JP4728458B2 - Non-aqueous secondary battery - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非水二次電池、特に高容量でサイクル寿命の長いリチウム二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リチウム金属を含まない負極材料とリチウムを含有する正極活物質を用いるリチウム二次電池では、まず、正極活物質に含まれるリチウムを負極材料に挿入して負極材料の活性を上げる。これが充電反応であり、その逆の負極材料からリチウムイオンを正極活物質へ挿入させる反応が放電反応である。このタイプのリチウム電池負極材料として、カーボンが用いられている。カーボン（Ｃ₆ Ｌｉ）の理論容量は３７２ｍＡｈ／ｇであり、さらなる高容量負極材料が望まれている。リチウムと金属間化合物を形成するケイ素の理論容量は４０００ｍＡｈ／ｇをこえ、カーボンのそれより大きいことはよく知られている。例えば、特開平５−７４４６３では、単結晶のケイ素を開示しており、特開平７−２９６０２では、非晶質ケイ素を開示している。また、ケイ素を含んだ合金では、Ｌｉ−Ａｌ合金にケイ素を含む例が、特開昭６３−６６３６９（ケイ素が１９重量％）、同６３−１７４２７５（ケイ素が０．０５〜１．０重量％）、同６３−２８５８６５（ケイ素が１〜５重量％）に開示されている。ただし、これらの合金特許出願はいずれもリチウムを主体としているため、正極活物質にはリチウムを含有しない化合物が用いられていた。また、特開平４−１０９５６２では、ケイ素が０．０５〜１．０重量％の合金が開示されている。特開昭６２−２２６５６３では、リチウムと合金可能な金属と黒鉛粉末を混合する方法が開示されている。しかし、いずれもサイクル寿命が劣り、実用されるには至っていない。ケイ素のサイクル寿命が劣る理由として、その電子伝導性が低いこと、リチウム挿入により体積が膨張し、粒子が微粉化されることが推測されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、リチウム二次電池のエネルギー量を高め、かつサイクル寿命を高めることにある。
【０００４】
【課題を解決しようとする手段】
本発明の課題は、正極、負極、非水電解質を有する非水二次電池に於いて、該正極はリチウムを含有する遷移金属酸化物を含有し、該負極はケイ素単体、ケイ素合金及びケイ化物から選ばれる少なくとも一種のリチウム挿入放出可能なケイ素原子を含む化合物を含有し、さらに該負極のリチウム挿入に伴う膨張率が１．０５以上３．０以下であり、該正極中の正極活物質量と該負極中の負極材料の量を調整することにより、該ケイ素原子を含む化合物の充放電範囲を、ケイ素に挿入放出するリチウムの当量比としてＬｉｘ Ｓｉで表すと、ｘが０以上３．７以下に留める非水二次電池を用いることにより解決できた。ケイ素化合物を含有する負極に限らず、一般に負極材料はリチウム挿入・放出にともなって膨張・収縮することは従来より知られていた。本発明者は、ケイ素化合物の膨張に起因して起きる負極の膨張の程度が、リチウム二次電池の重要な性能であるサイクル寿命と対応していること、すなわち負極の膨張の程度が少ないほどサイクル寿命が長くなることを新たに見出し、本発明に至った。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の態様について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。（１）正極、負極、非水電解質を有する非水二次電池に於いて、該正極はリチウム含有遷移金属酸化物を含有し、該負極はケイ素単体、ケイ素合金及びケイ化物から選ばれる少なくとも一種のリチウムの挿入放出可能なケイ素原子を含む化合物を含有し、さらに該負極のリチウム挿入に伴う膨張率が１．０５以上３．０以下であり、該正極中の正極活物質量と該負極中の負極材料の量を調整することにより、該ケイ素原子を含む化合物の充放電範囲を、ケイ素に挿入放出するリチウムの当量比としてＬｉｘ Ｓｉで表すと、ｘが０以上３．７以下に留める非水二次電池。
（２）項（１）において、該負極のリチウム挿入に伴う膨張率が１．０５以上２．０以下である非水二次電池。
（３）項（１）において、該負極のリチウム挿入に伴う膨張率が１．０５以上１．５以下である非水二次電池。
（４）項（１）において、該負極のリチウム挿入に伴う膨張率が１．０５以上１．２以下である非水二次電池。
（５）項（１）に記載のケイ素化合物の平均粒子サイズが０．００１〜５μｍである非水二次電池。
（６）項（１）に記載のケイ素化合物の平均粒子サイズが０．００２〜２μｍである非水二次電池。
（７）項（１）に記載のケイ素化合物の平均粒子サイズが０．００５〜０．５μｍである非水二次電池。
（８）項（１）に記載のケイ素化合物が合金である非水二次電池。
（９）項（８）に記載の合金が、ケイ素以外の金属がアルカリ土類金属、遷移金属、半金属から選ばれる少なくとも１種である合金を用いた非水二次電池。
（10）項（８）または（９）に記載のケイ素以外の金属がＧｅ、Ｂｅ、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｄ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種である非水二次電池。
（11）項（８）〜（10）に記載のケイ素に対する他の金属の原子比率が５〜９０％である非水二次電池。
（12）項（１）に記載のケイ素化合物が金属ケイ化物から金属を除去したケイ素である非水二次電池。
（13）項（12）に記載の金属ケイ化物がリチウムケイ化物である非水二次電池。
（14）項（13）に記載のリチウムケイ化物のリチウム含量が、ケイ素に対して、１００〜４２０原子％である非水二次電池。
（15）項（１）に記載のケイ素化合物が、リチウムと反応しないセラミックと付着している複合材料である非水二次電池。
（16）項（15）に記載のセラミックがＡｌ_２ Ｏ_３ 、ＳｉＯ_２ 、ＴｉＯ_２ 、ＳｉＣ、Ｓｉ_３ Ｎ_４ から選ばれる少なくとも一種である非水二次電池。
（17）項（15）または（16）に記載のケイ素化合物に対する該セラミックの重量比が２〜２００％である非水二次電池。
（18）項（15）〜（17）に記載のケイ素化合物に該セラミックを付着させる方法が、３００〜２０００℃に加熱する工程を含む方法である負極材料の製造方法。
（19）項（１）に記載のケイ素化合物が少なくとも一種の金属で被覆されている非水二次電池。
（20）項（19）に記載の金属で被覆させる方法が、無電解めっき法、蒸着法、スパッタリング法、化学気相成長法から選ばれる少なくとも一種の方法である負極材料の製造方法。（21）項（19）または（20）に記載の被覆金属の少なくとも１種がＮｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｓｎ、Ｚｎである非水二次電池。
（22）項（19）〜（21）に記載の金属で被覆されたケイ素化合物の比伝導度が、被覆されていないケイ素化合物の比伝導度の１０倍以上である非水二次電池。
（23）項（１）に記載のケイ素化合物が、あらかじめ熱可塑性樹脂で部分的に被覆されているケイ素化合物である非水二次電池。
（24）項（23）に記載の熱可塑性樹脂がポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレンから選ばれる少なくとも一種である非水二次電池。
（25）項（23）または（24）に記載のケイ素化合物に対する熱可塑性樹脂の重量比が２〜２００％である非水二次電池。
（26）項（23）〜（25）に記載の熱可塑性樹脂のケイ素化合物全表面に対する被覆率が５〜９５％である非水二次電池。
（27）項（１）に記載のケイ素化合物に対して炭素を重量比で０〜２０００％共存させた非水二次電池。
（28）項（27）に記載の炭素が鱗片状天然黒鉛である非水二次電池。
（29）項（１）に記載の正極活物質が、Ｌｉｙ ＭＯ_２ （Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ ｙ＝０〜１．２）を含む材料、またはＬｉ_Ｚ Ｎ_２ Ｏ_４ （Ｎ＝Ｍｎ ｚ＝０〜２）で表されるスピネル構造を有する材料の少なくとも１種を用いる非水二次電池。
（30）項（８）〜（29）に記載の含ケイ素材料が、リチウムと反応できるケイ素単体、ケイ素合金、ケイ化物の少なくとも１種であり、これらの含ケイ素材料粒子の平均粒子サイズが０．００１〜５μｍである非水二次電池。
（31）項（８）〜（29）に記載の含ケイ素材料が、リチウムと反応できるケイ素単体、ケイ素合金、ケイ化物の少なくとも１種であり、これらの含ケイ素材料粒子の平均粒子サイズが０．００２〜２μｍである非水二次電池。
（32）項（８）〜（29）に記載の含ケイ素材料が、リチウムと反応できるケイ素単体、ケイ素合金、ケイ化物の少なくとも１種であり、これらの含ケイ素材料粒子の平均粒子サイズが０．００５〜０．５μｍである非水二次電池。
【０００６】
本発明で用いられる正極（あるいは負極）は、正極合剤（あるいは負極合剤）を集電体上に塗設、成形して作ることができる。正極合剤（あるいは負極合剤）には、正極活物質（あるいは負極材料）の他、導電剤、結着剤、分散剤、フィラー、イオン導電剤、圧力増強剤や各種添加剤を含むことができる。これらの電極は、円盤状、板状であってもよいが、柔軟性のあるシート状であることが好ましい。
【０００７】
以下に本発明の構成および材料について詳述する。
本発明の負極材料で用いられるリチウムの挿入放出できるケイ素原子を含む化合物は、ケイ素単体、ケイ素合金、ケイ化物を意味する。ケイ素単体としては、単結晶、多結晶、非晶質のいずれも使用することができる。単体の純度は８５重量％以上が好ましく、特に、９５重量％以上が好ましい。さらに、９９重量％以上が特に好ましい。
【０００８】
本発明において、リチウムの挿入放出可能なケイ素原子を含む化合物を含有する負極のリチウム挿入に伴う膨張率は１．０５以上３．０以下である必要がある。好ましくは１．０５以上２．０以下であり、さらに好ましくは１．０５以上１．５以下、最も好ましくは１．０５以上１．２以下である。
リチウム挿入に伴う負極の膨張率は以下のように定義される。
膨張率＝（リチウム挿入時の負極合剤層の厚さ）／（リチウム放出時の負極合剤層の厚さ）
リチウム挿入時の負極合剤層の厚さは次のように評価する。すなわち金属リチウムを対極としたときの負極単極の開回路電圧が０．０５Ｖになるように電池を充電した後、該電池をアルゴンガス雰囲気下で分解して負極を取り出し、合剤層部分の厚さを測定する。
リチウム放出時の負極合剤層の厚さは次のように評価する。すなわち金属リチウムを対極としたときの負極単極の開回路電圧が０．５Ｖになるように電池を放電した後、該電池をアルゴンガス雰囲気下で分解して負極を取り出し、合剤層部分の厚さを測定する。
尚、上記の電圧に関し、０．０４５Ｖ以上０．０５５Ｖ未満であれば０．０５Ｖとみなし、０．４５Ｖ以上０．５５Ｖ未満であれば０．５Ｖとみなす。
【０００９】
本発明に用いるケイ素化合物の平均粒子サイズは０．００１〜５μｍが好ましい。特に、０．００２〜２μｍが好ましい。さらに、０．００５〜０．５μｍが好ましい。ここで述べた好ましい粒子サイズの範囲は、一般に「超微粒子」と呼ばれる粒子サイズの範囲であり、たとえば市販のケイ素粉末の粒子サイズ範囲が１〜数百μｍであるのに対し、極めて小さい。このような「超微粒子」のケイ素単体を得る方法としては、数μｍ〜数十μｍオーダーの「粗粒子」を粉砕する方法やレーザー熱化学反応法をあげることができる。本発明者はこのような「超微粒子」のケイ素化合物を用いることにより、負極の膨張率が小さくなりサイクル寿命が一層改良されることを見出した。
【００１０】
ケイ素合金は、リチウムを挿入放出した際に生じるケイ素の膨張収縮による微粉化を抑制したり、ケイ素の伝導性の低さを改良するので有効であると考えられる。合金としては、アルカリ土類金属、遷移金属あるいは半金属との合金が好ましい。特に、固溶性合金や共融性合金が好ましい。固溶性合金は固溶体を形成する合金をいう。Ｇｅの合金が固溶性合金である。共融性合金とは、ケイ素とどんな割合でも共融するが、冷却して得られる固体はケイ素と金属の混合体である合金を言う。Ｂｅ、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｄ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｚｎが共融性合金を形成する。
この中でもとくに、Ｇｅ、Ｂｅ、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｄ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｚｎの合金が好ましい。またこれらの２種以上の合金も好ましい。とくに、Ｇｅ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｚｎを含む合金が好ましい。
これらの合金の混合比率は、ケイ素に対して５〜２０００重量％が好ましい。とくに、１０〜５００重量％が好ましい。この場合、電気伝導性が向上するが電池性能、とくに、放電容量、ハイレート特性、サイクル寿命の点で、比伝導度が合金前のケイ素またはケイ素化合物の比伝導度の１０倍以上になることが好ましい。合金の平均粒子サイズは０．００１〜５μｍが好ましい。特に、０．００２〜２μｍが好ましい。さらに０．００５〜０．５μｍが好ましい。
【００１１】
ケイ化物は、ケイ素と金属の化合物を言う。ケイ化物としては、ＣａＳｉ、ＣａＳｉ₂、Ｍｇ₂Ｓｉ、ＢａＳｉ₂、ＳｒＳｉ₂、Ｃｕ₅Ｓｉ、ＦｅＳｉ、ＦｅＳｉ₂、ＣｏＳｉ₂、Ｎｉ₂Ｓｉ、ＮｉＳｉ₂、ＭｎＳｉ、ＭｎＳｉ₂、ＭｏＳｉ₂、ＣｒＳｉ₂、ＴｉＳｉ₂、Ｔｉ₅Ｓｉ₃、Ｃｒ₃Ｓｉ、ＮｂＳｉ₂、ＮｄＳｉ₂、ＣｅＳｉ₂、ＳｍＳｉ₂、ＤｙＳｉ₂、ＺｒＳｉ₂、ＷＳｉ₂、Ｗ₅Ｓｉ₃、ＴａＳｉ₂、Ｔａ₅Ｓｉ₃、ＴｍＳｉ₂、ＴｂＳｉ₂、ＹｂＳｉ₂、ＹＳｉ₂、ＹＳｉ₂、ＥｒＳｉ、ＥｒＳｉ₂、ＧｄＳｉ_2、 ＰｔＳｉ、Ｖ₃Ｓｉ、ＶＳｉ₂、ＨｆＳｉ₂、ＰｄＳｉ、ＰｒＳｉ₂、ＨｏＳｉ₂、ＥｕＳｉ₂、ＬａＳｉ、ＲｕＳｉ、ＲｅＳｉ、ＲｈＳｉ等が用いられる。
【００１２】
該ケイ素化合物として、金属ケイ化物から金属を除去したケイ素を用いることができる。このケイ素の形状としては、空洞が大きく、かなり微細な構造をもっている。このケイ素を用いるとサイクル寿命が改良される理由としては、微粉化されにくいためと考えられる。該金属ケイ化物の金属はアルカリ金属、アルカリ土類金属であることが好ましい。なかでも、Ｌｉ、Ｃａ、Ｍｇであることが好ましい。とくに、Ｌｉが好ましい。該リチウムケイ化物のリチウム含量は、ケイ素に対して、１００〜４２０モル％が好ましい。特に、２００〜４２０モル％が好ましい。アルカリ金属やアルカリ土類金属のケイ化物からアルカリ金属やアルカリ土類金属を除去する方法は、アルカリ金属やアルカリ土類金属と反応する溶媒で処理させることが好ましい。溶媒としては、水、アルコール類が好ましい。リチウムケイ化物の場合は、脱気し、かつ、脱水したアルコール類が好ましい。アルコールの種類としては、メチルアルコール、エチルアルコール、１−プロピルアルコール、２−プロピルアルコール、１−ブチルアルコール、２−ブチルアルコール、ｔ−ブチルアルコール、１−ペンチルアルコール、２−ペンチルアルコール、３−ペンチルアルコールが好ましい。とくに、１−プロピルアルコール、２−プロピルアルコール、１−ブチルアルコール、２−ブチルアルコール、ｔ−ブチルアルコールが好ましい。ＣａやＭｇの除去は、水が好ましい。中性付近に保つようなｐＨ緩衝剤を用いることが好ましい。
【００１３】
ケイ素化合物に付着させるセラミックはケイ素の微粉化の抑制に有効であると考えられる。セラミックとしては、リチウムと原則的に反応しない化合物が好ましい。とくに、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄が好ましい。
ケイ素とセラミックを付着させる方法としては、混合、加熱、蒸着、ＣＶＤが用いられるが、とくに、混合と加熱の併用が好ましい。とくに、Ａｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂のコロイド溶液（コロイダルシリカ）とケイ素を分散混合させた後、加熱し、固溶した固まりを粉砕してケイ素とＡｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂の付着物を得ることができる。この場合、Ａｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂の付着物とは、Ａｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂等の表面がケイ素粉末に覆われていたり、Ａｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂等の固まりの内部に閉じこめられていたり、ケイ素の表面がそれらが覆われていたりする状態を言う。混合分散は、機械的撹拌、超音波、混練により達成できる。加熱は不活性ガス中で３００℃〜２０００℃の範囲で行うことが好ましいが、とくに５００℃〜１２００℃が好ましい。不活性ガスはアルゴン、窒素、水素が上げられる。これらの混合ガスも用いられる。粉砕法はボールミル、振動ミル、遊星ボールミル、ジェットミルなどよく知られた方法が用いられる。この粉砕も不活性ガス中で行われることが好ましい。ケイ素に対するセラミックスの混合比は２〜２００重量％の範囲が好ましいが、とくに３〜４０％が好ましい。ケイ素の電子顕微鏡観察から求めた平均粒子サイズは、０．００１〜５μｍが好ましく、さらに０．００２〜２μｍが好ましく、とくに０．００５〜０．５μｍが好ましい。
