JP7265697B2 - Negative electrode material for non-aqueous lithium secondary batteries - Google Patents
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Description
本発明は、非水系リチウム二次電池の負極材料に関する。 The present invention relates to a negative electrode material for non-aqueous lithium secondary batteries.
近年、非水系リチウム二次電池は、パソコン、携帯端末等のポータブル電源や、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）等の車両駆動用電源などに好適に用いられている。 In recent years, non-aqueous lithium secondary batteries have been suitably used for portable power sources such as personal computers and mobile terminals, and power sources for driving vehicles such as electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HV), and plug-in hybrid vehicles (PHV). It is
一般的に、非水系リチウム二次電池の負極には、負極活物質として黒鉛が用いられている（例えば、特許文献１および２参照）。非水系リチウム二次電池はその普及に伴い、さらなる高性能化が望まれている。高性能化のための方策の一つとしては、負極材料の改良が挙げられる。負極材料の改良の例として、特許文献３には、負極活物質の表面の一部を、特定構造の金属塩またはオキソカーボン酸で被覆することにより、サイクル特性（具体的には、繰り返し充放電した際の容量劣化耐性）が向上することが記載されている。特許文献３には、オキソカーボン酸として、四員環構造のスクエア酸二リチウム（スクアリン酸二リチウム）について実際に検討がなされている。 Graphite is generally used as a negative electrode active material for negative electrodes of non-aqueous lithium secondary batteries (see, for example, Patent Documents 1 and 2). With the spread of non-aqueous lithium secondary batteries, further improvement in performance is desired. One of the measures for improving the performance is improvement of the negative electrode material. As an example of improving the negative electrode material, Patent Document 3 discloses that a part of the surface of the negative electrode active material is coated with a metal salt having a specific structure or an oxocarbonic acid to improve cycle characteristics (specifically, repeated charging and discharging It is described that the resistance to capacity deterioration when Patent Document 3 actually examines dilithium squarate (dilithium squarate) having a four-membered ring structure as an oxocarbonic acid.
しかしながら、本発明者が鋭意検討した結果、従来技術においては、初期抵抗の低抵抗化が不十分であり、また長期間高温下に放置すると電池特性が低下するという問題があることを見出した。 However, as a result of intensive studies by the present inventors, it was found that the prior art is insufficient in reducing the initial resistance, and that there is a problem that battery characteristics deteriorate when left at high temperatures for a long period of time.
上記事情に鑑み、本発明は、非水系リチウム二次電池を低抵抗化し、かつ高温下での非水系リチウム二次電池の特性劣化を抑制することが可能な負極材料を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a negative electrode material that can reduce the resistance of non-aqueous lithium secondary batteries and suppress the deterioration of the characteristics of non-aqueous lithium secondary batteries at high temperatures. do.
ここに開示される非水系リチウム二次電池の負極材料は、黒鉛と、前記黒鉛の表面の少なくとも一部に形成されたオキソカーボン酸塩の被覆と、を備える。前記オキソカーボン酸塩は、クロコン酸塩、ロジゾン酸塩、およびヘプタゴン酸塩からなる群より選ばれる少なくとも１種である。前記黒鉛に対する前記オキソカーボン酸塩の被覆量は、０．１質量％以上である。
このような構成によれば、非水系リチウム二次電池を低抵抗化し、かつ高温下での非水系リチウム二次電池の特性劣化を抑制することが可能な負極材料が提供される。
A negative electrode material for a non-aqueous lithium secondary battery disclosed herein comprises graphite and an oxocarbonate coating formed on at least part of the surface of the graphite. The oxocarbonate is at least one selected from the group consisting of croconate, rhodizonate, and heptagonate. The coating amount of the oxocarbonate with respect to the graphite is 0.1% by mass or more.
According to such a configuration, a negative electrode material is provided that can reduce the resistance of the non-aqueous lithium secondary battery and suppress the deterioration of the characteristics of the non-aqueous lithium secondary battery at high temperatures.
以下、本発明による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、本発明を特徴付けない負極材料の一般的な構成）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments according to the present invention will be described below. Matters other than those specifically mentioned in this specification that are necessary for the practice of the present invention (for example, the general configuration of the negative electrode material that does not characterize the present invention) can be found in the prior art in the field. It can be grasped as a design matter of a person skilled in the art based on. The present invention can be implemented based on the contents disclosed in this specification and common general technical knowledge in the field. Further, in the following drawings, members and portions having the same function are denoted by the same reference numerals. Also, the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each drawing do not reflect the actual dimensional relationships.
本実施形態に係る負極材料は、黒鉛と、当該黒鉛の表面の少なくとも一部に形成されたオキソカーボン酸塩の被覆と、を備える。ここで、当該オキソカーボン酸塩は、クロコン酸塩、ロジゾン酸塩、およびヘプタゴン酸塩からなる群より選ばれる少なくとも１種である。当該黒鉛に対する当該オキソカーボン酸塩の被覆量は、０．１質量％以上である。 The negative electrode material according to the present embodiment includes graphite and an oxocarbonate coating formed on at least part of the surface of the graphite. Here, the oxocarbonate is at least one selected from the group consisting of croconate, rhodizonate, and heptagonate. The coating amount of the oxocarbonate on the graphite is 0.1% by mass or more.
