JP2007165079A - Negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery and nonaqueous electrolyte secondary battery using it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は非水電解質二次電池用負極に関し、より詳しくはリチウムイオンを高密度に吸蔵放出する含ケイ素粒子を活物質として用いる負極の充放電サイクル特性を改善する技術に関する。 The present invention relates to a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, and more particularly to a technique for improving charge / discharge cycle characteristics of a negative electrode using silicon-containing particles that store and release lithium ions at high density as an active material.
電子機器のポータブル化、コードレス化が進むにつれて、小型・軽量で、かつ高エネルギー密度を有する非水電解質二次電池への期待は高まりつつある。現在、黒鉛などの炭素材料が非水電解質二次電池の負極活物質として実用化されている。しかしながらその理論容量密度は372mAh/gである。そこで、さらに非水電解質二次電池を高エネルギー密度化するために、リチウムと合金化するケイ素(Si)、スズ(Sn)、ゲルマニウム(Ge)やこれらの酸化物および合金などが検討されている。これらの負極活物質材料の理論容量密度は、炭素材料に比べて大きい。特にSi粒子や酸化ケイ素粒子などの含ケイ素粒子は安価なため、幅広く検討されている。 As electronic devices become more portable and cordless, expectations for non-aqueous electrolyte secondary batteries that are small and lightweight and have high energy density are increasing. Currently, carbon materials such as graphite are put into practical use as negative electrode active materials for non-aqueous electrolyte secondary batteries. However, its theoretical capacity density is 372 mAh / g. Therefore, silicon (Si), tin (Sn), germanium (Ge), and oxides and alloys thereof, which are alloyed with lithium, are being studied in order to further increase the energy density of nonaqueous electrolyte secondary batteries. . The theoretical capacity density of these negative electrode active material materials is larger than that of carbon materials. In particular, silicon-containing particles such as Si particles and silicon oxide particles are widely studied because they are inexpensive.
しかしながら、これらの材料を負極活物質に用いて充放電サイクルを繰り返すと、充放電に伴う活物質粒子の体積変化が起こる。この体積変化により活物質粒子は微紛化し、その結果、活物質粒子間の導電性が低下する。そのため、十分な充放電サイクル特性(以下、「サイクル特性」という)が得られない。 However, when these materials are used as the negative electrode active material and the charge / discharge cycle is repeated, the volume of the active material particles changes due to charge / discharge. This volume change makes the active material particles fine, and as a result, the conductivity between the active material particles decreases. Therefore, sufficient charge / discharge cycle characteristics (hereinafter referred to as “cycle characteristics”) cannot be obtained.
そこでリチウム合金を形成しうる金属または半金属を含む活物質粒子を核に、複数の炭素繊維を結合させて複合粒子化させることが提案されている。この構成では、活物質粒子の体積変化が起こっても導電性が確保され、サイクル特性が維持できることが報告されている(例えば、特許文献1)。
しかしながら、含ケイ素粒子からなる核と、その表面に先端が付着された複数の炭素繊維とを備えた複合負極活物質粒子だけで負極合剤層を構成すると、長期にわたる充放電において含ケイ素粒子の著しい膨張収縮のために炭素繊維が外れ、あるいは炭素繊維が切断される。また充電時の含ケイ素粒子の膨張が大きいために、放電しても負極合剤層がもとの形状に戻りにくい。その結果、負極合剤層が不可逆的に変形して膨張する。これらのような現象により、負極合剤層内の導電性が低下して負極全体のインピーダンスが増大する。すなわち、長期にわたり充放電が繰り返されると、電極としての機能を持続させることができなくなり、放電容量をはじめとする電池特性が低下する。 However, when the negative electrode mixture layer is composed only of composite negative electrode active material particles each having a core made of silicon-containing particles and a plurality of carbon fibers having tips attached to the surface thereof, the silicon-containing particles can be charged and discharged over a long period of time. The carbon fiber comes off or the carbon fiber is cut due to significant expansion and contraction. Moreover, since the expansion of the silicon-containing particles during charging is large, the negative electrode mixture layer is unlikely to return to its original shape even when discharged. As a result, the negative electrode mixture layer irreversibly deforms and expands. Due to such a phenomenon, the conductivity in the negative electrode mixture layer is lowered and the impedance of the whole negative electrode is increased. That is, if charging / discharging is repeated over a long period of time, the function as an electrode cannot be maintained, and battery characteristics including discharge capacity are deteriorated.
この現象はコイン型電池より長尺の薄型極板を捲回して構成する円筒型や角型の電池の場合に、より顕著である。すなわち、コイン型電池では負極の変形方向が厚み方向主体であるのに比べて、捲回型の電池では負極の平面の任意の方向で変形が生じ、任意の場所にしわや剥離が生じる。そのため、局所的に集電不良が発生する。結果として充放電サイクルに伴う電池特性の低下が著しい。 This phenomenon is more conspicuous in the case of a cylindrical or rectangular battery that is formed by winding a thin electrode plate that is longer than a coin-type battery. That is, in the coin type battery, the deformation direction of the negative electrode is mainly in the thickness direction, whereas in the wound type battery, the deformation occurs in an arbitrary direction of the negative electrode plane, and wrinkles or peeling occurs in an arbitrary place. Therefore, current collection failure locally occurs. As a result, the deterioration of the battery characteristics accompanying the charge / discharge cycle is remarkable.
本発明は含ケイ素粒子に炭素繊維であるカーボンナノファイバ(CNF)を付与した複合負極活物質を用いるとともに、この複合負極活物質の特徴を活用して、サイクル特性に優れた構造を構築し、長期にわたり負極全体のインピーダンス増大を抑制して、優れたサイクル特性を有する非水電解質二次電池用負極およびこれを用いた非水電解質二次電池を提供することを目的とする。 The present invention uses a composite negative electrode active material in which carbon nanofibers (CNF), which are carbon fibers, are added to silicon-containing particles, and utilizes the characteristics of this composite negative electrode active material to construct a structure with excellent cycle characteristics, An object of the present invention is to provide a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery having excellent cycle characteristics by suppressing an increase in impedance of the entire negative electrode over a long period of time and a non-aqueous electrolyte secondary battery using the same.
上記の課題を解決するために本発明の非水電解質二次電池用負極は、少なくともリチウムイオン吸蔵放出が可能な含ケイ素粒子と、含ケイ素粒子の表面に付着(固着)されたカーボンナノファイバ(CNF)とからなる複合負極活物質と、導電性を有する膨張収縮緩衝材とを含む合剤層を有する。この構成では導電性に乏しい含ケイ素粒子間にCNFと膨張収縮緩衝材とを介して電子的結合のネットワークが形成されている。そして充電時には膨張収縮緩衝材が変形することにより含ケイ素粒子の膨張による合剤層の膨張を緩和する。また放電時には含ケイ素粒子が収縮するが、CNFに絡まっている膨張収縮緩衝材が引っ張られて広がるので、放電時の導電性低下も抑制される。 In order to solve the above problems, the negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention comprises at least silicon-containing particles capable of occluding and releasing lithium ions, and carbon nanofibers attached (fixed) to the surfaces of the silicon-containing particles ( And a composite negative electrode active material composed of CNF) and an expansion / contraction buffer material having conductivity. In this configuration, a network of electronic bonds is formed between the silicon-containing particles having poor conductivity via CNF and the expansion / contraction buffer material. In addition, the expansion and contraction buffer material is deformed during charging, thereby relaxing expansion of the mixture layer due to expansion of the silicon-containing particles. In addition, the silicon-containing particles contract during discharge, but the expansion / contraction buffer material entangled with CNF is pulled and spreads, so that a decrease in conductivity during discharge is also suppressed.
