JP2008226812A - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、円筒型の非水電解質二次電池に関し、具体的には、その負極の構造に関する。 The present invention relates to a cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery, and specifically to the structure of the negative electrode.
近年、電子機器のポータブル化、コードレス化が進むにつれて、その駆動用電源として、小型・軽量で、かつ高エネルギー密度を有するニッケル水素やリチウムイオンなどの二次電池が注目されている。 In recent years, as electronic devices become more portable and cordless, secondary batteries such as nickel metal hydride and lithium ion, which are small and light and have a high energy density, have attracted attention as power sources for driving them.
リチウムイオン二次電池は、リチウム含有複合酸化物よりなる正極と、リチウム金属やリチウム合金またはリチウムイオンを吸蔵・放出する負極活物質を含む負極と、電解質とから構成されている。 The lithium ion secondary battery includes a positive electrode made of a lithium-containing composite oxide, a negative electrode containing a negative electrode active material that occludes and releases lithium metal, a lithium alloy, or lithium ions, and an electrolyte.
そして、近年では、従来から負極材料として用いられてきた黒鉛などの炭素材料に代えて、リチウムイオンの吸蔵性を有し、理論容量密度が833mAh/cm3を超える元素に関する研究が報告されている。例えば、理論容量密度が833mAh/cm3を超える負極活物質の元素として、リチウムと合金化するケイ素(Si)、スズ(Sn)、ゲルマニウム(Ge)やこれらの酸化物および合金などがある。それらの中でも、Si粒子や酸化ケイ素粒子などの含ケイ素粒子は安価なため、幅広く検討されている。 In recent years, instead of carbon materials such as graphite that have been conventionally used as negative electrode materials, research has been reported on elements that have occlusion of lithium ions and whose theoretical capacity density exceeds 833 mAh / cm 3 . . For example, as an element of the negative electrode active material having a theoretical capacity density exceeding 833 mAh / cm 3 , there are silicon (Si), tin (Sn), germanium (Ge) alloyed with lithium, and oxides and alloys thereof. Among them, silicon-containing particles such as Si particles and silicon oxide particles are widely studied because they are inexpensive.
しかし、これらの材料は、リチウムイオンを吸蔵する時に、その体積が増加する。例えば、Siからなる負極活物質を備える負極を用いる場合、リチウムイオンが最大量吸蔵された状態では、その負極活物質はLi4.4Siで表され、SiからLi4.4Siに変化した時の体積増加率は4.12倍である。 However, these materials increase in volume when they occlude lithium ions. For example, when using a negative electrode comprising a negative electrode active material composed of Si, in the state in which lithium ions are maximum amount occluded, the anode active material is represented by Li 4.4 Si, it was changed from Si to Li 4.4 Si The volume increase rate at the time is 4.12 times.
そのため、リチウムイオンの吸蔵・放出により負極活物質は膨張・収縮し、充放電サイクルを繰り返す間に負極活物質と負極集電体との密着性の低下による剥離などが発生する可能性があった。 Therefore, the negative electrode active material expands and contracts due to insertion and extraction of lithium ions, and there is a possibility that peeling due to a decrease in the adhesion between the negative electrode active material and the negative electrode current collector may occur during repeated charge / discharge cycles. .
そこで、それを解決するために、集電体の表面に凹凸を設けて、その上に薄膜状の負極材料を、負極材料の主面に垂直な面に対して傾斜して形成する方法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。これにより、充放電の膨張・収縮によって発生する応力を負極材料の主面に平行な方向と垂直な方向とに分散させ、皺や剥離の発生が抑制できることが示されている。
特許文献1の二次電池によれば、傾斜して集電体の凸部上に形成した柱状の負極材料をセパレータと正極を積層して電極群を形成し、それらを捲回して円筒型二次電池を作製している。しかし、リチウムイオンの吸蔵による負極材料の膨張により電極群の群径が大きくなるため、予め電極群の形状変化を考慮して、電池ケースに収容できるように小さい寸法とする必要があった。そのため、電池ケース内の空間を有効に利用できず、電池容量の向上が制限されるという課題がある。しかも、二次電池の寸法は、電池ケースの寸法で規定されるため、電極群の膨張により柱状の負極材料に大きな応力が発生する。また、柱状の負極材料は、特に凸部で集電体と接合しているため、その接合部に応力が集中し、柱状の負極材料が集電体から剥離するという問題があった。また、剥離しない場合においても、集電体に皺や変形を発生する可能性がある。その結果、サイクル特性や信頼性が低くなる場合があった。
According to the secondary battery of
本発明は、上記課題を解決するもので、電極群の膨張を回避し、さらに負極材料の接合部での応力の集中を分散することにより、電池容量が大きくサイクル特性やハイレート特性などの信頼性に優れた非水電解質二次電池を提供することを目的とするものである。 The present invention solves the above-mentioned problem, avoids expansion of the electrode group, and further disperses stress concentration at the junction of the negative electrode material, thereby increasing the battery capacity and improving reliability such as cycle characteristics and high rate characteristics. An object of the present invention is to provide a nonaqueous electrolyte secondary battery excellent in the above.
上述したような目的を達成するために本発明の非水電解質二次電池は、凸部を有する集電体の凸部上に形成された集電体の長手方向に斜立方向が交互に異なる柱状体部をn(n≧2)段に積層して構成された柱状体からなる負極と、正極集電体の両面にリチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出できる正極活物質を含む正極合剤層を有する正極と、正極と負極との間に対向して設けられるセパレータと、を少なくとも備え、負極の柱状体の最上段に設けられた柱状体部の先端が、捲回時の終端方向に向けて斜立した構成を有する。 In order to achieve the above-described object, the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention has different oblique directions in the longitudinal direction of the current collector formed on the convex portion of the current collector having the convex portion. A positive electrode mixture comprising a negative electrode comprising a columnar body formed by stacking columnar body parts in n (n ≧ 2) stages, and a positive electrode active material capable of reversibly occluding and releasing lithium ions on both surfaces of the positive electrode current collector A positive electrode having a layer and a separator provided oppositely between the positive electrode and the negative electrode, and the tip of the columnar body portion provided at the uppermost stage of the columnar body of the negative electrode is in the terminal direction at the time of winding It has a configuration that is obliquely directed.
この構成により、複数の斜立方向の異なる柱状体部からなる柱状体で接合部への応力集中を分散し低減することができる。また、充電時には、柱状体の膨張による負極の集電体に働く水平方向の応力により、電極群を巻き締めるように形状変化し、放電時には、元の電極群形状に戻るだけであるため、電極群を電池ケースの内径寸法と同程度で設計することができる。この結果、負極活物質による電池容量の向上とともに、電極面積の拡大によりさらに電池容量を向上できる。そして、サイクル特性やハイレート特性を大幅に改善した信頼性の高い非水電解質二次電池を実現できる。 With this configuration, it is possible to disperse and reduce the stress concentration on the joint portion with a columnar body including a plurality of columnar body portions having different oblique directions. In addition, during charging, the shape of the electrode group changes due to horizontal stress acting on the negative electrode current collector due to expansion of the columnar body, and during discharge, the electrode group simply returns to the original electrode group shape. The group can be designed with the same inner diameter as the battery case. As a result, the battery capacity can be further improved by increasing the electrode area as well as improving the battery capacity by the negative electrode active material. In addition, a highly reliable nonaqueous electrolyte secondary battery with significantly improved cycle characteristics and high rate characteristics can be realized.
本発明によれば、電池容量を向上できるとともに、サイクル特性やハイレート特性を大幅に改善した信頼性の高い非水電解質二次電池を実現できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while being able to improve battery capacity, the highly reliable nonaqueous electrolyte secondary battery which improved the cycle characteristic and the high rate characteristic significantly is realizable.
本発明の第1の発明は、凸部を有する集電体の凸部上に形成された集電体の長手方向に斜立方向が交互に異なる柱状体部をn(n≧2)段に積層して構成された柱状体からなる負極と、正極集電体の両面にリチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出できる正極活物質を含む正極合剤層を有する正極と、正極と負極との間に対向して設けられるセパレータと、を少なくとも備え、負極の柱状体の最上段に設けられた柱状体部の先端が、捲回時の終端方向に向けて斜立した構成を有する。 According to a first aspect of the present invention, there are n (n ≧ 2) columnar body portions having different oblique directions in the longitudinal direction of the current collector formed on the convex portion of the current collector having the convex portions. Between the positive electrode and the negative electrode, a positive electrode having a positive electrode mixture layer including a positive electrode active material capable of reversibly occluding and releasing lithium ions on both surfaces of the positive electrode current collector, At least a separator provided opposite to the columnar body, and the tip of the columnar body portion provided at the uppermost stage of the columnar body of the negative electrode has an oblique configuration toward the terminal direction during winding.
この構成により、複数の斜立方向の異なる柱状体部からなる柱状体で接合部への応力集中を分散し低減することができる。また、充電時には、柱状体の膨張による負極の集電体に働く水平方向の応力により、電極群を巻き締めるように形状変化し、放電時には、元の電極群形状に戻るだけであるため、電極群を電池ケースの内径寸法と同程度で設計することができる。この結果、負極活物質による電池容量の向上とともに、電極面積の拡大によりさらに電池容量を向上できる。そして、サイクル特性やハイレート特性を大幅に改善した信頼性の高い非水電解質二次電池を実現できる。 With this configuration, it is possible to disperse and reduce the stress concentration on the joint portion with a columnar body including a plurality of columnar body portions having different oblique directions. In addition, during charging, the shape of the electrode group changes due to horizontal stress acting on the negative electrode current collector due to expansion of the columnar body, and during discharge, the electrode group simply returns to the original electrode group shape. The group can be designed with the same inner diameter as the battery case. As a result, the battery capacity can be further improved by increasing the electrode area as well as improving the battery capacity by the negative electrode active material. In addition, a highly reliable nonaqueous electrolyte secondary battery with significantly improved cycle characteristics and high rate characteristics can be realized.
本発明の第2の発明は、第1の発明において、柱状体が、捲回時の終端方向に向けて斜立した構成を有する。これにより、充電時の集電体の露出を抑制し、信頼性に優れた非水電解質二次電池を実現できる。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the columnar body has a configuration in which the columnar body is tilted toward the terminal direction during winding. Thereby, the exposure of the collector at the time of charge can be suppressed, and a nonaqueous electrolyte secondary battery excellent in reliability can be realized.
本発明の第3の発明は、第2の発明において、柱状体の最上段に設けられた柱状体部の先端が、捲回時の始端方向に向けて斜立した構成を有する。これにより、先端の柱状体部の斜立方向が制限されないので、設計自由度に優れた非水電解質二次電池を実現できる。 According to a third aspect of the present invention, in the second aspect, the tip of the columnar body portion provided at the uppermost stage of the columnar body has a configuration in which the tip is inclined toward the start end direction during winding. Thereby, since the inclination direction of the columnar body portion at the tip is not limited, a non-aqueous electrolyte secondary battery having excellent design freedom can be realized.
