electrode active material layer is such that the total amount of the spherical conductive auxiliary agent and the fibrous conductive auxiliary agent is, for example, 1% by mass or more with respect to the total amount of the negative electrode active material layer. Is 3% by mass or more, more preferably 5% by mass or more. In addition, the content of the conductive auxiliary agent mixed into the negative electrode active material layer is such that the total amount of the spherical conductive auxiliary agent and the fibrous conductive auxiliary agent is, for example, 15% by mass or less with respect to the total amount of the negative electrode active material layer, More preferably, it is 10 mass% or less, More preferably, it is the range of 7 mass% or less. By defining the blending ratio (content) of the conductive assistant within the above range, the following effects are exhibited. That is, it is possible to sufficiently ensure the electronic conductivity without hindering the electrode reaction, to suppress the decrease in the energy density due to the decrease in the electrode density, and to improve the energy density due to the increase in the electrode density. .
(正極および負極活物質層15、13に共通する要件)
以下に、正極および負極活物質層15、13に共通する要件につき、説明する。
(Requirements common to the positive and negative electrode active material layers 15 and 13)
The requirements common to the positive and negative electrode active material layers 15 and 13 will be described below.
正極活物質層15および負極活物質層13は、必要に応じて、電解質塩(リチウム塩)、イオン伝導性ポリマー等を含む。 The positive electrode active material layer 15 and the negative electrode active material layer 13 include an electrolyte salt (lithium salt), an ion conductive polymer, and the like as necessary.
電解質塩(リチウム塩)
電解質塩(リチウム塩)としては、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3等が挙げられる。
Electrolyte salt (lithium salt)
Examples of the electrolyte salt (lithium salt) include Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 and the like.
イオン伝導性ポリマー
イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)系およびポリプロピレンオキシド(PPO)系のポリマーが挙げられる。
Ion conductive polymer Examples of the ion conductive polymer include polyethylene oxide (PEO) -based and polypropylene oxide (PPO) -based polymers.
正極活物質層および負極活物質層中に含まれる成分の配合比は、特に限定されない。配合比は、非水溶媒二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。 The compounding ratio of the components contained in the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer is not particularly limited. The mixing ratio can be adjusted by appropriately referring to known knowledge about the non-aqueous solvent secondary battery.
各活物質層(集電体片面の活物質層)の厚さについても特に制限はなく、電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、各活物質層の厚さは、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性を考慮し、通常1〜500μm程度、好ましくは2〜100μmである。 There is no particular limitation on the thickness of each active material layer (active material layer on one side of the current collector), and conventionally known knowledge about the battery can be referred to as appropriate. For example, the thickness of each active material layer is usually about 1 to 500 μm, preferably 2 to 100 μm in consideration of the intended use of the battery (emphasis on output, energy, etc.) and ion conductivity.
<集電体>
集電体11、12は導電性材料から構成される。集電体の大きさは、電池の使用用途に応じて決定される。例えば、高エネルギー密度が要求される大型の電池に用いられるのであれば、面積の大きな集電体が用いられる。
<Current collector>
The current collectors 11 and 12 are made of a conductive material. The size of the current collector is determined according to the intended use of the battery. For example, if it is used for a large battery that requires a high energy density, a current collector having a large area is used.
集電体の厚さについても特に制限はない。集電体の厚さは、通常は1〜100μm程度である。 There is no particular limitation on the thickness of the current collector. The thickness of the current collector is usually about 1 to 100 μm.
集電体の形状についても特に制限されない。図1に示す積層型電池10では、集電箔のほか、網目形状(エキスパンドグリッド等)等を用いることができる。 The shape of the current collector is not particularly limited. In the laminated battery 10 shown in FIG. 1, in addition to the current collector foil, a mesh shape (such as an expanded grid) can be used.
なお、負極活物質をスパッタ法等により薄膜合金を負極集電体12上に直接形成する場合には、集電箔を用いるのが望ましい。 In the case where the negative electrode active material is formed directly on the negative electrode current collector 12 by sputtering or the like, it is desirable to use a current collector foil.
集電体を構成する材料に特に制限はない。例えば、金属や、導電性高分子材料または非導電性高分子材料に導電性フィラーが添加された樹脂が採用されうる。 There is no particular limitation on the material constituting the current collector. For example, a metal or a resin in which a conductive filler is added to a conductive polymer material or a non-conductive polymer material can be employed.
具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材、またはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく用いられうる。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位、集電体へのスパッタリングによる負極活物質の密着性等の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケルが好ましい。 Specifically, examples of the metal include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, and copper. In addition to these, a clad material of nickel and aluminum, a clad material of copper and aluminum, or a plating material of a combination of these metals can be preferably used. Moreover, the foil by which aluminum is coat | covered on the metal surface may be sufficient. Of these, aluminum, stainless steel, copper, and nickel are preferable from the viewpoints of electronic conductivity, battery operating potential, and adhesion of the negative electrode active material by sputtering to the current collector.
また、導電性高分子材料としては、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアクリロニトリル、およびポリオキサジアゾールなどが挙げられる。かような導電性高分子材料は、導電性フィラーを添加しなくても十分な導電性を有するため、製造工程の容易化または集電体の軽量化の点において有利である。 Examples of the conductive polymer material include polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, polyparaphenylene, polyphenylene vinylene, polyacrylonitrile, and polyoxadiazole. Since such a conductive polymer material has sufficient conductivity without adding a conductive filler, it is advantageous in terms of facilitating the manufacturing process or reducing the weight of the current collector.
非導電性高分子材料としては、例えば、ポリエチレン(PE;高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)など)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、またはポリスチレン(PS)などが挙げられる。かような非導電性高分子材料は、優れた耐電位性または耐溶媒性を有しうる。 Non-conductive polymer materials include, for example, polyethylene (PE; high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE), etc.), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile (PEN), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), polyamide (PA), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA) , Polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVdF), or polystyrene (PS). Such a non-conductive polymer material may have excellent potential resistance or solvent resistance.