本発明はさらに、上述の複合負極活物質を含む負極を用いた非水電解質二次電池に関する。 The present invention further relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery using a negative electrode containing the composite negative electrode active material described above.
本発明によれば、高容量でかつサイクル特性に優れた非水電解質二次電池を提供することができる。 According to the present invention, a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high capacity and excellent cycle characteristics can be provided.
第1の発明は、少なくともリチウムイオンの充放電が可能な含ケイ素粒子と、含ケイ素粒子の表面に付着(固着)されたカーボンナノファイバ(CNF)とからなる複合負極活物質と、導電性を有する膨張収縮緩衝材とを含む合剤層を有する非水電解質二次電池用負極である。この構成では含ケイ素粒子の表面に、CNFの一端が固定されているだけでなく、その複合負極活物質の粒子間に導体の膨張収縮緩衝材が存在する。すなわち導電性のCNFの一端は含ケイ素粒子の表面に固着され、他端はこの膨張収縮緩衝材に接続されている。その結果、導電性に乏しい含ケイ素粒子間にはCNFと膨張収縮緩衝材とを介して導電ネットワークが形成されている。そして充電時には複合負極活物質間に介在させた膨張収縮緩衝材が変形することにより含ケイ素粒子の膨張による合剤層の膨張を緩和する。また含ケイ素粒子表面に固着されたCNFが膨張収縮緩衝材に適度に絡まることにより、複合活物質間に膨張収縮緩衝材が均一に存在しやすくなるため、膨張収縮緩衝材の凝集を物理的に抑制できる。また放電時には含ケイ素粒子が収縮するが、CNFに絡まっている膨張収縮緩衝材が引っ張られて広がるので、放電時の導電性低下も抑制される。このように活物質核である含ケイ素粒子間の導電ネットワークが保たれることにより優れたサイクル特性が得られる。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a composite negative electrode active material comprising silicon-containing particles capable of charging / discharging at least lithium ions, and carbon nanofibers (CNF) attached (fixed) to the surfaces of the silicon-containing particles, and conductivity. It is a negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries which has the mixture layer containing the expansion-contraction buffer material which has. In this configuration, not only one end of CNF is fixed on the surface of the silicon-containing particles, but also a conductor expansion / contraction buffer material exists between the particles of the composite negative electrode active material. That is, one end of the conductive CNF is fixed to the surface of the silicon-containing particles, and the other end is connected to the expansion / contraction buffer material. As a result, a conductive network is formed between the silicon-containing particles having poor conductivity via the CNF and the expansion / contraction buffer material. Then, the expansion / shrinkage buffering material interposed between the composite negative electrode active materials is deformed during charging, thereby relaxing the expansion of the mixture layer due to the expansion of the silicon-containing particles. Further, since the CNF fixed to the surface of the silicon-containing particles is appropriately entangled with the expansion / shrinkage buffer material, the expansion / shrinkage buffer material tends to exist uniformly between the composite active materials. Can be suppressed. In addition, the silicon-containing particles contract during discharge, but the expansion / contraction buffer material entangled with CNF is pulled and spreads, so that a decrease in conductivity during discharge is also suppressed. Thus, excellent cycle characteristics can be obtained by maintaining a conductive network between silicon-containing particles which are active material nuclei.
第2の発明は、第1の発明において膨張収縮緩衝材がストラクチャ構造を有するカーボンブラック(CB)である非水電解質二次電池用負極である。ストラクチャ構造を有するCBは廉価でかつ高い導電性と膨張収縮緩衝作用を有しているので、本発明の主旨によく合致している。 A second invention is a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery in which the expansion / contraction buffer material is carbon black (CB) having a structure structure in the first invention. A CB having a structure structure is inexpensive and has high conductivity and expansion / shrinkage buffering action, and therefore well meets the gist of the present invention.
第3の発明は、第2の発明においてCBの添加量は、複合負極活物質100重量部に対し、5重量部以上、30重量部以下とした非水電解質二次電池用負極である。5重量部未満の場合、膨張収縮の応力を吸収できず、極板膨張が大きくなり、それに伴い充放電の繰り返しにより集電性が低下し、サイクル特性が低い。30重量部より多いと含ケイ素粒子の割合が低くなり、黒鉛を負極活物質として用いた負極と比較して容量メリットがなくなる。 A third invention is a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery in which the amount of CB added in the second invention is 5 to 30 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the composite negative electrode active material. When the amount is less than 5 parts by weight, the stress of expansion and contraction cannot be absorbed, electrode plate expansion increases, and accordingly, current collection performance decreases due to repeated charge and discharge, resulting in poor cycle characteristics. When the amount is more than 30 parts by weight, the proportion of silicon-containing particles becomes low, and the capacity merit is lost as compared with a negative electrode using graphite as a negative electrode active material.
第4の発明は、第1の発明において含ケイ素粒子をSiOx(0.05<x<1.95)で表される酸化ケイ素粒子とした非水電解質二次電池用負極である。このような材料は放電容量密度が大きく、かつ充電時の膨張率がSi単体より小さい。 A fourth invention is a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery in which the silicon-containing particles in the first invention are silicon oxide particles represented by SiO x (0.05 <x <1.95). Such a material has a large discharge capacity density and an expansion coefficient during charging smaller than that of Si alone.
第5の発明は、上記いずれかの非水電解質二次電池用負極を用いて構成した非水電解質二次電池である。 5th invention is the nonaqueous electrolyte secondary battery comprised using either of the said negative electrodes for nonaqueous electrolyte secondary batteries.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下の内容に限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following contents as long as it is based on the basic features described in this specification.