本発明の第4の発明は、第1の発明において、柱状体部を構成する元素の含有比率を、柱状体部の斜立する幅方向において変化させた構成を有する。これにより、負極活物質がリチウムイオンを吸蔵し、膨張した際に柱状体部の斜立する角度を変化させ、隣接する柱状体との接触を抑制することができるため、信頼性に優れた非水電解質二次電池が得られる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect, the content ratio of the elements constituting the columnar body portion is changed in the obliquely extending width direction of the columnar body portion. As a result, when the negative electrode active material absorbs lithium ions and expands, the oblique angle of the columnar body portion can be changed, and contact with the adjacent columnar body can be suppressed. A water electrolyte secondary battery is obtained.
本発明の第5の発明は、第4の発明において、柱状体部の奇数段と偶数段の元素の含有比率の変化方向が異なる構成を有する。これにより、リチウムイオンの吸蔵による柱状体の膨張方向が偏るのを抑え、柱状体間の空隙を維持できる。 According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect, the change direction of the content ratio of the odd-numbered and even-numbered elements of the columnar body portion is different. Thereby, it can suppress that the expansion direction of the columnar body by occlusion of lithium ion deviates, and can maintain the space | gap between columnar bodies.
本発明の第6の発明は、第4の発明または第5の発明において、少なくとも充電状態において、柱状体部の斜立方向の中心線と集電体の平面が成す鋭角側の角度が、放電状態の角度より大きくなる構成を有する。これにより、リチウムイオンの吸蔵による柱状体の膨張に対して、柱状体間の空隙を維持し、電極板の変形を抑制できる。 According to a sixth aspect of the present invention, in the fourth or fifth aspect, at least in a charged state, an acute angle formed by the center line of the columnar body portion and the plane of the current collector is the discharge side. It has a configuration that is larger than the angle of the state. Thereby, the space | gap between columnar bodies is maintained with respect to expansion | swelling of the columnar body by occlusion of lithium ion, and a deformation | transformation of an electrode plate can be suppressed.
本発明の第7の発明は、第1の発明において、柱状体部として、少なくともリチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出する理論容量密度が833mAh/cm3を超える活物質を用いた。これにより、高容量の活物質を用いた非水電解質二次電池用負極が得られる。 According to a seventh aspect of the present invention, in the first aspect, an active material having a theoretical capacity density exceeding 833 mAh / cm 3 at least reversibly occluding and releasing lithium ions is used as the columnar body portion. Thereby, the negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries using a high capacity | capacitance active material is obtained.
本発明の第8の発明は、第7の発明において、活物質として、少なくともケイ素を含むSiOxで表される材料を用いた。これにより、電極反応効率が高く、高容量で比較的安価な非水電解質二次電池が得られる。 In an eighth aspect of the present invention, in the seventh aspect, a material represented by SiOx containing at least silicon is used as the active material. As a result, a nonaqueous electrolyte secondary battery with high electrode reaction efficiency, high capacity and relatively low price can be obtained.
本発明の第9の発明は、第8の発明において、ケイ素を含む材料のxの値を、柱状体部の斜立方向の中心線と集電体の平面が成す角度に対して、鋭角を形成する側から鈍角を形成する側へ向かって連続的に増加させる構成を有する。 According to a ninth aspect of the present invention, in the eighth aspect, the x value of the silicon-containing material is set to an acute angle with respect to the angle formed by the center line of the columnar body portion and the plane of the current collector. It has the structure which increases continuously toward the side which forms an obtuse angle from the side to form.
これにより、充放電時における膨張にともなう急激な応力変動による機械的ストレスから柱状体を保護しながら柱状体の斜立角度を可逆的に変化させることができる。 As a result, it is possible to reversibly change the oblique angle of the columnar body while protecting the columnar body from mechanical stress due to sudden stress fluctuations accompanying expansion during charging and discharging.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下に記載の内容に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the contents described below as long as it is based on the basic characteristics described in this specification.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における非水電解質二次電池の断面図である。図2(a)は、本発明の実施の形態1における非水電解質二次電池の電極群の捲回する状態を模式的に示す平面図で、図2(b)は図2(a)の負極の構成を詳細に説明する部分拡大断面図である。
(Embodiment 1)
1 is a cross-sectional view of a nonaqueous electrolyte secondary battery according to
図1に示すように、円筒型の非水電解質二次電池(以下、「電池」と記す)は、例えばアルミニウム製の正極リード8を備えた正極1と、その正極1と対向する、例えば銅製の負極リード9を一端に備えた負極2とをセパレータ3を介して、図2(a)に示すように捲回された電極群4を有する。そして、電極群4の上下に絶縁板10a、10bを装着して電池ケース5に挿入し、正極リード8の他方の端部を封口板6に、負極リード9の他方の端部を電池ケース5の底部に溶接する。さらに、リチウムイオンを伝導する非水電解質(図示せず)を電池ケース5内に注入し、電池ケース5の開放端部をガスケット7を介して封口板6にかしめた構成を有する。また、正極1は正極集電体1aと正極活物質を含む正極合剤層1bから構成されている。
As shown in FIG. 1, a cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery (hereinafter referred to as “battery”) includes a
さらに、以下で詳細に説明するが、負極2は図2(b)に示すように、凹部12と凸部13を有する負極集電体11(以下、「集電体」と記す)と、少なくとも凸部上に斜立して離散的に設けられたn(n≧2)段に柱状体部を積層して、例えばつづら折り形状の柱状体15とで構成されている。このとき、柱状体15を構成する柱状体部のうち、柱状体の最上段に設けられた柱状体部の先端が、電極群を形成する捲回時の終端方向(巻き終わり方向)に向けて斜立するように柱状体部を設けている。また、柱状体部は、集電体11の凸部13上に形成された元素の含有比率が集電体の長手方向に順次変化させて形成されている。そして、n(n≧2)段に積層して構成された柱状体部は、その奇数段目と偶数段目の元素の含有比率の変化方向が異なるように形成されている。
Further, as will be described in detail below, the
ここで、正極合剤層1bは、LiCoO2やLiNiO2、LiMn2O4、またはこれらの混合あるいは複合化合物などの含リチウム複合酸化物を正極活物質として含む。正極活物質としては上記以外に、LiMPO4(M=V、Fe、Ni、Mn)の一般式で表されるオリビン型リン酸リチウム、Li2MPO4F(M=V、Fe、Ni、Mn)の一般式で表されるフルオロリン酸リチウムなども利用可能である。さらにこれら含リチウム化合物の一部を異種元素で置換してもよい。金属酸化物、リチウム酸化物、導電剤などで表面処理してもよく、表面を疎水化処理してもよい。
Here, the positive
正極合剤層1bは、さらに導電剤と結着剤とを含む。導電剤としては、天然黒鉛や人造黒鉛のグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック類、炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維類、フッ化カーボン、アルミニウムなどの金属粉末類、酸化亜鉛やチタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー類、酸化チタンなどの導電性金属酸化物、フェニレン誘導体などの有機導電性材料を用いることができる。
Positive
また結着剤としては、例えばPVDF、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアクリルニトリル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチルエステル、ポリアクリル酸エチルエステル、ポリアクリル酸ヘキシルエステル、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチルエステル、ポリメタクリル酸エチルエステル、ポリメタクリル酸ヘキシルエステル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリエーテル、ポリエーテルサルフォン、ヘキサフルオロポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロースなどが使用可能である。また、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル、フッ化ビニリデン、クロロトリフルオロエチレン、エチレン、プロピレン、ペンタフルオロプロピレン、フルオロメチルビニルエーテル、アクリル酸、ヘキサジエンより選択された2種以上の材料の共重合体を用いてもよい。またこれらのうちから選択された2種以上を混合して用いてもよい。 Examples of the binder include PVDF, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, aramid resin, polyamide, polyimide, polyamideimide, polyacrylonitrile, polyacrylic acid, polyacrylic acid methyl ester, polyacrylic acid ethyl ester, polyacrylic acid. Acrylic hexyl ester, polymethacrylic acid, polymethacrylic acid methyl ester, polymethacrylic acid ethyl ester, polymethacrylic acid hexyl ester, polyvinyl acetate, polyvinylpyrrolidone, polyether, polyethersulfone, hexafluoropolypropylene, styrene butadiene rubber, Carboxymethyl cellulose and the like can be used. Two types selected from tetrafluoroethylene, hexafluoroethylene, hexafluoropropylene, perfluoroalkyl vinyl ether, vinylidene fluoride, chlorotrifluoroethylene, ethylene, propylene, pentafluoropropylene, fluoromethyl vinyl ether, acrylic acid, and hexadiene A copolymer of the above materials may be used. Two or more selected from these may be mixed and used.