黒鉛は、非水系リチウム二次電池の負極活物質としての役割を有する。黒鉛は、天然黒鉛および人造黒鉛のいずれであってもよい。初期抵抗の面からは、天然黒鉛が好ましい。高温下での容量劣化耐性の面からは、人造黒鉛が好ましい。
黒鉛の平均粒子径は、特に制限はないが、通常５０μｍ以下であり、好ましくは１μｍ以上２０μｍ以下であり、より好ましくは５μｍ以上１５μｍ以下である。なお、本明細書において「平均粒子径」とは一般的なレーザー回折・光散乱法に基づく粒度分布測定により測定した体積基準の粒度分布おいて、微粒子側からの累積５０％に相当する粒径（Ｄ５０粒径、メジアン径ともいう）のことをいう。
黒鉛のＢＥＴ比表面積は、特に制限はないが、通常０．１ｍ２／ｇ以上１０ｍ２／ｇ以下であり、好ましくは１．０ｍ２／ｇ以上５．０ｍ２／ｇ以下である。なお、ＢＥＴ比表面積は、窒素ガス吸着法により測定することができる。
Graphite plays a role as a negative electrode active material for non-aqueous lithium secondary batteries. Graphite may be either natural graphite or artificial graphite. From the viewpoint of initial resistance, natural graphite is preferable. Artificial graphite is preferable from the standpoint of resistance to capacity deterioration at high temperatures.
The average particle size of graphite is not particularly limited, but is usually 50 μm or less, preferably 1 μm or more and 20 μm or less, more preferably 5 μm or more and 15 μm or less. In the present specification, the "average particle size" is a volume-based particle size distribution measured by particle size distribution measurement based on a general laser diffraction/light scattering method. ( D50 particle size, also referred to as median diameter).
The BET specific surface area of graphite is not particularly limited, but is usually 0.1 m 2 /g or more and 10 m 2 /g or less, preferably 1.0 m 2 / g or more and 5.0 m 2 /g or less. The BET specific surface area can be measured by a nitrogen gas adsorption method.
オキソカーボン酸とは、エンジオール（－Ｃ（ＯＨ）＝Ｃ（ＯＨ）－）がカルボニル基によりつながった環構造を有する環状化合物のことをいう。本実施形態に係る負極材料においては、上記黒鉛の表面の少なくとも一部に、オキソカーボン酸塩の被覆が形成されている。本実施形態においては、オキソカーボン酸塩の中でも、クロコン酸塩、ロジゾン酸塩、およびヘプタゴン酸塩からなる群より選ばれる少なくとも１種が用いられる。 An oxocarbonic acid is a cyclic compound having a ring structure in which enediol (--C(OH)=C(OH)--) is linked by a carbonyl group. In the negative electrode material according to the present embodiment, a coating of oxocarbonate is formed on at least part of the surface of the graphite. In this embodiment, among oxocarbonates, at least one selected from the group consisting of croconate, rhodizonate, and heptagonate is used.
クロコン酸塩は、５員環構造のオキソカーボン酸の塩であり、ロジゾン酸塩は、６員環構造のオキソカーボン酸の塩であり、およびヘプタゴン酸は、７員環構造のオキソカーボン酸の塩であり、それぞれ、下記式（Ｉ）、（II）および（III）で表すことができる。 Croconate is a salt of an oxocarbonic acid with a five-membered ring structure, rhodizonate is a salt of an oxocarbonic acid with a six-membered ring structure, and heptagonic acid is a salt of an oxocarbonic acid with a seven-membered ring structure. They are salts and can be represented by the following formulas (I), (II) and (III), respectively.
上記式（Ｉ）、（II）および（III）において、Ｍ＋は一価のカチオンを表す。
本実施形態においては、オキソカーボン酸塩は、好ましくはアルカリ金属塩であり、より好ましくはリチウム塩、ナトリウム塩、およびカリウム塩である。（すなわち、より好ましくは、上記式（Ｉ）、（II）および（III）において、Ｍ＋が、リチウムイオン、ナトリウムイオン、およびカリウムイオンである。）
In formulas (I), (II) and (III) above, M + represents a monovalent cation.
In this embodiment, the oxocarbonate salts are preferably alkali metal salts, more preferably lithium, sodium, and potassium salts. (That is, more preferably, in formulas (I), (II) and (III) above, M + is a lithium ion, a sodium ion, or a potassium ion.)
従来技術においては、四員環構造のスクアリン酸の塩が用いられていたが、本実施形態においては、５員環以上の構造のオキソカーボン酸の塩を用いる。後述の実施例および比較例の結果が示すように、これにより、初期抵抗低減効果と、高温保存後の特性劣化耐性向上効果が得られる。特に高温保存後の抵抗増加抑制効果は顕著である。これは、これらのオキソカーボン酸塩で黒鉛粒子を被覆することにより化学安定性が向上し、ＳＥＩ被膜が安定して形成されるようになること、オキソカーボン酸塩のカルボニル基の分極作用により、非水電解質中のリチウムイオンを黒鉛粒子に引き付け易くなり、低抵抗化が得られること、およびオキソカーボン酸の環構造の炭素数が増えると、一分子あたりの電荷の偏りによる静電引力の働く範囲が大きくなること、によるものと考えられる。 In the prior art, a squaric acid salt having a four-membered ring structure was used, but in the present embodiment, an oxocarbonic acid salt having a five-membered ring or more structure is used. As shown by the results of Examples and Comparative Examples described later, this provides an effect of reducing the initial resistance and an effect of improving resistance to characteristic deterioration after high-temperature storage. In particular, the resistance increase suppression effect after high temperature storage is remarkable. This is because the chemical stability is improved by coating the graphite particles with these oxocarbonates, and the SEI coating is stably formed. Lithium ions in the non-aqueous electrolyte are more likely to be attracted to the graphite particles, resulting in lower resistance, and when the number of carbon atoms in the ring structure of the oxocarbonic acid increases, electrostatic attraction works due to the bias in the charge per molecule. This is thought to be due to the fact that the range becomes larger.