(実施の形態1)
図1(a)は本発明の実施の形態1における非水電解質二次電池の構成を示す断面図、図1(b)は図1(a)の部分拡大図である。図2は本発明を用いた負極合剤層内部の構成、特に複合負極活物質粒子周囲の状態を示す模式図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1A is a cross-sectional view showing the configuration of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to
この電池の発電要素は、長尺で薄い負極1と同じく長尺で薄い正極2とをセパレータ3を介して捲回して構成されている。ケース4はこのように構成された発電要素と、発電要素に含浸された非水電解質(図示せず)とを収容している。封口板5はケース4の開口部を封口している。ケース4には負極1のリード1Cが接続され、負極端子を兼ねている。封口板5のケース4と絶縁された金属部分に正極2のリード2Cが接続され、正極端子を構成している。
The power generation element of this battery is configured by winding a long and thin
図1(b)に示すように、負極1は集電体1Aと、集電体1Aの両面に設けられた合剤層1Bから構成されている。リード1Cの一端は集電体1Aに接続されている。正極2は集電体2Aと、集電体2Aの両面に設けられた合剤層2Bから構成されている。リード2Cの一端は集電体2Aに接続されている。
As shown in FIG. 1B, the
合剤層1Bは図2に示すように、複合負極活物質13と膨張収縮緩衝材14とを含む。複合負極活物質13は、少なくともリチウムイオンの吸蔵放出が可能な含ケイ素粒子11と、その表面に付着したカーボンナノファイバ(CNF)12とから構成されている。含ケイ素粒子11の粒子形状あるいは種類、膨張収縮の大きさには特に限定はない。
As shown in FIG. 2, the
含ケイ素粒子11には、Si、SiOx(0.05<x<1.95)、もしくはこれらいずれかの材料にB、Mg、Ni、Ti、Mo、Co、Ca、Cr、Cu、Fe、Mn、Nb、Ta、V、W、Zn、C、N、Snから選択される少なくとも1種以上の元素でSiの一部を置換した、Siを少なくとも含む合金や化合物、あるいは固溶体などが適用できる。これらは単独で含ケイ素粒子11を構成してもよく、複数種が同時に含ケイ素粒子11を構成してもよい。複数種が同時に含ケイ素粒子11を構成する例として、Siと酸素と窒素とを含む化合物や、Siと酸素とを含み、Siと酸素との比率が異なる複数の化合物の複合物などが挙げられる。このように含ケイ素粒子11はSiの単体と、Siを含む合金と、Siを含む化合物からなる群のうち少なくとも1種を含む。この中でも、SiOx(0.05<x<1.95)が、放電容量密度が大きく、かつ充電時の膨張率がSi単体より小さいため好ましい。
The silicon-containing
CNF12は、その成長の開始時点となる含ケイ素粒子11の表面において含ケイ素粒子11と付着している。すなわち、CNF12は、樹脂からなる結着剤を介さずに、含ケイ素粒子11の表面に直接付着している。また、CNF12は成長形態により、少なくともその成長の開始時点となる一端において、含ケイ素粒子11の表面と化学結合している場合もある。そのため電池内では集電に対する抵抗が小さくなり、高い電子伝導性が確保される。したがって、良好な充放電特性が期待できる。また、触媒元素(図示せず)によりCNF12が含ケイ素粒子11に結合している場合、CNF12が含ケイ素粒子11から外れにくい。そのため、圧延負荷に対する負極1の耐性が向上する。
The
CNF12の成長が終了するまでの間、触媒元素が良好な触媒作用を発揮するためには、触媒元素が含ケイ素粒子11の表層部において金属状態で存在することが望ましい。触媒元素は、例えば粒径1nm〜1000nmの金属粒子の状態で存在することが望まれる。一方、CNF12の成長終了後においては、触媒元素からなる金属粒子を酸化することが望ましい。
Until the growth of
CNF12の繊維長は、1nm〜1mmが好ましく、500nm〜100μmがさらに好ましい。CNF12の繊維長が1nm未満では、電極の導電性を高める効果が小さくなりすぎ、また繊維長が1mmを超えると、電極の活物質密度や容量が小さくなる傾向がある。CNF12の形態は、特に限定されないが、チューブ状カーボン、アコーディオン状カーボン、プレート状カーボンおよびヘーリング・ボーン状カーボンよりなる群から選択された少なくとも1種からなることが望ましい。CNF12は、成長する過程で触媒元素を自身の内部に取り込んでもよい。また、CNF12の繊維径は1nm〜1000nmが好ましく、50nm〜300nmがさらに好ましい。
The fiber length of CNF12 is preferably 1 nm to 1 mm, and more preferably 500 nm to 100 μm. When the fiber length of CNF12 is less than 1 nm, the effect of increasing the conductivity of the electrode becomes too small, and when the fiber length exceeds 1 mm, the active material density and capacity of the electrode tend to decrease. Although the form of
触媒元素は、金属状態でCNF12を成長させるための活性点を与える。すなわち触媒元素が金属状態で表面に露出した含ケイ素粒子11を、CNF12の原料ガスを含む高温雰囲気中に導入すると、CNF12の成長が進行する。活物質粒子の表面に触媒元素が存在しない場合には、CNF12は成長しない。
The catalytic element provides an active point for growing
含ケイ素粒子11の表面に触媒元素からなる金属粒子を設ける方法は、特に限定されないが、例えばリチウムイオンの吸蔵放出が可能な粒子の表面に金属粒子を担持させる方法などが好適である。
The method of providing the metal particles comprising the catalytic element on the surface of the silicon-containing
上記の方法で金属粒子を担持させる場合、固体の金属粒子を含ケイ素粒子11と混合することも考えられるが、金属粒子の原料である金属化合物の溶液に、含ケイ素粒子11を浸漬する方法が好適である。溶液に浸漬後の含ケイ素粒子11から溶媒を除去し、必要に応じて加熱処理すると、表面に均一にかつ高分散状態で、粒径1nm〜1000nm、好ましくは10nm〜100nmの触媒元素からなる金属粒子を担持した含ケイ素粒子11を得ることが可能である。
When the metal particles are supported by the above method, it is conceivable to mix the solid metal particles with the silicon-containing
触媒元素からなる金属粒子の粒径が1nm未満の場合、金属粒子の生成が非常に難しく、また1000nmを超えると、金属粒子の大きさが極端に不均一となり、CNF12を成長させることが困難になったり、導電性に優れた電極が得られなくなったりすることがある。そのため、触媒元素からなる金属粒子の粒径は1nm以上1000nm以下であることが望ましい。 When the particle size of the metal particles composed of the catalyst element is less than 1 nm, it is very difficult to generate the metal particles. When the particle size exceeds 1000 nm, the size of the metal particles becomes extremely non-uniform, making it difficult to grow CNF12. Or an electrode having excellent conductivity may not be obtained. Therefore, it is desirable that the particle size of the metal particles made of the catalyst element is 1 nm or more and 1000 nm or less.
上記溶液を得るための金属化合物としては、硝酸ニッケル、硝酸コバルト、硝酸鉄、硝酸銅、硝酸マンガン、七モリブデン酸六アンモニウム四水和物などを挙げることができる。また溶液に用いる溶媒には、化合物の溶解度、電気化学的活性相との相性を考慮して、水、有機溶媒および水と有機溶媒との混合物の中から好適なものを選択すればよい。有機溶媒としては、例えばエタノール、イソプロピルアルコール、トルエン、ベンゼン、ヘキサン、テトラヒドロフランなどを用いることができる。 Examples of the metal compound for obtaining the solution include nickel nitrate, cobalt nitrate, iron nitrate, copper nitrate, manganese nitrate, hexaammonium hexamolybdate tetrahydrate and the like. A suitable solvent may be selected from water, an organic solvent, and a mixture of water and an organic solvent in consideration of the solubility of the compound and compatibility with the electrochemically active phase. As the organic solvent, for example, ethanol, isopropyl alcohol, toluene, benzene, hexane, tetrahydrofuran and the like can be used.