正極1に用いる正極集電体1aとしては、アルミニウム(Al)、炭素、導電性樹脂などが使用可能である。また、このいずれかの材料に、カーボンなどで表面処理してもよい。
As the positive electrode
非水電解質には有機溶媒に溶質を溶解した電解質溶液や、これらを含み高分子で非流動化されたいわゆるポリマー電解質層が適用可能である。少なくとも電解質溶液を用いる場合には正極1と負極2との間にポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、アミドイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミドなどからなる不織布や微多孔膜などのセパレータ3を用い、これに電解質溶液を含浸させるのが好ましい。またセパレータ3の内部あるいは表面には、アルミナ、マグネシア、シリカ、チタニアなどの耐熱性フィラーを含んでもよい。セパレータ3とは別に、これらの耐熱性フィラーと、正極1および負極2に用いるのと同様の結着剤とから構成される耐熱層を設けてもよい。
As the non-aqueous electrolyte, an electrolyte solution in which a solute is dissolved in an organic solvent, or a so-called polymer electrolyte layer containing these and non-fluidized with a polymer can be applied. When using at least an electrolyte solution, a
非水電解質材料としては、各活物質の酸化還元電位などを基に選択される。非水電解質に用いるのが好ましい溶質としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAlCl4、LiSbF6、LiSCN、LiCF3SO3、LiNCF3CO2、LiAsF6、LiB10Cl10、低級脂肪族カルボン酸リチウム、LiF、LiCl、LiBr、LiI、クロロボランリチウム、ビス(1,2−ベンゼンジオレート(2−)−O,O’)ホウ酸リチウム、ビス(2,3−ナフタレンジオレート(2−)−O,O’)ホウ酸リチウム、ビス(2,2’−ビフェニルジオレート(2−)−O,O’)ホウ酸リチウム、ビス(5−フルオロ−2−オレート−1−ベンゼンスルホン酸−O,O’)ホウ酸リチウムなどのホウ酸塩類、(CF3SO2)2NLi、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、(C2F5SO2)2NLi、テトラフェニルホウ酸リチウムなど、一般にリチウム電池で使用されている塩類を適用できる。
The nonaqueous electrolyte material is selected based on the redox potential of each active material. Solutes preferably used for non-aqueous electrolytes include LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAlCl 4 , LiSbF 6 , LiSCN, LiCF 3 SO 3 , LiNCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiB 10 Cl 10 , lower aliphatic. Lithium carboxylate, LiF, LiCl, LiBr, LiI, lithium chloroborane, bis (1,2-benzenediolate (2-)-O, O ′) lithium borate, bis (2,3-naphthalenedioleate (2 -)-O, O ') lithium borate, bis (2,2'-biphenyldiolate (2-)-O, O') lithium borate, bis (5-fluoro-2-olate-1-benzenesulfone) acid -O, O ') borate salts such as lithium borate, (CF 3 SO 2) 2 NLi, LiN (
さらに上記塩を溶解させる有機溶媒には、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジプロピルカーボネート、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、ジメトキシメタン、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジメトキシエタン、エトキシメトキシエタン、トリメトキシメタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどのテトラヒドロフラン誘導体、ジメチルスルホキシド、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソランなどのジオキソラン誘導体、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、プロピルニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、リン酸トリエステル、酢酸エステル、プロピオン酸エステル、スルホラン、3−メチルスルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、エチルエーテル、ジエチルエーテル、1,3−プロパンサルトン、アニソール、フルオロベンゼンなどの1種またはそれ以上の混合物など、一般にリチウム電池で使用されているような溶媒を適用できる。 Further, the organic solvent for dissolving the salt includes ethylene carbonate (EC), propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate (EMC), dipropyl carbonate, methyl formate, acetic acid. Methyl, methyl propionate, ethyl propionate, dimethoxymethane, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, 1,2-diethoxyethane, 1,2-dimethoxyethane, ethoxymethoxyethane, trimethoxymethane, tetrahydrofuran, 2-methyl Tetrahydrofuran derivatives such as tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, dioxolane derivatives such as 4-methyl-1,3-dioxolane, formamide, aceto Toamide, dimethylformamide, acetonitrile, propylnitrile, nitromethane, ethyl monoglyme, phosphoric acid triester, acetate ester, propionate ester, sulfolane, 3-methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, 3-methyl 2-Oxazolidinone, propylene carbonate derivatives, ethyl ether, diethyl ether, 1,3-propane sultone, anisole, mixtures of one or more such as fluorobenzene, and the like solvents commonly used in lithium batteries Applicable.
さらに、ビニレンカーボネート、シクロヘキシルベンゼン、ビフェニル、ジフェニルエーテル、ビニルエチレンカーボネート、ジビニルエチレンカーボネート、フェニルエチレンカーボネート、ジアリルカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、カテコールカーボネート、酢酸ビニル、エチレンサルファイト、プロパンサルトン、トリフルオロプロピレンカーボネート、ジベンゾフラン、2,4−ジフルオロアニソール、o−ターフェニル、m−ターフェニルなどの添加剤を含んでいてもよい。 Furthermore, vinylene carbonate, cyclohexyl benzene, biphenyl, diphenyl ether, vinyl ethylene carbonate, divinyl ethylene carbonate, phenyl ethylene carbonate, diallyl carbonate, fluoroethylene carbonate, catechol carbonate, vinyl acetate, ethylene sulfite, propane sultone, trifluoropropylene carbonate, Additives such as dibenzofuran, 2,4-difluoroanisole, o-terphenyl, m-terphenyl and the like may be contained.
なお、非水電解質は、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリホスファゼン、ポリアジリジン、ポリエチレンスルフィド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレンなどの高分子材料の1種またはそれ以上の混合物などに上記溶質を混合して、固体電解質として用いてもよい。また、上記有機溶媒と混合してゲル状で用いてもよい。さらに、リチウム窒化物、リチウムハロゲン化物、リチウム酸素酸塩、Li4SiO4、Li4SiO4−LiI−LiOH、Li3PO4−Li4SiO4、Li2SiS3、Li3PO4−Li2S−SiS2、硫化リン化合物などの無機材料を固体電解質として用いてもよい。ゲル状の非水電解質を用いる場合、ゲル状の非水電解質をセパレータの代わりに正極1と負極2との間に配置してもよい。または、ゲル状の非水電解質は、セパレータ3に隣接するように配置してもよい。
The non-aqueous electrolyte is composed of one or more kinds of polymer materials such as polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyphosphazene, polyaziridine, polyethylene sulfide, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, and the like. May be used as a solid electrolyte. Moreover, you may mix with the said organic solvent and use it in a gel form. Further, lithium nitride, lithium halide, lithium oxyacid salt, Li 4 SiO 4, Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH,
そして、負極2の集電体11は、ステンレス鋼、ニッケル、銅、チタンなどの金属箔、炭素や導電性樹脂の薄膜などが用いられる。さらに、カーボン、ニッケル、チタンなどで表面処理を施してもよい。
The
また、負極2の柱状体15を構成する柱状体部としては、ケイ素(Si)やスズ(Sn)などのようにリチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出する理論容量密度が833mAh/cm3を超える活物質を用いることができる。このような活物質であれば、単体、合金、化合物、固溶体および含ケイ素材料や含スズ材料を含む複合活物質のいずれであっても、本発明の効果を発揮させることは可能である。すなわち、含ケイ素材料として、Si、SiOx(0<x≦2.0)、またはこれらのいずれかにAl、In、Cd、Bi、Sb、B、Mg、Ni、Ti、Mo、Co、Ca、Cr、Cu、Fe、Mn、Nb、Ta、V、W、Zn、C、N、Snからなる群から選択される少なくとも1つの元素でSiの一部を置換した合金や化合物、または固溶体などを用いることができる。含スズ材料としてはNi2Sn4、Mg2Sn、SnOx(0<x≦2.0)、SnO2、SnSiO3、LiSnOなどを適用できる。
The columnar body part constituting the
これらの材料は単独で負極活物質を構成してもよく、また複数種の材料により負極活物質を構成してもよい。上記複数種の材料により負極活物質を構成する例として、Siと酸素と窒素とを含む化合物やSiと酸素とを含み、Siと酸素との構成比率が異なる複数の化合物の複合物などが挙げられる。 These materials may constitute a negative electrode active material alone, or a plurality of types of materials may constitute a negative electrode active material. Examples of constituting the negative electrode active material by the plurality of types of materials include a compound containing Si, oxygen and nitrogen, and a composite of a plurality of compounds containing Si and oxygen and having different constituent ratios of Si and oxygen. It is done.
以下、本発明の実施の形態1における非水電解質二次電池の負極(以下、「負極」と記す場合がある)および負極を用いた二次電池の動作について、図3と図4を用いて詳細に説明する。なお、以下では、例えば少なくともケイ素を含むSiOx(0≦x≦2.0)で表される負極活物質(以下、「活物質」と記す)を例に説明する。
Hereinafter, with reference to FIG. 3 and FIG. 4, the operation of the secondary battery using the negative electrode (hereinafter sometimes referred to as “negative electrode”) of the nonaqueous electrolyte secondary battery and the negative electrode in
図3(a)は、本発明の実施の形態1における負極の構造を示す部分断面模式図で、図3(b)は、同実施の形態の活物質の幅方向のxの値の変化を説明する模式図である。また、図4(a)は本発明の実施の形態1における負極を用いた二次電池の充電前の状態を示す部分断面模式図であり、図4(b)は同実施の形態における負極を用いた二次電池の充電後の状態を示す部分断面模式図である。
FIG. 3A is a partial cross-sectional schematic diagram showing the structure of the negative electrode according to
図3(a)に示すように、例えば銅箔などの導電性金属材料よりなる集電体11の少なくとも上面には凹部12と凸部13が設けられている。そして、凸部13の上部には、負極2を構成する、SiOxで表される活物質が、例えばスパッタリング法または真空蒸着法などを用いた斜方蒸着法により斜立してn段(n≧2)の柱状体部からなる柱状体15の形状で形成されている。この時、柱状体15は、例えば複数の柱状体部でつづら折りの形状で形成されている。
As shown in FIG. 3A, a
以下で、n=3からなる柱状体部151、152、153が積層して構成された柱状体15を例に、具体的に説明するが、n≧2であれば、これに限られないことはいうまでもない。
Hereinafter, the
まず、柱状体15の柱状体部151は、少なくとも集電体11の凸部13の上で柱状体部151の斜立方向の中心線(A)と集電体11の平面(AA−AA)とが交差角度(以下、「斜立角度」と記す)θ1を成すように形成されている。そして、柱状体15の柱状体部152は、柱状体部151の上に、その斜立方向の中心線(B)と集電体11の平面(AA−AA)とが斜立角度θ2を成すように形成されている。さらに、柱状体15の柱状体部153は、柱状体部152の上に、その斜立方向の中心線(C)と集電体11の平面(AA−AA)とが斜立角度θ3を成すように形成されている。なお、斜立角度θ1、θ2、θ3は、隣接する柱状体15が、接触しなければ、同じ角度でも異なる角度であってもよい。
First, the
また、柱状体15を構成する柱状体部151、152、153は、図3(b)で模式的に示すように、例えば奇数段目の柱状体部151、153と偶数段目の柱状体部152の幅方向の元素の含有比率、例えばxの値の変化する方向が異なるように設けられる。すなわち、柱状体部151、152、153の鋭角を成す斜立角度側から、鈍角を成す側に向かって、xの値を順次大きくするものである。なお、図3(b)では、xの値が直線的に変化するように示しているが、これに限られない。ここで、幅方向とは、例えば負極2の捲回方向である。
Further, the
そして、集電体11の凸部13の上に斜立して3段でつづら折り形状に形成された柱状体15は、非水電解質二次電池の充電時、リチウムイオンの吸蔵により、その体積が膨張する。この時、体積の膨張とともに、以下に図6を用いて詳細にその動作を説明するように、柱状体15の柱状体部151、152、153の斜立角度θ1、θ2、θ3が大きくなることにより、結果的に柱状体15は、例えば立ち上がるように変形する。逆に、放電時、リチウムイオンの放出により、図4(a)に示すように、その体積が収縮するとともに、斜立角度θ1、θ2、θ3が小さくなり、初期のつづら折りの柱状体15に近くなる。
Further, the
また、図4(a)に示すように、充電開始状態において、3段の柱状体部を有する柱状体15は、集電体11の凸部13の上に斜立しているため、柱状体15を正極17からの投影で見た場合、正極17に対して集電体11の凹部12を柱状体15で部分的に遮蔽した状態となる。したがって、充電時に正極17から放出されたリチウムイオンは、負極の柱状体15によって集電体11の凹部12への直接の到達が遮られ、そのほとんどが柱状体15に吸蔵されるため、リチウム金属の析出が抑制される。そして、リチウムイオンの吸蔵にともなって、3段の柱状体部の斜立角度が大きくなる。なお、柱状体は、充電完了時において、斜立角度が90°以下で、つづら折り形状であってもよいが、望ましくは斜立角度90°に設計することが好ましい。
Further, as shown in FIG. 4A, in the charging start state, the
さらに、図4(b)に示すように、完全充電された電池を放電する場合、充電により膨張した3段の柱状体部からなる柱状体15は、集電体11に対して立ち上がった状態となる。そのため、隣接する柱状体15間の電解液18は、柱状体15間を容易に移動することができる。そして、柱状体15間にある電解液18は、柱状体15間の空隙を介して容易に対流できるので、リチウムイオンの移動などが妨げられない。その結果、ハイレート放電や低温時の放電特性を大幅に改善できる。
Furthermore, as shown in FIG. 4B, when discharging a fully charged battery, the
このとき、完全に充電された柱状体15は、リチウムイオンの吸蔵により、膨張し、電極厚み方向の応力を受ける。従来は、1段の斜立した柱状体の場合、その応力がモーメントとして集電体11の凸部13と柱状体との接合部に集中し、接合部が剥離しやすかった。また、膨張により電極群に膨れを生じるが、電池ケース5で電極群の径が規定されているため、この応力を緩和するために電極群が変形するという問題があった。
At this time, the fully charged
そこで、図5を用いて、本発明の実施の形態1における負極を用いることにより、電極群の形状変化に対する効果について説明する。 Therefore, the effect on the shape change of the electrode group will be described with reference to FIG. 5 by using the negative electrode in the first embodiment of the present invention.
