JP2008016193A - Method of manufacturing nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウム二次電池などの非水電解液二次電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery such as a lithium secondary battery.
本出願人は先に、電解液と接し且つ導電性を有する表裏一対の面を含み、該面間に活物質の粒子を含む活物質層を備えた非水電解液二次電池用負極を提案した(特許文献1参照)。この負極の活物質層には、リチウム化合物の形成能の低い金属材料が浸透しており、浸透した該金属材料中に活物質の粒子が存在している。活物質層がこのような構造になっているので、この負極においては、充放電によって該粒子が膨張収縮することに起因して微粉化しても、その脱落が起こりづらくなる。その結果、この負極を用いると、電池のサイクル寿命が長くなるという利点がある。 The present applicant has previously proposed a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery that includes a pair of front and back surfaces that are in contact with the electrolyte and have conductivity, and an active material layer that includes active material particles between the surfaces. (See Patent Document 1). A metal material having a low lithium compound forming ability is infiltrated into the active material layer of the negative electrode, and active material particles are present in the infiltrated metal material. Since the active material layer has such a structure, even if the particles are pulverized due to expansion and contraction of the particles due to charge and discharge, the active material layer is unlikely to fall off. As a result, when this negative electrode is used, there is an advantage that the cycle life of the battery becomes long.
しかし、前記の負極をセパレータ及び正極と共に巻回して巻回体を構成し、円筒型等の巻回型の電池を作製した場合、充放電の繰り返しにより巻回体が半径方向へ膨張することに起因して、これらの部材が応力に耐えきれずに破損してしまうことがある。膨張は、特に負極において著しい。膨張に起因する応力を緩和することを目的として、巻回時の張力を低くして緩く巻くことも考えられるが、巻き始めから巻き終わりに至るまで均一に緩く巻回することは容易でない。 However, when the negative electrode is wound together with the separator and the positive electrode to form a wound body, and a wound battery of a cylindrical type or the like is produced, the wound body expands in the radial direction by repeated charge and discharge. As a result, these members may not withstand the stress and may be damaged. The expansion is remarkable especially in the negative electrode. In order to relieve the stress due to expansion, it is conceivable to loosely wind by lowering the tension at the time of winding, but it is not easy to wind uniformly and gently from the beginning to the end of winding.
前記の技術とは別に、正極と負極とがセパレータを介して巻回されてなる巻回体を備えたリチウム二次電池において、電池に組み込む前の負極の表面に金属リチウムを配置することで、負極の初回充放電効率を改善し、放電容量を向上させることが提案されている(特許文献2)。負極の表面に配された金属リチウムは、接触界面の電位差を駆動力として自発的に溶解し、負極に吸蔵される。しかしこの文献に記載の技術では、負極の活物質にリチウムを吸蔵させても該活物質が充放電時の膨張収縮に起因して発生する問題の解消には至らないため、充放電の繰り返しによって巻回体が膨張して部材が破損することを防止することはできない。 Separately from the above technique, in a lithium secondary battery including a wound body in which a positive electrode and a negative electrode are wound via a separator, by disposing metallic lithium on the surface of the negative electrode before being incorporated in the battery, It has been proposed to improve the initial charge / discharge efficiency of the negative electrode and improve the discharge capacity (Patent Document 2). The metallic lithium disposed on the surface of the negative electrode is spontaneously dissolved using the potential difference at the contact interface as a driving force, and is occluded in the negative electrode. However, in the technique described in this document, even if lithium is occluded in the active material of the negative electrode, the problem that the active material is caused by expansion and contraction at the time of charge / discharge cannot be solved. It is impossible to prevent the wound body from expanding and damaging the member.
本発明の目的は、前述した従来技術が有する種々の欠点を解消し得る非水電解液二次電池の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery that can eliminate the various disadvantages of the above-described prior art.
本発明は、それぞれ長尺帯状の形状である、正極と、第1のセパレータと、負極と、第2のセパレータとをこの順で重ね合わせ、これらを一体に巻回する工程を含む非水電解液二次電池の製造方法において、
重ね合わせに先立ち、前記第1のセパレータと前記負極との間に、これらの部材の長手方向にわたってスペーサ部材を不連続に配し、
巻回の工程によって得られた巻回体から前記スペーサ部材を除去することを特徴とする非水電解液二次電池の製造方法を提供することにより前記目的を達成したものである。
The present invention is a non-aqueous electrolysis process comprising a step of superposing a positive electrode, a first separator, a negative electrode, and a second separator, which are each in the form of a long band, in this order, and winding them together. In the method for manufacturing a liquid secondary battery,
Prior to overlapping, between the first separator and the negative electrode, disposing discontinuous spacer members over the longitudinal direction of these members,
The object is achieved by providing a method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the spacer member is removed from a wound body obtained by a winding process.
また本発明は、それぞれ長尺帯状の形状である、正極と、第1のセパレータと、負極と、第2のセパレータとをこの順で重ね合わせ、これらを一体に巻回する工程を含む非水電解液二次電池の製造方法において、
前記第1のセパレータとして、該第1のセパレータの面のうち前記負極と対向する面に、該第1のセパレータの長手方向にわたってスペーサ部材が不連続に取り付けられたものを用い、
巻回の工程によって得られた巻回体から前記スペーサ部材を除去することを特徴とする非水電解液二次電池の製造方法を提供することにより前記目的を達成したものである。
The present invention also includes a step of laminating a positive electrode, a first separator, a negative electrode, and a second separator, each of which is in the form of a long band, in this order and winding them together. In the method for producing an electrolyte secondary battery,
As the first separator, a surface in which spacer members are discontinuously attached to the surface facing the negative electrode among the surfaces of the first separator over the longitudinal direction of the first separator,
The object is achieved by providing a method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the spacer member is removed from a wound body obtained by a winding process.
本発明の製造方法によれば、正極と負極とがセパレータを介して巻回されてなる巻回体内に配置されたスペーサ部材を除去することで、該巻回体の巻回密度が低下する。それによって充放電の繰り返しに起因する膨張で発生する応力を緩和する空間が巻回体内に形成されるので、膨張が発生してもこれらの部材が破損することを効果的に防止することができる。その結果、電池のサイクル特性を向上させることができる。 According to the manufacturing method of the present invention, the winding density of the wound body is reduced by removing the spacer member disposed in the wound body in which the positive electrode and the negative electrode are wound through the separator. As a result, a space is formed in the wound body to relieve stress generated by expansion caused by repeated charge / discharge, and therefore, even when expansion occurs, these members can be effectively prevented from being damaged. . As a result, the cycle characteristics of the battery can be improved.
以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき図面を参照しながら説明する。本実施形態は、円筒型又は角形と呼ばれる非水電解液二次電池の製造方法に係るものである。図1には、本発明の製造方法の第1の実施形態が模式的に示されており、図2には、図1における要部が拡大して示されている。本実施形態においては、図1に示すように、先ず、電池を構成する各部材を重ね合わせる。ここで用いられる構成部材は、第1のセパレータS1、第2のセパレータS2、正極C、負極Aの四部材である。これらの部材はすべて長尺帯状の形状をしている。第1のセパレータS1及び第2のセパレータS2の幅は、正極C及び負極Aの幅よりも広くなっている。 The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The present embodiment relates to a method for manufacturing a nonaqueous electrolyte secondary battery called a cylindrical shape or a rectangular shape. FIG. 1 schematically shows a first embodiment of the manufacturing method of the present invention, and FIG. 2 shows an enlarged main part in FIG. In this embodiment, as shown in FIG. 1, first, the members constituting the battery are overlapped. The constituent members used here are the four members of the first separator S1, the second separator S2, the positive electrode C, and the negative electrode A. All of these members have a long strip shape. The widths of the first separator S1 and the second separator S2 are wider than the widths of the positive electrode C and the negative electrode A.
なお図1においては、巻回前の負極Aに、後述するスペーサ部材P1,P2が既に取り付けられているように表されているが、これは発明の理解の助けとするために便宜的に表されたものであり、実際は図2に示すように巻回前の負極Aには、スペーサ部材P1,P2は取り付けられていない(後述する図5についても同様である)。 In FIG. 1, spacer members P1 and P2 to be described later are already attached to the negative electrode A before winding, but this is shown for convenience in understanding the invention. Actually, as shown in FIG. 2, spacer members P1 and P2 are not attached to the negative electrode A before winding (the same applies to FIG. 5 described later).
前記の四部材は、正極Cと、第1のセパレータS1と、負極Aとがこの順で重ね合わされ、更に負極Aの外面に第2のセパレータS2が重ね合わされる。そしてこれら四部材が一体に巻回される。各部材の重ね合わせにおいては、隣り合う部材間は、重ね合わせのみによって接しており、接着剤などの接合手段によっては接合されていない。つまり、各部材は、機械的に剥離可能なように接しているだけである。 In the four members, the positive electrode C, the first separator S1, and the negative electrode A are overlapped in this order, and the second separator S2 is overlapped on the outer surface of the negative electrode A. These four members are wound together. In overlapping of each member, adjacent members are in contact only by overlapping, and are not joined by a joining means such as an adhesive. That is, each member is only in contact with each other so as to be mechanically peelable.
前記の各部材を前述した順序で重ね合わせて、これらを巻回して巻回体(図示せず)を得る。巻回は、図1に示すように、正極Cの側が内向きになるように行う。このように巻回することで、巻回体においては、正極C、第1のセパレータS1、負極A、及び第2のセパレータS2がこの順で層状に配される。 The above-mentioned members are overlapped in the order described above, and these are wound to obtain a wound body (not shown). As shown in FIG. 1, the winding is performed so that the positive electrode C side faces inward. By winding in this way, in the wound body, the positive electrode C, the first separator S1, the negative electrode A, and the second separator S2 are arranged in layers in this order.
正極Cは、集電体(図示せず)の各面に正極活物質を含む活物質層(図示せず)が形成されてなるものである。一方、負極Aは、集電体(図示せず)の各面に、リチウムの吸蔵放出が可能な負極活物質を含む活物質層(図示せず)が形成されてなるものである。 The positive electrode C is formed by forming an active material layer (not shown) containing a positive electrode active material on each surface of a current collector (not shown). On the other hand, the negative electrode A is formed by forming an active material layer (not shown) containing a negative electrode active material capable of occluding and releasing lithium on each surface of a current collector (not shown).