【００１４】
本発明のケイ素化合物の金属被覆としては、電気めっき法、置換めっき法、無電解めっき法、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着、クラスターイオン蒸着法などの蒸着法、スパッタリング法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）により達成できる。とくに、無電解めっき法、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着、クラスターイオン蒸着法などの蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法が好ましい。さらに、無電解めっき法がとくに好ましい。無電解めっき法は「無電解めっき 基礎と応用」電気鍍金研究会編 日刊工業新聞社刊 （１９９４）に記載されている。その還元剤はホスフィン酸塩、ホスホン酸塩、水素化ホウ素化物、アルデヒド類、糖類、アミン類、金属塩が好ましい。ホスフィン酸水素ナトリウム、ホスホン酸水素ナトリウム、水素化ホウ素ナトリウム、ジメチルアミンボラン、ホルムアルデヒド、蔗糖、デキストリン、ヒドロキシルアミン、ヒドラジン、、アスコルビン酸、塩化チタンが好ましい。めっき液の中には還元剤の他に、ｐＨ調節剤、錯形成剤を含ませることが好ましい。これらについても上記「無電解めっき 基礎と応用」に記載されている化合物が用いられる。めっき液のｐＨはとくに限定されないが、４〜１３が好ましい。液の温度は１０℃〜１００℃が好ましいが、とくに、２０℃〜９５℃がこのましい。めっき浴の他にＳｎＣｌ２塩酸水溶液からなる活性化浴、ＰｄＣｌ２塩酸水溶液からなる核形成浴を用いたり、さらに濾過工程、水洗工程、粉砕工程、乾燥工程が用いられる。
【００１５】
また、被覆されるケイ素化合物の形態としては、粉体状、塊状、板状等のいずれもが用いられる。被覆される金属は導電性の高い金属であれば何でもよいが、とくに、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｓｎ、Ｚｎが好ましい。とくに、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｓｎ、Ｚｎが好ましく、さらに、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｓｎ、Ｚｎがとくに好ましい。被覆される金属量はとくに限定がないが、比伝導度が、素地であるケイ素化合物の比伝導度の１０倍以上になるように被覆することが好ましい。
【００１６】
本発明で用いられるケイ素化合物を熱可塑性樹脂で被覆することが好ましい。熱可塑性樹脂は含フッ素高分子化合物、イミド系高分子、ビニル系高分子、アクリレート系高分子、エステル系高分子、ポリアクリロニトリルなどが用いられる。とくに、熱可塑性樹脂は電解液に膨潤しにくい樹脂が好ましい。具体例としては、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸Ｎａ、ポリビニルフェノール、ポリビニルメチルエーテル、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリルアミド、ポリヒドロキシ（メタ）アクリレート、スチレンーマレイン酸共重合体等の水溶性ポリマー、ポリビニルクロリド、ポリテトラフルロロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体、ビニリデンフロライド−テトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー（ＥＰＤＭ）、スルホン化ＥＰＤＭ、ポリビニルアセタール樹脂、メチルメタアクリレート、２−エチルヘキシルアクリレート等の（メタ）アクリル酸エステルを含有する（メタ）アクリル酸エステル共重合体、（メタ）アクリル酸エステル−アクリロニトリル共重合体、ビニルアセテート等のビニルエステルを含有するポリビニルエステル共重合体、スチレンーブタジエン共重合体、アクリロニトリルーブタジエン共重合体、ポリブタジエン、ネオプレンゴム、フッ素ゴム、ポリエチレンオキシド、ポリエステルポリウレタン樹脂、ポリエーテルポリウレタン樹脂、ポリカーボネートポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等のエマルジョン（ラテックス）あるいはサスペンジョンを挙げることが出来る。特にポリアクリル酸エステル系のラテックス、カルボキシメチルセルロース、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンが挙げられる。
これらの化合物は単独または混合して用いることが出来る。とくに、含フッ素高分子化合物が好ましい。なかでもポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンが好ましい。あらかじめ被覆する方法としては、熱可塑性樹脂を溶剤に溶解させておき、その溶液にケイ素化合物を混合、混練する。その溶液を乾燥し、得られた固形物を粉砕する方法が好ましい。ケイ素化合物に対する熱可塑性樹脂の使用量としては、２〜２００重量％が好ましい。とくに、３〜５０重量％が好ましい。被覆率は５〜９５％が好ましいが、とくに、５〜９０％が好ましい。被覆された粒子の平均サイズは、０．００１〜５μｍが好ましい。とくに、０．００２〜２μｍが好ましい。さらに０．００５〜０．５μｍが好ましい。
【００１７】
本発明では、ケイ素化合物と炭素質化合物を混合して用いることが好ましい。炭素質材料は導電剤や負極材料で用いられる材料が用いられる。炭素質材料としては、難黒鉛化炭素材料と黒鉛系炭素材料を挙げることができる。具体的には、特開昭６２−１２２０６６号、特開平２−６６８５６号、同３−２４５４７３号等の各公報に記載される面間隔や密度、結晶子の大きさの炭素材料、特開平５−２９０８４４号公報に記載の天然黒鉛と人造黒鉛の混合物、特開昭６３−２４５５５号、同６３−１３２８２号、同６３−５８７６３号、特開平６−２１２６１７号公報に記載の気相成長炭素材料、特開平５−１８２６６４号公報に記載の難黒鉛化炭素を２４００℃を超える温度で加熱焼成された材料であり、かつ複数の００２面に相当するＸ線回折のピークを持つ材料、特開平５−３０７９５７号、同５−３０７９５８号、同７−８５８６２号、同８−３１５８２０号公報に記載のピッチ焼成により合成されたメソフェース炭素材料、特開平６−８４５１６号公報に記載の被覆層を有する黒鉛、さらには、各種の粒状体、微小球体、平板状体、微小繊維、ウィスカーの形状の炭素材料、フェノール樹脂、アクリロニトリル樹脂、フルフリルアルコール樹脂の焼成体、水素原子を含むポリアセン材料などの炭素材料等を挙げることができる。
さらに、導電剤としての具体例としては、鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛等の天然黒鉛、石油コークス、石炭コークス、セルロース類、糖類、メソフェーズピッチ等の高温焼成体、気相成長黒鉛等の人工黒鉛等のグラファイト類、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類、アスファルトピッチ、コールタール、活性炭、メソフューズピッチ、ポリアセン等の炭素材料が好ましい。これらは単独で用いても良いし、混合物として用いても良い。
【００１８】
とくに、特開平５−１８２６６４号公報に記載の炭素材料や各種の粒状体、微小球体、平板状体、繊維、ウィスカーの形状の炭素材料、また、メソフェーズピッチ、フェノール樹脂、アクリロニトリル樹脂の焼成体、さらに、水素原子を含むポリアセン材料が好ましい。
なかでも、鱗片状天然黒鉛が合剤膜を強固にさせるため好ましい。
混合比は、ケイ素化合物に対して、０〜２０００重量％が好ましい。とくに、１０〜１０００重量％が好ましい。さらに、２０〜５００重量％が好ましい。
導電剤としては、炭素の他金属を用いることができる。Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｆｅが好ましい。
【００１９】
ケイ素化合物負極材料の充放電範囲としては、挿入放出できるリチウムとケイ素原子の比をＬｉｘＳｉで表すとき、ｘ＝０〜４．２が好ましい。ケイ素のサイクル寿命改良を鋭意検討した結果、ｘ＝０〜３．７の範囲に留めるとサイクル寿命が大きく改良することを見いだした。充電電位では、リチウム金属対極に対して、ｘ＝４．２では、過電圧を含めて、０．０Ｖであるのに対し、ｘ＝３．７では、約０．０５Ｖであった。
このとき、放電曲線の形状は変化し、０．０Ｖ充電折り返しでは０．５Ｖ（体リチウム金属）付近に平坦な放電曲線が得られるのに対し、０．０５Ｖ以上、とくに０．０８Ｖ以上（ｘ＝３．６）では、約０．４Ｖに平均電圧をもつなだらかな曲線が得られる。即ち、充電終始電圧を上げた方が放電電位が下がるという特異的な現象を見いだし、かつ、充放電反応の可逆性もあがった現象を見いだしたことを示している。
【００２０】
ケイ素化合物の高容量を維持しつつ、サイクル寿命を改良する効果を持つ方法を個々に記述してきたが、上記方法の組み合わせによりさらに高い改良効果を得ることを見いだした。
【００２１】
本発明では、負極材料として、本発明のケイ素化合物の他炭素質材料、酸化物材料、窒化物材料、硫化物材料、リチウム金属、リチウム合金などリチウムを挿入放出できる化合物と組み合わせることができる。
【００２２】
本発明で用いられる正極材料はリチウム含有遷移金属酸化物である。好ましくはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれる少なくとも１種の遷移金属元素とリチウムとを主として含有する酸化物であって、リチウムと遷移金属のモル比が０．３乃至２．２の化合物である。より好ましくは、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種の遷移金属元素とリチウムとを主として含有する酸化物であって、リチウムと遷移金属のモル比が０．３乃至２．２の化合物である。なお主として存在する遷移金属に対し３０モルパーセント未満の範囲でＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓｉ、Ｐ、Ｂなどを含有していても良い。
上記の正極活物質の中で、一般式Ｌｉ_xＭＯ₂（Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ ｘ＝０〜１．２）、またはＬｉ_yＮ₂Ｏ₄（Ｎ＝Ｍｎ ｙ＝０〜２）で表されるスピネル構造を有する材料の少なくとも１種を用いることがこのましい。具体的には、ＬｉxＣｏＯ₂、Ｌｉ_xＮｉＯ₂、Ｌｉ_xＭｎＯ₂、Ｌｉ_xＣｏ_aＮｉ_1-aＯ₂、Ｌｉ_xＣｏ_bＶ_1-bＯ_z 、Ｌｉ_xＣｏ_bＦｅ_1-b Ｏ₂、Ｌｉ_xＭｎ₂Ｏ₄、Ｌｉ_xＭｎ_cＣｏ_2-c Ｏ₄、Ｌｉ_xＭｎ_cＮｉ_2-c Ｏ₄、Ｌｉ_xＭｎ_cＶ_2-c Ｏ₄、Ｌｉ_xＭｎ_cＦｅ_2-c Ｏ₄（ここでｘ＝０．０２〜１．２、ａ＝０．１〜０．９、ｂ＝０．８〜０．９８、ｃ＝１．６〜１．９６、ｚ＝２．０１〜２．３）である。
最も好ましいリチウム含有遷移金属酸化物としては、Ｌｉ_xＣｏＯ₂、Ｌｉ_xＮｉＯ₂、Ｌｉ_xＭｎＯ₂、Ｌｉ_xＣｏ_aＮｉ_1-a Ｏ₂、Ｌｉ_xＭｎ₂Ｏ₄、Ｌｉ_xＣｏ_bＶ_{1 -b} Ｏ_z（ｘ＝０．０２〜１．２、ａ＝０．１〜０．９、ｂ＝０．９〜０．９８、ｚ＝２．０１〜２．３）があげられる。なおｘの値は充放電開始前の値であり、充放電により増減する。
本発明で用いる正極活物質は、リチウム化合物と遷移金属化合物を混合、焼成する方法や溶液反応により合成することができるが、特に焼成法が好ましい。
焼成の為の詳細は、特開平６−６０，８６７号の段落３５、特開平７−１４，５７９号等に記載されており、これらの方法を用いることができる。焼成によって得られた正極活物質は水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液、有機溶剤にて洗浄した後使用してもよい。
更に、遷移金属酸化物に化学的にリチウムイオンを挿入する方法としては、リチウム金属、リチウム合金やブチルリチウムと遷移金属酸化物と反応させることにより合成する方法であっても良い。
【００２３】
本発明で用いる正極活物質の平均粒子サイズは特に限定されないが、０．１〜５０μｍが好ましい。０．５〜３０μｍの粒子の体積が９５％以上であることが好ましい。粒径３μｍ以下の粒子群の占める体積が全体積の１８％以下であり、かつ１５μｍ以上２５μｍ以下の粒子群の占める体積が、全体積の１８％以下であることが更に好ましい。比表面積としては特に限定されないが、ＢＥＴ法で０．０１〜５０ｍ² ／ｇが好ましく、特に０．２ｍ² ／ｇ〜１ｍ² ／ｇが好ましい。また正極活物質５ｇを蒸留水１００ｍｌに溶かした時の上澄み液のｐＨとしては７以上１２以下が好ましい。
【００２４】
本発明の正極活物質を焼成によって得る場合、焼成温度としては５００〜１５００℃であることが好ましく、さらに好ましくは７００〜１２００℃であり、特に好ましくは７５０〜１０００℃である。焼成時間としては４〜３０時間が好ましく、さらに好ましくは６〜２０時間であり、特に好ましくは６〜１５時間である。
【００２５】
本発明の合剤に使用される導電剤は、構成された電池において化学変化を起こさない電子伝導性材料であれば何でもよい。具体例としては、鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛等の天然黒鉛、石油コークス、石炭コークス、セルロース類、糖類、メソフェーズピッチ等の高温焼成体、気相成長黒鉛等の人工黒鉛等のグラファイト類、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類、アスファルトピッチ、コールタール、活性炭、メソフューズピッチ、ポリアセン等の炭素材料、金属繊維等の導電性繊維類、銅、ニッケル、アルミニウム、銀等の金属粉類、酸化亜鉛、チタン酸カリウム等の導電性ウィスカー類、酸化チタン等の導電性金属酸化物等を挙げる事ができる。黒鉛では、アスペクト比が５以上の平板状のものを用いると好ましい。これらの中では、グラファイトやカーボンブラックが好ましく、粒子の大きさは、０．０１μｍ以上、２０μｍ以下が好ましく、０．０２μｍ以上、１０μｍ以下の粒子がより好ましい。これらは単独で用いても良いし、２種以上を併用してもよい。併用する場合は、アセチレンブラック等のカーボンブラック類と、１〜１５μｍの黒鉛粒子を併用すると好ましい。
導電剤の合剤層への添加量は、負極材料または正極材料に対し１〜５０重量％であることが好ましく、特に２〜３０重量％であることが好ましい。カーボンブラックやグラファイトでは、３〜２０重量％であることが特に好ましい。
【００２６】
本発明では電極合剤を保持するために結着剤を用いる。結着剤の例としては、多糖類、熱可塑性樹脂及びゴム弾性を有するポリマー等が挙げられる。好ましい結着剤としては、でんぷん、カルボキシメチルセルロース、セルロース、ジアセチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、アルギン酸Ｎａ、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸Ｎａ、ポリビニルフェノール、ポリビニルメチルエーテル、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリルアミド、ポリヒドロキシ（メタ）アクリレート、スチレンーマレイン酸共重合体等の水溶性ポリマー、ポリビニルクロリド、ポリテトラフルロロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体、ビニリデンフロライド−テトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー（ＥＰＤＭ）、スルホン化ＥＰＤＭ、ポリビニルアセタール樹脂、メチルメタアクリレート、２−エチルヘキシルアクリレート等の（メタ）アクリル酸エステルを含有する（メタ）アクリル酸エステル共重合体、（メタ）アクリル酸エステル−アクリロニトリル共重合体、ビニルアセテート等のビニルエステルを含有するポリビニルエステル共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体、ポリブタジエン、ネオプレンゴム、フッ素ゴム、ポリエチレンオキシド、ポリエステルポリウレタン樹脂、ポリエーテルポリウレタン樹脂、ポリカーボネートポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等のエマルジョン（ラテックス）あるいはサスペンジョンを挙げることが出来る。特にポリアクリル酸エステル系のラテックス、カルボキシメチルセルロース、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンが挙げられる。これらの結着剤は、微小粉末を水に分散したものを用いるのが好ましい。また有機溶剤に溶解または分散して用いるのも好ましい。分散して用いる場合、分散液中の粒子の平均サイズが０．０１〜５μｍのものを用いるのがより好ましく、０．０５〜１μｍのものを用いるのが特に好ましい。