上記の導電性高分子材料または非導電性高分子材料には、必要に応じて導電性フィラーが添加されうる。特に、集電体の基材となる樹脂が非導電性高分子のみからなる場合は、樹脂に導電性を付与するために必然的に導電性フィラーが必須となる。 A conductive filler may be added to the conductive polymer material or the non-conductive polymer material as necessary. In particular, when the resin used as the base material of the current collector is made of only a non-conductive polymer, a conductive filler is inevitably necessary to impart conductivity to the resin.
導電性フィラーは、導電性を有する物質であれば特に制限なく用いることができる。例えば、導電性、耐電位性、またはリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属および導電性カーボンなどが挙げられる。金属としては、特に制限はないが、Ni、Ti、Al、Cu、Pt、Fe、Cr、Sn、Zn、In、Sb、およびKからなる群から選択される少なくとも1種の金属もしくはこれらの金属を含む合金または金属酸化物を含むことが好ましい。また、導電性カーボンとしては、特に制限はない。好ましくは、アセチレンブラック、バルカン、ブラックパール、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、およびフラーレンからなる群より選択される少なくとも1種を含むものである。 The conductive filler can be used without particular limitation as long as it is a substance having conductivity. For example, metals, conductive carbon, etc. are mentioned as a material excellent in electroconductivity, electric potential resistance, or lithium ion barrier | blocking property. The metal is not particularly limited, but at least one metal selected from the group consisting of Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, Sb, and K, or these metals It is preferable to contain an alloy or metal oxide containing. Moreover, there is no restriction | limiting in particular as electroconductive carbon. Preferably, it includes at least one selected from the group consisting of acetylene black, vulcan, black pearl, carbon nanofiber, ketjen black, carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanoballoon, and fullerene.
導電性フィラーの添加量は、集電体に十分な導電性を付与できる量であれば特に制限はなく、一般的には、5〜35質量%程度である。 The amount of the conductive filler added is not particularly limited as long as it is an amount capable of imparting sufficient conductivity to the current collector, and is generally about 5 to 35% by mass.
<電解質層>
電解質層17を構成する電解質としては、液体電解質またはポリマー電解質が用いられうる。
<Electrolyte layer>
A liquid electrolyte or a polymer electrolyte can be used as the electrolyte constituting the electrolyte layer 17.
液体電解質は、有機溶媒にリチウム塩(電解質塩)が溶解した形態を有する。有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)、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)、メチルプロピルカーボネート(MPC)等のカーボネート類が例示される。 The liquid electrolyte has a form in which a lithium salt (electrolyte salt) is dissolved in an organic solvent. Examples of the organic solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), Examples include carbonates such as methylpropyl carbonate (MPC).
また、リチウム塩としては、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiTaF6、LiClO4、LiCF3SO3等の電極の活物質層に添加され得る化合物を採用することができる。 As the lithium salt, Li (CF 3 SO 2) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2) 2 N, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiClO 4, LiCF 3 SO 3 , etc. A compound that can be added to the active material layer of the electrode can be employed.
一方、ポリマー電解質は、電解液を含むゲル電解質と、電解液を含まない真性ポリマー電解質とに分類される。 On the other hand, the polymer electrolyte is classified into a gel electrolyte containing an electrolytic solution and an intrinsic polymer electrolyte containing no electrolytic solution.
ゲル電解質は、イオン伝導性ポリマーからなるマトリックスポリマーに、上記の液体電解質(電解液)が注入されてなる構成を有する。電解質としてゲルポリマー電解質を用いることで電解質の流動性がなくなり、各層間のイオン伝導を遮断することが容易になる点で優れている。 The gel electrolyte has a configuration in which the liquid electrolyte (electrolytic solution) is injected into a matrix polymer made of an ion conductive polymer. The use of a gel polymer electrolyte as the electrolyte is superior in that the fluidity of the electrolyte is lost and it is easy to block ion conduction between the layers.
マトリックスポリマーとして用いられるイオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、およびこれらの共重合体等が挙げられる。かようなポリアルキレンオキシド系ポリマーには、リチウム塩などの電解質塩がよく溶解しうる。 Examples of the ion conductive polymer used as the matrix polymer include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. In such polyalkylene oxide polymers, electrolyte salts such as lithium salts can be well dissolved.
ゲル電解質中の上記液体電解質(電解液)の割合としては、特に制限されるべきものではないが、イオン伝導度などの観点から、数質量%〜98質量%程度とするのが望ましい。本実施形態では、電解液の割合が70質量%以上の、電解液が多いゲル電解質について、特に効果がある。 The ratio of the liquid electrolyte (electrolytic solution) in the gel electrolyte is not particularly limited, but is preferably about several mass% to 98 mass% from the viewpoint of ionic conductivity. In the present embodiment, the gel electrolyte having a large amount of electrolytic solution having a ratio of the electrolytic solution of 70% by mass or more is particularly effective.
なお、電解質層が液体電解質やゲル電解質や真性ポリマー電解質から構成される場合には、電解質層にセパレータを用いてもよい。セパレータ(不織布を含む)の具体的な形態としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンからなる微多孔膜や多孔質の平板、更には不織布が挙げられる。 In the case where the electrolyte layer is composed of a liquid electrolyte, a gel electrolyte, or an intrinsic polymer electrolyte, a separator may be used for the electrolyte layer. Specific examples of the separator (including non-woven fabric) include a microporous film made of polyolefin such as polyethylene and polypropylene, a porous flat plate, and a non-woven fabric.
真性ポリマー電解質は、上記のマトリックスポリマーに支持塩(リチウム塩)が溶解してなる構成を有し、可塑剤である有機溶媒を含まない。したがって、電解質層が真性ポリマー電解質から構成される場合には電池からの液漏れの心配がなく、電池の信頼性が向上しうる。 The intrinsic polymer electrolyte has a structure in which a supporting salt (lithium salt) is dissolved in the matrix polymer, and does not include an organic solvent that is a plasticizer. Therefore, when the electrolyte layer is composed of an intrinsic polymer electrolyte, there is no fear of liquid leakage from the battery, and the reliability of the battery can be improved.