図5の矢印で示すように、柱状体の膨張によりセパレータや正極に働く膨張応力は、柱状体に対して、その反力と水平分力の力に分解されて加わることになる。 As shown by the arrows in FIG. 5, the expansion stress acting on the separator and the positive electrode due to the expansion of the columnar body is decomposed and applied to the columnar body by its reaction force and horizontal component force.
すなわち、電極群4のセパレータ3と接触した負極の柱状体15は、セパレータ3に膨張応力を加え、その反力が柱状体15自身に加わる。しかし、その反力は、つづら折り状に設けられた柱状体部間の屈曲点で緩和するばね効果や、モーメントを小さくした構成(柱状体部の長さが短い)により接合部への応力集中が低減される。この結果、剥離や変形の起こりにくい信頼性やサイクル特性などに優れた非水電解質二次電池が得られる。
That is, the negative
一方、柱状体は膨張応力の水平分力により、電極群の負極は捲回始端方向に移動する。これにより、電極群は負極の膨張により、巻き締まり、電極群の外径は負極の膨張と巻き締まりにより相殺されて変化しにくい。その結果、電極群の変形を抑制することができる。さらに、電極群は電池ケースの内径とほぼ等しく、リチウムイオンの吸蔵・放出による寸法変化も少なくできる。そのため、二次電池の落下や衝撃による電池ケースと電極群との相対的な移動を防止して信頼性の高い非水電解質二次電池を実現できる。 On the other hand, the columnar body moves in the direction of the winding start end due to the horizontal component of the expansion stress. As a result, the electrode group is tightened by the expansion of the negative electrode, and the outer diameter of the electrode group is offset by the expansion and the tightening of the negative electrode and hardly changes. As a result, deformation of the electrode group can be suppressed. Furthermore, the electrode group is almost equal to the inner diameter of the battery case, and the dimensional change due to insertion / extraction of lithium ions can be reduced. Therefore, it is possible to realize a highly reliable non-aqueous electrolyte secondary battery by preventing relative movement between the battery case and the electrode group due to the drop or impact of the secondary battery.
以下に、上記柱状体15が、リチウムイオンの吸蔵・放出により、斜立角度が可逆的に変化するメカニズムについて、図6を用いて説明する。なお、本発明は柱状体がn段で構成されるものであるが、説明を容易にするために1つの柱状体部からなる柱状体を例に説明する。しかし、n段構成でも同様のメカニズムで機能することはいうまでもない。
Hereinafter, the mechanism in which the
図6(a)は本発明の実施の形態1における負極の柱状体の充電前の状態を示す部分断面模式図であり、図6(b)は同実施の形態における負極の柱状体の充電後の状態を示す部分断面模式図である。 FIG. 6A is a partial cross-sectional schematic diagram illustrating a state before charging of the negative electrode columnar body according to the first exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 6B is a diagram after charging of the negative electrode columnar body according to the same exemplary embodiment. It is a partial cross-section schematic diagram which shows the state.
図6に示す柱状体15は、図3(b)に示すように、柱状体15の中心線(A−A)と集電体11の平面(AA−AA)とが鋭角を形成する下部側15aから柱状体15の鈍角を形成する上部側15bへ向けて、xの値が連続的に大きくなるように、SiOxからなる活物質の元素の含有比率を変化させている。そして、一般にSiOxからなる活物質は、xの値が0〜2に増加するにしたがって、リチウムイオンの吸蔵による膨張量が小さくなる。
The
つまり、図6(a)に示すように、充電時にリチウムイオンを吸蔵することによる膨張により発生する膨張応力は、柱状体15の下部側15aの膨張応力F1から上部側15bの膨張応力F2へと連続的に小さくなる。その結果、柱状体15の中心線(A−A)と集電体11の平面(AA−AA)とが成す斜立角度θが、θ10からθ11へと変化し、図6(a)の矢印で示す方向に、柱状体15が起き上がることになる。逆に、放電時にはリチウムイオンを放出することによる収縮により膨張応力は小さくなる。その結果、柱状体15の斜立角度θが、θ11からθ10へと変化し、図6(b)の矢印で示す方向に、柱状体15が変形することになる。
That is, as shown in FIG. 6A, the expansion stress generated by expansion due to occlusion of lithium ions during charging is changed from the expansion stress F1 on the
以上により、柱状体15は、リチウムイオンの吸蔵・放出により、その斜立角度が可逆的に変化することになる。
As described above, the tilt angle of the
以下、本発明の実施の形態1における非水電解質二次電池用負極の柱状体の製造方法について、図7と図8を用いて説明する。
Hereinafter, the manufacturing method of the columnar body of the negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to
図7は、本発明の実施の形態1における非水電解質二次電池用負極のn=3段の柱状体部からなる柱状体の形成方法を説明する部分断面模式図であり、図8はその製造装置を説明する模式図である。
FIG. 7 is a partial schematic cross-sectional view illustrating a method for forming a columnar body composed of n = 3 columnar body portions of the negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to
ここで、図8に示す柱状体を形成する製造装置40は、真空容器46中に、巻出し・巻取りロール41、成膜ロール44a、44b、巻取り・巻出しロール45、蒸着ソース43a、43b、マスク42と酸素ノズル48a、48bを備え、真空ポンプ47で減圧される構成を有している。なお、本製造装置40は、集電体の片面にn段の柱状体部を形成して柱状体を作製する一例を示したものであるが、実際には、集電体の両面に柱状体を作製する装置構成が一般的である。
Here, the
まず、図7(a)と図8に示すように、厚さ30μmの帯状電解銅箔を用いて、その表面にメッキ法で凹部12と凸部13を形成し、凸部13が、例えば高さ5μm、幅10μm、間隔20μmで形成された集電体11を準備する。そして、図8に示す巻出し・巻取りロール41と巻取り・巻出しロール45間に集電体11が準備される。
First, as shown in FIG. 7A and FIG. 8, using a strip-shaped electrolytic copper foil having a thickness of 30 μm, the
つぎに、図7(b)と図8に示すように、蒸着ユニット(蒸着ソース、るつぼ、電子ビーム発生装置をユニット化したもの)を用いて、集電体11の法線方向に対して角度ω1(例えば55°)の位置に設けられた蒸着ソース43aから、例えばSi(スクラップシリコン:純度99.999%)などの活物質を蒸発させ、集電体11の凸部13上に、図面中の矢印方向から入射させる。同時に、酸素(O2)が酸素ノズル48aから集電体11に向けて供給される。このとき、例えば真空容器46の内部は、圧力3.5Paの酸素雰囲気とした。そして、酸素ノズル48aは、図8に示すように蒸着ソース43aとは異なる位置に設置されている。また、成膜ロール44aに送り出された集電体11は、マスク42で成膜範囲が制限された領域で、Siと酸素の結合したSiOxの活物質が凸部13上に角度θ1で、所定の高さ(厚さ)、例えば7μmに1段目の柱状体部151が形成される。このとき、蒸着ソース43aおよび酸素ノズル48aと集電体11の凸部との位置関係により、成膜されるSiOxのxの値が集電体11の移動方向に対して順次変化した状態で柱状体15が形成される。例えば、図7(b)においては、図面中の左側のxの値は小さく、図面中の右側のxの値は大きくなる。
Next, as shown in FIG. 7B and FIG. 8, the angle with respect to the normal direction of the
つぎに、図7(c)と図8に示すように、凸部上に1段目の柱状体部151が形成された集電体11を成膜ロール44bに順次送り出す。そして、成膜ロール44bと対向して設けられた蒸着ユニット(蒸着ソース、るつぼ、電子ビーム発生装置をユニット化したもの)を用いて、集電体11の法線方向に対して角度ω2(例えば55°)の位置に設けられた蒸着ソース43bから、例えばSi(スクラップシリコン:純度99.999%)などの活物質を蒸発させ、集電体11の1段目の柱状体部151に、図面中の矢印方向から入射させる。同時に、酸素(O2)が酸素ノズル48bから集電体11の1段目の柱状体部151に向けて供給される。このとき、酸素ノズル48bは、図8に示すように蒸着ソース43bとは異なる位置に設置されている。そして、成膜ロール44bに送り出された集電体11は、マスク42で成膜範囲が制限された領域で、Siと酸素の結合したSiOxの活物質が1段目の柱状体部151上に角度θ2で、所定の高さ(厚さ)、例えば7μmに2段目の柱状体部152が形成される。このとき、1段目の柱状体部151と同様に、蒸着ソース43bおよび酸素ノズル48bと集電体11の1段目の柱状体部151との位置関係により、成膜されるSiOxのxの値が集電体11の移動方向に対して順次変化した状態で形成される。そして、例えば図7(c)の2段目の柱状体部152においては、図面中の右側のxの値は小さく、図面中の左側のxの値は大きくなる。これにより、1段目の柱状体部151と2段目の柱状体部152とは、xの値の変化方向が集電体の移動方向に対して、反対に形成されるとともに、斜立する角度と斜立方向が異なって作製される。
Next, as shown in FIG. 7C and FIG. 8, the
つぎに、図7(d)と図8に示すように、巻出し・巻取りロール41と巻取り・巻出しロール45を逆に駆動して、2段目の柱状体部152が形成された集電体11を成膜ロール44aに戻し、図7(b)の工程と同様にして、2段目の柱状体部152の上に、3段目の柱状体部153を所定の高さ(厚み)、例えば7μmで形成する。このとき、図7(d)に示す3段目の柱状体部153は、図面中の左側のxの値は小さく、図面中の右側のxの値は大きくなる。これにより、2段目の柱状体部152と3段目の柱状体部153とは、xの値の変化方向が集電体の移動方向に対して、反対に形成されるとともに、斜立する角度と斜立方向が異なって作製される。上記の場合、1段目の柱状体部151と3段目の柱状体部153とは同じ方向に形成されることになる。これにより、3段の柱状体部からなる柱状体15を有する負極が作製される。
Next, as shown in FIGS. 7D and 8, the unwinding / winding
なお、上記ではn=3段の柱状体部からなる柱状体を例に説明したが、これに限られない。例えば、上記図7(b)と図7(c)の工程を繰り返すことにより、任意のn段(n≧2)の柱状体部からなる柱状体を形成できる。 In addition, although the column-shaped body which consists of a column-shaped body part of n = 3 steps was demonstrated to the example above, it is not restricted to this. For example, by repeating the steps of FIG. 7B and FIG. 7C, a columnar body composed of arbitrary n stages (n ≧ 2) of columnar body portions can be formed.
