JP4775621B2 - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、非水電解質二次電池に関する。 The present invention relates to nonaqueous electrolyte secondary batteries.
現在、市販の非水電解質二次電池の負極活物質には黒鉛等の炭素粒子が広く用いられているが、この非水電解質二次電池のエネルギー密度は必ずしも十分とは言えず、さらなるエネルギー密度の向上が切望されている。
そこで、炭素粒子に比べて非常に大きな容量を有するケイ素粉末を、黒鉛粉末に添加した負極活物質を用いることが提案されている。
Currently, carbon particles such as graphite are widely used as the negative electrode active material of commercially available non-aqueous electrolyte secondary batteries. However, the energy density of this non-aqueous electrolyte secondary battery is not always sufficient. There is a longing for improvement.
Therefore, it has been proposed to use a negative electrode active material obtained by adding silicon powder having a very large capacity compared to carbon particles to graphite powder.
ところが、ケイ素粉末は充放電に伴う膨張収縮が大きいので、ケイ素粉末を黒鉛粉末に添加した負極活物質を用いると、充放電サイクル時に集電構造の破壊が生じたり、集電体から活物質が剥離したりするため、サイクル性能が低いという問題があった。
そこで、集電体の上に炭素粒子を負極活物質に用いた第１活物質層を設け、この第１活物質層の上にケイ素を負極活物質に用いた第２活物質層を形成することが提案されている（例えば特許文献１参照）。このようにすると充放電時の膨張収縮による集電体からの活物質の剥離などを防止することができるとされている。
Therefore, a first active material layer using carbon particles as a negative electrode active material is provided on the current collector, and a second active material layer using silicon as a negative electrode active material is formed on the first active material layer. Has been proposed (see, for example, Patent Document 1). If it does in this way, peeling of the active material from the electrical power collector by the expansion / contraction at the time of charging / discharging etc. can be prevented.
しかしながら、このものでも充放電時のケイ素の膨張収縮を十分に抑制することができないので、サイクル性能は実用化可能なレベルではない。そのため、更なるサイクル性能の向上が切望されている。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、優れたサイクル性能を得ることができる非水電解質二次電池を提供することを目的とする。
However, since this cannot sufficiently suppress the expansion and contraction of silicon during charge and discharge, the cycle performance is not at a practical level. Therefore, further improvement in cycle performance is eagerly desired.
The present invention has been completed based on the above circumstances, and an object thereof is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery capable of obtaining excellent cycle performance.
本発明者らは、負極の集電体上に炭素粒子を含む炭素粒子含有層が形成され、さらに、炭素粒子含有層上にケイ素又はケイ素の化合物を含むケイ素含有層が形成された非水電解質二次電池のサイクル性能を向上するため、鋭意研究を重ねた。その結果、意外にも炭素粒子含有層のケイ素含有層側の面の表面粗さがサイクル性能と密接な関連を有していることを見出し、表面粗さＲａを０．３μｍ≦Ｒａ≦９．０μｍとすると、充電時の負極の膨れが抑制されて、サイクル性能が向上することを見出した。
本発明は、この知見に基づいてなされたものである。
The present inventors have provided a nonaqueous electrolyte in which a carbon particle-containing layer containing carbon particles is formed on a current collector of a negative electrode, and a silicon-containing layer containing silicon or a compound of silicon is further formed on the carbon particle-containing layer. In order to improve the cycle performance of the secondary battery, earnest research was repeated. As a result, surprisingly, it was found that the surface roughness of the surface of the carbon particle-containing layer on the silicon-containing layer side was closely related to the cycle performance, and the surface roughness Ra was 0.3 μm ≦ Ra ≦ 9. It has been found that when the thickness is 0 μm, swelling of the negative electrode during charging is suppressed and cycle performance is improved.
The present invention has been made based on this finding.
すなわち、請求項１の発明は、正極、集電体を備えた負極、及び非水電解質を備え、前記負極の集電体上に炭素粒子を含む炭素粒子含有層が形成され、前記炭素粒子含有層上に気相からの薄膜形成法によりケイ素を堆積させることでケイ素含有層が形成された非水電解質二次電池において、前記炭素粒子含有層の前記ケイ素含有層側の面の表面粗さＲａが０．３μｍ≦Ｒａ≦９．０μｍであり、前記炭素粒子の質量をＷｃ、ケイ素の質量をＷｓとしたときに、０．００１≦Ｗｓ／Ｗｃ≦０．０５を満たすことを特徴とする非水電解質二次電池である。
That is, the invention of
本発明の非水電解質二次電池は、負極の集電体上に炭素粒子を含む炭素粒子含有層を形成するとともに、前記炭素粒子含有層の表面粗さＲａを０．３μｍ≦Ｒａ≦９．０μｍとする工程と、前記炭素粒子含有層上にケイ素又はケイ素の化合物を含むケイ素含有層を形成する工程とを経ることによって製造できる。 In the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, a carbon particle-containing layer containing carbon particles is formed on a current collector of a negative electrode, and the surface roughness Ra of the carbon particle-containing layer is 0.3 μm ≦ Ra ≦ 9. It can be manufactured through a step of 0 μm and a step of forming a silicon-containing layer containing silicon or a silicon compound on the carbon particle-containing layer .