ゲル電解質や真性ポリマー電解質のマトリックスポリマーは、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発現しうる。架橋構造を形成させるには、適当な重合開始剤を用いて、高分子電解質形成用の重合性ポリマー(例えば、PEOやPPO)に対して熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合等の重合処理を施せばよい。 The matrix polymer of the gel electrolyte or the intrinsic polymer electrolyte can exhibit excellent mechanical strength by forming a crosslinked structure. In order to form a crosslinked structure, thermal polymerization, ultraviolet polymerization, radiation polymerization, electron beam polymerization, etc. are performed on a polymerizable polymer (for example, PEO or PPO) for forming a polymer electrolyte using an appropriate polymerization initiator. A polymerization treatment may be performed.
<集電板およびリード>
電池外部に電流を取り出す目的で、集電板を用いてもよい。集電板は集電体やリードに電気的に接続され、電池外装材であるラミネートシートの外部に取り出される。
<Current collector plate and lead>
A current collecting plate may be used for the purpose of taking out the current outside the battery. The current collector plate is electrically connected to the current collector and the lead, and is taken out of the laminate sheet that is a battery exterior material.
集電板を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましく、より好ましくは軽量、耐食性、高導電性の観点からアルミニウム、銅などが好ましい。なお、正極集電板と負極集電板とでは、同一の材質が用いられてもよいし、異なる材質が用いられてもよい。 The material which comprises a current collector plate is not specifically limited, The well-known highly electroconductive material conventionally used as a current collector plate for lithium ion secondary batteries can be used. As a constituent material of the current collector plate, for example, metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferable, and aluminum is more preferable from the viewpoint of light weight, corrosion resistance, and high conductivity. Copper or the like is preferable. Note that the same material may be used for the positive electrode current collector plate and the negative electrode current collector plate, or different materials may be used.
正極端子リードおよび負極端子リードに関しても、必要に応じて使用する。正極端子リードおよび負極端子リードの材料は、公知のリチウムイオン二次電池で用いられる端子リードを用いることができる。なお、電池外装材29から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆するのが好ましい。 The positive terminal lead and the negative terminal lead are also used as necessary. As the material of the positive terminal lead and the negative terminal lead, a terminal lead used in a known lithium ion secondary battery can be used. It should be noted that the part taken out from the battery outer packaging material 29 has a heat insulating property so as not to affect the product (for example, automobile parts, particularly electronic devices) by contacting with peripheral devices or wiring and causing leakage. It is preferable to coat with a heat shrinkable tube or the like.
<電池外装材>
電池外装材29としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。
<Battery exterior material>
As the battery exterior material 29, a known metal can case can be used, and a bag-like case using a laminate film containing aluminum that can cover the power generation element can be used. For example, a laminate film having a three-layer structure in which PP, aluminum, and nylon are laminated in this order can be used as the laminate film, but the laminate film is not limited thereto. A laminate film is desirable from the viewpoint that it is excellent in high output and cooling performance, and can be suitably used for a battery for large equipment for EV and HEV.
なお、上記のリチウムイオン二次電池は、従来公知の製造方法により製造することができる。 In addition, said lithium ion secondary battery can be manufactured with a conventionally well-known manufacturing method.
<リチウムイオン二次電池の外観構成>
図2は、積層型の扁平なリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。
<Appearance structure of lithium ion secondary battery>
FIG. 2 is a perspective view showing the appearance of a stacked flat lithium ion secondary battery.
図2に示すように、積層型の扁平なリチウムイオン二次電池50では、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極集電板59、負極集電板58が引き出されている。発電要素57は、リチウムイオン二次電池50の電池外装材52によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素57は、正極集電板59および負極集電板58を外部に引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素57は、図1に示すリチウムイオン二次電池(積層型電池)10の発電要素21に相当するものである。発電要素57は、正極(正極活物質層)13、電解質層17および負極(負極活物質層)15で構成される単電池層(単セル)19が複数積層されたものである。 As shown in FIG. 2, the stacked flat lithium ion secondary battery 50 has a rectangular flat shape, and a positive current collector 59 for taking out power from both sides thereof, a negative current collector, and the like. The electric plate 58 is pulled out. The power generation element 57 is wrapped by the battery outer packaging material 52 of the lithium ion secondary battery 50 and the periphery thereof is heat-sealed. The power generation element 57 pulls out the positive electrode current collector plate 59 and the negative electrode current collector plate 58 to the outside. Sealed. Here, the power generation element 57 corresponds to the power generation element 21 of the lithium ion secondary battery (stacked battery) 10 shown in FIG. The power generation element 57 is formed by laminating a plurality of single battery layers (single cells) 19 including a positive electrode (positive electrode active material layer) 13, an electrolyte layer 17, and a negative electrode (negative electrode active material layer) 15.
なお、上記リチウムイオン二次電池は、積層型の扁平な形状のもの(ラミネートセル)に制限されるものではない。巻回型のリチウムイオン電池では、円筒型形状のもの(コインセル)や角柱型形状(角型セル)のもの、こうした円筒型形状のものを変形させて長方形状の扁平な形状にしたようなもの、更にシリンダー状セルであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型や角柱型の形状のものでは、その外装材に、ラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶(金属缶)を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。好ましくは、発電要素がアルミニウムラミネートフィルムで外装される。当該形態により、軽量化が達成されうる。 The lithium ion secondary battery is not limited to a laminated flat shape (laminate cell). In a wound type lithium ion battery, a cylindrical shape (coin cell), a prismatic shape (square cell), or such a cylindrical shape deformed into a rectangular flat shape Further, it may be a cylindrical cell, and is not particularly limited. The cylindrical or prismatic shape is not particularly limited, for example, a laminate film or a conventional cylindrical can (metal can) may be used as the exterior material. Preferably, the power generation element is covered with an aluminum laminate film. With this configuration, weight reduction can be achieved.
また、図2に示す正極集電板59、負極集電板58の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。正極集電板59と負極集電板58とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極集電板59と負極集電板58をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出すようにしてもよいなど、図2に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウムイオン電池では、集電板に変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。 Further, the removal of the positive electrode current collector plate 59 and the negative electrode current collector plate 58 shown in FIG. 2 is not particularly limited. The positive electrode current collector plate 59 and the negative electrode current collector plate 58 may be drawn out from the same side, or the positive electrode current collector plate 59 and the negative electrode current collector plate 58 may be divided into a plurality of parts and taken out from each side. It is not limited to the one shown in FIG. Further, in a wound type lithium ion battery, instead of the current collector plate, for example, a terminal may be formed using a cylindrical can (metal can).