また、上記製造装置40では、巻出し・巻取りロール41と巻取り・巻出しロール45を反転して、柱状体を作製する例で説明したが、これに限られず各種装置構成が可能である。例えば、図8に示した成膜ロールをシリーズに複数個配置して、集電体を一方方向に移動しながらn段の柱状体を作製してもよい。
Further, in the
また、上記では集電体の片面に柱状体を形成する例で説明したが、実際には、集電体の両面の凸部上に柱状体が形成されるものである。この場合、製造装置の構成を変えることにより、集電体の一方の面に柱状体を形成した後、他方の面に柱状体を形成してもよく、さらに両面同時に柱状体を形成してもよい。これにより、生産性よく負極を作製できる。 In the above description, the columnar body is formed on one side of the current collector. However, actually, the columnar body is formed on the convex portions on both sides of the current collector. In this case, by changing the configuration of the manufacturing apparatus, after forming the columnar body on one surface of the current collector, the columnar body may be formed on the other surface. Good. Thereby, a negative electrode can be produced with high productivity.
(実施の形態2)
図9(a)は本発明の実施の形態2における負極の構造を示す部分拡大断面図で、図9(b)は本発明の実施の形態2の各柱状体部を構成する活物質の幅方向のxの値の変化を説明する模式図である。なお、本実施の形態においても、図1と同様の円筒型の電池を用いるので、詳細な説明は省略する。また、正極合剤層、正極集電体、負極集電体や柱状体部などの構成材料も、実施の形態1と同様であるので、詳細な説明は省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 9A is a partial enlarged cross-sectional view showing the structure of the negative electrode in the second embodiment of the present invention, and FIG. 9B is the width of the active material constituting each columnar body portion in the second embodiment of the present invention. It is a schematic diagram explaining the change of the value of x of a direction. Also in this embodiment, since the cylindrical battery similar to that in FIG. 1 is used, detailed description is omitted. Further, constituent materials such as the positive electrode mixture layer, the positive electrode current collector, the negative electrode current collector, and the columnar body portion are the same as those in the first embodiment, and thus detailed description thereof is omitted.
本実施の形態は、n=7段の柱状体部からなる柱状体全体を、集電体の凸部上に、かつ負極の捲回時の終端方向に斜立して形成した点で、実施の形態1とは異なる。 The present embodiment is implemented in that the entire columnar body composed of n = 7 columnar body portions is formed obliquely on the convex portion of the current collector and in the terminal direction when the negative electrode is wound. This is different from the first form.
すなわち、図9(a)に示すように、例えば銅箔などの導電性金属材料よりなる集電体11の少なくとも上面には凹部12と凸部13が設けられている。そして、凸部13の上部には、柱状体250を構成する、SiOxで表される活物質が、例えばスパッタリング法または真空蒸着法などを用いた斜方蒸着法により、折り畳まれた状態で、n(n≧2)段の柱状体部からなる柱状体250の形状で形成されている。図9(a)では、例えば柱状体部251〜柱状体部257のn=7段に折り畳まれて形成された状態を示している。このとき、柱状体250を構成する奇数段目と偶数段目の柱状体部は、図面中のBB線で示すように異なる方向で斜立して形成される。同時に、奇数段目と偶数段目の柱状体部の高さを変えることにより、柱状体250全体が斜立させて形成される。例えば、図9(a)においては、捲回時の終端方向に斜立させるために、奇数段目の柱状体部251、253、255、257の高さを、偶数段目の柱状体部252、254、256よりも長くする。これにより、柱状体250全体および先端の柱状体部257は、図面中のBB線で示すように捲回時の終端方向に斜立した状態で形成される。
That is, as shown in FIG. 9A, the
また、柱状体250を構成する柱状体部251〜柱状体部257は、図9(b)で模式的に示すように、例えば奇数段目の柱状体部251、253、255、257と偶数段目の柱状体部252、254、256の幅方向の元素の含有比率、例えばxの値の変化する方向が異なるように設けられる。すなわち、柱状体部251〜柱状体部257の鋭角を成す斜立角度側から、鈍角を成す側に向かって、xの値を順次大きくするものである。なお、図9(b)では、xの値が直線的に変化するように示しているが、これに限られない。
Further, the
上記構成の負極を用いた非水電解質二次電池の電極群について、図10を用いて説明する。なお、基本的には図2で示した実施の形態1と同様であるので簡単に説明する。 An electrode group of a non-aqueous electrolyte secondary battery using the negative electrode having the above structure will be described with reference to FIG. Since it is basically the same as that of the first embodiment shown in FIG. 2, it will be briefly described.
図10(a)は、本発明の実施の形態2における非水電解質二次電池の電極群の捲回する状態を模式的に示す平面図で、図10(b)は図10(a)の負極の構成を詳細に説明する部分拡大断面図である。また、図11(a)は本発明の実施の形態2における負極を用いた二次電池の充電前の状態を示す部分断面模式図であり、図11(b)は同実施の形態における負極を用いた二次電池の充電後の状態を示す部分断面模式図である。
FIG. 10 (a) is a plan view schematically showing a winding state of the electrode group of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to
図10(a)に示すように、正極リード8を備えた正極1と、その正極1と対向する負極リード9を一端に備えた負極2とをセパレータ3を介して、捲回して電極群4を構成している。そして、負極2は図10(b)に示すように、凹部12と凸部13を有する集電体11と、少なくとも凸部上に斜立して離散的に設けられたn=7段に柱状体部を折り畳んで積層した形状の柱状体250とで構成されている。このとき、柱状体250を構成する各柱状体部のうち、柱状体250の最上段に設けられた柱状体部257の先端が、電極群を形成する捲回時の終端方向(巻き終わり方向)に向けて斜立するように柱状体部257を設けている。
As shown in FIG. 10A, the
そして、集電体11の凸部13の上に斜立してn=7段の折り畳まれた形状で形成された柱状体250は、非水電解質二次電池の充電時、リチウムイオンの吸蔵により、その体積が膨張する。この時、体積の膨張とともに、以下に図11を用いて詳細にその動作を説明するように、柱状体250の柱状体部251〜柱状体部257の各斜立角度が大きくなる。その結果、柱状体250は、例えば立ち上がるように変形する。逆に、放電時、リチウムイオンの放出により、図11(a)に示すように、その体積が収縮するとともに、各斜立角度が小さくなり、初期の折り畳まれた形状の柱状体250に近くなる。
And, the
また、図11(a)に示すように、充電開始状態において、n=7段の柱状体部を有する柱状体250は、集電体11の凸部13の上に斜立しているため、柱状体250を正極17からの投影で見た場合、正極17に対して集電体11の凹部12を柱状体250で部分的に遮蔽した状態となる。したがって、充電時に正極17から放出されたリチウムイオンは、負極の柱状体250によって集電体11の凹部12への直接の到達が遮られ、そのほとんどが柱状体250に吸蔵されるため、リチウム金属の析出が抑制される。そして、実施の形態1で図6を用いて説明したように、リチウムイオンの吸蔵にともなって、7段の各柱状体部の斜立角度が大きくなる。
In addition, as shown in FIG. 11A, in the charging start state, the
さらに、図11(b)に示すように、完全充電された電池を放電する場合、充電により膨張した7段の柱状体部からなる柱状体250は、集電体11に対して鉛直方向に立ち上がった状態となる。そのため、隣接する柱状体250間の電解液18は、柱状体250間を容易に移動することができる。そして、柱状体250間にある電解液18は、柱状体250間の空隙を介して容易に対流できるので、リチウムイオンの移動などが妨げられない。その結果、ハイレート放電や低温時の放電特性を大幅に改善できる。
Furthermore, as shown in FIG. 11B, when discharging a fully charged battery, a
さらに、完全に充電された柱状体250は、実施の形態1において図5を用いて説明したように、リチウムイオンの吸蔵により膨張し、電極厚み方向の応力を受ける。このとき、柱状体250には、応力がその反力と水平分力の力に分解されて加わることになる。
Further, the fully charged
このとき、柱状体250自身に加わる反力は、折り畳まれた形状に設けられた各柱状体部間で緩和されるとともに、各柱状体間の高さを小さくすることによりモーメントを小さくして接合部への応力集中を低減できる。この結果、剥離や変形の起こりにくい信頼性やサイクル特性などに優れた非水電解質二次電池が得られる。
At this time, the reaction force applied to the
一方、柱状体250に加わる水平分力は、電極群の負極を捲回始端方向に移動させ、電極群を巻き締めることになる。これにより、充電時のリチウムイオンの吸蔵による負極の膨張を相殺して、電極群の外径を変化しにくくする。その結果、電極群の変形が抑制できる。また、リチウムイオンの吸蔵・放出による寸法変化も小さくできるので、電極群の外形を電池ケースの内径とほぼ等しくできる。そのため、二次電池の落下や衝撃による電池ケースと電極群との相対的な移動を防止して信頼性の高い非水電解質二次電池を実現できる。
On the other hand, the horizontal component force applied to the
なお、本発明の実施の形態2における非水電解質二次電池用負極の柱状体250の製造方法は、基本的に、図7と図8を用いて説明と実施の形態1の負極と同様であるため説明は省略する。つまり、本実施の形態の負極は実施の形態1の負極とは、柱状体を構成する柱状体部の段数と、柱状体の斜立する方向の柱状体部の高さを、反対方向の柱状体部より高く形成する点で異なるもので、製造方法は同様である。
In addition, the manufacturing method of the
なお、上記実施の形態では、n=7段の柱状体部からなる柱状体を例に説明したが、これに限られない。例えば、n=7段以上で、n=10段〜n=100段であってもよく、要求される容量、サイクル特性や信頼性に応じて任意に設計できる。 In the above-described embodiment, the columnar body composed of n = 7 columnar body portions has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. For example, n = 7 stages or more and n = 10 stages to n = 100 stages may be used, and can be arbitrarily designed according to required capacity, cycle characteristics, and reliability.