一方、触媒元素を含む合金粒子を合成し、これを含ケイ素粒子11として用いることもできる。この場合、Siと触媒元素との合金を、通常の合金製造法により合成する。Si元素は、電気化学的にリチウムと反応して合金を生成するので、電気化学的活性相が形成される。一方、触媒元素からなる金属相の少なくとも一部は、例えば粒径10nm〜100nmの粒子状で合金粒子の表面に露出する。
On the other hand, alloy particles containing a catalyst element can be synthesized and used as the silicon-containing
触媒元素からなる金属粒子もしくは金属相は、含ケイ素粒子11の0.01重量%〜10重量%であることが望ましく、1重量%〜3重量%であることがさらに望ましい。金属粒子もしくは金属相の含有量が少なすぎると、CNF12を成長させるのに長時間を要し、生産効率が低下する場合がある。一方、触媒元素からなる金属粒子もしくは金属相の含有量が多すぎると、触媒元素の凝集により、不均一で太い繊維径のCNF12が成長するため、合剤層1B中の導電性や活物質密度の低下に繋がる。また、電気化学的活性相の割合が相対的に少なくなり、複合負極活物質13を高容量の電極材料とすることが困難となる。
The metal particles or metal phase composed of the catalytic element is preferably 0.01% by weight to 10% by weight of the silicon-containing
次に、含ケイ素粒子11とCNF12とから構成された複合負極活物質13の製造方法について述べる。この製造方法は以下の4つのステップで構成される。
Next, the manufacturing method of the composite negative electrode
(a)リチウムの吸蔵放出が可能な含ケイ素粒子11の少なくとも表層部に、CNF12の成長を促進するCu、Fe、Co、Ni、MoおよびMnよりなる群から選択された少なくとも1種の触媒元素を設けるステップ。
(A) At least one catalyst element selected from the group consisting of Cu, Fe, Co, Ni, Mo, and Mn that promotes the growth of
(b)炭素含有ガスおよび水素ガスを含む雰囲気中で、含ケイ素粒子11の表面に、CNF12を成長させるステップ。
(B) A step of growing
(c)不活性ガス雰囲気中で、CNF12が付着した含ケイ素粒子11を400℃以上1600℃以下で焼成するステップ。
(C) A step of firing the silicon-containing
(d)CNF12が付着した含ケイ素粒子11を解砕してタップ密度を0.42g/cm3以上0.91g/cm3以下に調整するステップ。
(D) CNF12 the step of adjusting the tap density was crushed silicon-containing
ステップ(c)の後、さらに、大気中で複合負極活物質13を100℃以上400℃以下で熱処理して触媒元素を酸化してもよい。100℃以上400℃以下の熱処理であれば、CNF12を酸化させずに触媒元素だけを酸化することが可能である。
After step (c), the composite negative electrode
ステップ(a)としては、含ケイ素粒子11の表面に触媒元素からなる金属粒子を担持するステップ、触媒元素を含む含ケイ素粒子11の表面を還元するステップ、Si元素と触媒元素との合金粒子を合成するステップなどが挙げられる。ただしステップ(a)は上記に限られるものではない。
As the step (a), a step of supporting metal particles comprising a catalytic element on the surface of the silicon-containing
次に、ステップ(b)において、含ケイ素粒子11の表面にCNF12を成長させる際の条件について説明する。少なくとも表層部に触媒元素を有する含ケイ素粒子11を、CNF12の原料ガスを含む高温雰囲気中に導入するとCNF12の成長が進行する。例えばセラミック製反応容器に含ケイ素粒子11を投入し、不活性ガスもしくは還元力を有するガス中で100℃〜1000℃、好ましくは300℃〜600℃の高温になるまで昇温させる。その後、CNF12の原料ガスである炭素含有ガスと水素ガスとを反応容器に導入する。反応容器内の温度が100℃未満では、CNF12の成長が起こらないか、成長が遅すぎて生産性が損なわれる。また、反応容器内の温度が1000℃を超えると、原料ガスの分解が促進されCNF12が成長し難くなる。
Next, conditions for growing
原料ガスとしては、炭素含有ガスと水素ガスとの混合ガスが好適である。炭素含有ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、ブタン、一酸化炭素などを用いることができる。混合ガスにおける炭素含有ガスのモル比(体積比)は、20%〜80%が好適である。含ケイ素粒子11の表面に金属状態の触媒元素が露出していない場合には、水素ガスの割合を多めに制御することで、触媒元素の還元とCNF12の成長とを並行して進行させることができる。CNF12の成長を終了させる際には、炭素含有ガスと水素ガスとの混合ガスを不活性ガスに置換し、反応容器内を室温まで冷却する。
As the source gas, a mixed gas of carbon-containing gas and hydrogen gas is suitable. As the carbon-containing gas, methane, ethane, ethylene, butane, carbon monoxide, or the like can be used. The molar ratio (volume ratio) of the carbon-containing gas in the mixed gas is preferably 20% to 80%. When the catalytic element in the metallic state is not exposed on the surface of the silicon-containing
続いて、ステップ(c)にて、CNF12が付着した含ケイ素粒子11を、不活性ガス雰囲気中にて400℃以上、1600℃以下で焼成する。このようにすることで電池の初期充電時に進行する電解質とCNF12との不可逆反応が抑制され、優れた充放電効率を得ることができるため好ましい。このような焼成行程を行わないか、もしくは焼成温度が400℃未満では、上記の不可逆反応が抑制されず電池の充放電効率が低下することがある。また、焼成温度が1600℃を超えると、含ケイ素粒子11の電気化学的活性相とCNF12とが反応して活性相が不活性化したり、電気化学的活性相が還元されて容量低下を引き起こしたりすることがある。例えば、含ケイ素粒子11の電気化学的活性相がSiである場合には、SiとCNF12とが反応して不活性な炭化ケイ素が生成してしまい、電池の充放電容量の低下を引き起こす。なお、含ケイ素粒子11がSiの場合、焼成温度は1000℃以上、1600℃以下が特に好ましい。なお、成長条件によってCNF12の結晶性を高めることもできる。このようにCNF12の結晶性が高い場合には電解質とCNF12との不可逆反応も抑制されるため、ステップ(c)は必須ではない。
Subsequently, in step (c), the silicon-containing
不活性ガス中で焼成後の複合負極活物質13は、さらに触媒元素からなる金属粒子もしくは金属相の少なくとも一部(例えば表面)を酸化するために、大気中で、100℃以上、400℃以下で熱処理することが好ましい。熱処理温度が100℃未満では、金属を酸化することは困難であり、400℃を超えると成長させたCNF12が燃焼してしまうことがある。
The composite negative electrode