これらの結着剤は単独または混合して用いることが出来る。結着剤の添加量が少ないと電極合剤の保持力・凝集力が弱い。多すぎると電極体積が増加し電極単位体積あるいは単位重量あたりの容量が減少する。このような理由で結着剤の添加量は１〜３０重量％が好ましく、特に２〜１０重量％が好ましい。
【００２７】
充填剤は、構成された電池において、化学変化を起こさない繊維状材料であれば何でも用いることができる。通常、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのオレフィン系ポリマー、ガラス、炭素などの繊維が用いられる。フィラーの添加量は特に限定されないが、０〜３０重量％が好ましい。
イオン導電剤は、無機及び有機の固体電解質として知られている物を用いることができ、詳細は電解液の項に記載されている。
圧力増強剤は、電池の内圧を上げる化合物であり、炭酸リチウム等の炭酸塩が代表例である。
【００２８】
本発明で使用できる集電体は正極はアルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、またはこれらの合金であり、負極は銅、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、またはこれらの合金である。集電体の形態は箔、エキスパンドメタル、パンチングメタル、もしくは金網である。特に、正極にはアルミニウム箔、負極には銅箔が好ましい。
【００２９】
箔の厚みとしては７μｍ〜１００μｍが好ましく、さらに好ましくは７μｍ〜５０μｍであり、特に好ましくは７μｍ〜２０μｍである。エキスパンドメタル、パンチングメタル、金網の厚みとしては７μｍ〜２００μｍが好ましく、さらに好ましくは７μｍ〜１５０μｍであり、特に好ましくは７μｍ〜１００μｍである。
集電体の純度としては９８％以上が好ましく、さらに好ましくは９９％以上であり、特に好ましくは９９．３％以上である。集電体の表面は酸、アルカリ、有機溶剤などにより洗浄してもよい。
【００３０】
集電体は、厚さを薄くするため、プラスチックシートの両面上に金属層を形成したものがさらに好ましい。プラスチックは、延伸性及び耐熱性に優れたものが好ましく、例えばポリエチレンテレフタレートである。金属だけでは、弾性がほとんどないので、外力に弱い。プラスチック上に金属層を形成すれば、衝撃に強くなる。より具体的には、集電体は、合成樹脂フィルムや紙等の基材を電子伝導性の物質で被覆した複合集電体であっても良い。基材となる合成樹脂フィルムとしては、フッ素樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリアミド、セルロース誘電体、ポリスルホンを挙げることができる。基材を被覆する電子伝導性の物質としては、黒鉛やカーボンブラック等の炭素質材料、アルミニウム、銅、ニッケル、クロム、鉄、モリブデン、金、銀等の金属元素及びこれらの合金を挙げることができる。特に好ましい電子伝導性の物質は金属であり、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス鋼である。複合集電体は、基材のシートと金属シートを張り合わせる形態であってもよいし、蒸着等により金属層を形成してもよい。
【００３１】
次に本発明における正負電極の構成について説明する。正負電極は集電体の両面に電極合剤を塗布した形態であることが好ましい。この場合、片面あたりの層数は１層であっても２層以上から構成されていても良い。片面あたりの層の数が２以上である場合、正極活物質（もしくは負極材料）含有層が２層以上であっても良い。より好ましい構成は、正極活物質（もしくは負極材料）を含有する層と正極活物質（もしくは負極材料）を含有しない層から構成される場合である。
正極活物質（もしくは負極材料）を含有しない層には、正極活物質（もしくは負極材料）を含有する層を保護するための保護層、分割された正極活物質（もしくは負極材料）含有層の間にある中間層、正極活物質（もしくは負極材料）含有層と集電体との間にある下塗り層等があり、本発明においてはこれらを総称して補助層と言う。
【００３２】
保護層は正負電極の両方または正負電極のいずれかにあることが好ましい。負極において、リチウムを電池内で負極材料に挿入する場合は負極は保護層を有する形態であることが望ましい。保護層は、少なくとも１層からなり、同種又は異種の複数層により構成されていても良い。また、集電体の両面の合剤層の内の片面にのみ保護層を有する形態であっても良い。これらの保護層は、水不溶性の粒子と結着剤等から構成される。結着剤は、前述の電極合剤を形成する際に用いられる結着剤を用いることが出来る。水不溶性の粒子としては、種種の導電性粒子、実質的に導電性を有さない有機及び無機の粒子を用いることができる。水不溶性粒子の水への溶解度は、１００PPM 以下、好ましくは不溶性のものが好ましい。
保護層に含まれる粒子の割合は２．５重量％以上、９６重量％以下が好ましく、５重量％以上、９５重量％以下がより好ましく、１０重量％以上、９３重量％以下が特に好ましい。
【００３３】
水不溶性の導電性粒子としては、金属、金属酸化物、金属繊維、炭素繊維、カーボンブラックや黒鉛等の炭素粒子を挙げることが出来る。これらの水不溶導電性粒子の中で、アルカリ金属特にリチウムとの反応性が低いものが好ましく、金属粉末、炭素粒子がより好ましい。粒子を構成する元素の２０℃における電気抵抗率としては、５×１０⁹ Ω・ｍ以下が好ましい。
【００３４】
金属粉末としては、リチウムとの反応性が低い金属、即ちリチウム合金を作りにくい金属が好ましく、具体的には、銅、ニッケル、鉄、クロム、モリブデン、チタン、タングステン、タンタルが好ましい。これらの金属粉末の形は、針状、柱状、板状、塊状のいずれでもよく、最大径が０．０２μｍ以上、２０μｍ以下が好ましく、０．１μｍ以上、１０μｍ以下がより好ましい。これらの金属粉末は、表面が過度に酸化されていないものが好ましく、酸化されているときには還元雰囲気で熱処理することが好ましい。
【００３５】
炭素粒子としては、従来電極活物質が導電性でない場合に併用する導電材料として用いられる公知の炭素材料を用いることが出来る。具体的には電極合剤を作る際に用いられる導電剤が用いられる。
【００３６】
実質的に導電性を持たない水不溶性粒子としては、テフロンの微粉末、ＳｉＣ、窒化アルミニウム、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、ムライト、フォルステライト、ステアタイトを挙げることが出来る。これらの粒子は、導電性粒子と併用してもよく、導電性粒子の０．０１倍以上、１０倍以下で使うと好ましい。
【００３７】
正（負）の電極シートは正（負）極の合剤を集電体の上に塗布、乾燥、圧縮する事により作成する事ができる。
合剤の調製は正極活物質（あるいは負極材料）および導電剤を混合し、結着剤（樹脂粉体のサスペンジョンまたはエマルジョン状のもの）、および分散媒を加えて混練混合し、引続いて、ミキサー、ホモジナイザー、ディゾルバー、プラネタリミキサー、ペイントシェイカー、サンドミル等の攪拌混合機、分散機で分散して行うことが出来る。分散媒としては水もしくは有機溶媒が用いられるが、水が好ましい。このほか、適宜充填剤、イオン導電剤、圧力増強剤等の添加剤を添加しても良い。分散液のｐＨは負極では５〜１０、正極では７〜１２が好ましい。
【００３８】
塗布は種々の方法で行うことが出来るが、例えば、リバースロール法、ダイレクトロール法、ブレード法、ナイフ法、エクストルージョン法、スライド法、カーテン法、グラビア法、バー法、ディップ法及びスクイーズ法を挙げることが出来る。エクストルージョンダイを用いる方法、スライドコーターを用いる方法が特に好ましい。塗布は、０．１〜１００ｍ／分の速度で実施されることが好ましい。この際、合剤ペーストの液物性、乾燥性に合わせて、上記塗布方法を選定することにより、良好な塗布層の表面状態を得ることが出来る。電極層が複数の層である場合にはそれらの複数層を同時に塗布することが、均一な電極の製造、製造コスト等の観点から好ましい。その塗布層の厚み、長さや巾は、電池の大きさにより決められる。典型的な塗布層の厚みは乾燥後圧縮された状態で１０〜１０００μｍである。
塗布後の電極シートは、熱風、真空、赤外線、遠赤外線、電子線及び低湿風の作用により乾燥、脱水される。これらの方法は単独あるいは組み合わせて用いることが出来る。乾燥温度は８０〜３５０℃の範囲が好ましく、特に１００〜２６０℃の範囲が好ましい。乾燥後の含水量は２０００ｐｐｍ以下が好ましく、５００ｐｐｍ以下がより好ましい。
電極シートの圧縮は、一般に採用されているプレス方法を用いることが出来るが、特に金型プレス法やカレンダープレス法が好ましい。プレス圧は、特に限定されないが、１０ｋｇ／ｃｍ² 〜３ｔ／ｃｍ² が好ましい。カレンダープレス法のプレス速度は、０．１〜５０ｍ／分が好ましい。プレス温度は、室温〜２００℃が好ましい。
【００３９】
本発明で使用できるセパレータは、イオン透過度が大きく、所定の機械的強度を持ち、絶縁性の薄膜であれば良く、材質として、オレフィン系ポリマー、フッ素系ポリマー、セルロース系ポリマー、ポリイミド、ナイロン、ガラス繊維、アルミナ繊維が用いられ、形態として、不織布、織布、微孔性フィルムが用いられる。特に、材質として、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリプロピレンとポリエチレンの混合体、ポリプロピレンとテフロンの混合体、ポリエチレンとテフロンの混合体が好ましく、形態として微孔性フィルムであるものが好ましい。特に、孔径が０．０１〜１μｍ、厚みが５〜５０μｍの微孔性フィルムが好ましい。これらの微孔性フィルムは単独の膜であっても、微孔の形状や密度等や材質等の性質の異なる２層以上からなる複合フィルムであっても良い。例えば、ポリエチレンフィルムとポリプロピレンフィルムを張り合わせた複合フィルムを挙げることができる。
【００４０】
電解液は一般に支持塩と溶媒から構成される。リチウム二次電池における支持塩はリチウム塩が主として用いられる。
本発明で使用出来るリチウム塩としては、例えば、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＣＦ₃ＣＯ₂、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＳｂＦ₆、ＬｉＢ₁₀Ｃｌ₁₀、ＬｉＯＳＯ₂Ｃ_nＦ_2n+1で表されるフルオロスルホン酸（ｎは６以下の正の整数）、ＬｉＮ（ＳＯ₂ Ｃ_n Ｆ_2n+1）（ＳＯ₂ Ｃ_m Ｆ_2m+1）で表されるイミド塩（ｍ、ｎはそれぞれ６以下の正の整数）、ＬｉＣ（ＳＯ₂ Ｃ_p Ｆ_2p+1）（ＳＯ₂ Ｃ_q Ｆ_2q+1）（ＳＯ₂ Ｃ_r Ｆ_2r+1）で表されるメチド塩（ｐ、ｑ、ｒはそれぞれ６以下の正の整数）、低級脂肪族カルボン酸リチウム、ＬｉＡｌＣｌ₄ 、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、クロロボランリチウム、四フェニルホウ酸リチウムなどのＬｉ塩を上げることが出来、これらの一種または二種以上を混合して使用することができる。なかでもＬｉＢＦ₄ 及び／あるいはＬｉＰＦ₆ を溶解したものが好ましい。
支持塩の濃度は、特に限定されないが、電解液１リットル当たり０．２〜３モルが好ましい。
【００４１】
本発明で使用できる溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネート、炭酸トリフルオロメチルエチレン、炭酸ジフルオロメチルエチレン、炭酸モノフルオロメチルエチレン、六フッ化メチルアセテート、三フッ化メチルアセテート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、ギ酸メチル、酢酸メチル、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、１，３−ジオキソラン、２，２−ビス（トリフルオロメチル）−１，３−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、ジオキサン、アセトニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、リン酸トリエステル、ホウ酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、３−メチル−２−オキサゾリジノン、３−アルキルシドノン（アルキル基はプロピル、イソプロピル、ブチル基等）、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エチルエーテル、１，３−プロパンサルトンなどの非プロトン性有機溶媒を挙げることができ、これらの一種または二種以上を混合して使用する。これらのなかでは、カーボネート系の溶媒が好ましく、環状カーボネートと非環状カーボネートを混合して用いるのが特に好ましい。環状カーボネートとしてはエチレンカーボネート、プロピレンカーボネートが好ましい。また、非環状カーボネートとしては、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネートをが好ましい。
本発明で使用できる電解液としては、エチレンカーボネート、プロピレンカ−ボネ−ト、１，２−ジメトキシエタン、ジメチルカーボネートあるいはジエチルカーボネートを適宜混合した電解液にＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＢＦ₄および／またはＬｉＰＦ₆を含む電解液が好ましい。特にプロピレンカーボネートもしくはエチレンカーボネートの少なくとも一方とジメチルカーボネートもしくはジエチルカーボネートの少なくとも一方の混合溶媒に、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＣｌＯ₄、もしくはＬｉＢＦ₄の中から選ばれた少なくとも一種の塩とＬｉＰＦ₆を含む電解液が好ましい。これら電解液を電池内に添加する量は特に限定されず、正極材料や負極材料の量や電池のサイズに応じて用いることができる。
【００４２】
また、電解液の他に次の様な固体電解質も併用することができる。
固体電解質としては、無機固体電解質と有機固体電解質に分けられる。
無機固体電解質には、Ｌｉの窒化物、ハロゲン化物、酸素酸塩などがよく知られている。なかでも、Ｌｉ₃Ｎ、ＬｉＩ、Ｌｉ₅Ｎ_I2、Ｌｉ₃Ｎ−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ₄ＳｉＯ₄、Ｌｉ₄ＳｉＯ₄−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、xＬｉ₃ＰＯ₄−_(1-x) Ｌｉ₄ＳｉＯ₄、Ｌｉ₂ＳｉＳ₃、硫化リン化合物などが有効である。
【００４３】
有機固体電解質では、ポリエチレンオキサイド誘導体か該誘導体を含むポリマー、ポリプロピレンオキサイド誘導体あるいは該誘導体を含むポリマー、イオン解離基を含むポリマー、イオン解離基を含むポリマーと上記非プロトン性電解液の混合物、リン酸エステルポリマー、非プロトン性極性溶媒を含有させた高分子マトリックス材料が有効である。さらに、ポリアクリロニトリルを電解液に添加する方法もある。また、無機と有機固体電解質を併用する方法も知られている。
【００４４】
また、放電や充放電特性を改良する目的で、他の化合物を電解質に添加しても良い。例えば、ピリジン、ピロリン、ピロール、トリフェニルアミン、フェニルカルバゾール、トリエチルフォスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、ｎ−グライム、ヘキサリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、硫黄、キノンイミン染料、Ｎ−置換オキサゾリジノンとＮ, Ｎ’−置換イミダリジノン、エチレングリコールジアルキルエーテル、第四級アンモニウム塩、ポリエチレングリコール、ピロール、２−メトキシエタノール、ＡｌＣｌ₃ 、導電性ポリマー電極活物質のモノマー、トリエチレンホスホルアミド、トリアルキルホスフィン、モルホリン、カルボニル基を持つアリール化合物、１２−クラウン−４のようなクラウンエーテル類、ヘキサメチルホスホリックトリアミドと４−アルキルモルホリン、二環性の三級アミン、オイル、四級ホスホニウム塩、三級スルホニウム塩などを挙げることができる。特に好ましいのはトリフェニルアミン、フェニルカルバゾールを単独もしくは組み合わせて用いた場合である。