これら4部材の重ね合わせに先立ち、図2に示すように、第1のセパレータS1と負極Aとの間に、これらの部材の長手方向にわたって第1のスペーサ部材P1を配置する。これと共に第2のセパレータS2と負極Aとの間に、これらの部材の長手方向にわたって第2のスペーサ部材P2を配置する。なお図2には、正極Cは示されていない。両スペーサ部材P1,P2は何れも負極A等の長手方向の全域にわたり所定間隔をおいて不連続に配置される。第1のスペーサ部材P1と第2のスペーサ部材P2とは同じ形状でもよく、或いは異なる形状でもよい。更に、同じ材質でもよく、或いは異なる材質でもよい。本実施形態においては、第1のスペーサ部材P1と第2のスペーサ部材P2とは同じ形状であり、材質も同じである。両スペーサ部材P1,P2は何れも矩形であり、その長辺が負極A等の幅方向と一致するように配される。両スペーサ部材P1,P2の長辺の長さは、負極A等の幅と略同じであるか、又はそれよりも短くなっている。製造の容易さを考慮すると、両スペーサ部材P1,P2の長辺の長さは、負極A等の幅の80〜95%であることが好ましい。 Prior to the superposition of these four members, as shown in FIG. 2, a first spacer member P1 is disposed between the first separator S1 and the negative electrode A over the longitudinal direction of these members. At the same time, a second spacer member P2 is disposed between the second separator S2 and the negative electrode A over the longitudinal direction of these members. Note that the positive electrode C is not shown in FIG. Both spacer members P1 and P2 are discontinuously arranged at a predetermined interval over the entire lengthwise direction of the negative electrode A or the like. The first spacer member P1 and the second spacer member P2 may have the same shape or different shapes. Further, the same material or different materials may be used. In the present embodiment, the first spacer member P1 and the second spacer member P2 have the same shape and the same material. Both spacer members P1, P2 are rectangular, and are arranged so that their long sides coincide with the width direction of the negative electrode A or the like. The lengths of the long sides of both spacer members P1, P2 are substantially the same as the width of the negative electrode A or the like, or shorter than that. Considering the ease of manufacturing, it is preferable that the length of the long sides of both spacer members P1, P2 is 80 to 95% of the width of the negative electrode A or the like.
図3に示すように、第1のスペーサ部材P1と第2のスペーサ部材P2とは、巻回前の状態においてこれらを平面視したときに、互いに重なり合わない位置関係となるようにそれぞれ配されている。また両スペーサ部材P1,P2は、巻回前の状態においてこれらを平面視したときに、それらの隣り合う長辺間に隙間Gが形成されるように配置されている。このように両スペーサ部材P1,P2を配置することで、円柱状の巻回体を構成したときに、過度の空間が負極Aと両セパレータS1,S2との間に形成されることを防止することができる。過度の空間が形成されると、巻回体にたるみが生じることがある。また、このように両スペーサ部材P1,P2を配置することで、円柱状の巻回体の周面に凹凸が形成されることを防止することができる。 As shown in FIG. 3, the first spacer member P1 and the second spacer member P2 are arranged so as to be in a positional relationship that does not overlap each other when viewed in a plan view before being wound. ing. The spacer members P1 and P2 are arranged such that a gap G is formed between their adjacent long sides when they are viewed in a plan view before being wound. By arranging both spacer members P1 and P2 in this way, when a cylindrical wound body is configured, an excessive space is prevented from being formed between the negative electrode A and both separators S1 and S2. be able to. When excessive space is formed, sagging may occur in the wound body. Moreover, it can prevent that an unevenness | corrugation is formed in the surrounding surface of a cylindrical winding body by arrange | positioning both spacer members P1 and P2 in this way.
このようにして、両スペーサ部材P1,P2を、負極Aと両セパレータS1,S2との間に介在配置させた状態で巻回を行う。得られた巻回体においては、負極Aと両セパレータS1,S2とは、スペーサ部材P1,P2の厚みの分だけ離間した状態になっている。このような状態の巻回体から両スペーサ部材P1,P2を除去する。両スペーサ部材P1,P2の除去によって、負極Aと両セパレータS1,S2との間には、除去されたスペーサ部材P1,P2の厚み分の空間が形成される。この空間の形成によって、充放電の繰り返しに起因する正極Cや負極A(特に負極A)の膨張で発生する応力が緩和される。その結果、膨張が発生しても正極Cや負極A、セパレータS1,S2が破損することを効果的に防止することができる。その結果、本実施形態の方法によれば、サイクル特性に優れた非水電解液二次電池を容易に製造することができる。 Thus, winding is performed in a state in which both spacer members P1, P2 are interposed between the negative electrode A and both separators S1, S2. In the obtained wound body, the negative electrode A and both separators S1, S2 are in a state of being separated by the thickness of the spacer members P1, P2. Both spacer members P1, P2 are removed from the wound body in such a state. By removing both spacer members P1, P2, a space corresponding to the thickness of the removed spacer members P1, P2 is formed between the negative electrode A and both separators S1, S2. By forming this space, the stress generated by the expansion of the positive electrode C and the negative electrode A (particularly, the negative electrode A) due to repeated charge and discharge is alleviated. As a result, even if expansion occurs, the positive electrode C, the negative electrode A, and the separators S1 and S2 can be effectively prevented from being damaged. As a result, according to the method of the present embodiment, a non-aqueous electrolyte secondary battery having excellent cycle characteristics can be easily manufactured.
電池として18650型のものを作製する場合、スペーサ部材P1,P2としては、その厚みが10〜200μm、特に15〜100μmであるものを用いることが、負極AとセパレータS1,S2との間に十分な空間を形成し得る点から好ましい。またスペーサ部材P1,P2はその短辺の長さが5〜100mm、特に5〜30mmであることが好ましい。スペーサ部材P1,P2の隣り合う長辺間の隙間Gは3〜60mm、特に5〜50mm、とりわけ10〜30mmであることが好ましい。 When producing a 18650 type battery, it is sufficient that the spacer members P1 and P2 have a thickness of 10 to 200 μm, particularly 15 to 100 μm, between the negative electrode A and the separators S1 and S2. It is preferable from the point that a simple space can be formed. The spacer members P1 and P2 have a short side length of 5 to 100 mm, particularly preferably 5 to 30 mm. The gap G between adjacent long sides of the spacer members P1 and P2 is preferably 3 to 60 mm, particularly 5 to 50 mm, and particularly 10 to 30 mm.
巻回体から両スペーサ部材P1,P2を除去する手段として、本実施形態においては両スペーサ部材P1,P2を金属リチウムから構成し、金属リチウムを負極Aの活物質に吸蔵させることで、両スペーサ部材P1,P2を巻回体から消滅除去する方法を採用している。この方法には、巻回体に外力を加えることなく両スペーサ部材P1,P2を除去できるという利点がある。また、初回の充放電を行う前に負極活物質にリチウムを吸蔵させることができるので、電池の容量を高めることができるという利点もある。負極活物質にリチウムを吸蔵させる方法の詳細については後述する。 As means for removing both spacer members P1 and P2 from the wound body, in this embodiment, both spacer members P1 and P2 are made of metallic lithium, and the metallic lithium is occluded in the active material of the negative electrode A. A method of eliminating and removing the members P1 and P2 from the wound body is adopted. This method has an advantage that both spacer members P1 and P2 can be removed without applying an external force to the wound body. Moreover, since lithium can be occluded in the negative electrode active material before the first charge / discharge, there is an advantage that the capacity of the battery can be increased. Details of the method of occluding lithium in the negative electrode active material will be described later.
巻回体は、有底筒状の電池缶(図示せず)に収容される。電池缶は、例えば内面がニッケルめっきされた鉄によって構成されている。電池缶内には、非水電解液が注入される。非水電解液は、支持電解質であるリチウム塩を有機溶媒に溶解した溶液からなる。リチウム塩としては、LiClO4、LiA1Cl4、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LiBF4、LiSCN、LiCl、LiBr、LiI、LiCF3SO3、LiC4F9SO3等が例示される。有機溶媒としては、例えばエチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等が挙げられる。特に、非水電解液全体に対し0.5 〜5重量%のビニレンカーボネート及び0.1〜1重量%のジビニルスルホン、0.1〜1.5重量%の1,4−ブタンジオールジメタンスルホネートを含有させることが充放電サイクル特性を更に向上する観点から好ましい。その理由について詳細は明らかでないが、1,4−ブタンジオールジメタンスルホネートとジビニルスルホンが段階的に分解して、正極上に被膜を形成することにより、硫黄を含有する被膜がより緻密なものになるためであると考えられる。 The wound body is accommodated in a bottomed cylindrical battery can (not shown). The battery can is made of iron whose inner surface is nickel-plated, for example. A non-aqueous electrolyte is injected into the battery can. The nonaqueous electrolytic solution is a solution in which a lithium salt as a supporting electrolyte is dissolved in an organic solvent. Examples of the lithium salt include LiClO 4 , LiA1Cl 4 , LiPF 6 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiBF 4 , LiSCN, LiCl, LiBr, LiI, LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 and the like. Examples of the organic solvent include ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and the like. In particular, 0.5 to 5% by weight of vinylene carbonate and 0.1 to 1% by weight of divinyl sulfone and 0.1 to 1.5% by weight of 1,4-butanediol dimethanesulfonate with respect to the whole non-aqueous electrolyte. It is preferable from the viewpoint of further improving the charge / discharge cycle characteristics. The details are not clear, but 1,4-butanediol dimethanesulfonate and divinylsulfone are decomposed stepwise to form a film on the positive electrode, so that the film containing sulfur becomes denser. It is thought that it is to become.