本発明によれば、充電時の負極の膨れが抑制されて、サイクル性能が向上する。 According to the present invention, swelling of the negative electrode during charging is suppressed, and cycle performance is improved.
本発明の非水電解質二次電池は、正極、集電体を備えた負極、及び非水電解質を備えてなる。
図１に示すように、負極１は、集電体３上に炭素粒子を含む炭素粒子含有層５が形成され、この炭素粒子含有層５の集電体３とは反対面に、ケイ素又はケイ素の化合物を含むケイ素含有層７が形成されている。
The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention comprises a positive electrode, a negative electrode equipped with a current collector, and a nonaqueous electrolyte.
As shown in FIG. 1, in the
集電体としては、高い導電性を有し、Ｌｉと合金化しない材料、例えば、銅箔等の金属箔などが用いられる。 As the current collector, a material having high conductivity and not alloyed with Li, for example, a metal foil such as a copper foil is used.
炭素粒子としては、特に限定されず、例えば公知のコークス類、ガラス状炭素類、グラファイト類、難黒鉛化性炭素類、熱分解炭素類などが用いられる。なお、炭素粒子含有層には、炭素粒子の他に、セルロース、カルボキシメチルセルロース、スチレン−ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン−プロピレンゴム、シンジオタクチック１，２−ポリブタジエン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、プロピレン−α−オレフィン（炭素数２〜１２）共重合体、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン−エチレン共重合体などのバインダや添加剤などを含有してもよい。 The carbon particles are not particularly limited, and for example, known cokes, glassy carbons, graphites, non-graphitizable carbons, pyrolytic carbons and the like are used. In addition to carbon particles, the carbon particle-containing layer includes cellulose, carboxymethyl cellulose, styrene-butadiene rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene-propylene rubber, syndiotactic 1,2-polybutadiene, and ethylene-vinyl acetate. Binders and additives such as polymers, propylene-α-olefin (carbon number 2 to 12) copolymers, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polytetrafluoroethylene-ethylene copolymers may be contained. .
ケイ素含有層は、集電体上に炭素粒子含有層を形成したのちに、気相から炭素粒子含有層にケイ素又はケイ素の化合物を堆積させることで形成できる。具体的には、スパッタリング法、ＣＶＤ法、及び蒸着法などの気相からの薄膜形成法により形成することができる。 The silicon-containing layer can be formed by depositing silicon or a compound of silicon from the vapor phase on the carbon particle-containing layer after forming the carbon particle-containing layer on the current collector. Specifically, it can be formed by a thin film forming method from a gas phase such as a sputtering method, a CVD method, and an evaporation method.
ケイ素含有層に含まれるケイ素の化合物としては、例えば、一般式ＳｉＯｘ（０≦ｘ＜２）で表される物質、またはこの物質にＢ、Ｎ、Ｐ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ等の典型非金属元素、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｋ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ等の典型金属元素、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｗ等の遷移金属元素を単独又は二種類以上含有する物質が挙げられる。また、ケイ素含有層には、ケイ素、ケイ素の化合物を単独で又は２種以上含有してもよい。 Examples of the silicon compound contained in the silicon-containing layer include, for example, a substance represented by the general formula SiOx (0 ≦ x <2), or a typical substance such as B, N, P, F, Cl, Br, or I. Non-metallic elements, typical metallic elements such as Li, Na, Mg, Al, K, Ca, Zn, Ga, Ge, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Zr, Ta , Hf, Nb, W, and other transition metal elements may be used alone or in combination. The silicon-containing layer may contain silicon or a compound of silicon alone or in combination of two or more.