以下に、本発明の実施の形態2における負極の別の例について、図12を用いて説明する。図12は、本発明の実施の形態2における負極の別の例の構造を示す部分拡大断面図である。
Hereinafter, another example of the negative electrode according to
図12に示すように、本実施の形態の負極は柱状体350の最上段の柱状体部358の斜立方向を、CC線で示す電極群の捲回時の始端方向に斜立させた点で、上記負極の構造とは異なる。なお、正極合剤層、正極集電体、負極集電体、柱状体部などの構成材料や製造方法などは、上記実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
As shown in FIG. 12, the negative electrode of the present embodiment is such that the tilted direction of the uppermost
すなわち、図12に示すように、集電体11は、凹部12と凸部13が設けられ、その凸部13の上部には、SiOxで表される活物質が、折り畳まれた状態で、n=8段の柱状体部351〜柱状体部358からなる柱状体350の形状で形成されている。このとき、柱状体350を構成する奇数段目の柱状体部351、353、355、357と偶数段目の柱状体部352、354、356、358は、図面中のCC線で示すように異なる方向で斜立して形成される。
That is, as shown in FIG. 12, the
これにより、柱状体350全体を捲回時の終端方向に斜立させることで、柱状体350の最上段の柱状体部358の斜立方向が制限されず任意とできる。そのため、設計自由度の高い負極を実現できる。
Accordingly, by tilting the entire
なお、上記実施の形態では、n=8段の柱状体部からなる柱状体を例に説明したが、これに限られない。例えば、n=8段以上で、n=10段〜n=100段であってもよく、要求される容量、サイクル特性や信頼性に応じて任意に設計できる。 In the above embodiment, a columnar body made up of n = 8 columnar body portions has been described as an example, but the present invention is not limited to this. For example, n = 8 stages or more and n = 10 stages to n = 100 stages may be used, and can be arbitrarily designed according to required capacity, cycle characteristics, and reliability.
以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない限りにおいて、用いる材料などを変更して実施することが可能である。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. In addition, this invention is not limited to a following example, Unless it changes the summary of this invention, it can change and use the material etc. to be used.
(実施例1)
(1)負極の作製
負極の柱状体は、図8に示す製造装置を用いて作製した。
Example 1
(1) Production of negative electrode The columnar body of the negative electrode was produced using the production apparatus shown in FIG.
まず、集電体として、メッキ法を用いて、その表面に凸部を間隔20μmで形成した厚さ30μmの帯状電解銅箔を用いた。 First, as a current collector, a strip-shaped electrolytic copper foil having a thickness of 30 μm and having protrusions formed on the surface thereof at intervals of 20 μm using a plating method was used.
そして、負極の活物質材料としてSiを用い、蒸着ユニット(蒸着ソース、るつぼ、電子ビーム発生装置をユニット化したもの)を用いて、純度99.7%の酸素ガスを酸素導入ノズルから真空容器内に導入して、SiOxからなる幅方向にxの値を変化させて1段目の柱状体部を作製した。この時、真空容器の内部は、圧力3.5Paの酸素雰囲気とした。また、蒸着時には、電子ビーム発生装置により発生させた電子ビームを偏向ヨークにより偏向させ、蒸着ソースに照射した。なお、蒸着ソースには半導体ウェハを形成する際に生じる端材(スクラップシリコン:純度99.999%)を用いた。 Then, Si is used as an active material for the negative electrode, and an oxygen gas having a purity of 99.7% is introduced into the vacuum vessel from the oxygen introduction nozzle by using a vapor deposition unit (unitized vapor deposition source, crucible, and electron beam generator). And the value of x was changed in the width direction made of SiOx to produce a first columnar body portion. At this time, the inside of the vacuum vessel was in an oxygen atmosphere with a pressure of 3.5 Pa. Further, at the time of vapor deposition, the electron beam generated by the electron beam generator was deflected by the deflection yoke and irradiated to the vapor deposition source. In addition, the end material (scrap silicon: purity 99.999%) produced when forming a semiconductor wafer was used for the vapor deposition source.
また、柱状体部は、集電体が移動する所定の傾斜角度を調整して、角度ω1、ω2の平均角度が60°になるようにし、約8nm/sの成膜速度で形成した。これにより、1段目の柱状体部(例えば、高さ7μm)を形成した。同様に、実施の形態1で説明した形成方法で、2段目と3段目の柱状体部(例えば、高さ7μm)を形成し、3段からなる柱状体を形成した。さらに、同様に、集電体の他方の面に柱状体を形成した。
Further, the columnar body portion was formed at a film forming speed of about 8 nm / s by adjusting a predetermined inclination angle at which the current collector moves so that the average angle of the angles ω 1 and ω 2 was 60 °. . Thereby, a first-stage columnar body part (for example, a height of 7 μm) was formed. Similarly, the second and third columnar body portions (for example, 7 μm in height) were formed by the formation method described in
なお、負極中の柱状体の集電体の平面に対する角度を走査型電子顕微鏡(日立製S−4700)を用い、断面観察により評価したところ各段の柱状体部の斜立角度θは約41°であった。このとき、形成した柱状体の厚み(高さ)は、法線方向に対して、21μmで形成されていた。 When the angle of the columnar body in the negative electrode with respect to the plane of the current collector was evaluated by cross-sectional observation using a scanning electron microscope (Hitachi S-4700), the oblique angle θ of the columnar body portion of each step was about 41. °. At this time, the thickness (height) of the formed columnar body was 21 μm with respect to the normal direction.
また、EPMAを用い負極の柱状体を構成する各段の柱状体部の断面方向の線分布測定で酸素分布を調べたところ、1段目の柱状体部および2段目の柱状体部の幅方向において、斜立角度θ側から(180−θ)方向において酸素濃度(xの値)が連続的に増加していた。そして、酸素濃度(xの値)の増加方向は、1段目の柱状体部と2段目の柱状体部では、反対方向であった。この時のxの範囲は、0.1〜2で、平均0.6であった。 In addition, when the oxygen distribution was examined by measuring the line distribution in the cross-sectional direction of the columnar body portions of each step constituting the negative electrode columnar body using EPMA, the widths of the first columnar body portion and the second columnar body portion were measured. In the direction, the oxygen concentration (value of x) continuously increased in the (180−θ) direction from the oblique angle θ side. The increasing direction of the oxygen concentration (value of x) was in the opposite direction between the first-stage columnar body part and the second-stage columnar body part. The range of x at this time was 0.1 to 2, and the average was 0.6.
上記により、少なくとも各柱状体部の斜立する幅方向で、酸素元素の含有比率の異なる柱状体を備えた負極を得た。 As described above, a negative electrode provided with columnar bodies having different oxygen element content ratios at least in the width direction in which each columnar body portion is inclined is obtained.
その後、負極表面に真空蒸着法によって12μmのLi金属を蒸着した。さらに、負極の内周側に、正極と対向しないCu箔に30mmの露出部を設け、Ni製の負極リードを溶接した。 Thereafter, 12 μm of Li metal was deposited on the negative electrode surface by vacuum deposition. Further, an exposed portion of 30 mm was provided on a Cu foil not facing the positive electrode on the inner peripheral side of the negative electrode, and a negative electrode lead made of Ni was welded.
(2)正極の作製
リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極活物質を有する正極を、以下の方法で作製した。
(2) Production of positive electrode A positive electrode having a positive electrode active material capable of occluding and releasing lithium ions was produced by the following method.
まず、正極活物質であるLiCoO2粉末を93重量部と、導電剤であるアセチレンブラックを4重量部とを混合した。得られた粉末に結着剤であるポリフッ化ビニリデン(PVDF)のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)溶液(呉羽化学工業(株)製の品番♯1320)を、PVDFの重量が3重量部となるように混合した。得られた混合物に適量のNMPを加えて、正極合剤用ペーストを調製した。得られた正極合剤用ペーストをアルミニウム(Al)箔からなる正極集電体(厚み15μm)上にドクターブレード法を用いて塗布して、正極合剤層の密度が3.5g/cc、厚み140μmとなるように圧延し、85℃で充分に乾燥させた。これを、幅57mm、長さ800mmに裁断して正極を得た。正極の内周側で負極と対向しないAl箔に30mmの露出部を設け、Al製の正極リードを溶接した。
First, 93 parts by weight of
(3)電池の作製
上記のようにして作製した負極と正極を、厚みが20μmのポリプロピレン製セパレータを介して、捲回して電極群を構成した。そして、得られた電極群を片側のみ開口した円筒型電池用の電池ケース(材質:鉄/Niメッキ、直径18mm、高さ65mm)に挿入し、電池ケースと電極群との間に絶縁板を配置して負極リードと電池ケースを溶接した後、正極リードと封口板とを溶接して電池を作製した。
(3) Production of Battery The negative electrode and the positive electrode produced as described above were wound through a polypropylene separator having a thickness of 20 μm to constitute an electrode group. Then, the obtained electrode group is inserted into a cylindrical battery case (material: iron / Ni plating,
得られた電池を真空中で60℃に加熱して乾燥した後、エチレンカーボネート(EC):ジメチルカーボネート(DMC):エチルメチルカーボネート(EMC)=2:3:3(体積比)で含む非水溶媒に1.2mol/dm3のLiPF6を溶解させた電解液を5.8g注入して、封口板を電池ケースでかしめることにより封止し、非水電解質二次電池を作製した。これを、サンプル1とする。
The obtained battery was dried by heating to 60 ° C. in vacuum, and then non-aqueous containing ethylene carbonate (EC): dimethyl carbonate (DMC): ethyl methyl carbonate (EMC) = 2: 3: 3 (volume ratio) A nonaqueous electrolyte secondary battery was fabricated by injecting 5.8 g of an electrolytic solution in which 1.2 mol /
(実施例2)
柱状体を、n=5段で各柱状体部の高さを約4μmで形成した以外は、実施例1と同様にして、負極を作製した。
(Example 2)
A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that the columnar body was formed with n = 5 steps and the height of each columnar body portion was about 4 μm.
なお、各段の柱状体部の斜立角度は約41°であり、形成した柱状体の厚み(高さ)は20μmであった。 The oblique angle of the columnar body portion of each step was about 41 °, and the thickness (height) of the formed columnar body was 20 μm.
また、EPMAより、各柱状体部の幅方向において、斜立角度θ側から(180−θ)方向において酸素濃度(xの値)が連続的に増加していた。そして、酸素濃度(xの値)の増加方向は、奇数段目の柱状体部と偶数段目の柱状体部では、反対方向であった。この時のxの範囲は、0.1〜2で、平均0.6であった。 Further, from EPMA, in the width direction of each columnar body portion, the oxygen concentration (value of x) continuously increased in the (180-θ) direction from the oblique angle θ side. The increasing direction of the oxygen concentration (value of x) was in the opposite direction between the odd-numbered columnar body portions and the even-numbered columnar body portions. The range of x at this time was 0.1 to 2, and the average was 0.6.