特に非水電解液としては、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン ,4−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オン或いは4−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オンなどのハロゲン原子を有する環状の炭酸エステル誘導体のような比誘電率が30以上の高誘電率溶媒を用いることも好ましい。耐還元性が高く、分解されにくいからである。また、上記高誘電率溶媒と、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、或いはメチルエチルカーボネートなどの粘度が1mPa・s以下である低粘度溶媒を混合した電解液も好ましい。より高いイオン伝導性を得ることができるからである。更に、電解液中のフッ素イオンの含有量が14質量ppm以上1290質量ppm以下の範囲内であることも好ましい。電解液に適量なフッ素イオンが含まれていると、フッ素イオンに由来するフッ化リチウムなどの被膜が負極に形成され、負極における電解液の分解反応を抑制することができると考えられるからである。更に、酸無水物及びその誘導体からなる群のうちの少なくとも1種の添加物が0.001質量%〜10質量%含まれていることが好ましい。これにより負極の表面に被膜が形成され、電解液の分解反応を抑制することができるからである。この添加物としては、環に−C(=O)−O−C(=O)−基を含む環式化合物が好ましく、例えば無水コハク酸、無水グルタル酸、無水マレイン酸、無水フタル酸、無水2−スルホ安息香酸、無水シトラコン酸、無水イタコン酸、無水ジグリコール酸、無水ヘキサフルオログルタル酸、無水3−フルオロフタル酸、無水4−フルオロフタル酸などの無水フタル酸誘導体、又は無水3,6−エポキシ−1,2,3,6−テトラヒドロフタル酸、無水1,8−ナフタル酸、無水2,3−ナフタレンカルボン酸、無水1,2−シクロペンタンジカルボン酸、1,2−シクロヘキサンジカルボン酸などの無水1,2−シクロアルカンジカルボン酸、又はシス−1,2,3,6−テトラヒドロフタル酸無水物或いは3,4,5,6−テトラヒドロフタル酸無水物などのテトラヒドロフタル酸無水物、又はヘキサヒドロフタル酸無水物(シス異性体、トランス異性体)、3,4,5,6−テトラクロロフタル酸無水物、1,2,4−ベンゼントリカルボン酸無水物、二無水ピロメリット酸、又はこれらの誘導体などが挙げられる。 In particular, non-aqueous electrolytes include 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one, 4-chloro-1,3-dioxolan-2-one or 4-trifluoromethyl-1,3-dioxolane-2- It is also preferable to use a high dielectric constant solvent having a relative dielectric constant of 30 or more, such as a cyclic carbonate derivative having a halogen atom such as ON. This is because it has high resistance to reduction and is not easily decomposed. Further, an electrolytic solution obtained by mixing the high dielectric constant solvent and a low viscosity solvent having a viscosity of 1 mPa · s or less such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, or methyl ethyl carbonate is also preferable. This is because higher ionic conductivity can be obtained. Furthermore, it is also preferable that the content of fluorine ions in the electrolytic solution is in the range of 14 mass ppm to 1290 mass ppm. This is because, when an appropriate amount of fluorine ions is contained in the electrolytic solution, a coating film such as lithium fluoride derived from fluorine ions is formed on the negative electrode, and it is considered that the decomposition reaction of the electrolytic solution in the negative electrode can be suppressed. . Furthermore, it is preferable that 0.001 mass%-10 mass% of at least 1 sort (s) of additives from the group which consists of an acid anhydride and its derivative (s) are contained. This is because a film is formed on the surface of the negative electrode, and the decomposition reaction of the electrolytic solution can be suppressed. As this additive, a cyclic compound containing a —C (═O) —O—C (═O) — group in the ring is preferable. For example, succinic anhydride, glutaric anhydride, maleic anhydride, phthalic anhydride, anhydrous Phthalic anhydride derivatives such as 2-sulfobenzoic acid, citraconic anhydride, itaconic anhydride, diglycolic anhydride, hexafluoroglutaric anhydride, 3-fluorophthalic anhydride, 4-fluorophthalic anhydride, or anhydrous 3,6 -Epoxy-1,2,3,6-tetrahydrophthalic acid, 1,8-naphthalic anhydride, 2,3-naphthalene carboxylic acid anhydride, 1,2-cyclopentane dicarboxylic acid anhydride, 1,2-cyclohexane dicarboxylic acid, etc. 1,2-cycloalkanedicarboxylic anhydride, or cis-1,2,3,6-tetrahydrophthalic anhydride or 3,4,5,6-tetrahydrophthal Tetrahydrophthalic anhydride such as acid anhydride, or hexahydrophthalic anhydride (cis isomer, trans isomer), 3,4,5,6-tetrachlorophthalic anhydride, 1,2,4-benzene Examples thereof include tricarboxylic acid anhydride, dianhydropyromellitic acid, and derivatives thereof.
電池缶の開口部は、電池蓋によって閉塞される。このようにして電池が得られる。これら以外の電池の構成に関しては従来と同様である。 The opening of the battery can is closed by the battery lid. A battery is thus obtained. The configuration of the battery other than these is the same as the conventional one.
負極活物質にリチウムを吸蔵させることで両スペーサ部材P1,P2を巻回体から消滅除去する方法は次の通りである。電池缶内に収容された時点での巻回体は、スペーサ部材P1,P2を有している。スペーサ部材P1,P2が電池缶内で非水電解液と接触すると、スペーサ部材P1,P2を構成するリチウムが負極活物質へ拡散する。それによって、負極活物質がリチウムを吸蔵する。以下、この操作をエージングと呼ぶ。 A method of eliminating and removing both spacer members P1, P2 from the wound body by occluding lithium in the negative electrode active material is as follows. The wound body at the time of being accommodated in the battery can has spacer members P1 and P2. When the spacer members P1 and P2 come into contact with the nonaqueous electrolyte in the battery can, lithium constituting the spacer members P1 and P2 diffuses into the negative electrode active material. Thereby, the negative electrode active material occludes lithium. Hereinafter, this operation is called aging.
リチウムの吸蔵の程度は、エージング時間やエージングの温度によって変化する。効率的に所望量のリチウムを吸蔵させる観点から、エージング時間は24〜300時間、特に24〜100時間であることが好ましい。またエージング温度は、10〜80℃、特に20〜60℃であることが好ましい。 The degree of lithium occlusion varies depending on the aging time and the aging temperature. From the viewpoint of efficiently storing a desired amount of lithium, the aging time is preferably 24 to 300 hours, particularly 24 to 100 hours. The aging temperature is preferably 10 to 80 ° C, particularly 20 to 60 ° C.
エージングは、スペーサ部材P1,P2を構成する金属リチウムが完全に負極活物質に吸蔵されるまで行われることが好ましい。金属リチウムが残存していると、残存した金属リチウムを析出サイトとして、電池の充放電に起因するリチウムのデンドライトが発生する場合がある。このデンドライトは、電池の短絡の原因となる。 The aging is preferably performed until the metallic lithium constituting the spacer members P1 and P2 is completely occluded in the negative electrode active material. If metallic lithium remains, lithium dendrite due to charge / discharge of the battery may occur using the remaining metallic lithium as a deposition site. This dendrite causes a short circuit of the battery.
金属リチウムの量は、負極活物質の量との関係で決定される。具体的には、リチウムの吸蔵量を、負極活物質の初期充電理論容量に対して好ましくは10〜40%、更に好ましくは20〜40%、一層好ましくは25〜35%に設定する。例えば負極活物質としてシリコンを用いた場合、理論的にはシリコンは組成式SiLi4.4で表される状態までリチウムを吸蔵するので、リチウムの吸蔵量が、シリコンの初期充電理論容量に対して100%であるとは、組成式SiLi4.4で表される状態までリチウムがシリコンに吸蔵されることをいう。 The amount of metallic lithium is determined in relation to the amount of the negative electrode active material. Specifically, the occlusion amount of lithium is preferably set to 10 to 40%, more preferably 20 to 40%, and still more preferably 25 to 35% with respect to the initial charge theoretical capacity of the negative electrode active material. For example, when silicon is used as the negative electrode active material, theoretically, silicon occludes lithium to the state represented by the composition formula SiLi 4.4 , so that the occlusion amount of lithium is 100% of the initial charge theoretical capacity of silicon. That is, lithium is occluded by silicon up to the state represented by the composition formula SiLi 4.4 .
負極Aと各セパレータS1,S2との間に十分な空間を形成する観点からは、各スペーサ部材P1,P2の厚みを大きくしたり、各スペーサ部材P1,P2を連続状態で配したりすればよい。しかしこのような手段を採用すると、負極活物質の量に対して金属リチウムの量が大過剰になってしまい、負極活物質がリチウムをすべて吸蔵できなくなってしまう。その場合には、電池内に金属リチウムが残存してしまう。先に述べた通り、残存した金属リチウムは、電池の短絡の原因となるデンドライト発生のもとになる。これを防止するために、本実施形態の方法においては、各スペーサ部材P1,P2を不連続に配し、金属リチウムの量と負極活物質の量とをバランスさせている。 From the viewpoint of forming a sufficient space between the negative electrode A and the separators S1 and S2, the thickness of the spacer members P1 and P2 can be increased, or the spacer members P1 and P2 can be arranged in a continuous state. Good. However, when such a means is adopted, the amount of metallic lithium is excessively large relative to the amount of the negative electrode active material, and the negative electrode active material cannot absorb all of lithium. In that case, metallic lithium remains in the battery. As described above, the remaining metallic lithium causes the generation of dendrites that cause a short circuit of the battery. In order to prevent this, in the method of the present embodiment, the spacer members P1 and P2 are discontinuously arranged to balance the amount of metallic lithium and the amount of negative electrode active material.
負極活物質にリチウムを吸蔵させることで両スペーサ部材P1,P2を巻回体から消滅除去する別法として次の方法が挙げられる。この方法においては、巻回体を電池缶内に収容し、更に電池蓋で缶内を密封して電池を作製した後、この電池に対して所定の条件下で充放電を行う。この充放電によって、両スペーサ部材P1,P2を構成するリチウムを、負極活物質に吸蔵させる。 As another method of eliminating and removing both spacer members P1, P2 from the wound body by occluding lithium in the negative electrode active material, the following method may be mentioned. In this method, the wound body is housed in a battery can, and the inside of the can is sealed with a battery lid to produce a battery, and then the battery is charged and discharged under predetermined conditions. By this charge and discharge, lithium constituting both spacer members P1 and P2 is occluded in the negative electrode active material.
具体的には、図4に示すように、定電流ガルバノスタット100を用いて充放電を行う。ガルバノスタット100は、正極の電圧プローブ101及び電流プローブ102、並びに負極の電圧プローブ103及び電流プローブ104を備えている。正極の電圧プローブ101及び電流プローブ102は電池200の正極に接続される。負極の電圧プローブ103及び電流プローブ104は電池200の負極に接続される。通常、電圧プローブ101,103を、電流プローブ102,104よりも電池端子に近い側に接続する。
Specifically, as shown in FIG. 4, charging / discharging is performed using a constant
充放電の条件は、活物質の種類に応じて適切に設定される。例えば負極活物質としてシリコンを用い、正極活物質としてリチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物等の、リチウムと遷移金属との複合酸化物を始めとするリチウム含有金属複合酸化物を用いた場合には、次の2ステップからなる充放電を行うことが好ましい。 Charging / discharging conditions are appropriately set according to the type of active material. For example, lithium is used as the negative electrode active material, and lithium-containing metal composites such as lithium-transition metal composite oxides such as lithium nickel composite oxide, lithium manganese composite oxide, and lithium cobalt composite oxide are used as the positive electrode active material. When an oxide is used, it is preferable to perform charging / discharging comprising the following two steps.
(1)環境温度10〜70℃において0.5C以下で所定時間充電を行い、その後1〜48時間放置する操作を1工程とし、この工程を充電電位が4V以上になるまで2回以上繰り返す。
(2)環境温度10〜70℃において0.5C以下で所定時間放電を行い、その後1〜48時間放置する操作を1工程とし、この工程を放電電位が3.3V以下になるまで2回以上繰り返す。
(1) Charging at an environmental temperature of 10 to 70 ° C. at 0.5 C or lower for a predetermined time, and then leaving it for 1 to 48 hours as one step, this step is repeated twice or more until the charging potential becomes 4 V or higher.