上記したように、本実施形態のリチウムイオン二次電池用の負極ならびにリチウムイオン二次電池は、電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの大容量電源として、好適に利用することができる。即ち、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。 As described above, the negative electrode for lithium ion secondary batteries and the lithium ion secondary battery of this embodiment are suitably used as a large-capacity power source for electric vehicles, hybrid electric vehicles, fuel cell vehicles, hybrid fuel cell vehicles, and the like. can do. That is, it can be suitably used for a vehicle driving power source and an auxiliary power source that require high volume energy density and high volume output density.
なお、上記実施形態では、電気デバイスとして、リチウムイオン電池を例示したが、これに制限されるわけではなく、他のタイプの二次電池、さらには一次電池にも適用できる。また、電池だけではなくキャパシタにも適用できる。 In the above embodiment, the lithium ion battery is exemplified as the electric device. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to other types of secondary batteries and further to primary batteries. Moreover, it can be applied not only to batteries but also to capacitors.
本発明を、以下の実施例を用いてさらに詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。 The invention is explained in more detail using the following examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.
はじめに、参考例として、本発明に係る電気デバイス用負極活物質を構成する上記化学式(1)で表されるケイ素含有合金についての性能評価を行った。 First, as a reference example, performance evaluation was performed on the silicon-containing alloy represented by the above chemical formula (1) constituting the negative electrode active material for an electric device according to the present invention.
(参考例1)
[ケイ素含有合金の製造]
ケイ素含有合金(Si80Sn10Ti10)(単位は質量%、以下同じ)を、メカニカルアロイ法により製造した。具体的には、ドイツ フリッチュ社製遊星ボールミル装置P−6を用いて、ジルコニア製粉砕ポットにジルコニア製粉砕ボールおよび合金の原料粉末を投入し、600rpm、24時間かけて合金化させ(合金化処理)、その後400rpmで1時間、粉砕処理を実施した。なお、得られたケイ素含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径は0.3μmであった。
(Reference Example 1)
[Manufacture of silicon-containing alloys]
A silicon-containing alloy (Si 80 Sn 10 Ti 10 ) (unit: mass%, the same applies hereinafter) was produced by a mechanical alloy method. Specifically, using a planetary ball mill device P-6 manufactured by Fricht, Germany, zirconia pulverized balls and alloy raw material powders were charged into a zirconia pulverized pot and alloyed at 600 rpm for 24 hours (alloying treatment). ), And then pulverization was performed at 400 rpm for 1 hour. In addition, the average particle diameter of the obtained silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder was 0.3 μm.
[負極の作製]
負極活物質である上記で製造したケイ素含有合金(Si80Sn10Ti10)80質量部と、導電助剤であるアセチレンブラック 5質量部と、バインダであるポリアミドイミド 15質量部と、を混合し、N−メチルピロリドンに分散させて負極スラリーを得た。次いで、得られた負極スラリーを、銅箔よりなる負極集電体の両面にそれぞれ負極活物質層の厚さが30μmとなるように均一に塗布し、真空中で24時間乾燥させて、負極を得た。
[Production of negative electrode]
80 parts by mass of the silicon-containing alloy (Si 80 Sn 10 Ti 10 ) produced above as a negative electrode active material, 5 parts by mass of acetylene black as a conductive additive, and 15 parts by mass of polyamideimide as a binder are mixed. A negative electrode slurry was obtained by dispersing in N-methylpyrrolidone. Next, the obtained negative electrode slurry was uniformly applied to both surfaces of a negative electrode current collector made of copper foil so that the thickness of the negative electrode active material layer was 30 μm, and dried in a vacuum for 24 hours. Obtained.
[リチウムイオン二次電池(コインセル)の作製]
上記で作製した負極と対極Liとを対向させ、この間にセパレータ(ポリオレフィン、膜厚20μm)を配置した。次いで、負極、セパレータ、および対極Liの積層体をコインセル(CR2032、材質:ステンレス鋼(SUS316))の底部側に配置した。さらに、正極と負極との間の絶縁性を保つためガスケットを装着し、下記電解液をシリンジにより注入し、スプリングおよびスペーサを積層し、コインセルの上部側を重ねあわせ、かしめることにより密閉して、リチウムイオン二次電池を得た。
[Production of lithium ion secondary battery (coin cell)]
The negative electrode produced above and the counter electrode Li were opposed to each other, and a separator (polyolefin, film thickness 20 μm) was disposed therebetween. Next, a laminate of a negative electrode, a separator, and a counter electrode Li was disposed on the bottom side of a coin cell (CR2032, material: stainless steel (SUS316)). Furthermore, in order to maintain the insulation between the positive electrode and the negative electrode, a gasket is attached, the following electrolyte is injected with a syringe, the spring and spacer are stacked, the upper side of the coin cell is overlapped and sealed by caulking. A lithium ion secondary battery was obtained.
なお、上記電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とをEC:DEC=1:2(体積比)の割合で混合した有機溶媒に、リチウム塩である六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1mol/Lの濃度で溶解させたものを用いた。 In addition, as said electrolyte solution, hexafluorophosphoric acid which is lithium salt in the organic solvent which mixed ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) in the ratio of EC: DEC = 1: 2 (volume ratio). lithium (LiPF 6) was used dissolved at a concentration of 1 mol / L.
(参考例2)
ケイ素含有合金の組成をSi70Sn15Ti15へと変更したこと以外は、上述した参考例1と同様の手法により、負極活物質、負極およびリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。なお、得られたケイ素含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径は0.3μmであった。
(Reference Example 2)
A negative electrode active material, a negative electrode, and a lithium ion secondary battery (coin cell) were produced in the same manner as in Reference Example 1 described above except that the composition of the silicon-containing alloy was changed to Si 70 Sn 15 Ti 15 . In addition, the average particle diameter of the obtained silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder was 0.3 μm.