黒鉛に対するオキソカーボン酸塩の被覆量が小さいと、初期抵抗低減効果および高温下での容量劣化耐性向上効果が十分に得られない。そのため、黒鉛に対するオキソカーボン酸塩の被覆量は、０．１質量％以上であり、より好ましくは０．５質量％以上であり、さらに好ましくは０．８質量％以上である。一方、黒鉛に対するオキソカーボン酸塩の被覆量は、好ましくは２質量％以下であり、より好ましくは１．５質量％以下である。 If the coating amount of the oxocarbonate on the graphite is small, the effect of reducing the initial resistance and the effect of improving resistance to capacity deterioration at high temperatures cannot be sufficiently obtained. Therefore, the coating amount of the oxocarbonate with respect to graphite is 0.1% by mass or more, more preferably 0.5% by mass or more, and still more preferably 0.8% by mass or more. On the other hand, the coating amount of the oxocarbonate on graphite is preferably 2% by mass or less, more preferably 1.5% by mass or less.
オキソカーボン酸塩の被覆は、本発明の効果を著しく損なわない範囲内で、オキソカーボン酸塩以外の化合物を含有していてもよい。
本実施形態に係る負極材料は、本発明の効果を著しく損なわない範囲内で、オキソカーボン酸塩の被覆以外の被覆を有していてもよい。
The oxocarbonate coating may contain compounds other than the oxocarbonate within a range that does not significantly impair the effects of the present invention.
The negative electrode material according to the present embodiment may have a coating other than the oxocarbonate coating within a range that does not significantly impair the effects of the present invention.
本実施形態に係る負極材料は、例えば、以下のようにして製造することができるが、本実施形態に係る負極材料の製造方法は以下に制限されない。
容器に、クロコン酸塩、ロジゾン酸塩、およびヘプタゴン酸塩からなる群より選ばれる少なくとも１種のオキソカーボン酸塩と、水等の溶媒を添加して混合し、オキソカーボン酸塩溶液を調製する。
黒鉛を、当該溶液中に添加し、撹拌して分散させる。その後、容器を加温して、溶媒を揮発させて除去する。
以上のようにして、本実施形態に係る負極材料を得ることができる。なお、黒鉛に対するオキソカーボン酸塩の被覆量は、黒鉛に対するオキソカーボン酸塩の添加量を調整することにより、制御することができる。
The negative electrode material according to this embodiment can be manufactured, for example, as follows, but the method for manufacturing the negative electrode material according to this embodiment is not limited to the following.
At least one oxocarbonate selected from the group consisting of croconate, rhodizonate, and heptagonate and a solvent such as water are added to a container and mixed to prepare an oxocarbonate solution. .
Graphite is added into the solution and stirred to disperse. The container is then heated to volatilize and remove the solvent.
As described above, the negative electrode material according to this embodiment can be obtained. The coating amount of the oxocarbonate on the graphite can be controlled by adjusting the amount of the oxocarbonate added to the graphite.
本実施形態に係る負極材料は、非水系リチウム二次電池の負極材料である。
本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、いわゆる蓄電池ならびに電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。
また、本明細書において「リチウム二次電池」とは、電荷担体としてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。
また、本明細書において「非水系リチウム二次電池」とは、非水電解質を備えるリチウム二次電池のことをいう。
The negative electrode material according to this embodiment is a negative electrode material for a non-aqueous lithium secondary battery.
As used herein, the term "secondary battery" generally refers to an electricity storage device that can be repeatedly charged and discharged, and includes so-called storage batteries and electricity storage elements such as electric double layer capacitors.
As used herein, the term "lithium secondary battery" refers to a secondary battery that utilizes lithium ions as a charge carrier and that is charged and discharged by the transfer of charge associated with the lithium ions between the positive and negative electrodes.
Further, in this specification, the term "non-aqueous lithium secondary battery" refers to a lithium secondary battery having a non-aqueous electrolyte.
本実施形態に係る負極材料を用いて、公知方法に従って非水系リチウム二次電池を構築することができる。具体的には、本実施形態に係る負極材料は、負極活物質としての役割を有するため、公知の非水系リチウム二次電池において、負極活物質に、本実施形態に係る負極材料を用いればよい。
本実施形態に係る負極材料を非水系リチウム二次電池に用いることにより、非水系リチウム二次電池を低抵抗化し、かつ高温下での非水系リチウム二次電池の特性劣化を抑制することができる。
Using the negative electrode material according to this embodiment, a non-aqueous lithium secondary battery can be constructed according to a known method. Specifically, since the negative electrode material according to this embodiment has a role as a negative electrode active material, the negative electrode material according to this embodiment may be used as a negative electrode active material in a known non-aqueous lithium secondary battery. .