本発明では、炭素粒子含有層のケイ素含有層側の面の表面粗さＲａは、０．３μｍ≦Ｒａ≦９．０μｍであり、好ましくは、０．５μｍ≦Ｒａ≦９．０μｍ、特に好ましくは、１．０μｍ≦Ｒａ≦５．０μｍである（表面粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１に準拠して、レーザー顕微鏡による表面プロファイルを計測し、この計測値から求めた中心線表面粗さをいう。なお、負極の集電体上に炭素粒子を含む炭素粒子含有層が形成され、この炭素粒子含有層上にケイ素又はケイ素の化合物を含むケイ素含有層が形成された非水電解質二次電池における、炭素粒子含有層のケイ素含有層側の面の表面粗さは、適宜ケイ素含有層のみを除去して測定できる。例えば、次のようにして測定することができる。非水電解質二次電池を解体し、負極板またはシートを取り出し、この負極板またはシートを、フッ化水素−硫酸混合液を含む水溶液に、充分にケイ素含有層が溶解するまで浸漬し、その後、充分に水洗し、乾燥した後、上記と同様に、レーザー顕微鏡を用いて、表面粗さＲａを算出できる）。 In the present invention, the surface roughness Ra of the surface on the silicon-containing layer side of the carbon particle-containing layer is 0.3 μm ≦ Ra ≦ 9.0 μm, preferably 0.5 μm ≦ Ra ≦ 9.0 μm, particularly preferably 1.0 μm ≦ Ra ≦ 5.0 μm (Surface roughness Ra is a surface profile measured by a laser microscope in accordance with JIS B 0601-2001, and the centerline surface roughness determined from this measured value is A nonaqueous electrolyte secondary battery in which a carbon particle-containing layer containing carbon particles is formed on a current collector of a negative electrode, and a silicon-containing layer containing silicon or a silicon compound is formed on the carbon particle-containing layer. The surface roughness of the surface of the carbon particle-containing layer on the silicon-containing layer side can be measured by appropriately removing only the silicon-containing layer, for example, as follows: Nonaqueous electrolyte secondary battery Disassemble the negative electrode The plate or sheet is taken out, and the negative electrode plate or sheet is immersed in an aqueous solution containing a hydrogen fluoride-sulfuric acid mixed solution until the silicon-containing layer is sufficiently dissolved, and then sufficiently washed with water and dried. Similarly, the surface roughness Ra can be calculated using a laser microscope).
この範囲よりも表面粗さが小さいと、炭素粒子含有層のケイ素含有層側の面の凹凸が小さすぎて、ケイ素含有層が充電により膨張した際に、その膨張分を受け入れる空隙が存在しなくなるものと考えられる。そのため充電時の負極板の膨れが大きくなり、サイクル性能が低い傾向にあるものと考えられる。 If the surface roughness is smaller than this range, the irregularities on the surface of the carbon-containing layer side of the carbon particle-containing layer are too small, and when the silicon-containing layer expands due to charging, there are no voids that accept the expansion. It is considered a thing. For this reason, the swelling of the negative electrode plate during charging is increased, and it is considered that the cycle performance tends to be low.
一方、この範囲よりも表面粗さが大きいと以下の理由によりサイクル特性が低下するものと考えられる。ここで、表面粗さについて考察すると、表面粗さは、表面近傍の炭素粒子の密着度合いと相関関係があるものと推測される。すなわち、表面粗さは、炭素粒子含有層の表面近傍において隣接する炭素粒子の中心間距離と相関関係にあり、表面粗さが大きくなるほど前記中心間距離が大きくなり、炭素粒子同士の密着が弱くなるものと推測される。
そして、Ｒａが９．０μｍよりも大きい場合には、炭素粒子同士の密着が弱すぎるために、充電によりケイ素含有層が膨張したとき、この膨張に引きずられて炭素粒子含有層表面も変形して炭素粒子同士が引き離され、炭素粒子の相互接触からなる集電構造が破壊されるものと考えられる。そして、その結果サイクル性能が低くなるものと推測される。
以上のように推測されるから、０．３μｍ≦Ｒａ≦９．０μｍとすると、ケイ素含有層が膨張したときに、その膨張分を、炭素粒子含有層の表面の空隙が吸収することができ、かつ、炭素粒子同士の密着を強く保つことができるため、集電構造を維持することができるものと考えられる。その結果、サイクル性能が著しく向上するものと考えられる。
On the other hand, if the surface roughness is larger than this range, it is considered that the cycle characteristics deteriorate for the following reason. Here, considering the surface roughness, it is presumed that the surface roughness has a correlation with the adhesion degree of the carbon particles in the vicinity of the surface. That is, the surface roughness correlates with the center-to-center distance between adjacent carbon particles in the vicinity of the surface of the carbon particle-containing layer, and as the surface roughness increases, the center-to-center distance increases and the adhesion between the carbon particles weakens. Presumed to be.
And when Ra is larger than 9.0 μm, the adhesion between the carbon particles is too weak, so when the silicon-containing layer expands due to charging, the surface of the carbon particle-containing layer is also deformed due to the expansion. It is considered that the carbon particles are separated from each other and the current collecting structure formed by mutual contact of the carbon particles is destroyed. As a result, the cycle performance is estimated to be low.
Since it is estimated as described above, when 0.3 μm ≦ Ra ≦ 9.0 μm, when the silicon-containing layer expands, the expansion of the surface of the carbon particle-containing layer can be absorbed, And since adhesion | attachment of carbon particles can be kept strong, it is thought that a current collection structure can be maintained. As a result, it is considered that the cycle performance is remarkably improved.