(2) Discharge for a predetermined time at an ambient temperature of 10 to 70 ° C. at a temperature of 0.5 C or less, and then leave it for 1 to 48 hours as one step. repeat.
(1)のステップにおいては、前記の充電及び放置の操作を1工程とし、この工程を充電電位が4V以上になるまで2回以上繰り返す。この工程を繰り返す回数に特に制限はないが、回数が多くなることは、生産性の点から有利とは言えない。そこで繰り返し回数は多くとも20回、特に多くとも10回とすることが好ましい。この場合、各工程における充電操作を、充電量が同じになるように行うことが好ましい。各工程における放置操作の時間は、同じでもよく、或いは異なっていてもよい。 In step (1), the above-described charging and leaving operation is a single step, and this step is repeated twice or more until the charging potential is 4 V or higher. There is no particular limitation on the number of times this process is repeated, but an increase in the number of times is not advantageous from the viewpoint of productivity. Therefore, it is preferable that the number of repetitions is at most 20, particularly at most 10. In this case, it is preferable to perform the charging operation in each step so that the charge amount is the same. The time for the leaving operation in each step may be the same or different.
(2)のステップにおいては、前記の放電及び放置の操作を1工程とし、この工程を放電電位が3.3V以下になるまで2回以上繰り返す。この工程を繰り返す回数に特に制限はないが、回数が多くなることは、生産性の点から有利とは言えない。そこで繰り返し回数は多くとも20回、特に多くとも10回とすることが好ましい。この場合、各工程における放電操作を、放電量が同じになるように行うことが好ましい。各工程における放置操作の時間は、同じでもよく、或いは異なっていてもよい。 In the step (2), the above-described discharge and leaving operation is one step, and this step is repeated twice or more until the discharge potential becomes 3.3 V or less. There is no particular limitation on the number of times this process is repeated, but an increase in the number of times is not advantageous from the viewpoint of productivity. Therefore, it is preferable that the number of repetitions is at most 20, particularly at most 10. In this case, it is preferable to perform the discharge operation in each step so that the discharge amount is the same. The time for the leaving operation in each step may be the same or different.
前記の2ステップからなる充放電を行うことで、負極の活物質層の全体にわたって均一にリチウムを吸蔵させることができる。なお1Cの放電(充電)とは、例えば容量1000mAhの電池を、1時間で、1000mAの電流で放電(充電)することをいう。従って例えば0.5Cの充電(放電)というときには、1000mAhの電池を、2時間で、1000mAの電流で放電(充電)することをいう。 By performing charge and discharge comprising the above two steps, lithium can be uniformly occluded over the entire active material layer of the negative electrode. Note that 1 C discharging (charging) means, for example, discharging (charging) a battery having a capacity of 1000 mAh with a current of 1000 mA in one hour. Therefore, for example, when charging (discharging) at 0.5 C, it means that a 1000 mAh battery is discharged (charged) with a current of 1000 mA in 2 hours.
次に、本発明の第2及び第3の実施形態について図5ないし図8を参照しながら説明する。本実施形態については、第1の実施形態と異なる点についてのみ説明し、特に説明しない点については、第1の実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、図5ないし図8において、図1ないし図3と同じ部材に同じ符号を付してある。 Next, second and third embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. The present embodiment will be described only with respect to differences from the first embodiment, and the description detailed with respect to the first embodiment is applied as appropriate to points that are not particularly described. 5 to 8, the same members as those in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals.
本実施形態が第1の実施形態と異なる点は、第1及び第2のスペーサ部材P1,P2の長辺が、負極A等の幅よりも大きい点である。また、このような形状を有する両スペーサ部材P1,P2を、それらの長手方向の端部が負極A等の側縁から延出するように、負極Aと両セパレータS1,S2との間に配する点も、第1の実施形態と相違する。 This embodiment is different from the first embodiment in that the long sides of the first and second spacer members P1 and P2 are larger than the width of the negative electrode A or the like. Further, the spacer members P1 and P2 having such a shape are arranged between the negative electrode A and both the separators S1 and S2 so that their longitudinal ends extend from the side edges of the negative electrode A or the like. This is also different from the first embodiment.
詳細には、図6に示すように、第1のスペーサ部材P1の配置位置に関しては、第1の短辺M1と負極A等の第1の側縁L1が一致し、且つ第2の短辺M2側の端部が負極A等の第2の側縁L2から延出するように配されている。第2のスペーサ部材P2に関しては、第1の短辺N1と負極A等の第2の側縁L2が一致し、且つ第2の短辺N2側の端部が負極A等の第1の側縁L1から延出するように配されている。 Specifically, as shown in FIG. 6, with respect to the arrangement position of the first spacer member P1, the first short side M1 and the first side edge L1 such as the negative electrode A coincide with each other, and the second short side The end portion on the M2 side is arranged to extend from the second side edge L2 of the negative electrode A or the like. Regarding the second spacer member P2, the first short side N1 and the second side edge L2 of the negative electrode A and the like coincide with each other, and the end on the second short side N2 side is the first side of the negative electrode A and the like. It is arranged to extend from the edge L1.
第1及び第2のスペーサ部材P1,P2がこのように配されることで、図7(a)に示す状態の巻回体Rが得られる。巻回体Rは円柱状であり、その上面及び下面から両スペーサ部材P1,P2の端部が突出した状態になっている。 By arranging the first and second spacer members P1 and P2 in this way, the wound body R in the state shown in FIG. 7A is obtained. The wound body R has a cylindrical shape, and ends of both spacer members P1, P2 protrude from the upper and lower surfaces thereof.
次に、図7(a)に示す状態の巻回体Rから両スペーサ部材P1,P2を除去する。巻回体Rから両スペーサ部材P1,P2を除去する手段として、本実施形態においては両スペーサ部材P1,P2を、負極Aの活物質に吸蔵されない材料から構成し、両スペーサ部材P1,P2を巻回体Rから引き抜き除去する方法を採用している。この場合、第1のスペーサ部材P1と第2のスペーサ部材P2とを、180度相反する方向に向けて、同時に且つ同速度で引き抜く。このような条件で両スペーサ部材P1,P2を引き抜くことで、巻回体Rの巻回状態を損なうことなく、両スペーサ部材P1,P2を首尾良く除去することができる。 Next, both spacer members P1, P2 are removed from the wound body R in the state shown in FIG. As a means for removing both spacer members P1, P2 from the wound body R, in this embodiment, both spacer members P1, P2 are made of a material that is not occluded by the active material of the negative electrode A, and both spacer members P1, P2 are A method of pulling out and removing from the wound body R is adopted. In this case, the first spacer member P1 and the second spacer member P2 are pulled out simultaneously and at the same speed in directions opposite to each other by 180 degrees. By pulling out both spacer members P1, P2 under such conditions, both spacer members P1, P2 can be successfully removed without impairing the winding state of the wound body R.
本実施形態で用いられるスペーサ部材P1,P2は、先に述べた通り、負極Aの活物質に吸蔵されない材料から構成される。具体的には両スペーサ部材P1,P2をプラスチックや紙から構成することができる。また両スペーサ部材P1,P2を金属から構成することもできる。 As described above, the spacer members P1 and P2 used in this embodiment are made of a material that is not occluded by the active material of the negative electrode A. Specifically, both spacer members P1, P2 can be made of plastic or paper. Both spacer members P1, P2 can also be made of metal.
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。本実施形態は、両スペーサ部材P1,P2の配置の仕方が第1の実施形態と異なる以外は、第1の実施形態と同様である。詳細には、第1及び第2のスペーサ部材P1,P2はそれぞれ、予め第1及び第2のセパレータS1,S2に取り付けられた状態になっており、これらのスペーサ部材P1,P2が取り付けられた第1及び第2のセパレータS1,S2が、正極C及び負極Aと共に巻回される。 Next, a third embodiment of the present invention will be described. This embodiment is the same as the first embodiment, except that the arrangement of both spacer members P1, P2 is different from the first embodiment. Specifically, the first and second spacer members P1 and P2 are respectively attached in advance to the first and second separators S1 and S2, and these spacer members P1 and P2 are attached. The first and second separators S1 and S2 are wound together with the positive electrode C and the negative electrode A.
図8に示すように、第1のセパレータS1は、その二つの面のうち、負極Aと対向する面に、第1のセパレータS1の長手方向にわたって第1のスペーサ部材P1が所定間隔をおいて不連続に取り付けられている。一方、第2のセパレータS2は、その二つの面のうち、負極Aと対向する面に、第2のセパレータS2の長手方向にわたって第2のスペーサ部材P2が所定間隔をおいて不連続に取り付けられている。図示していないが、スペーサ部材P1,P2は何れも矩形であり、その長辺がセパレータS1,S2の幅方向と一致するように配される。スペーサ部材P1,P2の長辺の長さは、セパレータS1,S2の幅よりも若干短くなっている。具体的には、スペーサ部材P1,P2の長辺の長さは、セパレータS1,S2の幅の80〜95%にすることが好ましい。 As shown in FIG. 8, the first separator S1 has a first spacer member P1 at a predetermined interval across the longitudinal direction of the first separator S1 on the surface facing the negative electrode A of the two surfaces. It is mounted discontinuously. On the other hand, in the second separator S2, the second spacer member P2 is discontinuously attached to the surface facing the negative electrode A among the two surfaces over the longitudinal direction of the second separator S2 at a predetermined interval. ing. Although not shown, the spacer members P1 and P2 are both rectangular and are arranged so that their long sides coincide with the width direction of the separators S1 and S2. The long sides of the spacer members P1 and P2 are slightly shorter than the widths of the separators S1 and S2. Specifically, the length of the long sides of the spacer members P1, P2 is preferably 80 to 95% of the width of the separators S1, S2.
本実施形態において用いられるスペーサ部材P1,P2は、第1の実施形態と同様に金属リチウムからなる。金属リチウムは、巻回体が形成された後に電池缶内で非水電解液と接触すると、負極Aの活物質に吸蔵され消滅除去される。金属リチウムからなるスペーサ部材P1,P2は、例えばスパッタリング法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法等の乾式薄膜形成法によってセパレータS1,S2に取り付けられる。また、金属リチウム箔をセパレータS1,S2に貼り付けてもよい。 The spacer members P1 and P2 used in the present embodiment are made of metallic lithium as in the first embodiment. When the metallic lithium comes into contact with the non-aqueous electrolyte in the battery can after the wound body is formed, it is occluded and removed by the active material of the negative electrode A. The spacer members P1 and P2 made of metallic lithium are attached to the separators S1 and S2 by a dry thin film forming method such as sputtering, vacuum deposition, laser ablation, or ion plating. Moreover, you may affix metal lithium foil to separator S1, S2.