(参考例3)
ケイ素含有合金の組成をSi59Sn22Ti19へと変更し、ケイ素含有合金を作製する際の合金化処理の時間を25時間へと変更したこと以外は、上述した参考例1と同様の手法により、負極活物質、負極およびリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。なお、得られたケイ素含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径は0.3μmであった。
(Reference Example 3)
The same method as in Reference Example 1 described above, except that the composition of the silicon-containing alloy was changed to Si 59 Sn 22 Ti 19 and the time for the alloying treatment in producing the silicon-containing alloy was changed to 25 hours. Thus, a negative electrode active material, a negative electrode, and a lithium ion secondary battery (coin cell) were produced. In addition, the average particle diameter of the obtained silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder was 0.3 μm.
(参考例4)
ケイ素含有合金を作製する際の合金化処理の時間を50時間へと変更したこと以外は、上述した参考例3と同様の手法により、負極活物質、負極およびリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。なお、得られたケイ素含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径は0.3μmであった。
(Reference Example 4)
A negative electrode active material, a negative electrode, and a lithium ion secondary battery (coin cell) were prepared in the same manner as in Reference Example 3 described above, except that the alloying treatment time for producing the silicon-containing alloy was changed to 50 hours. Produced. In addition, the average particle diameter of the obtained silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder was 0.3 μm.
(比較参考例1)
ケイ素含有合金の組成をSi90Ti10へと変更したこと以外は、上述した参考例1と同様の手法により、負極活物質、負極およびリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。なお、得られたケイ素含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径は0.3μmであった。
(Comparative Reference Example 1)
A negative electrode active material, a negative electrode, and a lithium ion secondary battery (coin cell) were produced in the same manner as in Reference Example 1 described above except that the composition of the silicon-containing alloy was changed to Si 90 Ti 10 . In addition, the average particle diameter of the obtained silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder was 0.3 μm.
[負極活物質の組織構造の分析]
参考例1〜4および比較参考例1のそれぞれにおいて作製した負極活物質(ケイ素含有合金)の組織構造を電子回折法により分析した結果、参考例1〜4および比較参考例1のいずれについてもシリサイド相(TiSi2)の結晶性を示す回折スポットおよびハローパターンが観察され、母相であるアモルファスSi相中に結晶性のシリサイド相が分散した組織構造を有することが確認された。
[Analysis of the structure of the anode active material]
As a result of analyzing the structure of the negative electrode active material (silicon-containing alloy) produced in each of Reference Examples 1 to 4 and Comparative Reference Example 1 by electron diffraction, both of Reference Examples 1 to 4 and Comparative Reference Example 1 were silicided. A diffraction spot and a halo pattern showing the crystallinity of the phase (TiSi 2 ) were observed, and it was confirmed that the amorphous Si phase as a parent phase had a textured structure in which a crystalline silicide phase was dispersed.
また、参考例1〜4および比較参考例1のそれぞれにおいて作製した負極活物質(ケイ素含有合金)の結晶構造をX線回折測定法により分析した。X線回折測定法に用いた装置および条件は以下の通りである。 Moreover, the crystal structure of the negative electrode active material (silicon-containing alloy) produced in each of Reference Examples 1 to 4 and Comparative Reference Example 1 was analyzed by an X-ray diffraction measurement method. The apparatus and conditions used for the X-ray diffraction measurement method are as follows.
装置名:リガク社製、X線回折装置(SmartLab9kW)
電圧・電流:45kV・200mA
X線波長:CuKα1
ここで、参考例1〜4および比較参考例1のそれぞれの負極活物質(ケイ素含有合金)について取得されたX線回折スペクトルを図3A〜図3Eに示す。また、これらのX線回折スペクトルから得られる2θ=24〜33°の範囲におけるSiの(111)面の回折ピーク強度Aの値、および2θ=37〜45°の範囲におけるTiSi2の回折ピーク強度Bの値、並びにこれらの比の値(B/A)を下記の表1に示す。なお、このX線回折分析により、ケイ素含有合金に含まれるTiはすべてシリサイド(TiSi2)相として存在していることも確認された。
Device name: X-ray diffractometer (SmartLab9kW) manufactured by Rigaku Corporation
Voltage / Current: 45kV / 200mA
X-ray wavelength: CuKα1
Here, the X-ray diffraction spectra acquired for the negative electrode active materials (silicon-containing alloys) of Reference Examples 1 to 4 and Comparative Reference Example 1 are shown in FIGS. 3A to 3E. Further, the value of diffraction peak intensity A of (111) plane of Si in the range of 2θ = 24 to 33 ° obtained from these X-ray diffraction spectra and the diffraction peak intensity of TiSi 2 in the range of 2θ = 37 to 45 ° The value of B and the value of these ratios (B / A) are shown in Table 1 below. This X-ray diffraction analysis also confirmed that all Ti contained in the silicon-containing alloy was present as a silicide (TiSi 2 ) phase.
[サイクル耐久性の評価]
上記で作製した各リチウムイオン二次電池(コインセル)について以下の充放電試験条件に従ってサイクル耐久性評価を行った。
[Evaluation of cycle durability]
Each of the lithium ion secondary batteries (coin cells) produced above was evaluated for cycle durability according to the following charge / discharge test conditions.
(充放電試験条件)
1)充放電試験機:HJ0501SM8A(北斗電工株式会社製)
2)充放電条件[充電過程]0.3C、2V→10mV(定電流・定電圧モード)
[放電過程]0.3C、10mV→2V(定電流モード)
3)恒温槽:PFU−3K(エスペック株式会社製)
4)評価温度:300K(27℃)。
(Charge / discharge test conditions)
1) Charge / discharge tester: HJ0501SM8A (Hokuto Denko Co., Ltd.)
2) Charging / discharging conditions [charging process] 0.3C, 2V → 10mV (constant current / constant voltage mode)
[Discharge process] 0.3C, 10mV → 2V (constant current mode)
3) Thermostatic bath: PFU-3K (Espec Corp.)
4) Evaluation temperature: 300K (27 ° C.).