By using the negative electrode material according to the present embodiment in a non-aqueous lithium secondary battery, it is possible to reduce the resistance of the non-aqueous lithium secondary battery and suppress the deterioration of the characteristics of the non-aqueous lithium secondary battery at high temperatures. .
以下、本実施形態に係る負極材料を用いた非水系リチウム二次電池の具体的な構成例を、図面を参照しながら説明する。
図１に示す非水系リチウム二次電池１００（以下、単に「リチウム二次電池１００」と記す）は、扁平形状の捲回電極体２０と非水電解質（図示せず）とが扁平な角形の電池ケース（即ち外装容器）３０に収容されることにより構築される密閉型電池である。電池ケース３０には、外部接続用の正極端子４２および負極端子４４と、電池ケース３０の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように設定された薄肉の安全弁３６とが設けられている。正負極端子４２，４４はそれぞれ正負極集電板４２ａ，４４ａと電気的に接続されている。電池ケース３０の材質には、例えば、アルミニウム等の軽量で熱伝導性の良い金属材料が用いられる。
A specific configuration example of a non-aqueous lithium secondary battery using the negative electrode material according to the present embodiment will be described below with reference to the drawings.
A non-aqueous lithium secondary battery 100 (hereinafter simply referred to as "lithium
捲回電極体２０は、図１および図２に示すように、長尺状の正極集電体５２の片面または両面（ここでは両面）に長手方向に沿って正極活物質層５４が形成された正極シート５０と、長尺状の負極集電体６２の片面または両面（ここでは両面）に長手方向に沿って負極活物質層６４が形成された負極シート６０とが、２枚の長尺状のセパレータシート７０を介して重ね合わされて長手方向に捲回されている。なお、捲回電極体２０の捲回軸方向（上記長手方向に直交するシート幅方向をいう。）の両端から外方にはみ出すように形成された正極活物質層非形成部分５２ａ（即ち、正極活物質層５４が形成されずに正極集電体５２が露出した部分）と負極活物質層非形成部分６２ａ（即ち、負極活物質層６４が形成されずに負極集電体６２が露出した部分）には、それぞれ正極集電板４２ａおよび負極集電板４４ａが接合されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
正極シート５０を構成する正極集電体５２としては、例えばアルミニウム箔等が挙げられる。正極活物質層５４に含まれる正極活物質としては、例えばリチウム遷移金属酸化物（例、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＦｅＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ１．５Ｏ４等）、リチウム遷移金属リン酸化合物（例、ＬｉＦｅＰＯ４等）等が挙げられる。正極活物質層５４は、活物質以外の成分、例えば、リン酸リチウム、導電材、バインダ等を含み得る。導電材としては、例えばアセチレンブラック（ＡＢ）等のカーボンブラックやその他（例、グラファイトなど）の炭素材料を好適に使用し得る。バインダとしては、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等を使用し得る。
Examples of the positive electrode
負極シート６０を構成する負極集電体６２としては、例えば銅箔等が挙げられる。負極活物質層６４は、負極活物質を含む材料である上述の本実施形態に係る負極材料を含む。負極活物質層６４は、バインダ、増粘剤等をさらに含み得る。バインダとしては、例えばスチレンブタジエンラバー（ＳＢＲ）等を使用し得る。増粘剤としては、例えばカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）等を使用し得る。
Examples of the negative electrode
セパレータ７０としては、従来からリチウム二次電池に用いられるものと同様の各種微多孔質シートを用いることができ、その例としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等の樹脂から成る微多孔質樹脂シートが挙げられる。かかる微多孔質樹脂シートは、単層構造であってもよく、二層以上の複層構造（例えば、ＰＥ層の両面にＰＰ層が積層された三層構造）であってもよい。セパレータ７０は、耐熱層（ＨＲＬ）を備えていてもよい。
As the
非水電解質は従来の非水系リチウム二次電池と同様のものを使用可能であり、典型的には有機溶媒（非水溶媒）中に、支持塩を含有させたものを用いることができる。非水溶媒としては、カーボネート類、エステル類、エーテル類等の非プロトン性溶媒を用いることができる。なかでも、カーボネート類、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）等を好適に採用し得る。或いは、モノフルオロエチレンカーボネート（ＭＦＥＣ）、ジフルオロエチレンカーボネート（ＤＦＥＣ）、モノフルオロメチルジフルオロメチルカーボネート（Ｆ－ＤＭＣ）、トリフルオロジメチルカーボネート（ＴＦＤＭＣ）のようなフッ素化カーボネート等のフッ素系溶媒を好ましく用いることができる。このような非水溶媒は、１種を単独で、あるいは２種以上を適宜組み合わせて用いることができる。支持塩としては、例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４等のリチウム塩を好適に用いることができる。支持塩の濃度は、０．７ｍｏｌ／Ｌ以上１．３ｍｏｌ／Ｌ以下が好ましい。
なお、上記非水電解質は、本発明の効果を著しく損なわない限りにおいて、上述した非水溶媒および支持塩以外の成分、例えば、ガス発生剤、被膜形成剤、分散剤、増粘剤等の各種添加剤を含み得る。
The same non-aqueous electrolyte as used in conventional non-aqueous lithium secondary batteries can be used, and typically an organic solvent (non-aqueous solvent) containing a supporting electrolyte can be used. Aprotic solvents such as carbonates, esters and ethers can be used as the non-aqueous solvent. Among them, carbonates such as ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethylmethyl carbonate (EMC) and the like can be preferably used. Alternatively, fluorine-based solvents such as fluorinated carbonates such as monofluoroethylene carbonate (MFEC), difluoroethylene carbonate (DFEC), monofluoromethyldifluoromethyl carbonate (F-DMC), and trifluorodimethyl carbonate (TFDMC) are preferably used. be able to. Such non-aqueous solvents can be used singly or in combination of two or more. Lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 and LiClO 4 can be suitably used as supporting salts. The concentration of the supporting salt is preferably 0.7 mol/L or more and 1.3 mol/L or less.