第1のスペーサ部材P1と第2のスペーサ部材P2は、巻回前の状態において、これらを平面視したときに、これらが互いに重なり合わない位置関係となるように各セパレータS1,S2に取り付けられている。また、両スペーサ部材P1,P2は、これらを平面視したときに、それらの隣り合う長辺間に隙間が形成されるように配置されている。このように両スペーサ部材P1,P2を配することの利点については、第1の実施形態と同様である。 The first spacer member P1 and the second spacer member P2 are attached to the separators S1 and S2 so that when they are viewed in a plan view before they are wound, they are in a positional relationship that does not overlap each other. ing. Further, the spacer members P1, P2 are arranged such that a gap is formed between their adjacent long sides when viewed in plan. The advantage of arranging both spacer members P1 and P2 in this way is the same as in the first embodiment.
本実施形態によれば、第1の実施形態で奏される効果に加えて、薄い金属リチウム層、例えば30μm以下の金属リチウム層からなるスペーサ部材P1,P2を形成できるという効果が奏される。現在の技術では厚みが30μm以下の金属リチウム箔を形成することは容易でない。 According to the present embodiment, in addition to the effects exhibited in the first embodiment, there is an effect that spacer members P1 and P2 made of a thin metal lithium layer, for example, a metal lithium layer of 30 μm or less can be formed. With the current technology, it is not easy to form a metal lithium foil having a thickness of 30 μm or less.
次に、前記の各実施形態において用いられる部材の詳細について説明する。図9には本発明に用いられる負極の一実施形態の断面構造の模式図が示されている。図9に示す負極10は、集電体11と、その少なくとも一面に形成された活物質層12を備えている。なお図9においては、便宜的に集電体11の片面にのみ活物質層12が形成されている状態が示されているが、活物質層は集電体の両面に形成されていてもよい。
Next, details of members used in each of the above-described embodiments will be described. FIG. 9 shows a schematic diagram of a cross-sectional structure of an embodiment of the negative electrode used in the present invention. A
活物質層12は、活物質の粒子12aを含んでいる。活物質としては、リチウムの吸蔵放出が可能な材料が用いられる。活物質層12は例えば、活物質の粒子12aを含むスラリーを塗布して形成されている。活物質としては、例えばシリコン系材料やスズ系材料、アルミニウム系材料、ゲルマニウム系材料が挙げられる。スズ系材料としては、例えばスズと、コバルトと、炭素と、ニッケル及びクロムのうちの少なくとも一方とを含む合金が好ましく用いられる。リチウムの吸蔵放出が可能な材料の他の例として、黒鉛、難黒鉛化性炭素、易黒鉛化性炭素などの炭素材料が挙げられる。本発明の製造方法によれば、負極とセパレータとの間に、負極活物質の膨張によって生じた応力を緩和する空間を容易に形成できることを考慮すると、これら各種の負極活物質材料のうち、大きな体積変化を生じる材料であるシリコン系材料を用いた場合に、本発明の利点が特に顕著なものとなる。
The
シリコン系材料としては、リチウムの吸蔵が可能で且つシリコンを含有する材料、例えばシリコン単体、シリコンと金属との合金、シリコン酸化物などを用いることができる。これらの材料はそれぞれ単独で、或いはこれらを混合して用いることができる。前記の金属としては、例えばCu、Ni、Co、Cr、Fe、Ti、Pt、W、Mo及びAuからなる群から選択される1種類以上の元素が挙げられる。これらの金属のうち、Cu、Ni、Coが好ましく、特に電子伝導性に優れる点、及びリチウム化合物の形成能の低さの点から、Cu、Niを用いることが望ましい。特に好ましいシリコン系材料は、リチウムの吸蔵量の高さの点からシリコン又はシリコン酸化物である。 As the silicon-based material, a material that can occlude lithium and contains silicon, for example, silicon alone, an alloy of silicon and metal, silicon oxide, or the like can be used. These materials can be used alone or in combination. Examples of the metal include one or more elements selected from the group consisting of Cu, Ni, Co, Cr, Fe, Ti, Pt, W, Mo, and Au. Among these metals, Cu, Ni, and Co are preferable, and Cu and Ni are preferably used from the viewpoint of excellent electronic conductivity and a low ability to form a lithium compound. A particularly preferable silicon-based material is silicon or silicon oxide in view of the high occlusion amount of lithium.
活物質層12においては、粒子12aの表面の少なくとも一部が、リチウム化合物の形成能の低い金属材料13で被覆されている。この金属材料13は、粒子12aの構成材料と異なる材料である。該金属材料で被覆された該粒子12aの間には空隙が形成されている。つまり該金属材料は、リチウムイオンを含む非水電解液が粒子12aへ到達可能なような隙間を確保した状態で該粒子12aの表面を被覆している。図9中、金属材料13は、粒子12aの周囲を取り囲む太線として便宜的に表されている。なお同図においては、活物質層12に含まれる粒子12aのうち、他の粒子との間に接触がないように描かれているものが存在するが、これは活物質層12を二次元的にみたことに起因するものであり、実際は各粒子は他の粒子と直接ないし金属材料13を介して接触をしている。「リチウム化合物の形成能の低い」とは、リチウムと金属間化合物若しくは固溶体を形成しないか、又は形成したとしてもリチウムが微量であるか若しくは非常に不安定であることを意味する。
In the
金属材料13は導電性を有するものであり、その例としては銅、ニッケル、鉄、コバルト又はこれらの金属の合金などが挙げられる。特に金属材料13は、活物質の粒子12aが膨張収縮しても該粒子12aの表面の被覆が破壊されにくい延性の高い材料であることが好ましい。そのような材料としては銅を用いることが好ましい。
The
金属材料13は、活物質層12の厚み方向全域にわたって粒子12の表面に存在していることが好ましい。そして金属材料13のマトリックス中に活物質の粒子12aが存在していることが好ましい。これによって、充放電によって該粒子12aが膨張収縮することに起因して微粉化しても、その脱落が起こりづらくなる。また、金属材料13を通じて活物質層12全体の電子伝導性が確保されるので、電気的に孤立した活物質の粒子12aが生成すること、特に活物質層12の深部に電気的に孤立した活物質の粒子12aが生成することが効果的に防止される。このことは、活物質として半導体であり電子伝導性の乏しい材料、例えばシリコン系材料を用いる場合に特に有利である。金属材料13が活物質層12の厚み方向全域にわたって活物質の粒子12aの表面に存在していることは、該材料13を測定対象とした電子顕微鏡マッピングによって確認できる。
The
金属材料13は、粒子12aの表面を連続に又は不連続に被覆している。金属材料13が粒子12aの表面を連続に被覆している場合には、金属材料13の被覆に、非水電解液の流通が可能な微細な空隙を形成することが好ましい。金属材料13が粒子12aの表面を不連続に被覆している場合には、粒子12aの表面のうち、金属材料13で被覆されていない部位を通じて該粒子12aへ非水電解液が供給される。このような構造の金属材料13の被覆を形成するためには、例えば後述する条件に従う電解めっきによって金属材料13を粒子12aの表面に析出させればよい。
The
活物質の粒子12aの表面を被覆している金属材料13は、その厚みの平均が好ましくは0.05〜2μm、更に好ましくは0.1〜0.25μmという薄いものである。つまり金属材料13は最低限の厚みで以て活物質の粒子12aの表面を被覆している。これによって、エネルギー密度を高めつつ、充放電によって粒子12aが膨張収縮して微粉化することに起因する脱落を防止している。ここでいう「厚みの平均」とは、活物質の粒子12aの表面のうち、実際に金属材料13が被覆している部分に基づき計算された値である。従って活物質の粒子12aの表面のうち金属材料13で被覆されていない部分は、平均値の算出の基礎にはされない。
The average thickness of the
金属材料13で被覆された粒子12aどうしの間には空隙が形成されている。この空隙は、リチウムイオンを含む非水電解液の流通の経路としての働きを有している。この空隙の存在によって非水電解液が活物質の粒子12aへ容易に到達するので、初期充電の過電圧を低くすることができる。その結果、負極の表面でリチウムのデンドライトが発生することが防止される。デンドライトの発生は両極の短絡の原因となる。過電圧を低くできることは、非水電解液の分解防止の点からも有利である。非水電解液が分解すると不可逆容量が増大するからである。更に、過電圧を低くできることは、正極がダメージを受けにくくなる点からも有利である。
Gaps are formed between the
更に、粒子12a間に形成されている空隙は、充放電で活物質の粒子12aが体積変化することに起因する応力を緩和するための空間としての働きも有する。充電によって体積が増加した活物質の粒子12aの体積の増加分は、この空隙に吸収される。その結果、該粒子12aの微粉化が起こりづらくなり、また負極10の著しい変形が効果的に防止される。
Further, the voids formed between the
その上、粒子12a間に形成されている空隙は、先に述べたスペーサ部材P1,P2の構成材料である金属リチウムを、該粒子12aに首尾良く吸蔵させる働きも有する。詳細には、スペーサ部材P1,P2から溶解したリチウムは、該空隙を通じて活物質層12の厚み方向及び平面方向へと円滑に拡散する。その結果、活物質層12の全体にわたって均一にリチウムが吸蔵される。このことは、スペーサ部材P1,P2を不連続に配しても、リチウムが均一に吸蔵されるという点から有利である。
In addition, the void formed between the
活物質層12は、後述するように、好適には粒子12a及び結着剤を含むスラリーを集電体上に塗布し乾燥させて得られた塗膜に対し、所定のめっき浴を用いた電解めっきを行い、粒子12a間に金属材料13を析出させることで形成される。
As described later, the
非水電解液の流通が可能な空隙を活物質層12内に必要且つ十分に形成するためには、前記の塗膜内にめっき液を十分浸透させることが好ましい。これに加えて、該めっき液を用いた電解めっきによって金属材料13を析出させるための条件を適切なものとすることが好ましい。めっきの条件にはめっき浴の組成、めっき浴のpH、電解の電流密度などがある。めっき浴のpHに関しては、これを7.1〜11に調整することが好ましい。pHをこの範囲内とすることで、活物質の粒子12aの溶解が抑制されつつ、該粒子12aの表面が清浄化されて、粒子表面へのめっきが促進され、同時に粒子12a間に適度な空隙が形成される。pHの値は、めっき時の温度において測定されたものである。
In order to form necessary and sufficient voids in the
めっきの金属材料13として銅を用いる場合には、ピロリン酸銅浴を用いることが好ましい。また該金属材料としてニッケルを用いる場合には、例えばアルカリニッケル浴を用いることが好ましい。特に、ピロリン酸銅浴を用いると、活物質層12を厚くした場合であっても、該層の厚み方向全域にわたって、前記の空隙を容易に形成し得るので好ましい。また、活物質の粒子12aの表面には金属材料13が析出し、且つ該粒子12a間では金属材料13の析出が起こりづらくなるので、該粒子12a間の空隙が首尾良く形成されるという点でも好ましい。ピロリン酸銅浴を用いる場合、その浴組成、電解条件及びpHは次の通りであることが好ましい。
・ピロリン酸銅三水和物:85〜120g/l
・ピロリン酸カリウム:300〜600g/l
・硝酸カリウム:15〜65g/l
・浴温度:45〜60℃
・電流密度:1〜7A/dm2
・pH:アンモニア水とポリリン酸を添加してpH7.1〜9.5になるように調整する。
When using copper as the
Copper pyrophosphate trihydrate: 85-120 g / l
-Potassium pyrophosphate: 300-600 g / l
-Potassium nitrate: 15-65 g / l
-Bath temperature: 45-60 ° C
・ Current density: 1 to 7 A / dm 2
PH: Ammonia water and polyphosphoric acid are added to adjust the pH to 7.1 to 9.5.