【００４５】
また、電解液を不燃性にするために含ハロゲン溶媒、例えば、四塩化炭素、三弗化塩化エチレンを電解液に含ませることができる。また、高温保存に適性をもたせるために電解液に炭酸ガスを含ませることができる。
【００４６】
電解液は、水分及び遊離酸分をできるだけ含有しないことが望ましい。このため、電解液の原料は充分な脱水と精製をしたものが好ましい。また、電解液の調整は、露点がマイナス３０℃以下の乾燥空気中もしくは不活性ガス中が好ましい。電解液中の水分及び遊離酸分の量は、０．１〜５００ｐｐｍ、より好ましくは０．２〜１００ｐｐｍである。
【００４７】
電解液は、全量を１回で注入してもよいが、２回以上に分けて注入することが好ましい。２回以上に分けて注入する場合、それぞれの液は同じ組成でも、違う組成（例えば、非水溶媒あるいは非水溶媒にリチウム塩を溶解した溶液を注入した後、前記溶媒より粘度の高い非水溶媒あるいは非水溶媒にリチウム塩を溶解した溶液を注入）でも良い。また、電解液の注入時間の短縮等のために、電池缶を減圧したり、電池缶に遠心力や超音波をかけることを行ってもよい。
【００４８】
本発明で使用できる電池缶および電池蓋は材質としてニッケルメッキを施した鉄鋼板、ステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３０４Ｎ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４４４等）、ニッケルメッキを施したステンレス鋼板（同上）、アルミニウムまたはその合金、ニッケル、チタン、銅であり、形状として、真円形筒状、楕円形筒状、正方形筒状、長方形筒状である。特に、外装缶が負極端子を兼ねる場合は、ステンレス鋼板、ニッケルメッキを施した鉄鋼板が好ましく、外装缶が正極端子を兼ねる場合は、ステンレス鋼板、アルミニウムまたはその合金が好ましい。電池缶の形状はボタン、コイン、シート、シリンダー、角などのいずれでも良い。
電池缶の内圧上昇の対策として封口板に安全弁を用いることができる。この他、電池缶やガスケット等の部材に切り込みをいれる方法も利用することが出来る。この他、従来から知られている種々の安全素子（例えば、過電流防止素子として、ヒューズ、バイメタル、ＰＴＣ素子等）を備えつけても良い。
【００４９】
本発明で使用するリード板には、電気伝導性をもつ金属（例えば、鉄、ニッケル、チタン、クロム、モリブデン、銅、アルミニウム等）やそれらの合金を用いることが出来る。電池蓋、電池缶、電極シート、リード板の溶接法は、公知の方法（例、直流又は交流の電気溶接、レーザー溶接、超音波溶接）を用いることが出来る。封口用シール剤は、アスファルト等の従来から知られている化合物や混合物を用いることが出来る。
【００５０】
本発明で使用できるガスケットは、材質として、オレフィン系ポリマー、フッ素系ポリマー、セルロース系ポリマー、ポリイミド、ポリアミドであり、耐有機溶媒性及び低水分透過性から、オレフィン系ポリマーが好ましく、特にプロピレン主体のポリマーが好ましい。さらに、プロピレンとエチレンのブロック共重合ポリマーであることが好ましい。
【００５１】
以上のようにして組み立てられた電池は、エージング処理を施すのが好ましい。エージング処理には、前処理、活性化処理及び後処理などがあり、これにより高い充放電容量とサイクル性に優れた電池を製造することができる。前処理は、電極内のリチウムの分布を均一化するための処理で、例えば、リチウムの溶解制御、リチウムの分布を均一にするための温度制御、揺動及び／または回転処理、充放電の任意の組み合わせが行われる。活性化処理は電池本体の負極に対してリチウムを挿入させるための処理で、電池の実使用充電時のリチウム挿入量の５０〜１２０％を挿入するのが好ましい。後処理は活性化処理を十分にさせるための処理であり、電池反応を均一にするための保存処理と、判定のための充放電処理当があり、任意に組み合わせることができる。
【００５２】
本発明の活性化前の好ましいエージング条件（前処理条件）は次の通りである。
温度は３０℃以上７０℃以下が好ましく、３０℃以上６０℃以下がより好ましく、４０℃以上６０℃以下がさらに好ましい。また、開路電圧は２．５Ｖ以上３．８Ｖ以下が好ましく、２．５Ｖ以上３．５Ｖ以下がより好ましく、２．８Ｖ以上３．３Ｖ以下がさらに好ましい。エージング期間は１日以上２０日以下が好ましく、１日以上１５日以下が特に好ましい。
活性化の充電電圧は４．０Ｖ以上が好ましく、４．０５Ｖ以上４．３Ｖ以下がより好ましく、４．１Ｖ以上４．２Ｖ以下が更に好ましい。
活性化後のエージング条件としては、開路電圧が３．９Ｖ以上４．３Ｖ以下が好ましく、４．０Ｖ以上４．２Ｖ以下が特に好ましく、温度は３０℃以上７０℃以下が好ましく、４０℃以上６０℃以下が特に好ましい。エージング期間は０．２日以上２０日以下が好ましく、０．５日以上５日以下が特に好ましい。
【００５３】
本発明の電池は必要に応じて外装材で被覆される。外装材としては、熱収縮チューブ、粘着テープ、金属フィルム、紙、布、塗料、プラスチックケース等がある。また、外装の少なくとも一部に熱で変色する部分を設け、使用中の熱履歴がわかるようにしても良い。
【００５４】
本発明の電池は必要に応じて複数本を直列及び／または並列に組み電池パックに収納される。電池パックには正温度係数抵抗体、温度ヒューズ、ヒューズ及び／または電流遮断素子等の安全素子の他、安全回路（各電池及び／または組電池全体の電圧、温度、電流等をモニターし、必要なら電流を遮断する機能を有す回路）を設けても良い。また電池パックには、組電池全体の正極及び負極端子以外に、各電池の正極及び負極端子、組電池全体及び各電池の温度検出端子、組電池全体の電流検出端子等を外部端子として設けることもできる。また電池パックには、電圧変換回路（ＤＣ−ＤＣコンバータ等）を内蔵しても良い。また各電池の接続は、リード板を溶接することで固定しても良いし、ソケット等で容易に着脱できるように固定しても良い。さらには、電池パックに電池残存容量、充電の有無、使用回数等の表示機能を設けても良い。
【００５５】
本発明の電池は様々な機器に使用される。特に、ビデオムービー、モニター内蔵携帯型ビデオデッキ、モニター内蔵ムービーカメラ、デジタルカメラ、コンパクトカメラ、一眼レフカメラ、レンズ付きフィルム、ノート型パソコン、ノート型ワープロ、電子手帳、携帯電話、コードレス電話、ヒゲソリ、電動工具、電動ミキサー、自動車等に使用されることが好ましい。
【００５６】
【実施例】
以下に具体例をあげ、本発明をさらに詳しく説明するが、発明の主旨を越えない限り、本発明は実施例に限定されるものではない。尚、以下の実施例において、実施例１及び３は参考例である。
【００５７】
実施例１
負極材料として平均粒子サイズ０．６μｍの多結晶ケイ素単体（化合物−１−１）、平均粒子サイズ０．０１μｍの多結晶ケイ素単体（化合物−１−２）、冶金学的に合成した以下の合金化合物として、Ｓｉ−Ａｇ合金（化合物−２ 重量比２０−８０）、Ｓｉ−Ａｌ（化合物−３ 重量比３０−７０）、Ｓｉ−Ａｇ−Ｃｄ（化合物−４ 重量比２０−７０−１０）、Ｓｉ−Ｚｎ（化合物−５ 重量比３０−７０）、Ｓｉ−Ａｕ（化合物ー６ 重量比２０−８０）、Ｓｉ−Ａｇ−Ｉｎ（化合物−７ 重量比２０−７０−１０）、Ｓｉ−Ｇｅ（化合物−８ 重量比４０−６０）、Ｓｉ−Ａｇ−Ｓｎ（化合物−９ 重量比２０−７０−１０）、Ｓｉ−Ａｇ−Ｓｂ（化合物−１０ 重量比２０−７０−１０）、冶金学的に合成したＬｉ₄ Ｓｉからイソプロピルアルコールを用いてＬｉを溶出させたケイ素をアルゴンガス中で粉砕して得られたケイ素（化合物−１１）、多結晶ケイ素とコロイダルシリカを混合し、９００℃で加熱して得られた固形物をアルゴンガス中で振動ミルにて粉体にしたＳｉ−ＳｉＯ₂（化合物−１２ 重量比８０−２０）、同様の方法で得られたＳｉ−Ａｌ₂Ｏ₃（化合物−１３ 重量比８０−２０）、無電解めっき法にて多結晶ケイ素表面にめっきした化合物として、ＡｇめっきしたＳｉ（化合物−１４ Ｓｉ−Ａｇの重量比 ５５−４５）、同じくＮｉめっきしたケイ素（化合物−１５ Ｓｉ−Ｎｉの重量比 ５５−４５）、同じくＺｎめっきしたケイ素（化合物−１６ Ｓｉ−Ｚｎの重量比 ５５−４５）、ポリフッ化ビニリデン３ｇをＮ−メチルピロリドン２０ｇに溶かした液にケイ素を３０ｇ添加し、混合混練した後、乾燥し、アルゴンガス中で振動ミルにて粉砕した粉体（化合物−１７）を用いた。化合物−１１を無電解めっき法にてＡｇを被覆した化合物（化合物−１８ Ｓｉ−Ａｇの重量比率５５−４５）、化合物−１２を無電解めっき法にてＡｇを被覆した化合物（化合物−１９ Ｓｉ−ＳｉＯ₂−Ａｇの重量比率５０−１０−４０）、同じく化合物−１２を用いてポリフッ化ビニリデンで被覆した化合物（化合物−２０ Ｓｉ−ＳｉＯ₂−ポリフッ化ビニリデンの重量比７５−１５−１０）を用いた。
上記負極材料のうち化合物２〜２０はいずれも平均粒子サイズ０．０１〜１μｍの範囲の粒子を用いた。
これらを重量比でケイ素と鱗片状天然黒鉛が４０−６０になるように混合して得られた粉体を１７０ｇ、結着剤としてポリ沸化ビニリデン３０ｇをＮ−メチル−２−ピロリドン ５００ｍｌに分散して、負極ペーストを作成した。
【００５８】
正極活物質ＬｉＣｏＯ₂を２００ｇとアセチレンブラック１０ｇと鱗片状人造黒鉛１０ｇとをホモジナイザーで混合し、続いて結着剤としてポリ沸化ビニリデン５ｇを混合し、Ｎ−メチル−２−ピロリドン ５００ｍｌを加え混練混合し、正極合剤ペーストを作成した。
【００５９】
上記で作成した正極合剤ペーストをブレードコーターで厚さ３０μｍのアルミニウム箔集電体の両面に塗布、１５０℃乾燥後ローラープレス機で圧縮成型し所定の大きさに裁断し、帯状の正極シートを作成した。さらにドライボックス（露点；−５０℃以下の乾燥空気）中で遠赤外線ヒーターにて充分脱水乾燥し、正極シートを作成した。
同様に、負極合剤ペーストを２０μｍの銅箔集電体に塗布し、上記正極シート作成と同様の方法で負極シートを作成した。
負極や正極のシートの長さを一定にし、塗布量を変えて、直径１８ｍｍ、最大高６５ｍｍの円筒形電池を作成し、正極活物質がリチウム金属に対して４．２Ｖになる第１サイクルの充電容量と上記負極材料が０．０Ｖになる第１サイクルの充電容量が合うようにそれぞれの電極合剤の塗布量を調整した。
【００６０】
次に電解液は次のようにして作成した。アルゴン雰囲気で、２００ｃｃの細口のポリプロピレン容器に６５．３ｇの炭酸ジエチルをいれ、これに液温が３０℃を越えないように注意しながら、２２．２ｇの炭酸エチレンを少量ずつ溶解した。次に、０．４ｇのＬｉＢＦ₄ 、１２．１ｇのＬｉＰＦ₆ を液温が３０℃を越えないように注意しながら、それぞれ順番に、上記ポリプロピレン容器に少量ずつ溶解した。得られた電解液は比重１．１３５で無色透明の液体であった。水分は１８ｐｐｍ（京都電子製 商品名ＭＫＣ−２１０型カールフィシャー水分測定装置で測定）、遊離酸分は２４ｐｐｍ（ブロムチモールブルーを指示薬とし、０．１規定ＮａＯＨ水溶液を用いて中和滴定して測定）であった。
【００６１】
シリンダー電池は次のようにして作成した。
図１に従い電池の作り方を説明する。上記で作成した正極シート、微孔性ポリエチレンフィルム製セパレーター、負極シートさらにセパレーターを順に積層し、これを渦巻き状に巻回した。この巻回した電極群（２）を負極端子を兼ねるニッケルめっきを施した鉄製の有底円筒型電池缶（１）に収納し、上部絶縁板（３）を更に挿入した。この電池缶内に電解液Ｅ−１を注入した後、正極端子（６）、絶縁リング、ＰＴＣ素子（６３）、電流遮断体（６２）、圧力感応弁体（６１）を積層したものをガスケット（５）を介してかしめて円筒型電池を作成した。
【００６２】
上記の円筒形電池を１．５Ａで充電する。この場合、充電は４．２Ｖまで定電流で充電し、充電開始から２．５時間が経過するまで４．２Ｖで一定に保つように充電電流を制御した。放電は０．２Ｃ電流にて３．０Ｖまで定電流で実施した。そのときの第１サイクルの放電容量、平均放電電圧、エネルギー量（放電容量×平均放電電圧）また、充放電（放電電流は１Ｃ相当）を繰り返した３０サイクル目の容量維持率を表１に示した。また負極のリチウム挿入に伴う膨張率を、本文に記載の方法にしたがって求め、表１に示した。
【００６３】
【表１】

【００６４】
実施例２
実施例１の化合物１−１、１−２、２、１１、１２、１４、１５、１７、１８、１９について、実施例１のうち、正極活物質がリチウム金属に対して４．２Ｖになる第１サイクルの充電容量と上記負極材料が０．１Ｖになる第１サイクルの充電容量が合うようにそれぞれの電極合剤の塗布量を調整した。充放電試験は、充電終始電圧が４．１Ｖになる以外は実施例−１と同じ条件で実施し、結果は表２に示した。ケイ素へのリチウム挿入量は約３．２モルであった。（ＬｉｘＳｉで表すと ｘ＝３．２を意味している。）
【００６５】
【表２】

【００６６】
実施例３
実施例１の化合物１−１、１−２、２、１１、１２、１４、１５、１７、１８、１９について、ケイ素と鱗片状天然黒鉛が重量比で４０−６０になるようにして得られた粉体を１５８ｇ、結着剤としてポリ弗化ビニリデン１５ｇ、カルボキシメチルセルロース５ｇ、添加剤として酢酸リチウム１ｇを水２００ｍｌに分散して、負極合剤ペーストを作製した。
正極活物質ＬｉＣｏＯ₂を２００ｇ、アセチレンブラック５ｇ、鱗片状天然黒鉛５ｇ、結着剤として２−エチルヘキシルアクリレートを主体とするアクリル酸共重合体４ｇ、ポリ沸化ビニリデン２ｇ、カルボキシメチルセルロース１ｇ、添加剤として炭酸水素ナトリウム２ｇを、水２００ｍｌに分散して正極合剤ペーストを作製した。
上記以外は実施例１と同じ条件で電池を作製し、実施例１と同じ条件で性能評価を行い、結果は表３に示した。
【００６７】
【表３】

【００６８】
比較例１
平均粒子サイズ２０μｍの多結晶ケイ素を用いた以外は実施例１と同じ試験をし、結果は表４に示した。
【００６９】
【表４】

【００７０】
比較例２
負極材料としてメソフェーズピッチコークスおよび鱗片状天然黒鉛を重量比８０／２０になるように用い、導電補助剤としてアセチレンブラックを前記コークスおよび黒鉛の合計に対して２重量％加えた以外は実施例１と同様に電池を作成し、充放電試験を実施し、結果は上記表４に示した。
【００７１】
本発明の化合物を用いた実施例１の電池と比較例１の電池性能を比較すると、本発明のケイ素原子を含む化合物を含有し、かつ負極の膨張率が３．０以下の電池はサイクル寿命に優れている。また、実施例１で比較すると、合金、リチウムケイ化物からリチウムを除去したケイ素、コロイダルシリカを付着させたケイ素、めっきにより金属を被覆したケイ素、ポリフッ化ビニリデンにて被覆したケイ素は何も処理を施さないケイ素より負極の膨張率が小さく、サイクル寿命が改良されている。
さらに、本発明の処理を組み合わせることにより、単独処理よりサイクル寿命が改良されている。
また、実施例２の試験では、ケイ素へのリチウム挿入量を低減させることにより、放電容量は低下するが、平均放電電圧があがり、サイクル寿命が改良されている。
また比較例２の炭素質材料と比較すると、放電容量がきわめて高く、エネルギー量も高い。
また実施例３の試験では電極合剤調製を水を分散媒として行っているが、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを分散媒に用いたときと同様の効果が得られた。
さらに以上の効果は、正極活物質ＬｉＣｏＯ₂ をＬｉＮｉＯ₂ やＬｉＭｎ₂ Ｏ₄ に変えても同様であった。
【００７２】
【発明の効果】
正極活物質、負極材料、非水電解質からなる非水二次電池において、
（１）該正極活物質は、リチウムを含有する遷移金属酸化物であり、該負極材料として、ケイ素原子を含む化合物を用い、さらに該負極のリチウム挿入に伴う膨張率が１．０以上３．０以下である。
（２）該負極材料として、該ケイ素原子を含む化合物の平均粒子サイズは０．００１〜５μｍである。
（３）該負極材料として、合金を用いる。
（４）該負極材料として、金属ケイ化物からリチウムを除去したケイ素を用いる。
（５）該負極材料として、リチウムと反応しないセラミックと付着したケイ素化合物を用いる。
（６）該負極材料は金属で被覆される。
（７）該負極材料はあらかじめ熱可塑性樹脂で被覆される。
（８）該負極材料のケイ素化合物に対して、炭素を重量比で０〜２０００％共存させる。
（９）該負極材料をＬｉｘＳｉで表すと充放電範囲は、ｘ＝０〜４．２である。
（１０）上記（１）〜（９）の実施態様の少なくとも２種の組み合わせる、ことによりエネルギー量やサイクル寿命の向上した非水二次電池を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に使用したシリンダー電池の断面図を示したものである。
【符号の説明】
１ 負極を兼ねる電池缶
２ 巻回電極群
３ 上部絶縁板
４ 正極リード
５ ガスケット
６ 正極端子を兼ねる電池蓋
６１ 圧力感応弁体
６２ 電流遮断素子（スイッチ）
６３ ＰＴＣ素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a non-aqueous secondary battery, particularly a lithium secondary battery having a high capacity and a long cycle life.