In addition, the non-aqueous electrolyte includes various components other than the non-aqueous solvent and the supporting salt, such as gas generating agents, film-forming agents, dispersing agents, and thickening agents, as long as the effects of the present invention are not significantly impaired. It may contain additives.
リチウム二次電池１００は、各種用途に利用可能である。好適な用途としては、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）等の車両に搭載される駆動用電源が挙げられる。リチウム二次電池１００は、複数個が電気的に接続された組電池の形態で使用することもできる。
The lithium
以上、例として扁平形状の捲回電極体を備える角型のリチウム二次電池について説明した。しかしながら、本実施形態に係る負極材料は、公知方法に従い、他の種類のリチウム二次電池にも使用可能である。例えば、本実施形態に係る負極材料を用いて、積層型電極体を備えるリチウム二次電池を構築することもできる。また、本実施形態に係る負極材料を用いて、円筒型リチウム二次電池、ラミネート型リチウム二次電池等を構築することもできる。 A prismatic lithium secondary battery including a flattened wound electrode assembly has been described above as an example. However, the negative electrode material according to this embodiment can also be used in other types of lithium secondary batteries according to known methods. For example, the negative electrode material according to this embodiment can be used to construct a lithium secondary battery having a laminated electrode body. Moreover, a cylindrical lithium secondary battery, a laminated lithium secondary battery, or the like can be constructed using the negative electrode material according to the present embodiment.
以下、本発明に関する実施例を詳細に説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。 Examples of the present invention will be described in detail below, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the examples.
＜負極材料の作製＞
（実施例１）
負極活物質（Ａ）としての天然黒鉛（平均粒子径Ｄ５０＝１０μｍ）を準備し、５０ｇ計り取った。有機酸（Ｂ）としてクロコン酸リチウム（クロコン酸二リチウム）を、負極活物質（Ａ）に対して２．０質量％となるように容器に計り取った。これに超純水を加え、十分に撹拌して有機酸（Ｂ）を溶解し、５０ｇの有機酸（Ｂ）の水溶液を調整した。
この有機酸（Ｂ）の水溶液５０ｇに、負極活物質（Ａ）５０ｇを添加し、撹拌して負極活物質（Ａ）を分散させた。
撹拌しながら容器を９５℃に加温して水を除去し、実施例１の負極材料を得た。得られた実施例の負極材料において、負極活物質（Ａ）に対する有機酸（Ｂ）の被覆量は、２．０質量％であった。
（実施例２～９）
有機酸（Ｂ）として表１に示すものを用い、負極活物質（Ａ）に対する有機酸（Ｂ）の使用量（質量％）を表１に示す被覆量（質量％）と同じ値にして、実施例１と同様の方法により、実施例２～９の負極材料を得た。
（実施例１０）
負極活物質として天然黒鉛に代えて人造黒鉛を用い、負極活物質（Ａ）に対する有機酸（Ｂ）の使用量（被覆量）を１．０質量％とした以外は、実施例１と同様の方法により、実施例１０の負極材料を得た。
<Preparation of negative electrode material>
(Example 1)
50 g of natural graphite (average particle size D 50 =10 μm) was prepared as the negative electrode active material (A). Lithium croconate (dilithium croconate) as the organic acid (B) was weighed into a container so as to be 2.0% by mass with respect to the negative electrode active material (A). Ultrapure water was added thereto, and the mixture was sufficiently stirred to dissolve the organic acid (B), thereby preparing 50 g of an aqueous solution of the organic acid (B).
50 g of the negative electrode active material (A) was added to 50 g of the aqueous solution of the organic acid (B) and stirred to disperse the negative electrode active material (A).
The container was heated to 95° C. with stirring to remove water, and the negative electrode material of Example 1 was obtained. In the negative electrode material of the obtained example, the coating amount of the organic acid (B) with respect to the negative electrode active material (A) was 2.0% by mass.
(Examples 2 to 9)
Using the organic acid (B) shown in Table 1, the amount (% by mass) of the organic acid (B) with respect to the negative electrode active material (A) was set to the same value as the coating amount (% by mass) shown in Table 1, By the same method as in Example 1, negative electrode materials of Examples 2 to 9 were obtained.