ピロリン酸銅浴を用いる場合には特に、P2O7の重量とCuの重量との比(P2O7/Cu)で定義されるP比が5〜12であるものを用いることが好ましい。P比が5未満のものを用いると、活物質の粒子12aを被覆する金属材料が厚くなる傾向となり、粒子12a間に所望の空隙を形成させづらい場合がある。また、P比が12を超えるものを用いると、電流効率が悪くなり、ガス発生などが生じやすくなることから生産安定性が低下する場合がある。更に好ましいピロリン酸銅浴として、P比が6.5〜10.5であるものを用いると、活物質の粒子12a間に形成される空隙のサイズ及び数が、活物質層12内での非水電解液の流通に非常に有利になる。
In particular, when a copper pyrophosphate bath is used, it is preferable to use one having a P ratio defined by a ratio of P 2 O 7 weight to Cu weight (P 2 O 7 / Cu) of 5 to 12. . When the P ratio is less than 5, the metal material covering the
アルカリニッケル浴を用いる場合には、その浴組成、電解条件及びpHは次の通りであることが好ましい。
・硫酸ニッケル:100〜250g/l
・塩化アンモニウム:15〜30g/l
・ホウ酸:15〜45g/l
・浴温度:45〜60℃
・電流密度:1〜7A/dm2
・pH:25重量%アンモニア水:100〜300g/lの範囲でpH8〜11となるように調整する。
このアルカリニッケル浴と前述のピロリン酸銅浴とを比べると、ピロリン酸銅浴を用いた場合の方が活物質層12内に適度な空隙が形成される傾向があり、負極の長寿命化を図りやすいので好ましい。
When an alkaline nickel bath is used, the bath composition, electrolysis conditions and pH are preferably as follows.
Nickel sulfate: 100 to 250 g / l
Ammonium chloride: 15-30 g / l
・ Boric acid: 15-45 g / l
-Bath temperature: 45-60 ° C
・ Current density: 1 to 7 A / dm 2
-PH: 25% by weight ammonia water: Adjust to pH 8-11 within the range of 100-300 g / l.
When this alkaline nickel bath and the above-described copper pyrophosphate bath are compared, there is a tendency that an appropriate void is formed in the
前記の各種めっき浴に、タンパク質、活性硫黄化合物、セルロース等の銅箔製造用電解液に用いられる各種添加剤を加えることにより、金属材料13の特性を適宜調整することも可能である。
The characteristics of the
上述の各種方法によって形成される活物質層全体の空隙の割合、つまり空隙率は、15〜45体積%程度、特に20〜40体積%程度であることが好ましい。空隙率をこの範囲内とすることで、非水電解液の流通が可能な空隙を活物質層12内に必要且つ十分に形成することが可能となる。空隙率は次の(1)〜(7)の手順で測定される。
(1)前記のスラリーの塗布によって形成された塗膜の単位面積当たりの重量を測定し、粒子12aの重量及び結着剤の重量を、スラリーの配合比から算出する。
(2)電解めっき後の単位面積当たりの重量変化から、析出しためっき金属種の重量を算出する。
(3)電解めっき後、負極の断面をSEM観察することで、活物質層12の厚みを求める。
(4)活物質層12の厚みから、単位面積当たりの活物質層12の体積を算出する。
(5)粒子12aの重量、結着剤の重量、めっき金属種の重量と、それぞれの配合比から、それぞれの体積を算出する。
(6)単位面積当たりの活物質層12の体積から、粒子12aの体積、結着剤の体積、めっき金属種の体積を減じて、空隙の体積を算出する。
(7)このようにして算出された空隙の体積を、単位面積当たりの活物質層12の体積で除し、それに100を乗じた値を空隙率(%)とする。
The ratio of the voids in the entire active material layer formed by the various methods described above, that is, the void ratio is preferably about 15 to 45% by volume, particularly about 20 to 40% by volume. By setting the porosity within this range, it is possible to form necessary and sufficient voids in the
(1) The weight per unit area of the coating film formed by applying the slurry is measured, and the weight of the
(2) From the weight change per unit area after electrolytic plating, the weight of the plated metal species is calculated.
(3) After electrolytic plating, the thickness of the
(4) The volume of the
(5) The respective volumes are calculated from the weight of the
(6) From the volume of the
(7) The void volume calculated in this way is divided by the volume of the
活物質の粒子12aの粒径を適切に選択することによっても、前記の空隙率をコントロールすることができる。この観点から、粒子12aはその最大粒径が好ましくは30μm以下であり、更に好ましくは10μm以下である。また粒子の粒径をD50値で表すと0.1〜8μm、特に0.3〜4μmであることが好ましい。粒子の粒径は、レーザー回折散乱式粒度分布測定、電子顕微鏡観察(SEM観察)によって測定される。
The porosity can also be controlled by appropriately selecting the particle size of the
負極全体に対する活物質の量が少なすぎると電池のエネルギー密度を十分に向上させにくく、逆に多すぎると強度が低下し活物質の脱落が起こりやすくなる傾向にある。これらを勘案すると、活物質層の厚みは10〜40μm、好ましくは15〜30μm、更に好ましくは18〜25μmである。 If the amount of the active material relative to the whole negative electrode is too small, it is difficult to sufficiently improve the energy density of the battery. Conversely, if the amount is too large, the strength decreases and the active material tends to fall off. Considering these, the thickness of the active material layer is 10 to 40 μm, preferably 15 to 30 μm, and more preferably 18 to 25 μm.
本実施形態の負極10においては、活物質層12の表面に薄い表面層(図示せず)が形成されていてもよい。また負極10はそのような表面層を有していなくてもよい。表面層の厚みは、0.25μm以下、好ましくは0.1μm以下という薄いものである。表面層の厚みの下限値に制限はない。
In the
負極10が前記の厚みの薄い表面層を有するか又は該表面層を有していないことによって、負極10を用いて二次電池を組み立て、当該電池の初期充電を行うときの過電圧を低くすることができる。このことは、二次電池の充電時に負極10の表面でリチウムが還元することを防止できることを意味する。リチウムの還元は、両極の短絡の原因となるデンドライトの発生につながる。
When the
負極10が表面層を有している場合、該表面層は活物質層12の表面を連続又は不連続に被覆している。表面層が活物質層12の表面を連続に被覆している場合、該表面層は、その表面において開孔し且つ活物質層12と通ずる多数の微細空隙(図示せず)を有していることが好ましい。微細空隙は表面層の厚み方向へ延びるように表面層中に存在していることが好ましい。微細空隙は非水電解液の流通が可能なものである。微細空隙の役割は、活物質層12内に非水電解液を供給することにある。微細空隙は、負極10の表面を電子顕微鏡観察により平面視したとき、金属材料13で被覆されている面積の割合、即ち被覆率が95%以下、特に80%以下、とりわけ60%以下となるような大きさであることが好ましい。
When the
表面層は、リチウム化合物の形成能の低い金属材料から構成されている。この金属材料は、活物質層12中に存在している金属材料13と同種でもよく、或いは異種でもよい。また表面層は、異なる2種以上の金属材料からなる2層以上の構造であってもよい。負極10の製造の容易さを考慮すると、活物質層12中に存在している金属材料13と、表面層を構成する金属材料とは同種であることが好ましい。
The surface layer is made of a metal material having a low lithium compound forming ability. This metal material may be the same as or different from the
負極10における集電体11としては、非水電解液二次電池用負極の集電体として従来用いられているものと同様のものを用いることができる。集電体11は、先に述べたリチウム化合物の形成能の低い金属材料から構成されていることが好ましい。そのような金属材料の例は既に述べた通りである。特に、銅、ニッケル、ステンレス等からなることが好ましい。また、コルソン合金箔に代表されるような銅合金箔の使用も可能である。更に集電体として、常態抗張力(JIS C 2318)が好ましくは500MPa以上である金属箔、例えば前記のコルソン合金箔の少なくとも一方の面に銅被膜層を形成したものを用いることもできる。更に集電体として常態伸度(JIS C 2318)が4%以上のものを用いることも好ましい。抗張力が低いと活物質が膨張した際の応力によりシワが生じ、伸び率が低いと該応力により集電体に亀裂が入ることがあるからである。これらの集電体を用いることで、上述した負極10の耐折性を一層高めることが可能となる。集電体11の厚みは、負極10の強度維持と、エネルギー密度向上とのバランスを考慮すると、9〜35μmであることが好ましい。なお、集電体11として銅箔を使用する場合には、クロメート処理や、トリアゾール系化合物及びイミダゾール系化合物などの有機化合物を用いた防錆処理を施しておくことが好ましい。
As the
図9に示す負極の好ましい製造方法について、図10を参照しながら説明する。本製造方法では、活物質の粒子及び結着剤を含むスラリーを用いて集電体11上に塗膜を形成し、次いでその塗膜に対して電解めっきを行う。
A preferred method for producing the negative electrode shown in FIG. 9 will be described with reference to FIG. In this manufacturing method, a coating film is formed on the
先ず図10(a)に示すように集電体11を用意する。そして集電体11上に、活物質の粒子12aを含むスラリーを塗布して塗膜15を形成する。スラリーは、活物質の粒子の他に、結着剤及び希釈溶媒などを含んでいる。またスラリーはアセチレンブラックやグラファイトなどの導電性材料の粒子を少量含んでいてもよい。特に、活物質の粒子12aがシリコン系材料から構成されている場合には、該活物質の粒子12aの重量に対して導電性炭素材料を1〜3重量%含有することが好ましい。導電性炭素材料の含有量が1重量%未満であると、スラリーの粘度が低下して活物質の粒子12aの沈降が促進されるため、良好な塗膜15及び均一な空隙を形成しにくくなる。また導電性炭素材料の含有量が3重量%を超えると、該導電性炭素材料の表面にめっき核が集中し、良好な被覆を形成しにくくなる。
First, a
結着剤としてはスチレンブタジエンラバー(SBR)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリエチレン(PE)、エチレンプロピレンジエンモノマー(EPDM)などが用いられる。希釈溶媒としてはN−メチルピロリドン、シクロヘキサンなどが用いられる。スラリー中における活物質の粒子12aの量は30〜70重量%程度とすることが好ましい。結着剤の量は0.4〜4重量%程度とすることが好ましい。これらに希釈溶媒を加えてスラリーとする。
As the binder, styrene butadiene rubber (SBR), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene (PE), ethylene propylene diene monomer (EPDM), or the like is used. As a diluting solvent, N-methylpyrrolidone, cyclohexane or the like is used. The amount of the
形成された塗膜15は、粒子12a間に多数の微小空間を有する。塗膜15が形成された集電体11を、リチウム化合物の形成能の低い金属材料を含むめっき浴中に浸漬する。めっき浴への浸漬によって、めっき液が塗膜15内の前記微小空間に浸入して、塗膜15と集電体11との界面にまで達する。その状態下に電解めっきを行い、めっき金属種を粒子12aの表面に析出させる(以下、このめっきを浸透めっきともいう)。浸透めっきは、集電体11をカソードとして用い、めっき浴中にアノードとしての対極を浸漬し、両極を電源に接続して行う。
The formed
浸透めっきによる金属材料の析出は、塗膜15の一方の側から他方の側に向かって進行させることが好ましい。具体的には、図10(b)ないし(d)に示すように、塗膜15と集電体11との界面から塗膜の表面に向けて金属材料13の析出が進行するように電解めっきを行う。金属材料13をこのように析出させることで、活物質の粒子12aの表面を金属材料13で首尾よく被覆することができると共に、金属材料13で被覆された粒子12a間に空隙を首尾よく形成することができる。しかも、該空隙の空隙率を前述した好ましい範囲にすることが容易となる。
The deposition of the metal material by the osmotic plating is preferably progressed from one side of the
前述のように金属材料13を析出させるための浸透めっきの条件には、めっき浴の組成、めっき浴のpH、電解の電流密度などがある。このような条件については既に述べた通りである。