ところで、ケイ素又はケイ素の化合物の平衡電位はリチウムに対して、約０．３Ｖ ｖｓ． Ｌｉ／Ｌｉ＋であり、炭素粒子の平衡電位はリチウムに対して、約０．１Ｖ ｖｓ． Ｌｉ／Ｌｉ＋である。従って、負極を充電したときには、充電初期にケイ素又はケイ素の化合物が先に充電されて、次に炭素粒子が充電されることなる。
このため、ケイ素又はケイ素の化合物が少なすぎると、充電初期に少量のケイ素又はケイ素の化合物に全充電電流がかかるため、ケイ素又はケイ素の化合物の劣化が著しくなり、結果としてサイクル寿命が低下する傾向にある。
一方、ケイ素又はケイ素の化合物が多すぎると、充電時のケイ素又はケイ素の化合物の膨張収縮が大きいために、サイクル性能が低下する。
そこで、炭素粒子の質量をＷｃ、ケイ素又はケイ素の化合物の質量をＷｓとしたときに０．００１≦Ｗｓ／Ｗｃ≦０．０５を満たすことが好ましく、０．００２≦Ｗｓ／Ｗｃ≦０．０２を満たすことが更に好ましく、０．０５≦Ｗｓ／Ｗｃ≦０．０１を満たすことが特に好ましい。
By the way, the equilibrium potential of silicon or a compound of silicon is about 0.3 V vs. lithium. Li / Li + and the equilibrium potential of the carbon particles is about 0.1 V vs. lithium with respect to lithium. Li / Li + . Therefore, when the negative electrode is charged, silicon or a silicon compound is charged first in the initial stage of charging, and then the carbon particles are charged.
For this reason, if the amount of silicon or silicon compound is too small, the entire charging current is applied to a small amount of silicon or silicon compound at the beginning of charging, so that the deterioration of the silicon or silicon compound becomes significant and the cycle life tends to decrease as a result. It is in.
On the other hand, if there is too much silicon or silicon compound, the expansion and shrinkage of the silicon or silicon compound at the time of charging is large, so that the cycle performance decreases.
Therefore, it is preferable to satisfy 0.001 ≦ Ws / Wc ≦ 0.05 when the mass of the carbon particles is Wc and the mass of the silicon or silicon compound is Ws, and 0.002 ≦ Ws / Wc ≦ 0.02. It is more preferable to satisfy | fill, and it is especially preferable to satisfy | fill 0.05 <= Ws / Wc <= 0.01.
正極は、アルミニウム、ニッケル、又はステンレス製の集電体の両面又は片面にリチウムイオンを吸蔵・放出する物質を構成要素とする正極合剤からなる正極活物質層を設けた構造となっている。この正極活物質層は、正極活物質を含有する。正極活物質としては、特に限定されず、公知のリチウム含有複合金属酸化物、すなわち、リチウムを含むコバルト酸化物、リチウムを含むマンガン酸化物、リチウムを含むニッケル酸化物あるいはこれらの複合酸化物、混合物であれば特に限定されず、例えば、ＬｉＭＯ２（ただし、Ｍは一種以上の遷移金属）で表される基本構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物を主体とする化合物として、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２が挙げられ、また、ＬｉＭｎＯ４、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＭｙＭｎ２−ｙＯ４（Ｍ＝Ｃｒ，Ｃｏ，Ｎｉ，０≦ｙ≦０．５）等、あるいはこれらの複合酸化物、混合物を用いることも可能である。ＬｉＭＯ２（ただし、Ｍは一種以上の遷移金属）で表される基本構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物を主体とする化合物を用いた場合には、特に放電電圧の高さから遷移金属ＭとしてＣｏ，Ｎｉ，Ｍｎから選択して使用することが望ましい。 The positive electrode has a structure in which a positive electrode active material layer made of a positive electrode mixture containing a substance that absorbs and releases lithium ions as a constituent element is provided on both surfaces or one surface of a current collector made of aluminum, nickel, or stainless steel. This positive electrode active material layer contains a positive electrode active material. The positive electrode active material is not particularly limited, and is a known lithium-containing composite metal oxide, that is, cobalt oxide containing lithium, manganese oxide containing lithium, nickel oxide containing lithium, or a composite oxide thereof, or a mixture thereof. is not particularly limited as long as, for example, LiMO 2 (however, M is one or more transition metals) as a compound consisting mainly of lithium transition metal composite oxide having a basic structure represented by, LiCoO 2, LiNiO 2 is LiMnO 4 , LiMn 2 O 4 , LiM y Mn 2−y O 4 (M = Cr, Co, Ni, 0 ≦ y ≦ 0.5) or the like, or a composite oxide or a mixture thereof is used. It is also possible. When a compound mainly composed of a lithium transition metal composite oxide having a basic structure represented by LiMO 2 (wherein M is one or more transition metals) is used as the transition metal M particularly from the high discharge voltage. It is desirable to select from Co, Ni, and Mn.