(Example 10)
The same procedure as in Example 1 was performed except that artificial graphite was used as the negative electrode active material instead of natural graphite, and the amount (coating amount) of the organic acid (B) relative to the negative electrode active material (A) was 1.0% by mass. A negative electrode material of Example 10 was obtained by the method.
（比較例１）
実施例１に用いた負極活物質（Ａ）としての天然黒鉛を、そのまま比較例１の負極材料とした。
（比較例２）
実施例１０に用いた負極活物質（Ａ）としての人造黒鉛を、そのまま比較例２の負極材料とした。
（比較例３および４）
有機酸（Ｂ）として表１に示すものを用い、負極活物質（Ａ）に対する有機酸（Ｂ）の使用量（質量％）を表１に示す被覆量（質量％）と同じ値にして、実施例１と同様の方法により、比較例３および４の負極材料を得た。
(Comparative example 1)
Natural graphite as the negative electrode active material (A) used in Example 1 was used as the negative electrode material in Comparative Example 1 as it was.
(Comparative example 2)
The artificial graphite as the negative electrode active material (A) used in Example 10 was used as the negative electrode material in Comparative Example 2 as it was.
(Comparative Examples 3 and 4)
Using the organic acid (B) shown in Table 1, the amount (% by mass) of the organic acid (B) with respect to the negative electrode active material (A) was set to the same value as the coating amount (% by mass) shown in Table 1, By the same method as in Example 1, negative electrode materials of Comparative Examples 3 and 4 were obtained.
＜評価用リチウム二次電池の作製＞
正極活物質粉末としてのＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２（ＬＮＣＭ）と、リン酸リチウム（ＬＰＯ）と、導電材としてのアセチレンブラック（ＡＢ）と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）とを、ＬＮＣＭ：ＬＰＯ：ＡＢ：ＰＶｄＦ＝８８：２：８：２の質量比でＮ－メチルピロリドン（ＮＭＰ）と混合し、正極活物質層形成用スラリーを調製した。このスラリーを、厚さ５μｍのアルミニウム箔の表面に塗布して乾燥した後、ロールプレスすることにより、正極シートを作製した。この正極シートにおいて、正極活物質層の主面の寸法は一辺が１０６ｍｍとした。
上記の各実施例および各比較例の負極材料１０ｇと、濃度１質量％のカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）水溶液１０ｇとを混合し、さらに４０質量％のスチレンブタジエンラバー（ＳＢＲ）水分散液０．２５ｇを加えて、混練機「あわとり練太郎」（株式会社シンキー製）を用いて２０００ｒｐｍで５分間混練後、１０分間脱泡することで、負極スラリーを調整した。このスラリーを、厚さ１０μｍの銅箔の表面に塗布し、乾燥した後、プレスすることにより負極シートを作製した。この負極シートの負極活物質層の主面の寸法は、正極活物質層の主面の寸法よりもわずかに大きくした。
セパレータとして、ＰＰ／ＰＥ／ＰＰの三層構造の厚さ２４μｍの多孔質ポリオレフィンシートを用意した。
上記作製した正極シート、上記作製した負極シート、およびセパレータを重ね合わせて、電極体を作製した。このとき、正極シートの正極活物質層側の面と、負極活物質層の負極活物質層側の面とを対向させ、正極活物質層の主面が、負極活物質層の主面内から外れないように配置した。また、セパレータを正極シートと負極シートとの間に介在するようにした。
作製した電極体に集電タブを溶接して取り付けた。これをラミネートシートで挟み込み、集電タブのある一辺を除く三辺をヒートシールして、ラミネートシートを袋状にした。
ヒートシールされていない一辺から電解液を注入し、所定時間放置して電極体に電解液を十分に浸透させた。なお、電解液には、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）とをＥＣ：ＤＭＣ：ＥＭＣ＝３：４：３の体積比で含む混合溶媒に、ＬｉＰＦ６を１．１ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解させたものを用いた。
その後、密閉して、ラミネートセルを作製した。これを充電した後６０℃でエージング処理して、評価用リチウム二次電池とした。
<Production of lithium secondary battery for evaluation>
LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (LNCM) as a positive electrode active material powder, lithium phosphate (LPO), acetylene black (AB) as a conductive material, and polyvinylidene fluoride as a binder (PVdF) was mixed with N-methylpyrrolidone (NMP) at a mass ratio of LNCM:LPO:AB:PVdF=88:2:8:2 to prepare a slurry for forming a positive electrode active material layer. This slurry was applied to the surface of an aluminum foil having a thickness of 5 μm, dried, and then roll-pressed to prepare a positive electrode sheet. In this positive electrode sheet, the dimension of the main surface of the positive electrode active material layer was 106 mm per side.
10 g of the negative electrode material of each of the above examples and comparative examples was mixed with 10 g of an aqueous carboxymethyl cellulose (CMC) solution having a concentration of 1% by mass, and further 0.25 g of a 40% by mass styrene-butadiene rubber (SBR) aqueous dispersion was added. In addition, a negative electrode slurry was prepared by kneading for 5 minutes at 2000 rpm using a kneader “Awatori Mixer” (manufactured by Thinky Co., Ltd.) and defoaming for 10 minutes. This slurry was applied to the surface of a copper foil having a thickness of 10 μm, dried, and then pressed to prepare a negative electrode sheet. The dimension of the main surface of the negative electrode active material layer of this negative electrode sheet was made slightly larger than the dimension of the main surface of the positive electrode active material layer.