上記負極を用いた以外は、実施例1と同様の方法により作製した非水電解質二次電池をサンプル2とした。
(実施例3)
柱状体を、n=10段で各柱状体部の高さを約2μmで、1段目の柱状体部の斜立方向を逆にして形成した以外は、実施例1と同様にして、負極を作製した。
(Example 3)
A negative electrode was formed in the same manner as in Example 1 except that the columnar body was formed with n = 10 steps, the height of each columnar body portion was approximately 2 μm, and the oblique direction of the first columnar body portion was reversed. Was made.
なお、各段の柱状体部の斜立角度は約41°であり、形成した柱状体の厚み(高さ)は20μmであった。 The oblique angle of the columnar body portion of each step was about 41 °, and the thickness (height) of the formed columnar body was 20 μm.
また、EPMAより、各柱状体部の幅方向において、斜立角度θ側から(180−θ)方向において酸素濃度(xの値)が連続的に増加していた。そして、酸素濃度(xの値)の増加方向は、奇数段目の柱状体部と偶数段目の柱状体部では、反対方向であった。この時のxの範囲は、0.1〜2で、平均0.6であった。 Further, from EPMA, in the width direction of each columnar body portion, the oxygen concentration (value of x) continuously increased in the (180-θ) direction from the oblique angle θ side. The increasing direction of the oxygen concentration (value of x) was in the opposite direction between the odd-numbered columnar body portions and the even-numbered columnar body portions. The range of x at this time was 0.1 to 2, and the average was 0.6.
上記負極を用いた以外は、実施例1と同様の方法により作製した非水電解質二次電池をサンプル3とした。
(実施例4)
柱状体は、角度ω1、ω2の平均角度が50°になるようにした以外は、実施例1と同様にして、負極を作製した。
Example 4
For the columnar body, a negative electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that the average angle of the angles ω 1 and ω 2 was 50 °.
なお、各段の柱状体部の斜立角度は約31°であり、形成した柱状体の厚み(高さ)は20μmであった。 The oblique angle of the columnar body portion of each step was about 31 °, and the thickness (height) of the formed columnar body was 20 μm.
また、EPMAより、各柱状体部の幅方向において、斜立角度θ側から(180−θ)方向において酸素濃度(xの値)が連続的に増加していた。そして、酸素濃度(xの値)の増加方向は、1段目および3段目の柱状体部と2段目の柱状体部では、反対方向であった。この時のxの範囲は、0.1〜2で、平均0.6であった。 Further, from EPMA, in the width direction of each columnar body portion, the oxygen concentration (value of x) continuously increased in the (180-θ) direction from the oblique angle θ side. The increasing direction of the oxygen concentration (the value of x) was opposite in the first and third columnar body parts and the second columnar body part. The range of x at this time was 0.1 to 2, and the average was 0.6.
上記負極を用いた以外は、実施例1と同様の方法により作製した非水電解質二次電池をサンプル4とした。
(実施例5)
真空容器の内部の圧力を1.7Paの酸素雰囲気で、各段の柱状体部の厚みを8μmに形成した以外は、実施例1と同様にして、負極を作製した。
(Example 5)
A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that the pressure inside the vacuum vessel was 1.7 Pa in an oxygen atmosphere, and the thickness of the columnar body portion of each step was 8 μm.
なお、各段の柱状体部の斜立角度は約41°であり、形成した柱状体の厚み(高さ)は24μmであった。 The oblique angle of the columnar body portion of each step was about 41 °, and the thickness (height) of the formed columnar body was 24 μm.
また、EPMAより、各柱状体部の幅方向において、斜立角度θ側から(180−θ)方向において酸素濃度(xの値)が連続的に増加していた。そして、酸素濃度(xの値)の増加方向は、1段目および3段目の柱状体部と2段目の柱状体部では、反対方向であった。この時のxの範囲は、0.1〜2で、平均0.3であった。 Further, from EPMA, in the width direction of each columnar body portion, the oxygen concentration (value of x) continuously increased in the (180-θ) direction from the oblique angle θ side. The increasing direction of the oxygen concentration (the value of x) was opposite in the first and third columnar body parts and the second columnar body part. The range of x at this time was 0.1 to 2, and the average was 0.3.
その後、負極表面に真空蒸着法によって14μmのLi金属を蒸着した。 Thereafter, 14 μm of Li metal was deposited on the negative electrode surface by vacuum deposition.
上記負極を用いた以外は、実施例1と同様の方法により作製した非水電解質二次電池をサンプル5とした。
(実施例6)
柱状体を、n=7段で奇数段目の各柱状体部の高さを約3.5μm、偶数段目の各柱状体部の高さを約2.5μmで形成した以外は、実施例1と同様にして、負極を作製した。
(Example 6)
Example except that the columnar body is formed with n = 7 steps, the height of each odd-numbered columnar body portion is about 3.5 μm, and the height of each even-numbered columnar body portion is about 2.5 μm. In the same manner as in Example 1, a negative electrode was produced.
なお、各段の柱状体部の斜立角度は約41°、柱状体全体の斜立角度は約41°であり、形成した柱状体の厚み(高さ)は21.5μmであった。 In addition, the oblique angle of the columnar body part of each step was about 41 °, the oblique angle of the entire columnar body was about 41 °, and the thickness (height) of the formed columnar body was 21.5 μm.
また、EPMAより、各柱状体部の幅方向において、斜立角度θ側から(180−θ)方向において酸素濃度(xの値)が連続的に増加していた。そして、酸素濃度(xの値)の増加方向は、奇数段目の柱状体部と偶数段目の柱状体部では、反対方向であった。この時のxの範囲は、0.1〜2で、平均0.6であった。 Further, from EPMA, in the width direction of each columnar body portion, the oxygen concentration (value of x) continuously increased in the (180-θ) direction from the oblique angle θ side. The increasing direction of the oxygen concentration (value of x) was in the opposite direction between the odd-numbered columnar body portions and the even-numbered columnar body portions. The range of x at this time was 0.1 to 2, and the average was 0.6.
上記負極を用いた以外は、実施例1と同様の方法により作製した非水電解質二次電池をサンプル6とした。
(実施例7)
柱状体を、n=8段で奇数段目の各柱状体部の高さを約3μm、偶数段目の各柱状体部の高さを約2μmで形成した以外は、実施例1と同様にして、負極を作製した。そして、柱状体の最上段の柱状体部は、捲回時の始端方向に斜立して形成した。
(Example 7)
The columnar body was formed in the same manner as in Example 1 except that the height of each odd-numbered columnar body portion was about 3 μm and the height of each even-numbered columnar body portion was about 2 μm. Thus, a negative electrode was produced. Then, the uppermost columnar body portion of the columnar body was formed obliquely in the direction of the starting end during winding.
なお、各段の柱状体部の斜立角度は約41°、柱状体全体の斜立角度は約41°であり、形成した柱状体の厚み(高さ)は20μmであった。 In addition, the tilting angle of the columnar body portion of each step was about 41 °, the tilting angle of the entire columnar body was about 41 °, and the thickness (height) of the formed columnar body was 20 μm.
また、EPMAより、各柱状体部の幅方向において、斜立角度θ側から(180−θ)方向において酸素濃度(xの値)が連続的に増加していた。そして、酸素濃度(xの値)の増加方向は、奇数段目の柱状体部と偶数段目の柱状体部では、反対方向であった。この時のxの範囲は、0.1〜2で、平均0.6であった。 Further, from EPMA, in the width direction of each columnar body portion, the oxygen concentration (value of x) continuously increased in the (180-θ) direction from the oblique angle θ side. The increasing direction of the oxygen concentration (value of x) was in the opposite direction between the odd-numbered columnar body portions and the even-numbered columnar body portions. The range of x at this time was 0.1 to 2, and the average was 0.6.
上記負極を用いた以外は、実施例1と同様の方法により作製した非水電解質二次電池をサンプル7とした。 Sample 7 was a non-aqueous electrolyte secondary battery produced by the same method as in Example 1 except that the negative electrode was used.
(実施例8)
柱状体を、n=35段で奇数段目の各柱状体部の高さを約0.7μm、偶数段目の各柱状体部の高さを約0.5μmで形成した以外は、実施例1と同様にして、負極を作製した。
(Example 8)
Except that the columnar body is formed with n = 35 steps, the height of each odd-numbered columnar body portion is about 0.7 μm, and the height of each even-numbered columnar body portion is about 0.5 μm. In the same manner as in Example 1, a negative electrode was produced.
なお、各段の柱状体部の斜立角度は約41°、柱状体全体の斜立角度は約41°であり、形成した柱状体の厚み(高さ)は21.1μmであった。 The oblique angle of the columnar body portion of each step was about 41 °, the oblique angle of the entire columnar body was about 41 °, and the thickness (height) of the formed columnar body was 21.1 μm.
また、EPMAより、各柱状体部の幅方向において、斜立角度θ側から(180−θ)方向において酸素濃度(xの値)が連続的に増加していた。そして、酸素濃度(xの値)の増加方向は、奇数段目の柱状体部と偶数段目の柱状体部では、反対方向であった。この時のxの範囲は、0.1〜2で、平均0.6であった。 Further, from EPMA, in the width direction of each columnar body portion, the oxygen concentration (value of x) continuously increased in the (180-θ) direction from the oblique angle θ side. The increasing direction of the oxygen concentration (value of x) was in the opposite direction between the odd-numbered columnar body portions and the even-numbered columnar body portions. The range of x at this time was 0.1 to 2, and the average was 0.6.
上記負極を用いた以外は、実施例1と同様の方法により作製した非水電解質二次電池をサンプル8とした。
(実施例9)
柱状体を、n=40段で奇数段目の各柱状体部の高さを約0.6μm、偶数段目の各柱状体部の高さを約0.4μmで形成した以外は、実施例1と同様にして、負極を作製した。そして、柱状体の最上段の柱状体部は、捲回時の始端方向に斜立して形成した。
Example 9
Example except that the columnar body is formed with n = 40 steps, the height of each odd-numbered columnar body portion is about 0.6 μm, and the height of each even-numbered columnar body portion is about 0.4 μm. In the same manner as in Example 1, a negative electrode was produced. Then, the uppermost columnar body portion of the columnar body was formed obliquely in the direction of the starting end during winding.
なお、各段の柱状体部の斜立角度は約41°、柱状体全体の斜立角度は約41°であり、形成した柱状体の厚み(高さ)は20μmであった。 In addition, the tilting angle of the columnar body portion of each step was about 41 °, the tilting angle of the entire columnar body was about 41 °, and the thickness (height) of the formed columnar body was 20 μm.