非水電解質としては、非水電解液又は固体電解質のいずれも使用することができる。非水電解液を用いる場合には特に限定されず、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ガンマブチロラクトン、スルホラン、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、ジオキソラン、ブチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネート、２−メチル−γ−ブチルラクトン、アセチル−γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、３−メチル−１，３−ジオキソラン、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、ジプロピルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルイソプロピルカーボネート、ジブチルカーボネート等を単独でまたは二種以上混合して使用することができる。 As the non-aqueous electrolyte, either a non-aqueous electrolyte or a solid electrolyte can be used. When the non-aqueous electrolyte is used, it is not particularly limited. For example, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, gamma butyrolactone, sulfolane, dimethyl sulfoxide, acetonitrile, dimethylformamide, dimethylacetamide, 1, 2 -Dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dioxolane, butylene carbonate, trifluoropropylene carbonate, 2-methyl-γ-butyllactone, acetyl-γ-butyrolactone, γ-valerolactone, 3 -Methyl-1,3-dioxolane, methyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, dipropyl carbonate, methyl pro Le carbonate, ethyl isopropyl carbonate, a mixture of dibutyl carbonate, singly or may be used.
非水電解液の溶質としての電解質塩は、特に限定されず例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＦ２ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＦ２ＣＦ２ＳＯ３、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＣＯＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＣＯＣＦ２ＣＦ３）２ＬｉＢＦ２Ｃ２Ｏ４、ＬｉＢ（Ｃ２Ｏ４）２、ＬｉＰＦ２（Ｃ２Ｏ４）２およびＬｉＰＦ３（ＣＦ２ＣＦ３）３等を単独でまたは２種類以上を混合して使用することができる。
電解質塩の非水電解液に対する溶解量は、特に限定されないが、０．２〜２．５ｍｏｌ・ｄｍ−３が好ましい。特に、０．８〜２．０ｍｏｌ・ｄｍ−３とすることがより好ましい。
固体電解質としては、公知の固体電解質を用いることができ、例えば無機固体電解質、ポリマー固体電解質を用いることができる。
The electrolyte salt as the solute of the nonaqueous electrolytic solution is not particularly limited. For example, LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 CO 2 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CF 2 SO 3 , LiCF 3 CF 2 CF 2 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 CF 2 CF 3 ) 2 , LiN (COCF 3 ) 2 , LiN (COCF 2 CF 3 ) 2 LiBF 2 C 2 O 4 , LiB ( C 2 O 4) 2, LiPF 2 (C 2 O 4) 2 and LiPF 3 (CF 2 CF 3) 3 and the like may be used alone or in combination of two or more kinds.
The amount of electrolyte salt dissolved in the non-aqueous electrolyte is not particularly limited, but is preferably 0.2 to 2.5 mol · dm −3 . In particular, 0.8 to 2.0 mol · dm −3 is more preferable.
As the solid electrolyte, a known solid electrolyte can be used. For example, an inorganic solid electrolyte or a polymer solid electrolyte can be used.
以下、実施例によって本発明を更に詳しく説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
＜実施例１の非水電解質二次電池の作製＞
負極活物質（炭素粒子）９７質量％とスチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）２質量％とカルボキシメチルセルロール（ＣＭＣ）１質量％とを、水中で分散させることによりペーストを作製した。このペーストを厚さ１２μｍの銅箔上に塗布して、次に１５０℃で乾燥することにより、水を蒸発させた。この作業を銅箔の両面に対して行った後に両面をロールプレスで圧縮成形し、両面に黒鉛層（炭素粒子含有層）が形成された負極を作製した。
なお、ロールプレスの際に使用したロールの表面粗さを調整することによって、黒鉛層の表面粗さＲａを０．３とした。この表面粗さの調整は、プレス圧力、炭素粒子粒径等によっても調整することができる。
作製した負極の黒鉛層の表面粗さＲａは、レーザー顕微鏡（キーエンス社製、ＶＫ−８５００）を使用して、表面プロファイルを計測し、付属の解析ソフトウェアで中心線表面粗さＲａ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１）を算出して求めた。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in more detail, this invention is not limited to an Example.
<Preparation of Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery of Example 1>
A paste was prepared by dispersing 97% by mass of a negative electrode active material (carbon particles), 2% by mass of styrene-butadiene rubber (SBR), and 1% by mass of carboxymethyl cellulose (CMC) in water. This paste was applied onto a 12 μm thick copper foil and then dried at 150 ° C. to evaporate water. After performing this operation on both sides of the copper foil, both sides were compression-molded with a roll press to produce a negative electrode in which a graphite layer (carbon particle-containing layer) was formed on both sides.