評価用セルは、充放電試験機を使用して、上記評価温度に設定された恒温槽中にて、充電過程(評価用電極へのLi挿入過程を言う)では、定電流・定電圧モードとし、0.1mAにて2Vから10mVまで充電した。その後、放電過程(評価用電極からのLi脱離過程を言う)では、定電流モードとし、0.3C、10mVから2Vまで放電した。以上の充放電サイクルを1サイクルとして、同じ充放電条件にて、初期サイクル(1サイクル)〜50サイクルまで充放電試験を行った。そして、1サイクル目の放電容量に対する50サイクル目の放電容量の割合(放電容量維持率[%])を求めた結果を、下記の表1に示す。 The evaluation cell is in a constant current / constant voltage mode in the charging process (referring to the Li insertion process to the evaluation electrode) in a thermostat set to the above evaluation temperature using a charge / discharge tester. The battery was charged from 2 V to 10 mV at 0.1 mA. Thereafter, in the discharge process (referring to the Li desorption process from the electrode for evaluation), a constant current mode was set and discharge was performed from 0.3 C, 10 mV to 2 V. The charge / discharge test was conducted from the initial cycle (1 cycle) to 50 cycles under the same charge / discharge conditions with the above charge / discharge cycle as one cycle. The results of determining the ratio of the discharge capacity at the 50th cycle to the discharge capacity at the first cycle (discharge capacity retention rate [%]) are shown in Table 1 below.
上記表1に示す結果から、本発明に係る負極活物質を用いたリチウムイオン電池は、50サイクル後の放電容量維持率が高い値に維持されており、サイクル耐久性に優れるものであることがわかる。 From the results shown in Table 1, the lithium ion battery using the negative electrode active material according to the present invention is maintained at a high discharge capacity retention rate after 50 cycles, and has excellent cycle durability. Recognize.
(実施例1)
[ケイ素含有合金の製造]
ケイ素含有合金(Si59Sn22Ti19)(単位は質量%、以下同じ)を、メカニカルアロイ法により製造した。具体的には、ドイツ フリッチュ社製遊星ボールミル装置P−6を用いて、ジルコニア製粉砕ポットにジルコニア製粉砕ボールおよび合金の原料粉末を投入し、600rpm、12.5時間かけて合金化させ(合金化処理)、その後400rpmで1時間、粉砕処理を実施した。なお、得られたケイ素含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径は0.3μmであった。
Example 1
[Manufacture of silicon-containing alloys]
A silicon-containing alloy (Si 59 Sn 22 Ti 19 ) (unit: mass%, hereinafter the same) was produced by a mechanical alloy method. Specifically, using a planetary ball mill device P-6 manufactured by Fricht, Germany, zirconia pulverized balls and raw material powder of an alloy are put into a zirconia pulverizing pot and alloyed at 600 rpm for 12.5 hours (alloy) ), And then pulverization was performed at 400 rpm for 1 hour. In addition, the average particle diameter of the obtained silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder was 0.3 μm.
[負極の作製]
負極活物質である上記で製造したケイ素含有合金(Si59Sn22Ti19)80質量部と、球状導電助剤であるアセチレンブラック(Super−P、粒子径40nm、アスペクト比1) 3.75質量部と繊維状導電助材であるカーボンナノチューブ(昭和電工社製VGCF:繊維径150nm、長さ10μm、アスペクト比67)1.25質量部とを追加した。この際、球状導電助剤と繊維状導電助剤との総量に対する球状導電助剤の含有量((球状導電助剤の質量/(球状導電助剤の質量+繊維状導電助材の質量))×100)は75質量%であった。次いで、バインダであるポリイミド 15質量部を混合し、N−メチルピロリドンに分散させて負極スラリーを得た。負極スラリーは脱泡混練機(Thinky AR−100)を用いて作製した。次いで、得られた負極スラリーを、銅箔よりなる負極集電体の両面にそれぞれ負極活物質層の厚さが27μmとなるように均一に塗布し、真空中300℃で1時間乾燥させて、負極を得た。
[Production of negative electrode]
80 parts by mass of the silicon-containing alloy (Si 59 Sn 22 Ti 19 ) produced above as a negative electrode active material and acetylene black (Super-P, particle diameter 40 nm, aspect ratio 1) as a spherical conductive auxiliary 3.75 masses Parts and carbon nanotubes (VGCF manufactured by Showa Denko KK: fiber diameter 150 nm, length 10 μm, aspect ratio 67) 1.25 parts by mass were added. At this time, the content of the spherical conductive additive relative to the total amount of the spherical conductive additive and the fibrous conductive additive ((mass of spherical conductive additive / (mass of spherical conductive additive + mass of fibrous conductive additive)) × 100) was 75% by mass. Next, 15 parts by mass of a polyimide as a binder was mixed and dispersed in N-methylpyrrolidone to obtain a negative electrode slurry. The negative electrode slurry was prepared using a defoaming kneader (Thinky AR-100). Next, the obtained negative electrode slurry was uniformly applied to both surfaces of the negative electrode current collector made of copper foil so that the thickness of the negative electrode active material layer was 27 μm, and dried in vacuum at 300 ° C. for 1 hour, A negative electrode was obtained.
[リチウムイオン二次電池(コインセル)の作製]
上記で作製した負極と対極Liとを対向させ、この間にセパレータ(ポリオレフィン、膜厚20μm)を配置した。次いで、負極、セパレータ、および対極Liの積層体をコインセル(CR2032、材質:ステンレス鋼(SUS316))の底部側に配置した。さらに、正極と負極との間の絶縁性を保つためガスケットを装着し、下記電解液をシリンジにより注入し、スプリングおよびスペーサを積層し、コインセルの上部側を重ねあわせ、かしめることにより密閉して、リチウムイオン二次電池を得た。
[Production of lithium ion secondary battery (coin cell)]
The negative electrode produced above and the counter electrode Li were opposed to each other, and a separator (polyolefin, film thickness 20 μm) was disposed therebetween. Next, a laminate of a negative electrode, a separator, and a counter electrode Li was disposed on the bottom side of a coin cell (CR2032, material: stainless steel (SUS316)). Furthermore, in order to maintain the insulation between the positive electrode and the negative electrode, a gasket is attached, the following electrolyte is injected with a syringe, the spring and spacer are stacked, the upper side of the coin cell is overlapped and sealed by caulking. A lithium ion secondary battery was obtained.