As described above, the conditions of the infiltration plating for depositing the
図10(b)ないし(d)に示されているように、塗膜15と集電体11との界面から塗膜の表面に向けて金属材料13の析出が進行するようにめっきを行うと、析出反応の最前面部においては、ほぼ一定の厚みで金属材料13のめっき核からなる微小粒子13aが層状に存在している。金属材料13の析出が進行すると、隣り合う微小粒子13aどうしが結合して更に大きな粒子となり、更に析出が進行すると、該粒子どうしが結合して活物質の粒子12aの表面を連続的に被覆するようになる。
As shown in FIGS. 10B to 10D, when plating is performed so that the deposition of the
浸透めっきは、塗膜15の厚み方向全域に金属材料13が析出した時点で終了させる。めっきの終了時点を調節することで、活物質層12の上面に表面層(図示せず)を形成することができる。このようにして、図10(d)に示すように、目的とする負極が得られる。
The permeation plating is terminated when the
本実施形態に用いられる正極Cは、正極活物質並びに必要により導電剤及び結着剤を適当な溶媒に懸濁し、正極合剤を作製し、これをアルミニウム等からなる集電体に塗布、乾燥した後、ロール圧延、プレスし、更に裁断、打ち抜きすることにより得られる。正極活物質としては、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物等の含リチウム金属複合酸化物を始めとする従来公知の正極活物質が用いられる。また、正極活物質として、LiCoO2に少なくともZrとMgの両方を含有させたリチウム遷移金属複合酸化物と、層状構造を有し、少なくともMnとNiの両方を含有するリチウム遷移金属複合酸化物と混合したものも好ましく用いることができる。かかる正極活物質を用いることで充放電サイクル特性及び熱安定性の低下を伴うことなく、充電終止電圧を高めることが期待できる。正極活物質の一次粒子径の平均値は5μm以上10μm以下であることが、充填密度と反応面積との兼ね合いから好ましく、正極に使用する結着剤の重量平均分子量は350,000 以上2,000,000以下のポリフッ化ビニリデンであることが好ましい。低温環境での放電特性を向上させることが期待できるからである。 The positive electrode C used in the present embodiment is prepared by suspending a positive electrode active material and, if necessary, a conductive agent and a binder in an appropriate solvent to produce a positive electrode mixture, applying this to a current collector made of aluminum, and drying. Then, it is obtained by roll rolling, pressing, further cutting and punching. As the positive electrode active material, conventionally known positive electrode active materials such as lithium-containing metal composite oxides such as lithium nickel composite oxide, lithium manganese composite oxide, and lithium cobalt composite oxide are used. Further, as the positive electrode active material, a lithium transition metal composite oxide in which LiCoO 2 contains at least both Zr and Mg, a lithium transition metal composite oxide having a layered structure and containing at least both Mn and Ni, A mixture thereof can also be preferably used. The use of such a positive electrode active material can be expected to increase the end-of-charge voltage without deteriorating charge / discharge cycle characteristics and thermal stability. The average value of the primary particle diameter of the positive electrode active material is preferably 5 μm or more and 10 μm or less in view of the packing density and the reaction area, and the weight average molecular weight of the binder used for the positive electrode is 350,000 or more and 2,000. It is preferable that the polyvinylidene fluoride is 1,000 or less. This is because it can be expected to improve discharge characteristics in a low temperature environment.
本実施形態に用いられるセパレータS1,S2としては、合成樹脂製不織布、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン、又はポリテトラフルオロエチレンの多孔質フイルム等が好ましく用いられる。特にセパレータとして、例えば多孔性ポリオレフィンフィルム(旭化成ケミカルズ製;N9420G)が好ましく使用できる。電池の過充電時に生じる電極の発熱を抑制する観点からは、ポリオレフィン微多孔膜の片面又は両面にフェロセン誘導体の薄膜が形成されてなるセパレータを用いることが好ましい。セパレータは、突刺強度が0.2N/μm厚以上0.49N/μm厚以下であり、巻回軸方向の引張強度が40MPa以上150MPa以下であることが好ましい。充放電に伴い大きく膨張・収縮する負極活物質を用いても、セパレータの損傷を抑制することができ、内部短絡の発生を抑制することができるからである。 As the separators S1 and S2 used in the present embodiment, a synthetic resin nonwoven fabric, a polyolefin such as polyethylene or polypropylene, a polytetrafluoroethylene porous film, or the like is preferably used. In particular, for example, a porous polyolefin film (manufactured by Asahi Kasei Chemicals; N9420G) can be preferably used as the separator. From the viewpoint of suppressing the heat generation of the electrode that occurs when the battery is overcharged, it is preferable to use a separator in which a thin film of a ferrocene derivative is formed on one side or both sides of a polyolefin microporous membrane. The separator preferably has a puncture strength of 0.2 N / μm thickness or more and 0.49 N / μm thickness or less, and a tensile strength in the winding axis direction of 40 MPa or more and 150 MPa or less. This is because even when a negative electrode active material that greatly expands and contracts with charge and discharge is used, damage to the separator can be suppressed, and occurrence of internal short circuits can be suppressed.
本発明は前記実施形態に制限されない。例えば前記実施形態においては、第1及び第2のスペーサ部材P1,P2を負極A等の長手方向全域にわたって配したが、これに代えて負極A等の長手方向の一部分にわたり配してもよい。例えば巻き始めの位置にのみスペーサ部材P1,P2を配置したり、或いは巻き終わりの位置にのみ配置したりしてもよい。 The present invention is not limited to the embodiment. For example, in the above-described embodiment, the first and second spacer members P1 and P2 are disposed over the entire longitudinal direction of the negative electrode A or the like, but may be disposed over a part of the longitudinal direction of the negative electrode A or the like instead. For example, the spacer members P1 and P2 may be disposed only at the winding start position, or may be disposed only at the winding end position.
また、スペーサ部材の配置の仕方は前記実施形態に制限されない。例えば図11(a)に示すように、負極Aの長手方向に延びる細幅の帯状の第1及び第2のスペーサ部材P1,P2を、負極Aの幅方向にわたって多列に配置してもよい。また図11(b)に示すように、矩形の第1及び第2のスペーサ部材P1,P2を、市松模様状に配置してもよい。図11(a)及び(b)の何れの場合にも、第1及び第2のスペーサ部材P1,P2は、これらのスペーサ部材P1,P2を平面視したときに、互いに重なり合わない位置関係となるように配されていることが好ましい。 Further, the arrangement of the spacer members is not limited to the above embodiment. For example, as shown in FIG. 11A, narrow strip-like first and second spacer members P <b> 1 and P <b> 2 extending in the longitudinal direction of the negative electrode A may be arranged in multiple rows over the width direction of the negative electrode A. . Moreover, as shown in FIG.11 (b), you may arrange | position rectangular 1st and 2nd spacer members P1 and P2 in a checkered pattern. 11A and 11B, the first and second spacer members P1 and P2 have a positional relationship that does not overlap each other when the spacer members P1 and P2 are viewed in plan. It is preferable that it is arranged.
また本発明の方法に適用される負極の構造は図9に示すものに限られず、他の構造のものであってもよい。例えば、負極活物質の粒子を含むスラリーを集電体上に塗布して塗膜を形成して形成される負極や、該塗膜を焼成することで形成される負極を、本発明の製造方法に適用することができる。更に、スパッタリング等の乾式薄膜形成手段や、電解めっき等の湿式薄膜形成手段によって集電体上に形成された負極活物質の薄膜を備えた負極を、本発明の製造方法に適用することもできる。 Moreover, the structure of the negative electrode applied to the method of the present invention is not limited to that shown in FIG. For example, the negative electrode formed by applying a slurry containing particles of the negative electrode active material on a current collector to form a coating film, or the negative electrode formed by firing the coating film, the production method of the present invention Can be applied to. Furthermore, a negative electrode provided with a thin film of a negative electrode active material formed on a current collector by a dry thin film forming means such as sputtering or a wet thin film forming means such as electrolytic plating can be applied to the production method of the present invention. .
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲はかかる実施例に制限されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the scope of the present invention is not limited to such examples.