The surface roughness Ra of the graphite layer was set to 0.3 by adjusting the surface roughness of the roll used in the roll press. The surface roughness can be adjusted by pressing pressure, carbon particle diameter, and the like.
The surface roughness Ra of the produced negative electrode graphite layer was measured by using a laser microscope (VK-8500, manufactured by Keyence Corporation), and the center line surface roughness Ra (JIS B 0601) was measured using the attached analysis software. -2001).
つづいて、これらの両面にスパッタリング法でケイ素を析出させて、黒鉛層（炭素粒子含有層）上にケイ素層（ケイ素含有層）が積層されてなる合剤層を両面に備えた負極を作製した。
なお、スパッタリング装置にはＳＲＶ４３１０型（神港精機社製）を用い、スパッタリング条件は、印加電力１００Ｗ、圧力０．７Ｐａ、基板温度２５℃とした。ケイ素析出量は、スパッタリング時間を変更することによって、Ｗｓ／Ｗｃ＝０．０１とした。
Subsequently, silicon was deposited on both surfaces by a sputtering method, and a negative electrode having a mixture layer formed by laminating a silicon layer (silicon-containing layer) on a graphite layer (carbon particle-containing layer) was prepared. .
In addition, SRV4310 type (made by Shinko Seiki Co., Ltd.) was used for the sputtering apparatus, and the sputtering conditions were an applied power of 100 W, a pressure of 0.7 Pa, and a substrate temperature of 25 ° C. The silicon deposition amount was set to Ws / Wc = 0.01 by changing the sputtering time.
次に、コバルト酸リチウム９０質量％と、アセチレンブラック５質量％と、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）５質量％とをＮＭＰ（Ｎ−メチル−２ピロリドン）中で分散させることにより正極ペーストを作製した。この正極ペーストを厚さ１６μｍのアルミニウム箔上に塗布して、つぎに１５０℃で乾燥することによりＮＭＰを蒸発させた。この作業をアルミニウム箔の両面に対しておこない、さらに、両面をロールプレスで圧縮成形した。このようにして両面に正極合剤層を備えた正極を作製した。 Next, a positive electrode paste was prepared by dispersing 90% by mass of lithium cobaltate, 5% by mass of acetylene black, and 5% by mass of polyvinylidene fluoride (PVDF) in NMP (N-methyl-2pyrrolidone). This positive electrode paste was applied onto an aluminum foil having a thickness of 16 μm and then dried at 150 ° C. to evaporate NMP. This operation was performed on both sides of the aluminum foil, and both sides were compression-molded with a roll press. Thus, the positive electrode provided with the positive mix layer on both surfaces was produced.
このようにして調製した正極及び負極を、厚さ２０μｍのポリエチレン製セパレータを間に挟んで重ねて巻き、高さ４８ｍｍ、幅３０ｍｍ、厚さ４．２０ｍｍの容器内に挿入して定格容量６８０ｍＡの角形電池を組み立てた。そして、この電池の内部に非水電解質を注入することによって、実施例１の電池を得た。この非水電解質には、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＥＣ）との体積比１：１の混合溶媒に１ｍｏｌ・ｄｍ−３のＬｉＰＦ６を溶解したものを用いた。 The positive electrode and negative electrode prepared in this way are stacked with a 20 μm thick polyethylene separator in between, and inserted into a container having a height of 48 mm, a width of 30 mm, and a thickness of 4.20 mm, and a rated capacity of 680 mA. A square battery was assembled. A battery of Example 1 was obtained by injecting a nonaqueous electrolyte into the battery. As this non-aqueous electrolyte, a solution obtained by dissolving 1 mol · dm −3 LiPF 6 in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DEC) in a volume ratio of 1: 1 was used.
＜実施例２の非水電解質二次電池の作製＞
黒鉛層をロールプレスした際に使用したロールの表面粗さを調整することによって、黒鉛層の表面粗さＲａを０．５とした以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
<Preparation of Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery of Example 2>
A non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the surface roughness Ra of the graphite layer was set to 0.5 by adjusting the surface roughness of the roll used when the graphite layer was roll pressed. Was made.
＜実施例３の非水電解質二次電池の作製＞
黒鉛層をロールプレスした際に使用したロールの表面粗さを調整することによって、黒鉛層の表面粗さＲａを１．０とした以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
<Preparation of Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery of Example 3>
A non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the surface roughness Ra of the graphite layer was set to 1.0 by adjusting the surface roughness of the roll used when the graphite layer was roll pressed. Was made.
＜実施例４の非水電解質二次電池の作製＞
黒鉛層をロールプレスした際に使用したロールの表面粗さを調整することによって、黒鉛層の表面粗さＲａを２．０とした以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
<Preparation of Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery of Example 4>
A non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the surface roughness Ra of the graphite layer was set to 2.0 by adjusting the surface roughness of the roll used when the graphite layer was roll pressed. Was made.