[0002]
[Prior art]
In a lithium secondary battery using a negative electrode material not containing lithium metal and a positive electrode active material containing lithium, first, lithium contained in the positive electrode active material is inserted into the negative electrode material to increase the activity of the negative electrode material. This is a charging reaction, and the reverse reaction is a reaction in which lithium ions are inserted into the positive electrode active material from the negative electrode material. Carbon is used as this type of lithium battery negative electrode material. Carbon (C₆The theoretical capacity of Li) is 372 mAh / g, and further high capacity negative electrode materials are desired. It is well known that the theoretical capacity of silicon forming an intermetallic compound with lithium exceeds 4000 mAh / g and is larger than that of carbon. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 5-74463 discloses single crystal silicon, and Japanese Patent Laid-Open No. 7-29602 discloses amorphous silicon. In the case of an alloy containing silicon, examples in which silicon is contained in a Li-Al alloy are disclosed in JP-A-63-66369 (19% by weight of silicon) and 63-174275 (0.05 to 1.0% by weight of silicon). No. 63-285865 (silicon is 1 to 5% by weight). However, since these alloy patent applications are mainly composed of lithium, a compound containing no lithium has been used for the positive electrode active material. JP-A-4-109562 discloses an alloy containing 0.05 to 1.0% by weight of silicon. Japanese Patent Laid-Open No. 62-226563 discloses a method of mixing a metal that can be alloyed with lithium and graphite powder. However, both have poor cycle life and have not yet been put to practical use. The reason why the cycle life of silicon is inferior is presumed that its electronic conductivity is low, the volume expands due to lithium insertion, and the particles are pulverized.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to increase the energy amount of a lithium secondary battery and increase the cycle life.
[0004]
[Means to solve the problem]
  An object of the present invention is a non-aqueous secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte, wherein the positive electrode contains a transition metal oxide containing lithium, and the negative electrode contains silicon alone, a silicon alloy, and a silicide. A compound containing a silicon atom capable of inserting and releasing lithium selected from at least one selected from the above, and an expansion coefficient associated with lithium insertion of the negative electrode is 1.05 or more and 3.0 or less,By adjusting the amount of the positive electrode active material in the positive electrode and the amount of the negative electrode material in the negative electrode,Charge / discharge range of compound containing silicon atomTheEquivalent ratio of lithium inserted into and released from siliconLWhen expressed in ix Si,x is 0 or more and 3.7 or lessStay onThis was solved by using a non-aqueous secondary battery. It has been conventionally known that not only a negative electrode containing a silicon compound but generally a negative electrode material expands and contracts with insertion / release of lithium. The inventor found that the degree of expansion of the negative electrode caused by the expansion of the silicon compound corresponds to the cycle life, which is an important performance of the lithium secondary battery, that is, the smaller the degree of expansion of the negative electrode, the more the cycle The inventors have newly found that the lifetime is long and have reached the present invention.
[0005]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Although the aspect of this invention is demonstrated below, this invention is not limited to these. (1) In a nonaqueous secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte, the positive electrode contains a lithium-containing transition metal oxide, and the negative electrode is at least one selected from a silicon simple substance, a silicon alloy, and a silicide. A lithium-containing compound containing a silicon atom capable of inserting and releasing lithium, and an expansion coefficient associated with lithium insertion of the negative electrode is 1.05 or more and 3.0 or less,By adjusting the amount of the positive electrode active material in the positive electrode and the amount of the negative electrode material in the negative electrode,Charge / discharge range of compound containing silicon atomTheEquivalent ratio of lithium inserted into and released from siliconLWhen expressed in ix Si,x is 0 or more and 3.7 or lessStay onNon-aqueous secondary battery.
(2) The non-aqueous secondary battery according to item (1), wherein the negative electrode has an expansion coefficient of 1.05 to 2.0.
(3) The nonaqueous secondary battery according to item (1), wherein an expansion coefficient associated with lithium insertion in the negative electrode is 1.05 or more and 1.5 or less.
(4) The nonaqueous secondary battery according to item (1), wherein an expansion coefficient associated with lithium insertion in the negative electrode is 1.05 or more and 1.2 or less.
(5) A nonaqueous secondary battery in which the average particle size of the silicon compound according to item (1) is 0.001 to 5 μm.
(6) A nonaqueous secondary battery in which the average particle size of the silicon compound according to item (1) is 0.002 to 2 μm.
(7) A nonaqueous secondary battery in which the average particle size of the silicon compound according to item (1) is 0.005 to 0.5 μm.
(8) A nonaqueous secondary battery in which the silicon compound according to item (1) is an alloy.
(9) A non-aqueous secondary battery using an alloy according to item (8), wherein the metal other than silicon is at least one selected from alkaline earth metals, transition metals, and semimetals.
(10) Non-water in which the metal other than silicon described in item (8) or (9) is at least one selected from Ge, Be, Ag, Al, Au, Cd, Ga, In, Sb, Sn, and Zn Secondary battery.
(11) A nonaqueous secondary battery in which the atomic ratio of the other metal to silicon according to items (8) to (10) is 5 to 90%.
(12) A nonaqueous secondary battery in which the silicon compound according to item (1) is silicon obtained by removing a metal from a metal silicide.
(13) A nonaqueous secondary battery in which the metal silicide according to item (12) is lithium silicide.
(14) A nonaqueous secondary battery in which the lithium content of the lithium silicide according to item (13) is 100 to 420 atomic% with respect to silicon.
(15) A nonaqueous secondary battery, which is a composite material in which the silicon compound according to item (1) is attached to a ceramic that does not react with lithium.
(16) The ceramic described in (15) is Al.₂ O₃ , SiO₂ TiO₂ , SiC, Si₃ N₄ A non-aqueous secondary battery that is at least one selected from:
(17) A nonaqueous secondary battery in which the weight ratio of the ceramic to the silicon compound according to item (15) or (16) is 2 to 200%.
(18) A method for producing a negative electrode material, wherein the method of attaching the ceramic to the silicon compound according to the items (15) to (17) includes a step of heating to 300 to 2000 ° C.
(19) A nonaqueous secondary battery in which the silicon compound according to item (1) is coated with at least one metal.
(20) A method for producing a negative electrode material, wherein the method for coating with a metal according to item (19) is at least one method selected from electroless plating, vapor deposition, sputtering, and chemical vapor deposition. (21) Non-water in which at least one of the coated metals according to item (19) or (20) is Ni, Cu, Ag, Co, Fe, Cr, W, Ti, Au, Pt, Pd, Sn, or Zn Secondary battery.
(22) A nonaqueous secondary battery in which the specific conductivity of the silicon compound coated with the metal according to the items (19) to (21) is 10 times or more the specific conductivity of the uncoated silicon compound.
(23) A non-aqueous secondary battery in which the silicon compound according to item (1) is a silicon compound partially covered with a thermoplastic resin in advance.
(24) A nonaqueous secondary battery in which the thermoplastic resin according to item (23) is at least one selected from polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene.
(25) A nonaqueous secondary battery in which the weight ratio of the thermoplastic resin to the silicon compound according to item (23) or (24) is 2 to 200%.
(26) A nonaqueous secondary battery in which the coverage of the thermoplastic resin according to the items (23) to (25) with respect to the entire surface of the silicon compound is 5 to 95%.
(27) A non-aqueous secondary battery in which 0 to 2000% by weight of carbon is allowed to coexist with the silicon compound according to item (1).
(28) A nonaqueous secondary battery in which the carbon according to item (27) is scaly natural graphite.
(29) The positive electrode active material according to item (1) is Liy MO₂ A material containing (M = Co, Ni, Fe, Mny y = 0 to 1.2) or Li_Z N₂ O₄ A non-aqueous secondary battery using at least one material having a spinel structure represented by (N = Mn z = 0 to 2).
(30) The silicon-containing material according to items (8) to (29) is at least one of a silicon simple substance, a silicon alloy, and a silicide that can react with lithium, and the average particle size of these silicon-containing material particles is 0. A non-aqueous secondary battery having a diameter of 0.001 to 5 μm.
(31) The silicon-containing material according to items (8) to (29) is at least one of a silicon simple substance, a silicon alloy and a silicide that can react with lithium, and the average particle size of these silicon-containing material particles is 0. A non-aqueous secondary battery having a diameter of 0.002 to 2 μm.
(32) The silicon-containing material according to items (8) to (29) is at least one of a silicon simple substance, a silicon alloy, and a silicide that can react with lithium, and the average particle size of these silicon-containing material particles is 0. A non-aqueous secondary battery having a diameter of 0.005 to 0.5 μm.
[0006]
The positive electrode (or negative electrode) used in the present invention can be prepared by coating and molding a positive electrode mixture (or negative electrode mixture) on a current collector. The positive electrode mixture (or negative electrode mixture) includes a positive electrode active material (or negative electrode material), a conductive agent, a binder, a dispersant, a filler, an ionic conductive agent, a pressure enhancer, and various additives. it can. These electrodes may be disk-shaped or plate-shaped, but are preferably flexible sheets.
[0007]
The configuration and materials of the present invention are described in detail below.
The compound containing a silicon atom capable of inserting and releasing lithium used in the negative electrode material of the present invention means a silicon simple substance, a silicon alloy, or a silicide. As the silicon simple substance, any of single crystal, polycrystal, and amorphous can be used. The purity of the simple substance is preferably 85% by weight or more, and particularly preferably 95% by weight or more. Furthermore, 99 weight% or more is especially preferable.
[0008]
In the present invention, the expansion coefficient associated with lithium insertion in a negative electrode containing a compound containing a silicon atom capable of inserting and releasing lithium needs to be 1.05 or more and 3.0 or less. Preferably they are 1.05 or more and 2.0 or less, More preferably, they are 1.05 or more and 1.5 or less, Most preferably, they are 1.05 or more and 1.2 or less.
The expansion coefficient of the negative electrode accompanying lithium insertion is defined as follows.
Expansion rate = (thickness of negative electrode mixture layer when lithium is inserted) / (thickness of negative electrode mixture layer when lithium is released)
The thickness of the negative electrode mixture layer when lithium is inserted is evaluated as follows. That is, after charging the battery so that the open circuit voltage of the single electrode of the negative electrode becomes 0.05 V when using metallic lithium as the counter electrode, the battery is decomposed in an argon gas atmosphere, and the negative electrode is taken out. Measure the thickness.
The thickness of the negative electrode mixture layer at the time of lithium release is evaluated as follows. That is, after discharging the battery so that the open circuit voltage of the single electrode of the negative electrode becomes 0.5 V when using metallic lithium as the counter electrode, the battery is decomposed in an argon gas atmosphere, and the negative electrode is taken out. Measure the thickness.
In addition, regarding said voltage, if it is 0.045V or more and less than 0.055V, it will be considered as 0.05V, and if it is 0.45V or more and less than 0.55V, it will be considered as 0.5V.
[0009]
The average particle size of the silicon compound used in the present invention is preferably 0.001 to 5 μm. In particular, 0.002 to 2 μm is preferable. Furthermore, 0.005-0.5 micrometer is preferable. The preferred particle size range described here is a range of particle sizes generally referred to as “ultrafine particles”. For example, the particle size range of commercially available silicon powder is 1 to several hundred μm, which is extremely small. Examples of a method for obtaining such “ultrafine particles” of silicon alone include a method of pulverizing “coarse particles” on the order of several μm to several tens of μm and a laser thermochemical reaction method. The present inventor has found that the use of such an “ultrafine particle” silicon compound reduces the expansion coefficient of the negative electrode and further improves the cycle life.
[0010]
The silicon alloy is considered to be effective because it suppresses pulverization due to expansion and contraction of silicon that occurs when lithium is inserted and released, and improves the low conductivity of silicon. As the alloy, an alloy with an alkaline earth metal, a transition metal, or a metalloid is preferable. In particular, a solid solution alloy or a eutectic alloy is preferable. A solid solution alloy is an alloy that forms a solid solution. An alloy of Ge is a solid solution alloy. An eutectic alloy is an alloy that is eutectic with silicon in any proportion, but the solid obtained by cooling is a mixture of silicon and metal. Be, Ag, Al, Au, Cd, Ga, In, Sb, Sn, and Zn form a eutectic alloy.
Of these, alloys of Ge, Be, Ag, Al, Au, Cd, Ga, In, Sb, Sn, and Zn are particularly preferable. Two or more of these alloys are also preferred. In particular, an alloy containing Ge, Ag, Al, Cd, In, Sb, Sn, and Zn is preferable.
The mixing ratio of these alloys is preferably 5 to 2000% by weight with respect to silicon. In particular, 10 to 500% by weight is preferable. In this case, electrical conductivity is improved, but in terms of battery performance, in particular, discharge capacity, high rate characteristics, and cycle life, the specific conductivity may be 10 times or more that of silicon or a silicon compound before the alloy. preferable. The average particle size of the alloy is preferably 0.001 to 5 μm. In particular, 0.002 to 2 μm is preferable. Furthermore, 0.005-0.5 micrometer is preferable.
[0011]
Silicide refers to a compound of silicon and metal. As silicide, CaSi, CaSi₂, Mg₂Si, BaSi₂, SrSi₂, Cu_FiveSi, FeSi, FeSi₂CoSi₂, Ni₂Si, NiSi₂, MnSi, MnSi₂, MoSi₂, CrSi₂TiSi₂, Ti_FiveSi_Three, Cr_ThreeSi, NbSi₂, NdSi₂, CeSi₂, SmSi₂, DySi₂, ZrSi₂, WSi₂, W_FiveSi_Three, TaSi₂, Ta_FiveSi_Three, TmSi₂, TbSi₂, YbSi₂, YSi₂, YSi₂, ErSi, ErSi₂, GdSi_2,PtSi, V_ThreeSi, VSi₂, HfSi₂, PdSi, PrSi₂, HoSi₂, EuSi₂LaSi, RuSi, ReSi, RhSi, etc. are used.
[0012]
As the silicon compound, silicon obtained by removing metal from a metal silicide can be used. This silicon has a large cavity and a very fine structure. The reason why the cycle life is improved when this silicon is used is considered to be that it is difficult to be pulverized. The metal of the metal silicide is preferably an alkali metal or an alkaline earth metal. Of these, Li, Ca, and Mg are preferable. In particular, Li is preferable. The lithium content of the lithium silicide is preferably 100 to 420 mol% with respect to silicon. 200 to 420 mol% is particularly preferable. The method of removing alkali metal or alkaline earth metal from the alkali metal or alkaline earth metal silicide is preferably treated with a solvent that reacts with alkali metal or alkaline earth metal. As the solvent, water and alcohols are preferable. In the case of lithium silicide, deaerated and dehydrated alcohols are preferred. Examples of the alcohol include methyl alcohol, ethyl alcohol, 1-propyl alcohol, 2-propyl alcohol, 1-butyl alcohol, 2-butyl alcohol, t-butyl alcohol, 1-pentyl alcohol, 2-pentyl alcohol, and 3-pentyl. Alcohol is preferred. In particular, 1-propyl alcohol, 2-propyl alcohol, 1-butyl alcohol, 2-butyl alcohol, and t-butyl alcohol are preferable. The removal of Ca and Mg is preferably water. It is preferable to use a pH buffering agent that is kept near neutrality.
[0013]
It is considered that the ceramic adhered to the silicon compound is effective for suppressing silicon fine powder. As the ceramic, a compound which does not react with lithium in principle is preferable. In particular, Al₂O_Three, SiO₂TiO₂, SiC, Si_ThreeN_FourIs preferred.