〔実施例1〕
本実施例は、図1に示す製造方法の実施例である。先ず、厚さ18μmの電解銅箔からなる集電体を室温で30秒間酸洗浄した。処理後、15秒間純水洗浄した。集電体の各面にSiの粒子を含むスラリーを膜厚15μmになるように塗布し塗膜を形成した。スラリーの組成は、粒子:スチレンブタジエンラバー(結着剤):アセチレンブラック=100:1.7:2(重量比)であった。Siの粒子の平均粒径D50は2μmであった。平均粒径D50は、日機装(株)製のマイクロトラック粒度分布測定装置(No.9320−X100)を使用して測定した。
[Example 1]
This embodiment is an embodiment of the manufacturing method shown in FIG. First, a current collector made of an electrolytic copper foil having a thickness of 18 μm was acid-washed at room temperature for 30 seconds. After the treatment, it was washed with pure water for 15 seconds. A slurry containing Si particles was applied to each surface of the current collector to a thickness of 15 μm to form a coating film. The composition of the slurry was particles: styrene butadiene rubber (binder): acetylene black = 100: 1.7: 2 (weight ratio). The average particle diameter D 50 of the Si particles was 2 μm. The average particle diameter D 50 was measured using a Microtrac particle size distribution measuring device (No. 9320-X100) manufactured by Nikkiso Co., Ltd.
塗膜が形成された集電体を、以下の浴組成を有するピロリン酸銅浴に浸漬させ、電解により、塗膜に対して銅の浸透めっきを行い、活物質層を形成した。電解の条件は以下の通りとした。陽極にはDSEを用いた。電源は直流電源を用いた。
・ピロリン酸銅三水和物:105g/l
・ピロリン酸カリウム:450g/l
・硝酸カリウム:30g/l
・P比:7.7
・浴温度:50℃
・電流密度:3A/dm2
・pH:アンモニア水とポリリン酸を添加してpH8.2になるように調整した。
The current collector on which the coating film was formed was immersed in a copper pyrophosphate bath having the following bath composition, and copper was permeated to the coating film by electrolysis to form an active material layer. The electrolysis conditions were as follows. DSE was used for the anode. A DC power source was used as the power source.
Copper pyrophosphate trihydrate: 105 g / l
-Potassium pyrophosphate: 450 g / l
・ Potassium nitrate: 30 g / l
-P ratio: 7.7
・ Bath temperature: 50 ° C
・ Current density: 3 A / dm 2
-PH: Ammonia water and polyphosphoric acid were added to adjust to pH 8.2.
浸透めっきは、塗膜の厚み方向全域にわたって銅が析出した時点で終了させた。このようにして目的とする負極を得た。 The permeation plating was terminated when copper was deposited over the entire thickness direction of the coating film. In this way, a target negative electrode was obtained.
正極は、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2の粉末を含むスラリーを、アルミニウム箔の各面に塗工して塗膜を形成し、これを乾燥させることで製造した。第1及び第2のセパレータとして厚み16μm、ガーレ透気度300秒のものを用いた。 The positive electrode was manufactured by applying a slurry containing LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 powder to each surface of an aluminum foil to form a coating film and drying the slurry. As the first and second separators, those having a thickness of 16 μm and a Gurley permeability of 300 seconds were used.
負極、正極並びに第1及び第2のセパレータは、幅60mmの長尺帯状に形成した。これらの部材を図1に示す順序で重ね合わせ巻回した。巻回に先立ち、負極と第1及び第2のセパレータの間に金属リチウム箔からなる第1及び第2のスペーサ部材を配置した。金属リチウム箔は長辺の長さが53mm、短辺の長さが20mmで、厚みが30μmであった。図3に示す隙間Gは5mmに設定した。 The negative electrode, the positive electrode, and the first and second separators were formed in a long band shape having a width of 60 mm. These members were overlapped and wound in the order shown in FIG. Prior to winding, first and second spacer members made of metal lithium foil were disposed between the negative electrode and the first and second separators. The metal lithium foil had a long side length of 53 mm, a short side length of 20 mm, and a thickness of 30 μm. The gap G shown in FIG. 3 was set to 5 mm.
得られた巻回体を、内面がニッケルめっきされた鉄製の電池缶に収容し、その内部に非水電解液を充填し、電池缶を密閉した。非水電解液としては、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートの1:1体積%混合溶媒に1mol/lのLiPF6を溶解した溶液に対して、ビニレンカーボネートを2体積%外添したものを用いた。 The obtained wound body was accommodated in an iron battery can whose inner surface was plated with nickel, and the inside thereof was filled with a non-aqueous electrolyte, and the battery can was sealed. As the non-aqueous electrolyte, a solution obtained by adding 2% by volume of vinylene carbonate to a solution obtained by dissolving 1 mol / l LiPF 6 in a 1: 1 volume% mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate was used.
この電池を図4に示す装置に接続し、リチウム箔を負極のシリコンに吸蔵させた。このようにして目的とする電池を得た。吸蔵条件は次の通りとした。
(1)0.05Cで、電池容量の10%までの充電を行い、その後6時間放置する。この操作を1単位として、電池電圧が4Vを超えるまで繰り返す。繰り返し回数は9回であった。
(2)0.05Cで、電池容量の10%までの放電を行い、その後6時間放置する。この操作を1単位として、電池電圧が2.8V未満になるまで繰り返す。繰り返し回数は9回であった。
This battery was connected to the apparatus shown in FIG. 4, and the lithium foil was occluded in the negative electrode silicon. In this way, the intended battery was obtained. The storage conditions were as follows.
(1) Charge to 10% of the battery capacity at 0.05 C, and then leave it for 6 hours. This operation is repeated as one unit until the battery voltage exceeds 4V. The number of repetitions was nine.
(2) Discharge up to 10% of the battery capacity at 0.05 C, and then leave it for 6 hours. This operation is repeated as one unit until the battery voltage becomes less than 2.8V. The number of repetitions was nine.
〔実施例2〕
実施例1で用いた金属リチウム箔に代えて、ニッケルからなるスペーサ部材を用い、図5に示す製造方法を実施した。スペーサ部材は、長辺の長さが80mm、短辺の長さが2.5mmで、厚みが100μmであった。図3に示す隙間Gは100mmに設定した。巻回体からスペーサ部材を引き抜き除去し、次いで該巻回体を電池缶に収容し電池缶を密閉して、目的とする電池を得た。
[Example 2]
Instead of the metal lithium foil used in Example 1, a spacer member made of nickel was used, and the manufacturing method shown in FIG. 5 was performed. The spacer member had a long side length of 80 mm, a short side length of 2.5 mm, and a thickness of 100 μm. The gap G shown in FIG. 3 was set to 100 mm. The spacer member was pulled out and removed from the wound body, and then the wound body was accommodated in a battery can and the battery can was sealed to obtain a target battery.
〔比較例1〕
実施例1において、巻回体を製造する際に、スペーサ部材を用いず、且つリチウムの吸蔵を行わない以外は、実施例1と同様にして電池を得た。
[Comparative Example 1]
In Example 1, when manufacturing the wound body, a battery was obtained in the same manner as in Example 1 except that the spacer member was not used and lithium was not occluded.
〔評価〕
実施例及び比較例で得られた電池について、100サイクルまでの容量維持率を測定した。容量維持率は、各サイクル目の放電容量を測定し、それらの値を初期放電容量で除し、100を乗じて算出した。充電条件は0.5C、4.2Vで、定電流・定電圧(CCCV)とした。放電条件は0.5C、2.7Vで、定電流(CC)とした。但し、1サイクル目は0.05Cとし、2〜4サイクル目は0.1C、5〜7サイクル目は0.5C、8〜10サイクル目は1Cとした。その結果、実施例1の電池の容量維持率は95%、実施例2では80%であったのに対し、比較例1の電池では、50サイクル目で電池内にショートが生じ、それ以上の測定はできなかった。ショートが発生した理由は、充放電による負極の膨張に起因する応力で、電極が破損したためであった。実施例1と実施例2との結果の比較から明らかなように、初回の充放電前に負極活物質に予めリチウムを吸蔵させておくことで、サイクル特性が一層向上することが判る。
[Evaluation]
About the battery obtained by the Example and the comparative example, the capacity maintenance rate to 100 cycles was measured. The capacity retention rate was calculated by measuring the discharge capacity at each cycle, dividing those values by the initial discharge capacity, and multiplying by 100. The charging conditions were 0.5 C, 4.2 V, and a constant current / constant voltage (CCCV). The discharge conditions were 0.5 C, 2.7 V, and a constant current (CC). However, the first cycle was 0.05 C, the second to fourth cycles were 0.1 C, the fifth to seventh cycles were 0.5 C, and the eighth to tenth cycles were 1 C. As a result, the capacity retention rate of the battery of Example 1 was 95% and 80% in Example 2, whereas in the battery of Comparative Example 1, a short circuit occurred in the 50th cycle, and more Measurement was not possible. The reason why the short circuit occurred was that the electrode was damaged due to stress resulting from expansion of the negative electrode due to charge / discharge. As is clear from the comparison of the results of Example 1 and Example 2, it is understood that the cycle characteristics are further improved by preliminarily storing lithium in the negative electrode active material before the first charge / discharge.
A 負極
C 正極
S1 第1のセパレータ
S2 第2のセパレータ
P1 第1のスペーサ部材
P2 第2のスペーサ部材
10 負極
11 集電体
12 活物質層
12a 活物質の粒子
13 リチウム化合物の形成能の低い金属材料
15 塗膜
A negative electrode C positive electrode S1 first separator S2 second separator P1 first spacer member P2
Claims (9)
重ね合わせに先立ち、前記第1のセパレータと前記負極との間に、これらの部材の長手方向にわたってスペーサ部材を不連続に配し、
巻回の工程によって得られた巻回体から前記スペーサ部材を除去することを特徴とする非水電解液二次電池の製造方法。 A nonaqueous electrolyte secondary battery comprising a step of superposing a positive electrode, a first separator, a negative electrode, and a second separator, each of which is in the form of a long strip, in this order and winding them together. In the manufacturing method of
Prior to overlapping, between the first separator and the negative electrode, disposing discontinuous spacer members over the longitudinal direction of these members,
A method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the spacer member is removed from a wound body obtained by a winding process.
前記第1のセパレータとして、該第1のセパレータの面のうち前記負極と対向する面に、該第1のセパレータの長手方向にわたってスペーサ部材が不連続に取り付けられたものを用い、
巻回の工程によって得られた巻回体から前記スペーサ部材を除去することを特徴とする非水電解液二次電池の製造方法。 A nonaqueous electrolyte secondary battery comprising a step of superposing a positive electrode, a first separator, a negative electrode, and a second separator, each of which is in the form of a long strip, in this order and winding them together. In the manufacturing method of
As the first separator, a surface in which spacer members are discontinuously attached to the surface facing the negative electrode among the surfaces of the first separator over the longitudinal direction of the first separator,
A method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the spacer member is removed from a wound body obtained by a winding process.
The manufacturing method according to claim 6, wherein the spacer member is made of metal lithium, and the spacer member is eliminated from the wound body by occluding metal lithium in the active material of the negative electrode.
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