なお、上記電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とをEC:DEC=1:1(体積比)の割合で混合した有機溶媒に、リチウム塩である六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1mol/Lの濃度で溶解させたものを用いた。 In addition, as said electrolyte solution, hexafluorophosphoric acid which is lithium salt in the organic solvent which mixed ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) in the ratio of EC: DEC = 1: 1 (volume ratio). lithium (LiPF 6) was used dissolved at a concentration of 1 mol / L.
(実施例2)
負極の作製において、球状導電助剤であるアセチレンブラックの添加量を2.5質量部に、繊維状導電助材であるカーボンナノチューブの添加量を2.5質量部に変更したこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、負極およびリチウムイオン二次電池を作製した。この際、球状導電助剤と繊維状導電助剤との総量に対する球状導電助剤の含有量は50質量%であった。
(Example 2)
In the preparation of the negative electrode, except that the addition amount of acetylene black, which is a spherical conductive additive, is changed to 2.5 parts by mass, and the addition amount of carbon nanotube, which is a fibrous conductive additive, is changed to 2.5 parts by mass. A negative electrode and a lithium ion secondary battery were produced in the same manner as in Example 1. Under the present circumstances, content of the spherical conductive support agent with respect to the total amount of a spherical conductive support agent and a fibrous conductive support agent was 50 mass%.
(実施例3)
負極の作製において、球状導電助剤であるアセチレンブラックの添加量を1.25質量部に、繊維状導電助材であるカーボンナノチューブの添加量を3.75質量部に変更したこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、負極およびリチウムイオン二次電池を作製した。この際、球状導電助剤と繊維状導電助剤との総量に対する球状導電助剤の含有量は25質量%であった。
(Example 3)
In the preparation of the negative electrode, except that the addition amount of acetylene black, which is a spherical conductive additive, was changed to 1.25 parts by mass, and the addition amount of carbon nanotube, which is a fibrous conductive additive, was changed to 3.75 parts by mass. A negative electrode and a lithium ion secondary battery were produced in the same manner as in Example 1. Under the present circumstances, content of the spherical conductive support agent with respect to the total amount of a spherical conductive support agent and a fibrous conductive support agent was 25 mass%.
(比較例1)
負極の作製において、導電助剤として、球状導電助剤であるアセチレンブラックを5質量部用いた(球状導電助剤と繊維状導電助剤との総量に対する球状導電助剤の含有量が100質量%)こと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、負極およびリチウムイオン二次電池を作製した。
(Comparative Example 1)
In the production of the negative electrode, 5 parts by mass of acetylene black, which is a spherical conductive aid, was used as the conductive aid (the content of the spherical conductive aid is 100% by mass with respect to the total amount of the spherical conductive aid and the fibrous conductive aid). ) A negative electrode and a lithium ion secondary battery were produced in the same manner as in Example 1 described above.
[負極活物質の組織構造の分析]
実施例1において作製した負極活物質(ケイ素含有合金)の組織構造を電子回折法により分析した結果、シリサイド相(TiSi2)の結晶性を示す回折スポットおよびハローパターンが観察され、母相であるアモルファスSi相中に結晶性のシリサイド相が分散した組織構造を有することが確認された。
[Analysis of the structure of the anode active material]
As a result of analyzing the structure of the negative electrode active material (silicon-containing alloy) produced in Example 1 by an electron diffraction method, a diffraction spot and a halo pattern indicating the crystallinity of the silicide phase (TiSi 2 ) were observed, which is the parent phase. It was confirmed that the amorphous Si phase has a structure in which crystalline silicide phases are dispersed.
また、実施例1において作製した負極活物質(ケイ素含有合金)の結晶構造をX線回折測定法により分析した。X線回折測定法に用いた装置および条件は以下の通りである。 Further, the crystal structure of the negative electrode active material (silicon-containing alloy) produced in Example 1 was analyzed by an X-ray diffraction measurement method. The apparatus and conditions used for the X-ray diffraction measurement method are as follows.
装置名:リガク社製、X線回折装置(SmartLab9kW)
電圧・電流:45kV・200mA
X線波長:CuKα1
ここで、実施例1の負極活物質(ケイ素含有合金)について取得されたX線回折スペクトルから得られる2θ=24〜33°の範囲におけるSiの(111)面の回折ピーク強度Aの値、および2θ=37〜45°の範囲におけるTiSi2の回折ピーク強度Bの値、並びにこれらの比の値(B/A)を下記の表2に示す。なお、このX線回折分析により、ケイ素含有合金に含まれるTiはすべてシリサイド(TiSi2)相として存在していることも確認された。
Device name: X-ray diffractometer (SmartLab9kW) manufactured by Rigaku Corporation
Voltage / Current: 45kV / 200mA
X-ray wavelength: CuKα1
Here, the value of the diffraction peak intensity A on the (111) plane of Si in the range of 2θ = 24 to 33 ° obtained from the X-ray diffraction spectrum obtained for the negative electrode active material (silicon-containing alloy) of Example 1, and Table 2 below shows the value of the diffraction peak intensity B of TiSi 2 in the range of 2θ = 37 to 45 °, and the value of these ratios (B / A). This X-ray diffraction analysis also confirmed that all Ti contained in the silicon-containing alloy was present as a silicide (TiSi 2 ) phase.
[導電助剤のアスペクト比]
導電助剤のアスペクト比は、走査型電子顕微鏡(SEM)像観察を行い、10視野程度撮影し、観察される粒子の長さおよび直径の平均値、中央値、標準偏差、標本数を求めることで計測した。
[Aspect ratio of conductive additive]
The aspect ratio of the conductive additive is obtained by observing a scanning electron microscope (SEM) image, photographing about 10 fields of view, and calculating the average value, median value, standard deviation, and sample number of the observed particle length and diameter. Measured with.