＜実施例５の非水電解質二次電池の作製＞
黒鉛層をロールプレスした際に使用したロールの表面粗さを調整することによって、黒鉛層の表面粗さＲａを５．０とした以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
<Preparation of Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery of Example 5>
A non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the surface roughness Ra of the graphite layer was set to 5.0 by adjusting the surface roughness of the roll used when the graphite layer was roll pressed. Was made.
＜実施例６の非水電解質二次電池の作製＞
黒鉛層をロールプレスした際に使用したロールの表面粗さを調整することによって、黒鉛層の表面粗さＲａを９．０とした以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
<Preparation of Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery of Example 6>
A non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the surface roughness Ra of the graphite layer was set to 9.0 by adjusting the surface roughness of the roll used when the graphite layer was roll pressed. Was made.
＜実施例７の非水電解質二次電池の作製＞
黒鉛層をロールプレスした際に使用したロールの表面粗さを調整することによって、黒鉛層の表面粗さＲａを５．０とし、スパッタリング時間を変更することによって、Ｗｓ／Ｗｃ＝０．０００５とした以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
<Preparation of Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery of Example 7>
By adjusting the surface roughness of the roll used when the graphite layer was roll-pressed, the surface roughness Ra of the graphite layer was set to 5.0, and by changing the sputtering time, Ws / Wc = 0.0005 A nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that.
＜実施例８の非水電解質二次電池の作製＞
黒鉛層をロールプレスした際に使用したロールの表面粗さを調整することによって、黒鉛層の表面粗さＲａを５．０とし、スパッタリング時間を変更することによって、Ｗｓ／Ｗｃ＝０．００１０とした以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
<Preparation of Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery of Example 8>
By adjusting the surface roughness of the roll used when the graphite layer was roll-pressed, the surface roughness Ra of the graphite layer was set to 5.0, and by changing the sputtering time, Ws / Wc = 0.010 A nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that.
＜実施例９の非水電解質二次電池の作製＞
黒鉛層をロールプレスした際に使用したロールの表面粗さを調整することによって、黒鉛層の表面粗さＲａを５．０とし、スパッタリング時間を変更することによって、Ｗｓ／Ｗｃ＝０．００２０とした以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
<Preparation of Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery of Example 9>
By adjusting the surface roughness of the roll used when the graphite layer was roll-pressed, the surface roughness Ra of the graphite layer was set to 5.0, and by changing the sputtering time, Ws / Wc = 0.020 A nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that.
＜実施例１０の非水電解質二次電池の作製＞
黒鉛層をロールプレスした際に使用したロールの表面粗さを調整することによって、黒鉛層の表面粗さＲａを５．０とし、スパッタリング時間を変更することによって、Ｗｓ／Ｗｃ＝０．００５０とした以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
<Preparation of Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery of Example 10>
By adjusting the surface roughness of the roll used when the graphite layer was roll-pressed, the surface roughness Ra of the graphite layer was set to 5.0, and by changing the sputtering time, Ws / Wc = 0.050 A nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that.
＜実施例１１の非水電解質二次電池の作製＞
黒鉛層をロールプレスした際に使用したロールの表面粗さを調整することによって、黒鉛層の表面粗さＲａを５．０とし、スパッタリング時間を変更することによって、Ｗｓ／Ｗｃ＝０．０１００とした以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
<Preparation of Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery of Example 11>
By adjusting the surface roughness of the roll used when the graphite layer was roll-pressed, the surface roughness Ra of the graphite layer was set to 5.0, and by changing the sputtering time, Ws / Wc = 0.0100 A nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that.
＜実施例１２の非水電解質二次電池の作製＞
黒鉛層をロールプレスした際に使用したロールの表面粗さを調整することによって、黒鉛層の表面粗さＲａを５．０とし、スパッタリング時間を変更することによって、Ｗｓ／Ｗｃ＝０．０２００とした以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
<Preparation of Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery of Example 12>
By adjusting the surface roughness of the roll used when the graphite layer was roll-pressed, the surface roughness Ra of the graphite layer was set to 5.0, and by changing the sputtering time, Ws / Wc = 0.0200 A nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that.
＜実施例１３の非水電解質二次電池の作製＞
黒鉛層をロールプレスした際に使用したロールの表面粗さを調整することによって、黒鉛層の表面粗さＲａを５．０とし、スパッタリング時間を変更することによって、Ｗｓ／Ｗｃ＝０．０５００とした以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
<Preparation of Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery of Example 13>
By adjusting the surface roughness of the roll used when the graphite layer was roll-pressed, the surface roughness Ra of the graphite layer was set to 5.0, and by changing the sputtering time, Ws / Wc = 0.0500 A nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that.