ステップ(d)ではCNF12が付着した焼成後の含ケイ素粒子11を解砕する。このようにすることにより、充填性の良好な複合負極活物質13が得られるため好ましい。ただし、解砕しなくてもタップ密度が0.42g/cm3以上、0.91g/cm3以下の場合は必ずしも解砕する必要はない。すなわち、充填性のよい含ケイ素粒子を原料に用いた場合、解砕する必要がない場合もある。
In step (d), the fired silicon-containing
膨張収縮緩衝材14は導電性を有し、含ケイ素粒子11の膨張収縮によるストレスを吸収する機能があれば材料は特に限定されない。例えば、樹脂などの弾性を有する粒子の表面に銅などの導電性物質を固着した複合材料が適用可能である。特に、ストラクチャ構造を有するカーボンブラック(CB)を用いることが好ましい。ストラクチャ構造を有するCBは廉価でかつ高い導電性と膨張収縮緩衝作用を有しているので、本発明の主旨によく合致している。CBとしてはファーネスブラックやランプブラック、ケッチェンブラックなどを挙げることができるが、高ストラクチャ構造を有し、かつ導電性が高いという観点からアセチレンブラック(AB)を用いるのがより好ましい。これらストラクチャ構造では、粒子がアグロメートした一次粒子の融合した状態や、アグロメレートと呼ばれる凝集会合体の状態であり、ファンデアワールズ力で超細繊維が絡んだ細繊維の集合体が構成されている。またCBのストラクチャ構造を得る方法としては、CBが高い疎液性を有していることを利用し、適度な分散剤(可溶性結着剤や増粘剤、表面活性剤など)を添加した溶媒にCBと他の負極材料とを同時に混入し分散する方法が挙げられる。ここでCBのストラクチャ構造を破壊しないために、分散時には混入物がファニキュラー状態(粒子間の液体が連続して網目状に存在しその間に気泡が孤立して点在する状態)とならないようにするのが好ましい。
The expansion /
次に、負極1の製造方法について説明する。前述のようにしてCNF12を表面に付着させた含ケイ素粒子11からなる複合負極活物質13に膨張収縮緩衝材14を混合した後、結着剤と溶媒とをさらに混合する。このときフェニキュラー状態にならないように混合してペースト状に合剤スラリーを調製する。結着剤、溶媒としては、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)とN−メチル−2−ピロリドン(NMP)、あるいはポリテトラフルオロエチレンのエマルジョンと水などが使用可能である。結着剤としてはこれ以外に、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアクリルニトリル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチルエステル、ポリアクリル酸エチルエステル、ポリアクリル酸ヘキシルエステル、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチルエステル、ポリメタクリル酸エチルエステル、ポリメタクリル酸ヘキシルエステル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリエーテル、ポリエーテルサルフォン、ヘキサフルオロポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロースなどが使用可能である。また、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル、フッ化ビニリデン、クロロトリフルオロエチレン、エチレン、プロピレン、ペンタフルオロプロピレン、フルオロメチルビニルエーテル、アクリル酸、ヘキサジエンより選択された2種以上の材料の共重合体を用いてもよい。
Next, the manufacturing method of the
得られたスラリーを、集電体1Aの両面にドクターブレードを用いて塗布し、乾燥させ、集電体1A上に合剤層1Bを形成する。その後、ロール圧延して合剤層1Bの厚みを調整する。でき上がった帯状の負極連続体を所定の寸法に打ち抜くかまたは切断する。そして集電体1Aの露出した部分にニッケルや銅のリード1Cを溶接などにより接続して負極1が完成する。
The obtained slurry is applied to both surfaces of the
なお、集電体1Aには、ステンレス鋼、ニッケル、銅、チタンなどの金属箔、炭素や導電性樹脂の薄膜などが利用可能である。さらに、カーボン、ニッケル、チタンなどで表面処理を施してもよい。
The
また、必要に応じて鱗片状黒鉛などの天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛などのグラファイト類、炭素繊維、金属繊維などの導電性繊維類、銅やニッケルなどの金属粉末類、ポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料などの導電剤を合剤層1Bに混入させてもよい。その場合、これらの導電剤粒子にもCNF12を付着させておくことが好ましい。 If necessary, natural graphite such as flake graphite, graphite such as artificial graphite and expanded graphite, conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber, metal powders such as copper and nickel, and organic such as polyphenylene derivatives A conductive agent such as a conductive material may be mixed into the mixture layer 1B. In that case, it is preferable to attach CNF12 to these conductive agent particles.
次に正極2について説明する。合剤層2BはLiCoO2やLiNiO2、Li2MnO4、またはこれらの混合あるいは複合化合物などのような含リチウム複合酸化物を正極活物質として含む。正極活物質としては上記以外に、LiMPO4(M=V、Fe、Ni、Mn)の一般式で表されるオリビン型リン酸リチウム、Li2MPO4F(M=V、Fe、Ni、Mn)の一般式で表されるフルオロリン酸リチウムなども利用可能である。さらにこれら含リチウム化合物の一部を異種元素で置換してもよい。金属酸化物、リチウム酸化物、導電剤などで表面処理してもよく、表面を疎水化処理してもよい。
Next, the
合剤層2Bはさらに導電剤と、結着剤とを含む。導電剤としては、天然黒鉛や人造黒鉛のグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック類、炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維類、フッ化カーボン、アルミニウムなどの金属粉末類、酸化亜鉛やチタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー類、酸化チタンなどの導電性金属酸化物、フェニレン誘導体などの有機導電性材料を用いることができる。 The mixture layer 2B further includes a conductive agent and a binder. As the conductive agent, natural graphite and artificial graphite graphite, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black and other carbon black, conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber, Metal powders such as carbon fluoride and aluminum, conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate, conductive metal oxides such as titanium oxide, and organic conductive materials such as phenylene derivatives can be used.