[サイクル耐久性の評価]
上記で作製した各リチウムイオン二次電池について以下の充放電試験条件に従ってサイクル耐久性評価を行った。
[Evaluation of cycle durability]
Each lithium ion secondary battery produced above was evaluated for cycle durability according to the following charge / discharge test conditions.
(充放電試験条件)
1)充放電試験機:HJ0501SM8A(北斗電工株式会社製)
2)充放電条件[充電過程]0.3C、2V→10mV(定電流・定電圧モード)
[放電過程]0.3C、10mV→2V(定電流モード)
3)恒温槽:PFU−3K(エスペック株式会社製)
4)評価温度:300K(27℃)。
(Charge / discharge test conditions)
1) Charge / discharge tester: HJ0501SM8A (Hokuto Denko Co., Ltd.)
2) Charging / discharging conditions [charging process] 0.3C, 2V → 10mV (constant current / constant voltage mode)
[Discharge process] 0.3C, 10mV → 2V (constant current mode)
3) Thermostatic bath: PFU-3K (Espec Corp.)
4) Evaluation temperature: 300K (27 ° C.).
評価用セルは、充放電試験機を使用して、上記評価温度に設定された恒温槽中にて、充電過程(評価用電極へのLi挿入過程をいう)では、定電流・定電圧モードとし、0.1mAにて2Vから10mVまで充電した。その後、放電過程(評価用電極からのLi脱離過程をいう)では、定電流モードとし、0.3C、10mVから2Vまで放電した。以上の充放電サイクルを1サイクルとして、同じ充放電条件にて、初期サイクル(1サイクル)〜50サイクルまで充放電試験を行った。そして、1サイクル目の放電容量に対する50サイクル目の放電容量の割合(放電容量維持率[%])を求めた結果を、初回充電容量、初回放電容量、初回充放電効率とともに、下記の表3に示す。また、図4に、球状導電助剤と繊維状導電助剤との総量に対する球状導電助剤の含有量と放電容量維持率との関係を示す。 The evaluation cell is set to the constant current / constant voltage mode in the charging process (referring to the Li insertion process to the evaluation electrode) in the thermostat set to the above evaluation temperature using a charge / discharge tester. The battery was charged from 2 V to 10 mV at 0.1 mA. Thereafter, in a discharge process (referring to a Li desorption process from the electrode for evaluation), a constant current mode was set and discharge was performed from 0.3 C, 10 mV to 2 V. The charge / discharge test was conducted from the initial cycle (1 cycle) to 50 cycles under the same charge / discharge conditions with the above charge / discharge cycle as one cycle. Then, the ratio of the discharge capacity at the 50th cycle to the discharge capacity at the first cycle (discharge capacity retention rate [%]) was determined, together with the initial charge capacity, initial discharge capacity, and initial charge / discharge efficiency, as shown in Table 3 below. Shown in Moreover, in FIG. 4, the relationship between content of the spherical conductive support agent with respect to the total amount of a spherical conductive support agent and a fibrous conductive support agent and a discharge capacity maintenance factor is shown.
上記表2、3、図4に示す結果から、本発明に係る負極を用いたリチウムイオン電池は、50サイクル後の放電容量維持率が高い値に維持されており、サイクル耐久性に優れるものであることがわかる。 From the results shown in Tables 2 and 3 and FIG. 4, the lithium ion battery using the negative electrode according to the present invention is maintained at a high discharge capacity maintenance rate after 50 cycles and has excellent cycle durability. I know that there is.
10、50 リチウムイオン二次電池(積層型電池)、
11 負極集電体、
12 正極集電体、
13 負極活物質層、
15 正極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21、57 発電要素、
25、58 負極集電板、
27、59 正極集電板、
29、52 電池外装材(ラミネートフィルム)。
10, 50 Lithium ion secondary battery (stacked battery),
11 negative electrode current collector,
12 positive electrode current collector,
13 negative electrode active material layer,
15 positive electrode active material layer,
17 electrolyte layer,
19 cell layer,
21, 57 power generation element,
25, 58 negative electrode current collector plate,
27, 59 positive current collector,
29, 52 Battery exterior material (laminate film).
Claims (10)
前記負極活物質が、非晶質または低結晶性のケイ素を主成分とする母相中に、チタンのケイ化物を含むシリサイド相が分散されてなる構造を有し、下記化学式(1):
Aは、不可避不純物であり、
Mは、チタン(Ti)であり、
x、y、z、およびaは、質量%の値を表し、この際、0≦a<0.5であり、x+y+z+a=100であり、下記数式(1)または(2)を満たす。)
前記ケイ素含有合金のCuKα1線を用いたX線回折測定において、2θ=24〜33°の範囲におけるSiの(111)面の回折ピーク強度Aに対する、2θ=37〜45°の範囲におけるチタンのケイ化物の回折ピーク強度Bの比の値(B/A)が0.41以上であり、
前記導電助剤が、アスペクト比が10未満の球状導電助剤と、アスペクト比が10〜1000の繊維状導電助剤と、を含む、電気デバイス用負極。 A negative electrode for an electrical device comprising: a current collector; and a negative electrode active material layer including a negative electrode active material, a conductive additive, and a binder disposed on a surface of the current collector,
The negative electrode active material has a structure in which a silicide phase containing a silicide of titanium is dispersed in a parent phase mainly composed of amorphous or low crystalline silicon, and has the following chemical formula (1):
A is an inevitable impurity,
M is titanium (Ti) ,
x, y, z, and a represent mass% values, where 0 ≦ a <0.5, x + y + z + a = 100, and satisfies the following formula (1) or (2). )
In the X-ray diffraction measurement using CuKα1 line of the silicon-containing alloy, the silicon silicide of titanium in the range of 2θ = 37 to 45 ° with respect to the diffraction peak intensity A of the (111) plane of Si in the range of 2θ = 24 to 33 °. The value of the ratio of the diffraction peak intensity B of the compound (B / A) is 0.41 or more,
The negative electrode for electric devices in which the said conductive support agent contains the spherical conductive support agent whose aspect-ratio is less than 10, and the fibrous conductive support agent whose aspect-ratio is 10-1000.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014255655A JP6459479B2 (en) | 2014-12-17 | 2014-12-17 | Negative electrode for electric device and electric device using the same |
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