As a method for adhering silicon and ceramic, mixing, heating, vapor deposition, and CVD are used, but the combined use of mixing and heating is particularly preferable. In particular, Al₂O_ThreeAnd SiO₂After colloidal solution of colloid (colloidal silica) and silicon are dispersed and mixed, it is heated and the solid solution is pulverized to obtain silicon and Al.₂O_ThreeAnd SiO₂Can be obtained. In this case, Al₂O_ThreeAnd SiO₂The deposits of Al₂O_ThreeAnd SiO₂Etc. The surface is covered with silicon powder, Al₂O_ThreeAnd SiO₂It is confined inside a lump or the like, or the surface of silicon is covered. Mixing and dispersing can be achieved by mechanical stirring, ultrasonic waves, and kneading. Heating is preferably performed in the range of 300 ° C to 2000 ° C in an inert gas, but 500 ° C to 1200 ° C is particularly preferable. Inert gases include argon, nitrogen, and hydrogen. These mixed gases are also used. As the pulverization method, well-known methods such as a ball mill, a vibration mill, a planetary ball mill, and a jet mill are used. This pulverization is also preferably performed in an inert gas. The mixing ratio of ceramics to silicon is preferably in the range of 2 to 200% by weight, particularly 3 to 40%. The average particle size determined from the electron microscope observation of silicon is preferably 0.001 to 5 μm, more preferably 0.002 to 2 μm, and particularly preferably 0.005 to 0.5 μm.
[0014]
The metal coating of the silicon compound of the present invention includes electroplating, displacement plating, electroless plating, resistance heating vapor deposition, electron beam vapor deposition, cluster ion vapor deposition and other vapor deposition methods, sputtering methods, and chemical vapor deposition methods. (CVD method). In particular, an electroless plating method, a resistance heating vapor deposition method, an electron beam vapor deposition method, a cluster ion vapor deposition method or the like, a sputtering method, or a CVD method is preferable. Furthermore, an electroless plating method is particularly preferable. The electroless plating method is described in “Electroless Plating Basics and Applications” published by Nikkan Kogyo Shimbun (1994). The reducing agent is preferably a phosphinate, phosphonate, borohydride, aldehyde, saccharide, amine, or metal salt. Sodium hydrogen phosphinate, sodium hydrogen phosphonate, sodium borohydride, dimethylamine borane, formaldehyde, sucrose, dextrin, hydroxylamine, hydrazine, ascorbic acid, and titanium chloride are preferred. In addition to the reducing agent, the plating solution preferably contains a pH adjusting agent and a complexing agent. Also for these, the compounds described in “Electroless plating basics and applications” are used. The pH of the plating solution is not particularly limited, but 4 to 13 is preferable. The temperature of the liquid is preferably 10 ° C to 100 ° C, but 20 ° C to 95 ° C is particularly preferable. In addition to the plating bath, an activation bath composed of an aqueous SnCl2 hydrochloric acid solution, a nucleation bath composed of an aqueous PdCl2 hydrochloric acid solution, a filtration step, a water washing step, a pulverization step, and a drying step are used.
[0015]
Moreover, as a form of the silicon compound to be coated, any of powder, block, plate and the like is used. The metal to be coated may be anything as long as it is a highly conductive metal, but Ni, Cu, Ag, Co, Fe, Cr, W, Ti, Au, Pt, Pd, Sn, and Zn are particularly preferable. In particular, Ni, Cu, Ag, Co, Fe, Cr, Au, Pt, Pd, Sn, and Zn are preferable, and Ni, Cu, Ag, Pd, Sn, and Zn are particularly preferable. The amount of metal to be coated is not particularly limited, but it is preferable to coat so that the specific conductivity is 10 times or more of the specific conductivity of the silicon compound as the base.
[0016]
The silicon compound used in the present invention is preferably coated with a thermoplastic resin. As the thermoplastic resin, a fluorine-containing polymer compound, an imide polymer, a vinyl polymer, an acrylate polymer, an ester polymer, polyacrylonitrile, or the like is used. In particular, the thermoplastic resin is preferably a resin that does not easily swell in the electrolytic solution. Specific examples include water-soluble polymers such as polyacrylic acid, polyacrylic acid Na, polyvinyl phenol, polyvinyl methyl ether, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, polyacrylamide, polyhydroxy (meth) acrylate, styrene-maleic acid copolymer, Polyvinyl chloride, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, polyvinyl acetal resin, methyl methacrylate, and (meth) acrylic acid esters such as 2-ethylhexyl acrylate (Meth) acrylic acid ester copolymer, (meth) acrylic acid ester-acrylonitrile copolymer, polyvinyl ester copolymer containing vinyl ester such as vinyl acetate, styrene-butadiene copolymer, acrylonitrile-butadiene copolymer Examples thereof include emulsions (latex) or suspensions of coalesced polybutadiene, neoprene rubber, fluoro rubber, polyethylene oxide, polyester polyurethane resin, polyether polyurethane resin, polycarbonate polyurethane resin, polyester resin, phenol resin, epoxy resin and the like. In particular, polyacrylate ester latex, carboxymethyl cellulose, polytetrafluoroethylene, and polyvinylidene fluoride are exemplified.
These compounds can be used alone or in combination. In particular, a fluorine-containing polymer compound is preferable. Of these, polytetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride are preferred. As a method of coating in advance, a thermoplastic resin is dissolved in a solvent, and a silicon compound is mixed and kneaded in the solution. A method of drying the solution and pulverizing the obtained solid is preferred. As a usage-amount of the thermoplastic resin with respect to a silicon compound, 2-200 weight% is preferable. In particular, 3 to 50% by weight is preferable. The coverage is preferably 5 to 95%, and particularly preferably 5 to 90%. The average size of the coated particles is preferably 0.001 to 5 μm. In particular, 0.002 to 2 μm is preferable. Furthermore, 0.005-0.5 micrometer is preferable.
[0017]
In the present invention, it is preferable to use a mixture of a silicon compound and a carbonaceous compound. As the carbonaceous material, a material used for a conductive agent or a negative electrode material is used. Examples of the carbonaceous material include non-graphitizable carbon materials and graphite-based carbon materials. Specifically, carbon materials having surface spacing, density, and crystallite size described in JP-A-62-122066, JP-A-2-66856, JP-A-3-245473, etc. A mixture of natural graphite and artificial graphite described in Japanese Patent No. -290844, and vapor-grown carbon materials described in Japanese Patent Laid-Open Nos. 63-24555, 63-13282, 63-58763, and Japanese Patent Laid-Open No. 6-212617 A material obtained by heating and baking non-graphitizable carbon described in JP-A-5-182664 at a temperature exceeding 2400 ° C. and having a peak of X-ray diffraction corresponding to a plurality of 002 planes, No. 307957, JP-A-5-307958, JP-A-7-85862, and JP-A-8-315820, a mesophase carbon material synthesized by pitch firing described in JP-A-6-84516 Graphite with the above coating layer, various granular materials, microspheres, flat bodies, microfibers, whisker-shaped carbon materials, phenolic resins, acrylonitrile resins, furfuryl alcohol resin fired bodies, hydrogen atoms Examples thereof include carbon materials such as polyacene material.
Furthermore, specific examples of the conductive agent include natural graphite such as scaly graphite, scaly graphite, and earthy graphite, high-temperature fired bodies such as petroleum coke, coal coke, celluloses, saccharides, and mesophase pitch, and vapor-grown graphite. Graphite such as artificial graphite, carbon black such as acetylene black, furnace black, ketjen black, channel black, lamp black, thermal black, carbon materials such as asphalt pitch, coal tar, activated carbon, mesofuse pitch, polyacene preferable. These may be used singly or as a mixture.
[0018]
In particular, carbon materials described in JP-A-5-182664, various granular materials, microspheres, flat plate bodies, fibers, whisker-shaped carbon materials, and mesophase pitch, phenol resin, acrylonitrile resin fired bodies, Furthermore, a polyacene material containing a hydrogen atom is preferable.
Of these, scaly natural graphite is preferable because it makes the mixture film strong.
The mixing ratio is preferably 0 to 2000% by weight with respect to the silicon compound. In particular, 10 to 1000% by weight is preferable. Furthermore, 20 to 500% by weight is preferable.
As the conductive agent, a metal other than carbon can be used. Ni, Cu, Ag, and Fe are preferable.
[0019]
The charge / discharge range of the silicon compound negative electrode material is preferably x = 0 to 4.2 when the ratio of lithium and silicon atoms that can be inserted and released is represented by LixSi. As a result of intensive studies on improving the cycle life of silicon, it was found that the cycle life is greatly improved when x is kept in the range of 0 to 3.7. The charge potential was 0.0 V, including overvoltage, at x = 4.2 against the lithium metal counter electrode, whereas it was about 0.05 V at x = 3.7.
At this time, the shape of the discharge curve changes, and a flat discharge curve is obtained in the vicinity of 0.5 V (body lithium metal) at 0.0 V charge folding, whereas it is 0.05 V or more, particularly 0.08 V or more (x = 3.6), a gentle curve with an average voltage of about 0.4V is obtained. That is, it shows that a specific phenomenon in which the discharge potential is lowered when the voltage at the end of charging is increased and a reversibility of the charge / discharge reaction is also found.
[0020]
Although methods having the effect of improving the cycle life while maintaining the high capacity of the silicon compound have been individually described, it has been found that a higher improvement effect can be obtained by a combination of the above methods.
[0021]
In the present invention, as the negative electrode material, in addition to the silicon compound of the present invention, a carbonaceous material, oxide material, nitride material, sulfide material, lithium metal, lithium alloy and other compounds capable of inserting and releasing lithium can be combined.
[0022]
The positive electrode material used in the present invention is a lithium-containing transition metal oxide. Preferably, it is an oxide mainly containing at least one transition metal element selected from Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, W and lithium, and the molar ratio of lithium to transition metal is It is a compound of 0.3 to 2.2. More preferably, the oxide mainly contains at least one transition metal element selected from V, Cr, Mn, Fe, Co, and Ni and lithium, and the molar ratio of lithium to transition metal is 0.3 to 0.3. It is the compound of 2.2. In addition, Al, Ga, In, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Si, P, B, or the like may be contained within a range of less than 30 mole percent with respect to the transition metal present mainly.
Among the above positive electrode active materials, the general formula Li_xMO₂(M = Co, Ni, Fe, Mn x = 0 to 1.2), or Li_yN₂O_FourIt is preferable to use at least one material having a spinel structure represented by (N = Mny y = 0 to 2). Specifically, LixCoO₂, Li_xNiO₂, Li_xMnO₂, Li_xCo_aNi_1-aO₂, Li_xCo_bV_1-bO_z, Li_xCo_bFe_1-bO₂, Li_xMn₂O_Four, Li_xMn_cCo_2-cO_Four, Li_xMn_cNi_2-cO_Four, Li_xMn_cV_2-cO_Four, Li_xMn_cFe_2-cO_Four(Where x = 0.02 to 1.2, a = 0.1 to 0.9, b = 0.8 to 0.98, c = 1.6 to 1.96, z = 2.1-2. .3).
The most preferred lithium-containing transition metal oxide is Li_xCoO₂, Li_xNiO₂, Li_xMnO₂, Li_xCo_aNi_1-aO₂, Li_xMn₂O_Four, Li_xCo_bV_{1 -b}O_z(X = 0.02 to 1.2, a = 0.1 to 0.9, b = 0.9 to 0.98, z = 2.01 to 2.3). In addition, the value of x is a value before the start of charging / discharging, and increases / decreases by charging / discharging.
The positive electrode active material used in the present invention can be synthesized by a method in which a lithium compound and a transition metal compound are mixed and fired, or by a solution reaction, and a firing method is particularly preferable.
Details for firing are described in paragraph 35 of JP-A-6-60,867, JP-A-7-14,579, and the like, and these methods can be used. The positive electrode active material obtained by firing may be used after being washed with water, an acidic aqueous solution, an alkaline aqueous solution, or an organic solvent.
Further, as a method of chemically inserting lithium ions into the transition metal oxide, a method of synthesis by reacting lithium metal, a lithium alloy or butyl lithium with a transition metal oxide may be used.
[0023]
The average particle size of the positive electrode active material used in the present invention is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 50 μm. The volume of particles of 0.5 to 30 μm is preferably 95% or more. More preferably, the volume occupied by a particle group having a particle size of 3 μm or less is 18% or less of the total volume, and the volume occupied by a particle group of 15 μm or more and 25 μm or less is 18% or less of the total volume. Although it does not specifically limit as a specific surface area, it is 0.01-50m in BET method²/ G is preferred, especially 0.2 m² / G-1m² / G is preferred. The pH of the supernatant when 5 g of the positive electrode active material is dissolved in 100 ml of distilled water is preferably 7 or more and 12 or less.
[0024]
When the positive electrode active material of the present invention is obtained by firing, the firing temperature is preferably 500 to 1500 ° C, more preferably 700 to 1200 ° C, and particularly preferably 750 to 1000 ° C. The firing time is preferably 4 to 30 hours, more preferably 6 to 20 hours, and particularly preferably 6 to 15 hours.
[0025]
The conductive agent used in the mixture of the present invention may be anything as long as it is an electron conductive material that does not cause a chemical change in the constructed battery. Specific examples include natural graphite such as scaly graphite, scaly graphite, earthy graphite, high-temperature fired bodies such as petroleum coke, coal coke, celluloses, saccharides and mesophase pitch, and graphite such as artificial graphite such as vapor-grown graphite. , Carbon blacks such as acetylene black, furnace black, ketjen black, channel black, lamp black, thermal black, etc., carbon materials such as asphalt pitch, coal tar, activated carbon, mesofuse pitch, polyacene, conductivity of metal fibers, etc. Examples thereof include fibers, metal powders such as copper, nickel, aluminum and silver, conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate, and conductive metal oxides such as titanium oxide. It is preferable to use a graphite plate having an aspect ratio of 5 or more. Among these, graphite and carbon black are preferable, and the particle size is preferably 0.01 μm or more and 20 μm or less, and more preferably 0.02 μm or more and 10 μm or less. These may be used alone or in combination of two or more. When using together, it is preferable to use together carbon blacks, such as acetylene black, and a 1-15 micrometers graphite particle.
The addition amount of the conductive agent to the mixture layer is preferably 1 to 50% by weight, particularly 2 to 30% by weight, based on the negative electrode material or the positive electrode material. In the case of carbon black or graphite, the content is particularly preferably 3 to 20% by weight.
[0026]
In the present invention, a binder is used to hold the electrode mixture. Examples of the binder include polysaccharides, thermoplastic resins, and polymers having rubber elasticity. Preferred binders include starch, carboxymethyl cellulose, cellulose, diacetyl cellulose, methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, sodium alginate, polyacrylic acid, polyacrylic acid Na, polyvinyl phenol, polyvinyl methyl ether, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone. Water-soluble polymers such as polyacrylamide, polyhydroxy (meth) acrylate, styrene-maleic acid copolymer, polyvinyl chloride, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene furo Ride-tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene (Meth) acrylic acid ester copolymer containing (meth) acrylic acid ester such as di-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, polyvinyl acetal resin, methyl methacrylate, 2-ethylhexyl acrylate, (meth) acrylic Acid ester-acrylonitrile copolymer, polyvinyl ester copolymer containing vinyl ester such as vinyl acetate, styrene-butadiene copolymer, acrylonitrile-butadiene copolymer, polybutadiene, neoprene rubber, fluororubber, polyethylene oxide, polyester polyurethane Resin, polyether polyurethane resin, polycarbonate polyurethane resin, polyester resin, phenol resin, epoxy resin emulsion (latex) or suspension It can be cited. In particular, polyacrylate ester latex, carboxymethyl cellulose, polytetrafluoroethylene, and polyvinylidene fluoride are exemplified. As these binders, those obtained by dispersing fine powder in water are preferably used. It is also preferable to use it dissolved or dispersed in an organic solvent. When used in a dispersed state, it is more preferable to use particles having an average particle size of 0.01 to 5 μm, particularly preferably 0.05 to 1 μm.
These binders can be used alone or in combination. When the amount of the binder added is small, the holding power and cohesion of the electrode mixture is weak. If the amount is too large, the electrode volume increases and the capacity per electrode unit volume or unit weight decreases. For this reason, the addition amount of the binder is preferably 1 to 30% by weight, and particularly preferably 2 to 10% by weight.
[0027]
Any filler can be used as long as it is a fibrous material that does not cause a chemical change in the constructed battery. Usually, olefin polymers such as polypropylene and polyethylene, fibers such as glass and carbon are used. Although the addition amount of a filler is not specifically limited, 0 to 30 weight% is preferable.
As the ionic conductive agent, those known as inorganic and organic solid electrolytes can be used, and details are described in the section of the electrolytic solution.
A pressure enhancer is a compound that increases the internal pressure of a battery, and carbonates such as lithium carbonate are typical examples.