As a separator, a porous polyolefin sheet having a three-layer structure of PP/PE/PP and having a thickness of 24 μm was prepared.
The positive electrode sheet produced above, the negative electrode sheet produced above, and a separator were layered to produce an electrode assembly. At this time, the surface of the positive electrode sheet on the side of the positive electrode active material layer and the surface of the negative electrode active material layer on the side of the negative electrode active material layer are opposed to each other, and the main surface of the positive electrode active material layer extends from the main surface of the negative electrode active material layer. I placed it so that it would not come off. Also, a separator was interposed between the positive electrode sheet and the negative electrode sheet.
A current collecting tab was attached to the fabricated electrode body by welding. This was sandwiched between laminated sheets, and three sides except for one side with a current collecting tab were heat-sealed to form a bag-like laminated sheet.
The electrolytic solution was injected from one side that was not heat-sealed, and left for a predetermined time to allow the electrolytic solution to sufficiently permeate the electrode body. The electrolytic solution contains LiPF 6 in a mixed solvent containing ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of EC:DMC:EMC=3:4:3. A solution dissolved at a concentration of 1.1 mol/L was used.
After that, it was sealed to produce a laminate cell. After charging, the battery was aged at 60° C. to obtain a lithium secondary battery for evaluation.
＜電池抵抗測定＞
各評価用リチウム二次電池の電圧（開放電圧）を３．７０Ｖ（ＳＯＣ５６％に相当）に調整した後、２５℃の環境下に置いた。所定の電流値で１０秒間充電し、その際の通電前後の電圧差を通電電流で除することにより、抵抗値を算出し、これを初期抵抗とした。
比較例１の負極材料を用いた評価用リチウム二次電池の初期抵抗を１００とした場合の、各実施例およびその他の比較例の負極材料を用いた評価用リチウム二次電池の初期抵抗の比を求めた。結果を表１に示す。
<Battery resistance measurement>
After adjusting the voltage (open-circuit voltage) of each lithium secondary battery for evaluation to 3.70 V (equivalent to SOC 56%), it was placed in an environment of 25°C. The battery was charged at a predetermined current value for 10 seconds, and the voltage difference before and after the energization at that time was divided by the energized current to calculate the resistance value, which was defined as the initial resistance.
The ratio of the initial resistance of the lithium secondary battery for evaluation using the negative electrode material of each example and other comparative examples when the initial resistance of the lithium secondary battery for evaluation using the negative electrode material of Comparative Example 1 is set to 100. asked for Table 1 shows the results.
＜高温保存試験＞
各評価用リチウム二次電池を、２５℃の環境下に置いた。これを１／５Ｃの電流値で４．１Ｖまで定電流－定電圧充電（カット電流：１／５０Ｃ）し、１０分間休止した後、１／５Ｃの電流値で３．０Ｖまで定電流放電した。このときの放電容量を測定し、これを初期容量とした。
各評価用リチウム二次電池を、４．１Ｖ（ＳＯＣ１００％に相当）まで充電した後、６０℃の恒温槽内で２０日間保存した。その後、上記と同じ方法で各評価用リチウム二次電池の放電容量を測定し、このときの放電容量を、高温保存後の電池容量として求めた。（高温保存後の電池容量／初期容量）×１００より、容量維持率（％）を求めた。
また、上記と同じ方法で各評価用リチウム二次電池の抵抗（高温保存後の電池抵抗）を測定した。｛１－（高温保存後の抵抗／初期抵抗）｝×１００より、抵抗増加率（％）を求めた。
これらの結果を表１に示す。
<High temperature storage test>
Each evaluation lithium secondary battery was placed in an environment of 25°C. This was subjected to constant current-constant voltage charging (cut current: 1/50 C) to 4.1 V at a current value of 1/5 C, rested for 10 minutes, and then discharged to 3.0 V at a current value of 1/5 C. . The discharge capacity at this time was measured and taken as the initial capacity.
Each lithium secondary battery for evaluation was charged to 4.1 V (equivalent to
In addition, the resistance of each lithium secondary battery for evaluation (battery resistance after high-temperature storage) was measured by the same method as described above. The resistance increase rate (%) was obtained from {1−(resistance after high temperature storage/initial resistance)}×100.
These results are shown in Table 1.
実施例１～９と比較例１との比較より、天然黒鉛を特定のオキソカーボン酸塩で被覆することにより、初期抵抗が小さくなるという効果が得られ、高温保存後の特性劣化耐性も向上していることがわかる。また、実施例１０と比較例２との比較より、人造黒鉛を特定のオキソカーボン酸塩で被覆した場合でも、初期抵抗低減効果と、高温保存後の特性劣化耐性向上効果とが得られていることがわかる。したがって、黒鉛の種類は、天然黒鉛であるか人造黒鉛であるかによらず、これらの効果が発揮されることがわかる。なお、初期抵抗に関しては、天然黒鉛が優れ、高温保存後の特性劣化耐性に関しては、人造黒鉛が優れている傾向が見られた。 From a comparison between Examples 1 to 9 and Comparative Example 1, by coating natural graphite with a specific oxocarbonate, the effect of reducing the initial resistance is obtained, and the resistance to characteristic deterioration after high-temperature storage is also improved. It can be seen that Further, from a comparison between Example 10 and Comparative Example 2, even when the artificial graphite is coated with a specific oxocarbonate, the effect of reducing the initial resistance and the effect of improving resistance to characteristic deterioration after high-temperature storage are obtained. I understand. Therefore, it can be seen that these effects are exhibited regardless of whether the type of graphite is natural graphite or artificial graphite. There was a tendency that natural graphite was superior in terms of initial resistance, and artificial graphite was superior in resistance to characteristic deterioration after high-temperature storage.