また結着剤としては、負極1に用いたものと同様のものを用いることができる。すなわち、PVDF、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアクリルニトリル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチルエステル、ポリアクリル酸エチルエステル、ポリアクリル酸ヘキシルエステル、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチルエステル、ポリメタクリル酸エチルエステル、ポリメタクリル酸ヘキシルエステル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリエーテル、ポリエーテルサルフォン、ヘキサフルオロポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロースなどが使用可能である。また、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル、フッ化ビニリデン、クロロトリフルオロエチレン、エチレン、プロピレン、ペンタフルオロプロピレン、フルオロメチルビニルエーテル、アクリル酸、ヘキサジエンより選択された2種以上の材料の共重合体を用いてもよい。またこれらのうちから選択された2種以上を混合して用いてもよい。
Moreover, as a binder, the thing similar to what was used for the
正極2に用いる集電体2Aやリード2Cとしては、ステンレス鋼、アルミニウム(Al)、チタン、炭素、導電性樹脂などが使用可能である。またこのいずれかの材料に、カーボン、ニッケル、チタンなどで表面処理してもよい。
As the
非水電解質には有機溶媒に溶質を溶解した電解質溶液や、これらを含み高分子で非流動化されたいわゆるポリマー電解質層が適用可能である。少なくとも電解質溶液を用いる場合には正極2と負極1との間にポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、アミドイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミドなどからなる不織布や微多孔膜などのセパレータ3を用い、これに溶液を含浸させるのが好ましい。またセパレータ3の内部あるいは表面には、アルミナ、マグネシア、シリカ、チタニアなどの耐熱性フィラーを含んでもよい。セパレータ3とは別に、これらのフィラーと、電極に用いるのと同様の結着剤とから構成される耐熱層を設けてもよい。
As the non-aqueous electrolyte, an electrolyte solution in which a solute is dissolved in an organic solvent, or a so-called polymer electrolyte layer containing these and non-fluidized with a polymer can be applied. When using an electrolyte solution at least, a
非水電解質の材料は、活物質の酸化還元電位などを基に選択される。非水電解質に用いるのが好ましい溶質としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAlCl4、LiSbF6、LiSCN、LiCF3SO3、LiCF3CO2、Li(CF3SO2)2、LiAsF6、LiB10Cl10、低級脂肪族カルボン酸リチウム、LiF、LiCl、LiBr、LiI、クロロボランリチウム、ビス(1,2−ベンゼンジオレート(2−)−O,O’)ほう酸リチウム、ビス(2,3−ナフタレンジオレート(2−)−O,O’)ほう酸リチウム、ビス(2,2’−ビフェニルジオレート(2−)−O,O’)ほう酸リチウム、ビス(2,2’−ビフェニルジオレート(2−)−O,O’)ほう酸リチウム、ビス(5−フルオロ−2−オレート−1−ベンゼンスルホン酸−O,O’)ほう酸リチウムなどのほう酸塩類、(CF3SO2)2NLi、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、(C2F5SO2)2NLi、テトラフェニルホウ酸リチウムなど、一般にリチウム電池で使用されている塩類が適用できる。 The nonaqueous electrolyte material is selected based on the redox potential of the active material. Solutes preferably used for the nonaqueous electrolyte include LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAlCl 4 , LiSbF 6 , LiSCN, LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 , LiAsF 6. , LiB 10 Cl 10 , lower aliphatic lithium carboxylate, LiF, LiCl, LiBr, LiI, lithium chloroborane, bis (1,2-benzenediolate (2-)-O, O ′) lithium borate, bis (2 , 3-Naphthalenedioleate (2-)-O, O ') lithium borate, bis (2,2'-biphenyldiolate (2-)-O, O') lithium borate, bis (2,2'-biphenyl) Dioleate (2-)-O, O ′) lithium borate, bis (5-fluoro-2-olate-1-benzenesulfonic acid-O, O ′) Borates such as lithium borate, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ), (C 2 F 5 SO 2 ) 2 NLi, lithium tetraphenylborate, etc. Generally, salts used in lithium batteries can be applied.
さらに上記塩を溶解させる有機溶媒には、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、ジメトキシメタン、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジメトキシエタン、エトキシメトキシエタン、トリメトキシメタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどのテトラヒドロフラン誘導体、ジメチルスルホキシド、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソランなどのジオキソラン誘導体、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、プロピルニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、リン酸トリエステル、酢酸エステル、プロピオン酸エステル、スルホラン、3−メチルスルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、エチルエーテル、ジエチルエーテル、1,3−プロパンサルトン、アニソール、フルオロベンゼンなどの1種またはそれ以上の混合物など、一般にリチウム電池で使用されているような溶媒が適用できる。 Further, the organic solvent for dissolving the salt includes ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, dipropyl carbonate, methyl formate, methyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate. , Tetrahydrofuran derivatives such as dimethoxymethane, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, 1,2-diethoxyethane, 1,2-dimethoxyethane, ethoxymethoxyethane, trimethoxymethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, Dioxolane derivatives such as 1,3-dioxolane and 4-methyl-1,3-dioxolane, formamide, acetamide, dimethylformamide , Acetonitrile, propylnitrile, nitromethane, ethyl monoglyme, phosphoric acid triester, acetic acid ester, propionic acid ester, sulfolane, 3-methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, 3-methyl-2- Solvents such as those commonly used in lithium batteries, such as oxazolidinone, propylene carbonate derivatives, ethyl ether, diethyl ether, 1,3-propane sultone, anisole, one or more mixtures of fluorobenzene, etc., can be applied.
さらに、ビニレンカーボネート、シクロヘキシルベンゼン、ビフェニル、ジフェニルエーテル、ビニルエチレンカーボネート、ジビニルエチレンカーボネート、フェニルエチレンカーボネート、ジアリルカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、カテコールカーボネート、酢酸ビニル、エチレンサルファイト、プロパンサルトン、トリフルオロプロピレンカーボネート、ジベニゾフラン、2,4−ジフルオロアニソール、o−ターフェニル、m−ターフェニルなどの添加剤を含んでいてもよい。 Furthermore, vinylene carbonate, cyclohexyl benzene, biphenyl, diphenyl ether, vinyl ethylene carbonate, divinyl ethylene carbonate, phenyl ethylene carbonate, diallyl carbonate, fluoroethylene carbonate, catechol carbonate, vinyl acetate, ethylene sulfite, propane sultone, trifluoropropylene carbonate, Additives such as dibenisofuran, 2,4-difluoroanisole, o-terphenyl, m-terphenyl may be included.
なお、非水電解質は、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリホスファゼン、ポリアジリジン、ポリエチレンスルフィド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレンなどの高分子材料の1種またはそれ以上の混合物などに上記溶質を混合して、固体電解質として用いてもよい。また、上記有機溶媒と混合してゲル状で用いてもよい。さらに、リチウム窒化物、リチウムハロゲン化物、リチウム酸素酸塩、Li4SiO4、Li4SiO4−LiI−LiOH、Li3PO4−Li4SiO4、Li2SiS3、Li3PO4−Li2S−SiS2、硫化リン化合物などの無機材料を固体電解質として用いてもよい。
The non-aqueous electrolyte is composed of one or more kinds of polymer materials such as polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyphosphazene, polyaziridine, polyethylene sulfide, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, and the like. May be used as a solid electrolyte. Moreover, you may mix with the said organic solvent and use it in a gel form. Further, lithium nitride, lithium halide, lithium oxyacid salt, Li 4 SiO 4, Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH,
ケース4は、鉄、ニッケルめっきを施した鉄、アルミニウムなどの金属で構成されている。封口板5はケース4と絶縁するための絶縁部材5Aと正極端子として機能する金属部分5Bとを有する。図1(a)のようにケース4をかしめて封口板5を固定する場合には絶縁部材5Aはケース4の一部で圧縮されるガスケットである。ガスケットは硬質ポリプロピレンなどの樹脂材料からなる。ハーメチックシールにより封口する場合には、絶縁部材5Aはガラスなどの無機材料からなる。なお、封口板5の内部には電池内圧が上昇した際に作動する防爆機構を組み込んでもよい。 The case 4 is made of a metal such as iron, nickel-plated iron, or aluminum. The sealing plate 5 includes an insulating member 5A for insulating from the case 4 and a metal portion 5B that functions as a positive terminal. When the case 4 is caulked and the sealing plate 5 is fixed as shown in FIG. 1A, the insulating member 5 </ b> A is a gasket that is compressed by a part of the case 4. The gasket is made of a resin material such as hard polypropylene. In the case of sealing with a hermetic seal, the insulating member 5A is made of an inorganic material such as glass. An explosion-proof mechanism that operates when the battery internal pressure rises may be incorporated in the sealing plate 5.