[0028]
In the current collector that can be used in the present invention, the positive electrode is aluminum, stainless steel, nickel, titanium, or an alloy thereof, and the negative electrode is copper, stainless steel, nickel, titanium, or an alloy thereof. The form of the current collector is foil, expanded metal, punching metal, or wire mesh. In particular, an aluminum foil is preferable for the positive electrode and a copper foil is preferable for the negative electrode.
[0029]
The thickness of the foil is preferably 7 μm to 100 μm, more preferably 7 μm to 50 μm, and particularly preferably 7 μm to 20 μm. The thickness of the expanded metal, punching metal, and wire mesh is preferably 7 μm to 200 μm, more preferably 7 μm to 150 μm, and particularly preferably 7 μm to 100 μm.
The purity of the current collector is preferably 98% or more, more preferably 99% or more, and particularly preferably 99.3% or more. The surface of the current collector may be washed with an acid, alkali, organic solvent or the like.
[0030]
The current collector is more preferably one in which metal layers are formed on both sides of a plastic sheet in order to reduce the thickness. The plastic is preferably excellent in stretchability and heat resistance, for example, polyethylene terephthalate. Metal alone has little elasticity and is vulnerable to external forces. If a metal layer is formed on plastic, it will be resistant to impact. More specifically, the current collector may be a composite current collector in which a base material such as a synthetic resin film or paper is covered with an electron conductive substance. Examples of the synthetic resin film serving as the substrate include fluororesin, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polyvinyl chloride, polystyrene, polyethylene, polypropylene, polyimide, polyamide, cellulose dielectric, and polysulfone. Examples of the electron conductive substance that covers the base material include carbonaceous materials such as graphite and carbon black, metal elements such as aluminum, copper, nickel, chromium, iron, molybdenum, gold, and silver, and alloys thereof. it can. Particularly preferred electron conductive materials are metals, such as aluminum, copper, nickel, and stainless steel. The composite current collector may have a form in which a base sheet and a metal sheet are bonded together, or a metal layer may be formed by vapor deposition or the like.
[0031]
Next, the configuration of the positive and negative electrodes in the present invention will be described. The positive and negative electrodes are preferably in a form in which an electrode mixture is applied to both sides of the current collector. In this case, the number of layers per side may be one or may be composed of two or more layers. When the number of layers per side is 2 or more, the positive electrode active material (or negative electrode material) -containing layer may be 2 or more. A more preferable configuration is a case where the layer is composed of a layer containing a positive electrode active material (or negative electrode material) and a layer not containing a positive electrode active material (or negative electrode material).
The layer that does not contain the positive electrode active material (or the negative electrode material) includes a protective layer for protecting the layer containing the positive electrode active material (or the negative electrode material) and a divided positive electrode active material (or negative electrode material) containing layer. And an undercoat layer between the positive electrode active material (or negative electrode material) -containing layer and the current collector. These are collectively referred to as an auxiliary layer in the present invention.
[0032]
The protective layer is preferably on both the positive and negative electrodes or on the positive and negative electrodes. In the negative electrode, when lithium is inserted into the negative electrode material in the battery, the negative electrode preferably has a protective layer. The protective layer is composed of at least one layer, and may be composed of a plurality of layers of the same type or different types. Moreover, the form which has a protective layer only in the single side | surface of the mixture layers of both surfaces of a collector may be sufficient. These protective layers are composed of water-insoluble particles and a binder. The binder used when forming the above-mentioned electrode mixture can be used as the binder. As the water-insoluble particles, various kinds of conductive particles and organic and inorganic particles having substantially no conductivity can be used. The solubility of water-insoluble particles in water is 100 PPM or less, preferably insoluble.
The proportion of particles contained in the protective layer is preferably 2.5% by weight or more and 96% by weight or less, more preferably 5% by weight or more and 95% by weight or less, and particularly preferably 10% by weight or more and 93% by weight or less.
[0033]
Examples of water-insoluble conductive particles include carbon particles such as metals, metal oxides, metal fibers, carbon fibers, carbon black, and graphite. Among these water-insoluble conductive particles, those having low reactivity with alkali metals, particularly lithium, are preferable, and metal powders and carbon particles are more preferable. The electrical resistivity at 20 ° C. of the elements constituting the particles is 5 × 10⁹ Ω · m or less is preferable.
[0034]
The metal powder is preferably a metal having low reactivity with lithium, that is, a metal that is difficult to form a lithium alloy. Specifically, copper, nickel, iron, chromium, molybdenum, titanium, tungsten, and tantalum are preferable. The shape of these metal powders may be any of acicular, columnar, plate-like, and massive shapes, and the maximum diameter is preferably 0.02 μm or more and 20 μm or less, more preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less. These metal powders are preferably those whose surfaces are not excessively oxidized, and when oxidized, heat treatment is preferably performed in a reducing atmosphere.
[0035]
As the carbon particles, a known carbon material used as a conductive material used in combination when the electrode active material is not conductive can be used. Specifically, a conductive agent used for making an electrode mixture is used.
[0036]
Examples of the water-insoluble particles having substantially no conductivity include fine powder of Teflon, SiC, aluminum nitride, alumina, zirconia, magnesia, mullite, forsterite, and steatite. These particles may be used in combination with conductive particles, and are preferably used in an amount of 0.01 to 10 times that of the conductive particles.
[0037]
The positive (negative) electrode sheet can be prepared by applying a positive (negative) electrode mixture onto a current collector, drying, and compressing.
The mixture is prepared by mixing a positive electrode active material (or negative electrode material) and a conductive agent, adding a binder (suspension or emulsion of resin powder) and a dispersion medium, kneading and mixing, It can be carried out by dispersing with a mixer / disperser such as a mixer, homogenizer, dissolver, planetary mixer, paint shaker or sand mill. As the dispersion medium, water or an organic solvent is used, but water is preferable. In addition, additives such as a filler, an ionic conductive agent, and a pressure enhancer may be added as appropriate. The pH of the dispersion is preferably 5 to 10 for the negative electrode and 7 to 12 for the positive electrode.
[0038]
Application can be performed by various methods, for example, reverse roll method, direct roll method, blade method, knife method, extrusion method, slide method, curtain method, gravure method, bar method, dip method and squeeze method. I can list them. A method using an extrusion die and a method using a slide coater are particularly preferred. The application is preferably performed at a speed of 0.1 to 100 m / min. Under the present circumstances, the surface state of a favorable coating layer can be obtained by selecting the said application | coating method according to the liquid physical property of a mixture paste, and drying property. When the electrode layer is a plurality of layers, it is preferable to apply the plurality of layers at the same time from the viewpoint of uniform electrode production, production cost, and the like. The thickness, length and width of the coating layer are determined by the size of the battery. The thickness of a typical coating layer is 10 to 1000 μm in a compressed state after drying.
The electrode sheet after application is dried and dehydrated by the action of hot air, vacuum, infrared rays, far infrared rays, electron beams and low-humidity air. These methods can be used alone or in combination. The drying temperature is preferably in the range of 80 to 350 ° C, particularly preferably in the range of 100 to 260 ° C. The water content after drying is preferably 2000 ppm or less, and more preferably 500 ppm or less.
For the compression of the electrode sheet, a generally employed pressing method can be used, but a die pressing method and a calendar pressing method are particularly preferable. The press pressure is not particularly limited, but is 10 kg / cm.² ~ 3t / cm² Is preferred. The press speed of the calendar press method is preferably 0.1 to 50 m / min. The pressing temperature is preferably room temperature to 200 ° C.
[0039]
The separator that can be used in the present invention is only required to be an insulating thin film having a large ion permeability, a predetermined mechanical strength, and an olefin polymer, a fluorine polymer, a cellulose polymer, polyimide, nylon, Glass fiber and alumina fiber are used, and as a form, a nonwoven fabric, a woven fabric, and a microporous film are used. In particular, the material is preferably polypropylene, polyethylene, a mixture of polypropylene and polyethylene, a mixture of polypropylene and Teflon, or a mixture of polyethylene and Teflon, and the form is preferably a microporous film. In particular, a microporous film having a pore diameter of 0.01 to 1 μm and a thickness of 5 to 50 μm is preferable. These microporous films may be a single film or a composite film composed of two or more layers having different properties such as the shape, density, and material of the micropores. For example, the composite film which bonded the polyethylene film and the polypropylene film can be mentioned.
[0040]
The electrolytic solution is generally composed of a supporting salt and a solvent. Lithium salt is mainly used as the supporting salt in the lithium secondary battery.
Examples of lithium salts that can be used in the present invention include LiClO._Four, LiBF_Four, LiPF₆, LiCF_ThreeCO₂, LiAsF₆, LiSbF₆, LiB_TenCl_Ten, LiOSO₂C_nF_{2n + 1}(N is a positive integer of 6 or less), LiN (SO₂C_nF_{2n + 1}) (SO₂C_mF_{2m + 1}) Imide salt (m and n are each a positive integer of 6 or less), LiC (SO₂C_pF_{2p + 1}) (SO₂C_qF_{2q + 1}) (SO₂C_rF_{2r + 1}) (Wherein p, q, and r are positive integers of 6 or less), lower aliphatic lithium carboxylate, LiAlCl_Four Li salts such as LiCl, LiBr, LiI, chloroborane lithium and lithium tetraphenylborate can be raised, and these can be used alone or in combination. Above all, LiBF_FourAnd / or LiPF₆What melt | dissolved is preferable.
The concentration of the supporting salt is not particularly limited, but is preferably 0.2 to 3 mol per liter of the electrolytic solution.
[0041]
Solvents that can be used in the present invention include propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, chloroethylene carbonate, trifluoromethyl ethylene carbonate, difluoromethyl ethylene carbonate, monofluoromethyl ethylene carbonate, hexafluoromethyl acetate, and methyl trifluoride acetate. , Dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, γ-butyrolactone, methyl formate, methyl acetate, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, 2,2-bis ( Trifluoromethyl) -1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane, dioxane, acetonitrile, nitromethane, ethyl Glyme, phosphoric acid triester, boric acid triester, trimethoxymethane, dioxolane derivative, sulfolane, 3-methyl-2-oxazolidinone, 3-alkylsydnone (alkyl group is propyl, isopropyl, butyl group, etc.), propylene carbonate derivative And aprotic organic solvents such as tetrahydrofuran derivatives, ethyl ether, and 1,3-propane sultone. These may be used alone or in combination. Among these, carbonate-based solvents are preferable, and it is particularly preferable to use a mixture of a cyclic carbonate and an acyclic carbonate. As the cyclic carbonate, ethylene carbonate and propylene carbonate are preferable. Moreover, as an acyclic carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate are preferable.
As an electrolytic solution that can be used in the present invention, LiCF is added to an electrolytic solution obtained by appropriately mixing ethylene carbonate, propylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane, dimethyl carbonate, or diethyl carbonate._ThreeSO_ThreeLiClO_Four, LiBF_FourAnd / or LiPF₆An electrolytic solution containing is preferable. In particular, in a mixed solvent of at least one of propylene carbonate or ethylene carbonate and at least one of dimethyl carbonate or diethyl carbonate, LiCF_ThreeSO_ThreeLiClO_FourOr LiBF_FourAt least one salt selected from the group consisting of LiPF and LiPF₆An electrolytic solution containing is preferable. The amount of the electrolyte added to the battery is not particularly limited, and can be used depending on the amount of the positive electrode material or the negative electrode material or the size of the battery.
[0042]
In addition to the electrolytic solution, the following solid electrolyte can be used in combination.
The solid electrolyte is classified into an inorganic solid electrolyte and an organic solid electrolyte.
Well-known inorganic solid electrolytes include Li nitrides, halides, oxyacid salts, and the like. Among them, Li_ThreeN, LiI, Li_FiveN_I2, Li_ThreeN-LiI-LiOH, Li_FourSiO_Four, Li_FourSiO_Four-LiI-LiOH, xLi_ThreePO_Four−_(1-x)Li_FourSiO_Four, Li₂SiS_ThreeIn addition, phosphorus sulfide compounds are effective.
[0043]
In the organic solid electrolyte, a polyethylene oxide derivative or a polymer containing the derivative, a polypropylene oxide derivative or a polymer containing the derivative, a polymer containing an ion dissociation group, a mixture of a polymer containing an ion dissociation group and the above aprotic electrolyte, phosphoric acid A polymer matrix material containing an ester polymer and an aprotic polar solvent is effective. Furthermore, there is a method of adding polyacrylonitrile to the electrolytic solution. A method of using an inorganic and organic solid electrolyte in combination is also known.
[0044]
Further, other compounds may be added to the electrolyte for the purpose of improving discharge and charge / discharge characteristics. For example, pyridine, pyrroline, pyrrole, triphenylamine, phenylcarbazole, triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, n-glyme, hexaphosphoric triamide, nitrobenzene derivative, sulfur, quinoneimine dye, N-substituted oxazolidinone and N , N′-substituted imidazolidinone, ethylene glycol dialkyl ether, quaternary ammonium salt, polyethylene glycol, pyrrole, 2-methoxyethanol, AlCl_Three, Monomers of conductive polymer electrode active materials, triethylenephosphoramide, trialkylphosphine, morpholine, aryl compounds having a carbonyl group, crown ethers such as 12-crown-4, hexamethylphosphoric triamide and 4- Examples thereof include alkylmorpholine, bicyclic tertiary amine, oil, quaternary phosphonium salt, and tertiary sulfonium salt. Particularly preferred is a case where triphenylamine and phenylcarbazole are used alone or in combination.
[0045]
In order to make the electrolyte nonflammable, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride chloride can be contained in the electrolyte. In addition, carbon dioxide gas can be included in the electrolyte in order to make it suitable for high-temperature storage.
[0046]
It is desirable that the electrolytic solution contains as little water and free acid as possible. For this reason, the raw material of the electrolytic solution is preferably one that has been sufficiently dehydrated and purified. The electrolyte solution is preferably adjusted in dry air or an inert gas with a dew point of minus 30 ° C. or less. The amount of water and free acid content in the electrolytic solution is 0.1 to 500 ppm, more preferably 0.2 to 100 ppm.
[0047]
The entire amount of the electrolytic solution may be injected once, but it is preferable to inject it in two or more times. When injecting in two or more times, each solution may have the same composition but a different composition (for example, a non-aqueous solvent or a non-aqueous solvent having a higher viscosity than the solvent after injecting a solution in which a lithium salt is dissolved in the non-aqueous solvent). Or a solution in which a lithium salt is dissolved in a solvent or a non-aqueous solvent may be injected). In order to shorten the time for injecting the electrolyte, etc., the battery can may be decompressed, or centrifugal force or ultrasonic waves may be applied to the battery can.
[0048]
Battery cans and battery lids that can be used in the present invention are nickel-plated steel and stainless steel plates (SUS304, SUS304L, SUS304N, SUS316, SUS316L, SUS430, SUS444, etc.), nickel-plated stainless steel plates (same as above) , Aluminum or an alloy thereof, nickel, titanium, and copper, and the shapes are a true circular cylinder, an elliptical cylinder, a square cylinder, and a rectangular cylinder. In particular, when the outer can also serves as the negative electrode terminal, a stainless steel plate and a nickel-plated steel plate are preferable, and when the outer can also serves as the positive electrode terminal, a stainless steel plate, aluminum, or an alloy thereof is preferable. The shape of the battery can may be any of buttons, coins, sheets, cylinders, and corners.
A safety valve can be used for the sealing plate as a countermeasure against an increase in the internal pressure of the battery can. In addition, a method of cutting a member such as a battery can or a gasket can be used. In addition, various conventionally known safety elements (for example, fuses, bimetals, PTC elements, etc. as overcurrent prevention elements) may be provided.
[0049]
For the lead plate used in the present invention, a metal having electrical conductivity (for example, iron, nickel, titanium, chromium, molybdenum, copper, aluminum, etc.) or an alloy thereof can be used. As a welding method for the battery lid, battery can, electrode sheet, and lead plate, a known method (eg, direct current or alternating current electric welding, laser welding, ultrasonic welding) can be used. As the sealing agent for sealing, a conventionally known compound or mixture such as asphalt can be used.
[0050]
Gaskets that can be used in the present invention are olefin polymers, fluoropolymers, cellulosic polymers, polyimides, and polyamides as materials. Olefin polymers are preferred from the viewpoint of organic solvent resistance and low moisture permeability, and are mainly composed of propylene. Polymers are preferred. Furthermore, a block copolymer of propylene and ethylene is preferable.