＜実施例１４の非水電解質二次電池の作製＞
黒鉛層をロールプレスした際に使用したロールの表面粗さを調整することによって、黒鉛層の表面粗さＲａを５．０とし、スパッタリング時間を変更することによって、Ｗｓ／Ｗｃ＝０．１０００とした以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
<Preparation of Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery of Example 14>
By adjusting the surface roughness of the roll used when the graphite layer was roll-pressed, the surface roughness Ra of the graphite layer was set to 5.0, and by changing the sputtering time, Ws / Wc = 0.1000. A nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that.
＜比較例１の非水電解質二次電池の作製＞
黒鉛層をロールプレスした際に使用したロールの表面粗さを調整することによって、黒鉛層の表面粗さＲａを０．２とした以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
<Preparation of Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery of Comparative Example 1>
A non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the surface roughness Ra of the graphite layer was set to 0.2 by adjusting the surface roughness of the roll used when the graphite layer was roll pressed. Was made.
＜比較例２の非水電解質二次電池の作製＞
黒鉛層をロールプレスした際に使用したロールの表面粗さを調整することによって、黒鉛層の表面粗さＲａを１２．０とした以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
<Preparation of Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery of Comparative Example 2>
A non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the surface roughness Ra of the graphite layer was set to 12.0 by adjusting the surface roughness of the roll used when the graphite layer was roll pressed. Was made.
＜サイクル試験（サイクル特定の評価）＞
上記の方法で作製した各電池について、２５℃の雰囲気下、６８０ｍＡの定電流で４．２Ｖまで充電し、続いて４．２Ｖの定電圧で２時間充電した後、６８０ｍＡの電流で２．０Ｖまで放電した。この充放電課程を１サイクルとし、５０サイクルの充放電試験をおこない、容量保持率を調べた。なお、３サイクル目の充電終了時に、電池厚みＤを計測し、これと試験前の電池ケース厚みＤ０との差（Ｄ−Ｄ０）を求め、この差を試験前の電池ケース厚みＤ０で除して、充電時電池膨れを算出した。
また、本実施例における容量保持率とは、１サイクル目の放電容量に対する５０サイクル目の放電容量の割合を表す（百分率表示）。
結果を表１及び表２に示す。
<Cycle test (cycle specific evaluation)>
Each battery produced by the above method was charged to 4.2 V at a constant current of 680 mA in an atmosphere at 25 ° C., then charged for 2 hours at a constant voltage of 4.2 V, and then 2.0 V at a current of 680 mA. Discharged until. This charge / discharge process was defined as one cycle, and 50 cycles of charge / discharge tests were conducted to examine capacity retention. Incidentally, 3 during cycle charge termination, measures the battery thickness D, which the calculated difference (D-D 0) of the battery case thickness D 0 before the test, prior to testing the difference battery case thickness D 0 The battery swell during charging was calculated.
In addition, the capacity retention rate in this example represents the ratio of the discharge capacity at the 50th cycle to the discharge capacity at the first cycle (percentage display).
The results are shown in Tables 1 and 2.
表２の結果から、０．００１０≦Ｗｓ／Ｗｃ≦０．０５００の実施例８〜１３の非水電解質二次電池は、実施例７，１４の非水電解質二次電池と比べて、５０サイクル容量保持率が高かった。また、実施例８〜１３の非水電解質二次電池は、電池膨れも小さいことが確認された。 From the results in Table 2, the nonaqueous electrolyte secondary batteries of Examples 8 to 13 with 0.0010 ≦ Ws / Wc ≦ 0.0500 are 50 cycles compared to the nonaqueous electrolyte secondary batteries of Examples 7 and 14. Capacity retention was high. In addition, it was confirmed that the nonaqueous electrolyte secondary batteries of Examples 8 to 13 also had small battery swelling.
１…負極
３…集電体
５…炭素粒子含有層
７…ケイ素含有層
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記炭素粒子の質量をＷｃ、ケイ素の質量をＷｓとしたときに、０．００１≦Ｗｓ／Ｗｃ≦０．０５を満たすことを特徴とする非水電解質二次電池。 A positive electrode, a negative electrode with a current collector, and a non-aqueous electrolyte, a carbon particle-containing layer containing carbon particles is formed on the current collector of the negative electrode, and a thin film is formed from the gas phase on the carbon particle-containing layer In the nonaqueous electrolyte secondary battery in which the silicon-containing layer is formed by depositing silicon by the method, the surface roughness Ra of the surface of the carbon particle-containing layer on the silicon-containing layer side is 0.3 μm ≦ Ra ≦ 9. 0μm der is,
A non-aqueous electrolyte secondary battery satisfying 0.001 ≦ Ws / Wc ≦ 0.05 when the mass of the carbon particles is Wc and the mass of silicon is Ws .
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