次に図2を用いて充放電に伴う合剤層1B中の構造変化について説明する。図2(a)は充電時の複合負極活物質13周囲の状態を示す模式図、図2(b)は同放電時の状態を示す模式図である。
Next, the structural change in the mixture layer 1B accompanying charging / discharging is demonstrated using FIG. FIG. 2A is a schematic diagram showing a state around the composite negative electrode
合剤層1B中には含ケイ素粒子11とCNF12とからなる複合負極活物質13と、導電性を有する膨張収縮緩衝材14とが含まれている。CNF12の一端は含ケイ素粒子11の表面に付着されている。膨張収縮緩衝材14は複合負極活物質13の粒子間に介在している。すなわち導電性のCNF12の一端は含ケイ素粒子11の表面に固着され、他端は膨張収縮緩衝材14に接続されている。その結果、導電性に乏しい含ケイ素粒子11間には膨張収縮緩衝材14を介して導電ネットワークが形成されている。
In the mixture layer 1B, a composite negative electrode
図2(a)に示すように、充電すると含ケイ素粒子11がリチウムイオンを吸蔵する。これに伴い含ケイ素粒子11は膨張する。この膨張によるストレスを膨張収縮緩衝材14が吸収する。これにより含ケイ素粒子11の膨張による合剤層1Bの膨張が緩和される。また含ケイ素粒子11の表面に付着されたCNF12が膨張収縮緩衝材14に適度に絡まることにより、複合負極活物質13同士の間に膨張収縮緩衝材14が均一に存在しやすくなるため、膨張収縮緩衝材14の凝集が物理的に抑制される。
As shown in FIG. 2A, when charged, the silicon-containing
一方、図2(b)に示すように、放電時には含ケイ素粒子11が収縮するが、CNF12に絡まっている膨張収縮緩衝材14が引っ張られて広がるので、放電時の導電性低下も抑制される。このように活物質核である含ケイ素粒子11同士の間の導電ネットワークが保たれる。また合剤層1Bの膨張収縮のストレスが緩和され変形が抑制される。これによって、合剤層1Bと集電体1Aとの剥離も抑制される。以上により優れたサイクル特性が得られる。
On the other hand, as shown in FIG. 2 (b), the silicon-containing
膨張収縮緩衝材14の添加量はサイクル特性と容量とに影響する。すなわち、5重量部未満であると膨張収縮の応力の吸収が不十分となる。一方、30重量部より多くなると、合剤層1Bに占める含ケイ素粒子11の割合が低くなり、容量メリットが低下する。これは膨張収縮緩衝材14自体がリチウムイオンを吸蔵(充電)する機能がないためである。したがって膨張収縮緩衝材14の添加量は、含ケイ素粒子11の100重量部当たり5重量部以上、30重量部以下が好ましい。
The addition amount of the expansion /
以下、具体的な実験とその結果を用い本発明の特徴と効果について説明する。まず正極2の作製について説明する。正極活物質としてLiNi0.8Co0.2O2粉末85重量部と、導電剤のアセチレンブラック10重量部、結着剤としてPVDFを固形分として5重量部とを混合し、これらを脱水したN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に分散させてスラリー状の正極合剤スラリーを調整した。このスラリーを厚み20μmのAl箔からなる集電体2Aの両面に塗布し、乾燥後圧延して合剤層2Bを形成し、所定の寸法に切断後、集電体2Aの露出部分にAl製のリード2Cを溶接あるいは超音波溶着により取付け、正極2を作製した。
The features and effects of the present invention will be described below using specific experiments and results. First, preparation of the
次に負極1の作製について説明する。サンプル1では、含ケイ素粒子11としてSiOを用いた。SiOをあらかじめ粉砕して、粒径10μm以下にし、これを100重量部と硝酸ニッケル(II)六水和物1重量部とをイオン交換水を溶媒として混合した。これを1時間撹拌した後、エバポレータ装置で溶媒を除去し、乾燥させて、SiOの粒子表面に硝酸ニッケルを担持させた。この粒子をSEMで分析した結果、硝酸ニッケル(II)が含ケイ素粒子表面に析出しているのを確認した。
Next, preparation of the
硝酸ニッケルを担持したSiOをセラミックス製反応容器に投入し、ヘリウムガス中で550℃まで昇温させた後、水素ガス50%とエチレン50%の混合ガスに置換して550℃で1時間保持し、硝酸ニッケル(II)を還元するとともに、含ケイ素粒子11の表面に先端が付着したCNF12を成長させた。その後、混合ガス中700℃で1時間保持してCNF12を熱処理し、複合負極活物質13を得た。
SiO loaded with nickel nitrate is put into a ceramic reaction vessel, heated to 550 ° C. in helium gas, then replaced with a mixed gas of 50% hydrogen gas and 50% ethylene and held at 550 ° C. for 1 hour. Then, nickel nitrate (II) was reduced, and
得られた複合負極活物質13をSEMで分析した結果、SiOの粒子表面に繊維径80nm程度のCNF12が無数に成長していることが確認された。成長したCNF12の重量は、SiOの100重量部に対して25重量部であった。
As a result of analyzing the obtained composite negative electrode
次に、複合負極活物質13を100重量部と、膨張収縮緩衝材14としてストラクチャ構造のアセチレンブラックを20重量部とを乾式混合した。さらに増粘剤としてカルボキシメチルセルロース3重量部、結着剤としてポリスチレンブタジエンを固形分換算で10重量部を加え、イオン交換水を加えながらフェニキュラー状態にならないように混合してペースト状の負極合剤スラリーを調整した。このスラリーを厚み15μmの銅箔からなる集電体1Aの両面に塗布し、乾燥後圧延して合剤層1Bを形成し、所定の寸法に切断後、集電体1Aの露出部分にニッケル製のリード1Cを超音波溶着により取付け、負極1を作製した。
Next, 100 parts by weight of the composite negative electrode
以上のようにして作製した正極2、負極1を用い次のようにして非水電解質二次電池を作製した。すなわち、正極2と負極1との間に厚み20μm、多孔度約40%のポリエチレン製微多孔膜をセパレータ3として挟み、捲回して発電要素を構成した。この発電要素を直径18mm、高さ65mmのケース4に収納し、リード1Cをケース4の底部に溶接するとともに、リード2Cを封口板5の金属部分5Bに溶接した。
Using the
次にエチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)との混合溶媒(重量比3:7)に1.0mol/dm3の濃度でLiPF6を溶解した電解液を6g注入し、減圧して電解液を発電要素の内部に浸透させた。最後に封口板5を機械的にかしめてケース4を密閉し、円筒型非水電解質二次電池を作製した。このようにして作製した電池について0.7CmAの定電流で4.1Vまで充電し、0.7CmAの定電流で2.5Vまで放電する充放電を2度行い、さらに45℃環境で7日間保存した。以上のようにして電池を評価前処理した。 Next, 6 g of an electrolytic solution in which LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1.0 mol / dm 3 was injected into a mixed solvent (weight ratio 3: 7) of ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC), and the pressure was reduced. The electrolyte was allowed to penetrate into the power generation element. Finally, the sealing plate 5 was mechanically caulked to seal the case 4 to produce a cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery. The battery thus manufactured is charged to 4.1 V with a constant current of 0.7 CmA, charged and discharged twice to 2.5 V with a constant current of 0.7 CmA, and further stored for 7 days in a 45 ° C. environment. did. The battery was pre-evaluated as described above.