実施例２，６，９と比較例３との比較より、５員環以上のオキソカーボン酸の塩を用いることにより、初期抵抗低減効果と、高温保存後の特性劣化耐性向上効果とが得られていることがわかる。特に高温保存後の抵抗増加抑制効果は顕著である。これは、オキソカーボン酸の環構造の炭素数が増えると、一分子あたりの電荷の偏りによる静電引力の働く範囲が大きくなるためであると考えられる。 From a comparison between Examples 2, 6, and 9 and Comparative Example 3, the use of the oxocarbonic acid salt having a 5-membered ring or more has the effect of reducing the initial resistance and the effect of improving resistance to characteristic deterioration after high-temperature storage. It can be seen that In particular, the resistance increase suppression effect after high temperature storage is remarkable. This is presumably because as the number of carbon atoms in the ring structure of the oxocarbonic acid increases, the range over which the electrostatic attraction acts due to the biased charge per molecule increases.
実施例１～４と比較例４との結果より、初期抵抗低減効果と、高温保存後の特性劣化耐性向上効果とを得るためには、好適なオキソカーボン酸塩の被覆量があることがわかる。具体的には、初期抵抗低減効果と、高温保存後の特性劣化耐性向上効果とが得えられるのはオキソカーボン酸塩の被覆量が０．１質量％以上のときであり、特に被覆量が１質量％の場合に、効果が顕著に高いことがわかる。 From the results of Examples 1 to 4 and Comparative Example 4, it can be seen that there is a suitable coating amount of oxocarbonate in order to obtain the initial resistance reduction effect and the property deterioration resistance improvement effect after high temperature storage. . Specifically, the effect of reducing the initial resistance and the effect of improving resistance to deterioration of characteristics after high-temperature storage can be obtained when the coating amount of the oxocarbonate is 0.1% by mass or more. It can be seen that the effect is remarkably high in the case of 1% by mass.
以上の結果より、本実施形態に係る非水系リチウム二次電池の負極材料によれば、非水系リチウム二次電池を低抵抗化し、かつ高温下での非水系リチウム二次電池の特性劣化を抑制することができることがわかる。 From the above results, according to the negative electrode material of the non-aqueous lithium secondary battery according to the present embodiment, the resistance of the non-aqueous lithium secondary battery is reduced, and the deterioration of the characteristics of the non-aqueous lithium secondary battery at high temperatures is suppressed. know that you can.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
２０ 捲回電極体
３０ 電池ケース
３６ 安全弁
４２ 正極端子
４２ａ 正極集電板
４４ 負極端子
４４ａ 負極集電板
５０ 正極シート（正極）
５２ 正極集電体
５２ａ 正極活物質層非形成部分
５４ 正極活物質層
６０ 負極シート（負極）
６２ 負極集電体
６２ａ 負極活物質層非形成部分
６４ 負極活物質層
７０ セパレータシート（セパレータ）
１００ リチウム二次電池
20
52 positive electrode
62 Negative electrode
100 lithium secondary battery
Claims (1)
前記黒鉛の表面の少なくとも一部に形成されたオキソカーボン酸塩の被覆と、
を備える非水系リチウム二次電池の負極材料であって、
前記オキソカーボン酸塩が、クロコン酸二リチウムであり、
前記黒鉛に対する前記オキソカーボン酸塩の被覆量が、０．８質量％以上１．５質量％以下であり、
レーザー回折・光散乱法に基づく粒度分布測定により測定される体積基準の粒度分布において、微粒子側からの累積５０％に相当する粒径としての前記黒鉛の平均粒子径が、５μｍ以上１５μｍ以下であり、
窒素ガス吸着法により測定される前記黒鉛のＢＥＴ比表面積が、１．０ｍ ２ ／ｇ以上５．０ｍ ２ ／ｇ以下である、
非水系リチウム二次電池の負極材料。
graphite;
an oxocarbonate coating formed on at least a portion of the surface of the graphite;
A negative electrode material for a non-aqueous lithium secondary battery comprising
The oxocarbonate is dilithium croconate ,
The coating amount of the oxocarbonate on the graphite is 0.8% by mass or more and 1.5% by mass or less ,
In a volume-based particle size distribution measured by particle size distribution measurement based on a laser diffraction/light scattering method, the average particle size of the graphite as a particle size corresponding to a cumulative 50% from the fine particle side is 5 μm or more and 15 μm or less. ,
The BET specific surface area of the graphite measured by a nitrogen gas adsorption method is 1.0 m 2 /g or more and 5.0 m 2 /g or less .
Negative electrode material for non-aqueous lithium secondary batteries.
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