[0051]
The battery assembled as described above is preferably subjected to an aging treatment. The aging treatment includes pre-treatment, activation treatment, post-treatment, and the like, whereby a battery with high charge / discharge capacity and excellent cycleability can be produced. The pretreatment is a treatment for homogenizing the distribution of lithium in the electrode. For example, any control of lithium dissolution control, temperature control to make the lithium distribution uniform, oscillation and / or rotation treatment, charge / discharge, etc. A combination is made. The activation process is a process for inserting lithium into the negative electrode of the battery body, and it is preferable to insert 50 to 120% of the amount of lithium inserted during actual use charging of the battery. The post-processing is processing for sufficient activation processing, and includes storage processing for uniform battery reaction and charge / discharge processing for determination, which can be arbitrarily combined.
[0052]
Preferred aging conditions (pretreatment conditions) before activation of the present invention are as follows.
The temperature is preferably 30 ° C. or higher and 70 ° C. or lower, more preferably 30 ° C. or higher and 60 ° C. or lower, and further preferably 40 ° C. or higher and 60 ° C. or lower. The open circuit voltage is preferably 2.5 V or more and 3.8 V or less, more preferably 2.5 V or more and 3.5 V or less, and further preferably 2.8 V or more and 3.3 V or less. The aging period is preferably 1 day or more and 20 days or less, and particularly preferably 1 day or more and 15 days or less.
The charging voltage for activation is preferably 4.0 V or higher, more preferably 4.05 V or higher and 4.3 V or lower, and still more preferably 4.1 V or higher and 4.2 V or lower.
As the aging conditions after activation, the open circuit voltage is preferably 3.9 V or more and 4.3 V or less, particularly preferably 4.0 V or more and 4.2 V or less, and the temperature is preferably 30 ° C. or more and 70 ° C. or less, and 40 ° C. or more and 60 or less. A temperature of not higher than ° C is particularly preferred. The aging period is preferably from 0.2 days to 20 days, particularly preferably from 0.5 days to 5 days.
[0053]
The battery of the present invention is covered with an exterior material as necessary. Examples of the exterior material include a heat-shrinkable tube, an adhesive tape, a metal film, paper, cloth, paint, and a plastic case. Further, at least a part of the exterior may be provided with a portion that changes color by heat so that the heat history during use can be known.
[0054]
A plurality of the batteries of the present invention are assembled in series and / or in parallel as needed, and stored in a battery pack. In addition to safety elements such as positive temperature coefficient resistors, temperature fuses, fuses and / or current interrupting elements, the battery pack also requires safety circuits (monitoring the voltage, temperature, current, etc. of each battery and / or the entire battery pack) In this case, a circuit having a function of interrupting current may be provided. In addition to the positive and negative terminals of the entire assembled battery, the battery pack should be provided with the positive and negative terminals of each battery, the entire assembled battery, the temperature detection terminal of each battery, the current detection terminal of the entire assembled battery, etc. as external terminals. You can also. The battery pack may incorporate a voltage conversion circuit (such as a DC-DC converter). The connection of each battery may be fixed by welding a lead plate, or may be fixed so that it can be easily attached and detached with a socket or the like. Further, the battery pack may be provided with display functions such as the remaining battery capacity, the presence / absence of charging, and the number of uses.
[0055]
The battery of the present invention is used in various devices. In particular, video movies, portable video decks with built-in monitors, movie cameras with built-in monitors, digital cameras, compact cameras, single-lens reflex cameras, film with lenses, notebook computers, notebook-type word processors, electronic notebooks, mobile phones, cordless phones, beards It is preferably used for electric tools, electric mixers, automobiles and the like.
[0056]
【Example】
  Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to the examples unless it exceeds the gist of the invention.In the following examples, Examples 1 and 3 are reference examples.
[0057]
Example 1
As a negative electrode material, polycrystalline silicon alone (compound-1-1) having an average particle size of 0.6 μm, polycrystalline silicon alone (compound-1-2) having an average particle size of 0.01 μm, and the following alloys synthesized metallurgically As compounds, Si-Ag alloy (compound-2 weight ratio 20-80), Si-Al (compound-3 weight ratio 30-70), Si-Ag-Cd (compound-4 weight ratio 20-70-10), Si-Zn (compound-5 weight ratio 30-70), Si-Au (compound-6 weight ratio 20-80), Si-Ag-In (compound-7 weight ratio 20-70-10), Si-Ge ( Compound-8 weight ratio 40-60), Si-Ag-Sn (compound-9 weight ratio 20-70-10), Si-Ag-Sb (compound-10 weight ratio 20-70-10), metallurgically Synthesized Li_FourObtained by mixing silicon eluting Li from Si with isopropyl alcohol in argon gas (compound 11), polycrystalline silicon and colloidal silica, and heating at 900 ° C. Si-SiO made from solid material powder in argon gas by vibration mill₂(Compound-12, weight ratio 80-20), Si-Al obtained by the same method₂O_Three(Compound-13 weight ratio 80-20), as a compound plated on the surface of polycrystalline silicon by the electroless plating method, Ag-plated Si (compound-14 Si-Ag weight ratio 55-45), also Ni-plated Silicon (compound-15 Si-Ni weight ratio 55-45), Zn-plated silicon (compound-16 Si-Zn weight ratio 55-45), 3 g of polyvinylidene fluoride dissolved in N-methylpyrrolidone 20 g Then, 30 g of silicon was added, mixed and kneaded, dried, and powder (compound-17) pulverized in a vibration mill in argon gas was used. Compound 11 is a compound coated with Ag by electroless plating (compound-18 Si-Ag weight ratio 55-45), Compound-12 is a compound coated with Ag by electroless plating (compound-19 Si -SiO₂-Ag weight ratio 50-10-40), a compound (compound-20Si-SiO) coated with polyvinylidene fluoride using the same compound-12₂-Polyvinylidene fluoride weight ratio 75-15-10).
Of the negative electrode materials, compounds 2 to 20 used particles having an average particle size of 0.01 to 1 μm.
170 g of a powder obtained by mixing silicon and scaly natural graphite so that the weight ratio is 40-60, and 30 g of polyvinylidene fluoride as a binder are dispersed in 500 ml of N-methyl-2-pyrrolidone. Thus, a negative electrode paste was prepared.
[0058]
Cathode active material LiCoO₂200 g, 10 g of acetylene black and 10 g of flaky artificial graphite are mixed with a homogenizer, followed by mixing 5 g of polyvinylidene fluoride as a binder, adding 500 ml of N-methyl-2-pyrrolidone, kneading and mixing. An agent paste was created.
[0059]
The positive electrode mixture paste prepared above was applied to both sides of an aluminum foil current collector with a thickness of 30 μm with a blade coater, dried at 150 ° C., compression-molded with a roller press, and cut into a predetermined size. Created. Furthermore, it was sufficiently dehydrated and dried with a far-infrared heater in a dry box (dew point: dry air of −50 ° C. or lower) to prepare a positive electrode sheet.
Similarly, a negative electrode mixture paste was applied to a 20 μm copper foil current collector, and a negative electrode sheet was prepared in the same manner as the above positive electrode sheet.
Cylindrical batteries with a diameter of 18 mm and a maximum height of 65 mm were prepared by making the lengths of the negative electrode and positive electrode sheets constant, changing the coating amount, and the positive electrode active material was 4.2 V with respect to lithium metal. The application amount of each electrode mixture was adjusted so that the charge capacity and the charge capacity of the first cycle in which the negative electrode material was 0.0 V were matched.
[0060]
Next, the electrolytic solution was prepared as follows. In an argon atmosphere, 65.3 g of diethyl carbonate was placed in a 200 cc narrow-necked polypropylene container, and 22.2 g of ethylene carbonate was dissolved little by little while taking care not to exceed a liquid temperature of 30 ° C. Next, 0.4 g of LiBF_Four12.1 g LiPF₆The solution was dissolved in a small amount in the polypropylene container in order, taking care that the liquid temperature did not exceed 30 ° C. The obtained electrolyte was a colorless and transparent liquid with a specific gravity of 1.135. Moisture was 18ppm (measured by Kyoto Electronics, trade name MKC-210 type Karl Fischer moisture measuring device), free acid content was 24ppm (measured by neutralization titration with 0.1N NaOH aqueous solution using bromthymol blue as an indicator) )Met.
[0061]
The cylinder battery was prepared as follows.
A method of making a battery will be described with reference to FIG. The positive electrode sheet prepared above, a separator made of a microporous polyethylene film, a negative electrode sheet, and a separator were sequentially laminated, and this was wound in a spiral shape. The wound electrode group (2) was housed in an iron-bottomed cylindrical battery can (1) plated with nickel which also serves as a negative electrode terminal, and an upper insulating plate (3) was further inserted. After injecting the electrolytic solution E-1 into the battery can, a laminate of the positive electrode terminal (6), the insulating ring, the PTC element (63), the current interrupter (62), and the pressure sensitive valve element (61) is used as a gasket. A cylindrical battery was produced by caulking through (5).
[0062]
The cylindrical battery is charged at 1.5A. In this case, charging was performed at a constant current up to 4.2 V, and the charging current was controlled so as to be kept constant at 4.2 V until 2.5 hours had elapsed from the start of charging. Discharging was carried out at a constant current up to 3.0 V at 0.2 C current. The discharge capacity, average discharge voltage, energy amount (discharge capacity × average discharge voltage) of the first cycle at that time, and the capacity maintenance ratio at the 30th cycle in which charge / discharge (discharge current is equivalent to 1C) are shown in Table 1. It was. Moreover, the expansion coefficient accompanying lithium insertion in the negative electrode was determined according to the method described in the text, and is shown in Table 1.
[0063]
[Table 1]

[0064]
Example 2
About compound 1-1, 1-2, 2, 11, 12, 14, 15, 17, 18, 19 of Example 1, a positive electrode active material becomes 4.2V with respect to lithium metal among Example 1. The application amount of each electrode mixture was adjusted so that the charge capacity of the first cycle and the charge capacity of the first cycle where the negative electrode material was 0.1 V were matched. The charge / discharge test was performed under the same conditions as in Example 1 except that the charging end voltage was 4.1 V. The results are shown in Table 2. The amount of lithium inserted into silicon was about 3.2 mol. (In LixSi, x = 3.2 is meant.)
[0065]
[Table 2]

[0066]
Example 3
For compounds 1-1, 1-2, 2, 11, 12, 14, 15, 17, 18, 19 of Example 1, silicon and scaly natural graphite were obtained in a weight ratio of 40-60. 158 g of the obtained powder, 15 g of polyvinylidene fluoride as a binder, 5 g of carboxymethylcellulose, and 1 g of lithium acetate as an additive were dispersed in 200 ml of water to prepare a negative electrode mixture paste.
Cathode active material LiCoO₂200 g, 5 g of acetylene black, 5 g of flaky natural graphite, 4 g of an acrylic acid copolymer mainly composed of 2-ethylhexyl acrylate as a binder, 2 g of polyvinylidene fluoride, 1 g of carboxymethyl cellulose, and 2 g of sodium hydrogen carbonate as an additive The positive electrode mixture paste was prepared by dispersing in 200 ml of water.
A battery was produced under the same conditions as in Example 1 except for the above, and performance evaluation was performed under the same conditions as in Example 1. The results are shown in Table 3.
[0067]
[Table 3]

[0068]
Comparative Example 1
The same test as in Example 1 was performed except that polycrystalline silicon having an average particle size of 20 μm was used, and the results are shown in Table 4.
[0069]
[Table 4]

[0070]
Comparative Example 2
Example 1 except that mesophase pitch coke and scaly natural graphite were used as a negative electrode material in a weight ratio of 80/20, and acetylene black was added as a conductive auxiliary agent in an amount of 2% by weight based on the total amount of coke and graphite. Similarly, a battery was prepared and a charge / discharge test was conducted. The results are shown in Table 4 above.
[0071]
When comparing the battery performance of Example 1 using the compound of the present invention and the battery performance of Comparative Example 1, the battery containing the compound of the present invention containing a silicon atom and having a negative electrode expansion coefficient of 3.0 or less has a cycle life. Is excellent. Further, when compared in Example 1, no treatment was performed on alloys, silicon from which lithium was removed from lithium silicide, silicon on which colloidal silica was adhered, silicon coated with metal by plating, or silicon coated with polyvinylidene fluoride. The expansion coefficient of the negative electrode is smaller than that of silicon which is not applied, and the cycle life is improved.
Furthermore, the cycle life is improved over the single process by combining the processes of the present invention.
In the test of Example 2, by reducing the amount of lithium inserted into silicon, the discharge capacity is reduced, but the average discharge voltage is increased and the cycle life is improved.
Moreover, compared with the carbonaceous material of Comparative Example 2, the discharge capacity is extremely high and the energy amount is also high.
In the test of Example 3, the electrode mixture was prepared using water as a dispersion medium, but the same effect as when N-methyl-2-pyrrolidone was used as the dispersion medium was obtained.
Further, the above effect is obtained by the positive electrode active material LiCoO.₂LiNiO₂And LiMn₂O_FourIt was the same even if it changed to.
[0072]
【The invention's effect】
In a non-aqueous secondary battery comprising a positive electrode active material, a negative electrode material, and a non-aqueous electrolyte,
(1) The positive electrode active material is a transition metal oxide containing lithium, a compound containing a silicon atom is used as the negative electrode material, and the expansion coefficient associated with lithium insertion in the negative electrode is 1.0 or more and 3. 0 or less.
(2) The average particle size of the compound containing the silicon atom as the negative electrode material is 0.001 to 5 μm.
(3) An alloy is used as the negative electrode material.
(4) As the negative electrode material, silicon obtained by removing lithium from a metal silicide is used.
(5) As the anode material, a silicon compound adhered to a ceramic that does not react with lithium is used.
(6) The negative electrode material is coated with a metal.
(7) The negative electrode material is previously coated with a thermoplastic resin.
(8) Carbon is allowed to coexist in a weight ratio of 0 to 2000% with respect to the silicon compound of the negative electrode material.
(9) When the negative electrode material is represented by LixSi, the charge / discharge range is x = 0 to 4.2.
(10) By combining at least two of the above embodiments (1) to (9), a non-aqueous secondary battery with improved energy amount and cycle life could be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a cylinder battery used in Examples.
[Explanation of symbols]
1 Battery can also serves as negative electrode
2 wound electrode group
3 Upper insulation plate
4 Positive lead
5 Gasket
6 Battery cover that also serves as a positive terminal
61 Pressure sensitive valve
62 Current interrupt device (switch)
63 PTC element

Claims (6)

正極、負極、非水電解質を有する非水二次電池に於いて、該正極はリチウム含有遷移金属酸化物を含有し、該負極はケイ素単体、ケイ素合金及びケイ化物から選ばれる少なくとも一種のリチウムの挿入放出可能なケイ素原子を含む化合物を含有し、さらに該負極のリチウム挿入に伴う膨張率が１．０５以上３．０以下であり、該正極中の正極活物質量と該負極中の負極材料の量を調整することにより、該ケイ素原子を含む化合物の充放電範囲を、ケイ素に挿入放出するリチウムの当量比としてＬｉｘ Ｓｉで表すと、ｘが０以上３．７以下に留めることを特徴とする非水二次電池。In a non-aqueous secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte, the positive electrode contains a lithium-containing transition metal oxide, and the negative electrode is made of at least one lithium selected from a silicon simple substance, a silicon alloy, and a silicide. A compound containing a silicon atom that can be inserted and released; and an expansion coefficient associated with lithium insertion in the negative electrode is 1.05 or more and 3.0 or less, and a positive electrode active material amount in the positive electrode and a negative electrode material in the negative electrode of by adjusting the amount, the charge-discharge range of compounds containing the silicon atoms and to the equivalent ratio of lithium to be inserted released to silicon represented by L ix Si, that x is kept to 0 or 3.7 or less Non-aqueous secondary battery characterized. 該ケイ素原子を含む化合物の平均粒子サイズが０．００１〜５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の非水二次電池。  The non-aqueous secondary battery according to claim 1, wherein an average particle size of the compound containing silicon atoms is 0.001 to 5 µm. 該ケイ素原子を含む化合物が合金であることを特徴とする請求項１または２に記載の非水二次電池。  The non-aqueous secondary battery according to claim 1, wherein the compound containing silicon atoms is an alloy. 該ケイ素原子を含む化合物がリチウムと反応しないセラミックと付着していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の非水二次電池。  The non-aqueous secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the compound containing a silicon atom is attached to a ceramic that does not react with lithium. 該ケイ素原子を含む化合物が少なくとも一種の金属で被覆されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の非水二次電池。  The non-aqueous secondary battery according to claim 1, wherein the compound containing silicon atoms is coated with at least one metal. 該ケイ素原子を含む化合物があらかじめ熱可塑性樹脂で部分的に被覆されているケイ素化合物であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の非水二次電池。  The non-aqueous secondary battery according to claim 1, wherein the compound containing silicon atoms is a silicon compound that is partially coated with a thermoplastic resin in advance.

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