サンプル2、3では、含ケイ素粒子11としてそれぞれSiO0.06、SiO1.94を用いたこと以外はサンプル1と同様にして負極1を作製し、それを用いて非水電解質二次電池を作製した。
In
サンプル4では含ケイ素粒子11としてSiOを用いるとともに、SiOに黒鉛を重量比が9:1となるように混合し、この混合粉末に、サンプル1と同様にしてCNF12を成長させた。このようにして調整した複合負極活物質13を用いたこと以外は、サンプル1と同様にして負極1を作製し、それを用いて非水電解質二次電池を作製した。
In sample 4, SiO was used as the silicon-containing
サンプル5〜8では、膨張収縮緩衝材14の添加量を変えた以外はサンプル1と同様にして負極1を作製し、それを用いて非水電解質二次電池を作製した。各サンプルのアセチレンブラックの添加量は、含ケイ素粒子11であるSiOの100重量部あたりそれぞれ3、5、30および40重量部である。
In Samples 5 to 8, the
また比較サンプルとして膨張収縮緩衝材14であるアセチレンブラックを添加しなかったこと以外は、サンプル1と同様にして負極1を作製し、それを用いて非水電解質二次電池を作製した。
Moreover, the
次に作製したサンプル電池の評価方法について説明する。0.7CmAの定電流で4.1Vまで充電したあと、4.2Vで保持して0.05CmAまで電流が低下するまで充電し、0.5CmAの定電流で2.5Vまで放電した。このときの放電容量を初期放電容量とし、サンプル1の設計容量を基準として放電容量比を算出した。ここで0.05CmAとは、電池設計容量を20時間で除した電流値を意味する。
Next, a method for evaluating the produced sample battery will be described. The battery was charged to 4.1 V with a constant current of 0.7 CmA, held at 4.2 V, charged until the current decreased to 0.05 CmA, and discharged to 2.5 V with a constant current of 0.5 CmA. The discharge capacity at this time was defined as the initial discharge capacity, and the discharge capacity ratio was calculated based on the design capacity of
次に、初期放電容量評価と同様の条件で充電、1CmAの定電流で2.5Vまで放電する充放電サイクルを50サイクル実施した。このときの1サイクル目の放電容量で50サイクル目の放電容量を除して容量維持率を算出し、サイクル特性の指標とした。さらに充放電サイクル評価後の電池を分解して合剤層1Bの膨張率を顕微鏡的に測定した。各サンプルの諸元と評価結果を(表1)に示す。 Next, 50 cycles of charging and discharging were performed under the same conditions as in the initial discharge capacity evaluation, and discharging to 2.5 V at a constant current of 1 CmA. The capacity retention rate was calculated by dividing the discharge capacity at the 50th cycle by the discharge capacity at the first cycle at this time, and used as an index of the cycle characteristics. Furthermore, the battery after charge / discharge cycle evaluation was disassembled, and the expansion coefficient of the mixture layer 1B was measured microscopically. The specifications and evaluation results of each sample are shown in (Table 1).
(表1)より明らかなように、比較サンプルに比べるとサンプル1〜8はいずれもサイクル特性が向上している。これは膨張率の測定結果を見ても明らかなように、膨張収縮緩衝材14の添加により合剤層1Bの膨張が抑制され、合剤層1B内の導電ネットワークが維持されているためと考えられる。
As apparent from (Table 1), the cycle characteristics of
また、サンプル1〜3を比較しても容量、サイクル特性とも大きな差はなく、含ケイ素粒子11がSiOxの場合に、0.05<x<1.95のいずれの材料を用いても本発明の効果が得られることがわかる。
In addition, even when
サンプル4はサンプル1に比べると、容量密度の低い黒鉛を添加した割合だけ、放電容量が低下しているが、サンプル1同様にサイクル特性が向上していることがわかる。
Compared to
サンプル1、5〜8を比較すると、膨張収縮緩衝材14の添加量とサイクル特性とに深い関係があることがわかる。すなわち、膨張収縮緩衝材14の添加量が3重量部のサンプル5では合剤層1Bの膨張率がやや大きく、そのためサイクル特性がやや低下している。一方、膨張収縮緩衝材14の添加量が40重量部のサンプル8では、サイクル特性が良好な反面、容量がやや小さくなっている。この結果から、含ケイ素粒子11の100重量部に対し、膨張収縮緩衝材14の添加量は5重量部以上30重量部以下であることがより好ましい。
Comparing
以上、薄型長尺の正負極を用いた捲回型電池を例に説明したが、コイン型電池に適用しても同様の効果が得られる。コイン型電池の場合、必ずしも集電体1Aは必要なく、外部端子を兼ねる鉄、ニッケルめっきされた鉄などの金属ケースの内面に直接合剤層1Bを設けてもよい。また、合剤ペーストのように湿式のプロセスを用いずに、粉体の結着剤、複合負極活物質13、膨張収縮緩衝材14を混合し、この混合体をプレスして用いてもよい。
As described above, the winding type battery using the thin and long positive and negative electrodes has been described as an example, but the same effect can be obtained even when applied to a coin type battery. In the case of a coin-type battery, the
本発明に係る非水電解質二次電池用負極は、高容量を実現しつつ、サイクル特性の大幅に改善された非水電解質二次電池を提供することができる。そのため、今後増大するリチウム電池の高エネルギー密度化に寄与する。 The negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention can provide a non-aqueous electrolyte secondary battery with significantly improved cycle characteristics while realizing a high capacity. Therefore, it contributes to higher energy density of lithium batteries, which will increase in the future.
1 負極
1A 集電体
1B 合剤層
1C リード
2 正極
2A 集電体
2B 合剤層
2C リード
3 セパレータ
4 ケース
5 封口板
11 含ケイ素粒子
12 カーボンナノファイバ(CNF)
13 複合負極活物質
14 膨張収縮緩衝材
DESCRIPTION OF
13 Composite negative electrode
Claims (5)
導電性を有する膨張収縮緩衝材とを含む合剤層を備えた非水電解質二次電池用負極。 A composite negative electrode active material comprising at least silicon-containing particles capable of occluding and releasing lithium ions, and carbon nanofibers attached to the surface of the silicon-containing particles;
A negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, comprising a mixture layer including a conductive expansion / shrinkage buffer material.
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