また、EPMAより、各柱状体部の幅方向において、斜立角度θ側から(180−θ)方向において酸素濃度(xの値)が連続的に増加していた。そして、酸素濃度(xの値)の増加方向は、奇数段目の柱状体部と偶数段目の柱状体部では、反対方向であった。この時のxの範囲は、0.1〜2で、平均0.6であった。 Further, from EPMA, in the width direction of each columnar body portion, the oxygen concentration (value of x) continuously increased in the (180-θ) direction from the oblique angle θ side. The increasing direction of the oxygen concentration (value of x) was in the opposite direction between the odd-numbered columnar body portions and the even-numbered columnar body portions. The range of x at this time was 0.1 to 2, and the average was 0.6.
上記負極を用いた以外は、実施例1と同様の方法により作製した非水電解質二次電池をサンプル9とした。
(比較例1)
高さ(厚み)20μmで1段に、先端が捲回終端方向に斜立して柱状体を構成した以外は、実施例1と同様の方法で負極を作製した。
(Comparative Example 1)
A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that a columnar body was formed with a height (thickness) of 20 μm in one step and the tip inclined obliquely in the winding end direction.
なお、負極中の柱状体の集電体の平面に対する角度を走査型電子顕微鏡(日立製S−4700)を用い、断面観察により評価したところ柱状体の斜立角度は約41°であった。このとき、形成した柱状体の厚み(高さ)は20μmで形成されていた。 In addition, when the angle with respect to the plane of the collector of the columnar body in a negative electrode was evaluated by cross-sectional observation using a scanning electron microscope (Hitachi S-4700), the oblique angle of the columnar body was about 41 °. At this time, the formed columnar body had a thickness (height) of 20 μm.
また、EPMAを用い負極の柱状体を構成する断面方向の線分布測定で酸素分布を調べたところ、幅方向において、斜立角度θ側から(180−θ)方向において酸素濃度(xの値)が連続的に増加していた。xの範囲は、0.1〜2で、平均0.6であった。 Further, when the oxygen distribution was examined by measuring the line distribution in the cross-sectional direction forming the columnar body of the negative electrode using EPMA, the oxygen concentration (value of x) in the (180-θ) direction from the oblique angle θ side in the width direction. Increased continuously. The range of x was 0.1 to 2, and the average was 0.6.
上記負極を用いた以外は、実施例1と同様の方法により作製した非水電解質二次電池をサンプルC1とする。 A nonaqueous electrolyte secondary battery produced by the same method as in Example 1 except that the above negative electrode was used is referred to as Sample C1.
(比較例2)
高さ(厚み)20μmで1段に、先端が捲回始端方向に斜立して柱状体を構成した以外は、実施例1と同様の方法で負極を作製した。
(Comparative Example 2)
A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that a columnar body was formed with a height (thickness) of 20 μm in one step and the tip tilted in the winding start direction.
なお、負極中の柱状体の集電体の平面に対する角度を走査型電子顕微鏡(日立製S−4700)を用い、断面観察により評価したところ柱状体の斜立角度は約41°であった。このとき、形成した柱状体の厚み(高さ)は20μmで形成されていた。 In addition, when the angle with respect to the plane of the collector of the columnar body in a negative electrode was evaluated by cross-sectional observation using a scanning electron microscope (Hitachi S-4700), the oblique angle of the columnar body was about 41 °. At this time, the formed columnar body had a thickness (height) of 20 μm.
また、EPMAを用い負極の柱状体を構成する断面方向の線分布測定で酸素分布を調べたところ、幅方向において、斜立角度θ側から(180−θ)方向において酸素濃度(xの値)が連続的に増加していた。xの範囲は、0.1〜2で、平均0.6であった。 Further, when the oxygen distribution was examined by measuring the line distribution in the cross-sectional direction forming the columnar body of the negative electrode using EPMA, the oxygen concentration (value of x) in the (180-θ) direction from the oblique angle θ side in the width direction. Increased continuously. The range of x was 0.1 to 2, and the average was 0.6.
上記負極を用いた以外は、実施例1と同様の方法により作製した非水電解質二次電池をサンプルC2とする。 A nonaqueous electrolyte secondary battery produced by the same method as in Example 1 except that the above negative electrode was used is referred to as Sample C2.
(比較例3)
柱状体を、n=3段で各柱状体部の高さを約7μmで構成した以外は、比較例2と同様の方法で負極を作製した。
(Comparative Example 3)
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 2, except that the columnar body was composed of n = 3 steps and the height of each columnar body portion was about 7 μm.
なお、負極中の柱状体の集電体の平面に対する角度を走査型電子顕微鏡(日立製S−4700)を用い、断面観察により評価したところ柱状体の斜立角度は約41°であった。このとき、形成した柱状体の厚み(高さ)は21μmで形成されていた。 In addition, when the angle with respect to the plane of the collector of the columnar body in a negative electrode was evaluated by cross-sectional observation using a scanning electron microscope (Hitachi S-4700), the oblique angle of the columnar body was about 41 °. At this time, the formed columnar body had a thickness (height) of 21 μm.
また、EPMAを用い負極の柱状体を構成する断面方向の線分布測定で酸素分布を調べたところ、幅方向において、斜立角度θ側から(180−θ)方向において酸素濃度(xの値)が連続的に増加していた。xの範囲は、0.1〜2で、平均0.6であった。 Further, when the oxygen distribution was examined by measuring the line distribution in the cross-sectional direction forming the columnar body of the negative electrode using EPMA, the oxygen concentration (value of x) in the (180-θ) direction from the oblique angle θ side in the width direction. Increased continuously. The range of x was 0.1 to 2, and the average was 0.6.
上記負極を用いた以外は、実施例1と同様の方法により作製した非水電解質二次電池をサンプルC3とする。 A nonaqueous electrolyte secondary battery produced by the same method as in Example 1 except that the above negative electrode was used is referred to as Sample C3.
以上のように作製した各非水電解質二次電池に対し、以下に示す評価を行った。 The following evaluation was performed on each non-aqueous electrolyte secondary battery produced as described above.
(電池容量の測定)
各非水電解質二次電池を、25℃環境温度において以下の条件で充放電した。
(Measurement of battery capacity)
Each nonaqueous electrolyte secondary battery was charged / discharged under the following conditions at 25 ° C. environmental temperature.
まず、設計容量(2800mAh)に対し、時間率0.7Cの定電流で電池電圧が4.2Vになるまで充電し、4.2Vの定電圧で時間率0.05Cの電流値に減衰させる定電圧充電を行った。その後、30分間休止した。 First, the design capacity (2800 mAh) is charged until the battery voltage reaches 4.2 V at a constant current of 0.7 C / hour, and is attenuated to a current value of 0.05 C at a constant voltage of 4.2 V. Voltage charging was performed. Then, it rested for 30 minutes.
その後、時間率0.2Cの電流値で、電池電圧が2.5Vに低下するまで定電流で放電した。そして、この時の放電容量を電池容量とした。 Thereafter, the battery was discharged at a constant current until the battery voltage dropped to 2.5 V at a current value of 0.2C time rate. The discharge capacity at this time was defined as the battery capacity.
(容量維持率)
各非水電解質二次電池を、25℃環境温度において、以下の条件で充放電を繰り返した。
(Capacity maintenance rate)
Each nonaqueous electrolyte secondary battery was repeatedly charged and discharged under the following conditions at an ambient temperature of 25 ° C.
まず、設計容量(2800mAh)に対し、時間率0.5Cの定電流で電池電圧が4.2Vになるまで充電し、4.2Vの定電圧で充電電流が時間率0.05Cの電流値に低下するまで充電した。そして、充電後30分間休止した。 First, with respect to the design capacity (2800 mAh), the battery voltage is charged at a constant current of 0.5 C / hour until the battery voltage reaches 4.2 V, and the charge current is changed to a current value of 0.05 C at a constant voltage of 4.2 V. The battery was charged until it dropped. And it stopped for 30 minutes after charge.
その後、時間率1.0Cの電流値で電池電圧が2.5Vに低下するまで定電流で放電した。そして、放電後30分間休止した。 Thereafter, the battery was discharged at a constant current until the battery voltage dropped to 2.5 V at a current value of 1.0C. And it stopped for 30 minutes after discharge.
上記充放電サイクルを1サイクルとしてそれを300回繰り返した。そして、1サイクル目の放電容量に対する、例えば100サイクル目や300サイクル目などの各サイクル目の放電容量の割合を、百分率で表した値を容量維持率(%)とした。つまり、容量維持率が100に近いほど充放電サイクル特性が優れていることを示す。 The charge / discharge cycle was defined as one cycle and repeated 300 times. And the value which expressed the percentage of the discharge capacity of each cycle, such as the 100th cycle, the 300th cycle, etc. with respect to the discharge capacity of the 1st cycle was made into the capacity maintenance rate (%). That is, the closer the capacity retention rate is to 100, the better the charge / discharge cycle characteristics.
(電極群の群径の測定)
まず、充放電サイクルを行った電池を満充電状態で、CT(コンピュータ・トモグラフィー)スキャンにより電極群の変形の状況を確認した。
(Measurement of electrode group diameter)
First, the state of deformation of the electrode group was confirmed by CT (computer tomography) scanning in a fully charged state of the battery that had undergone the charge / discharge cycle.
そして、CTスキャン画像の処理により、電極群の群径を測定した。この時、はじめに電極群の群径として17.50mmを有する二次電池を選別して、負極リードの位置を基準とし測定し、100サイクル目に対する300サイクル目の群形の変化を百分率で示した。 And the group diameter of the electrode group was measured by the process of CT scan image. At this time, a secondary battery having a group diameter of 17.50 mm as the group diameter of the electrode group was first selected and measured based on the position of the negative electrode lead, and the change in the group shape at the 300th cycle with respect to the 100th cycle was shown as a percentage. .
以下に、サンプル1〜サンプル9とサンプルC1〜サンプルC3の諸元と評価結果を(表1)および(表2)に示す。
The specifications and evaluation results of
また、図13に、充放電サイクル特性の一例としてサンプル1とサンプルC1の評価結果を示す。
FIG. 13 shows the evaluation results of
(表1)、(表2)と図13に示すように、サンプル1とサンプルC1とを比較すると、サイクル初期の100サイクル目程度では、容量維持率の差がなかった。しかし、300サイクル目では、サンプル1は81%程度の容量維持率を示したのに対して、サンプルC1は容量維持率が48%程度まで、サンプルC2は40%程度まで低下している。
As shown in (Table 1) and (Table 2) and FIG. 13, when
また、サンプルC2以外の電池には顕著な電極群の変形は見られなかった。しかし、評価後の電池を分解して負極を観察すると、柱状体が1段の柱状体部で構成されたサンプルC1では柱状体の剥離が多く見られた。これは、充放電による膨張・収縮の応力が集電体と柱状体との接合部に集中したためと考えられる。なお、図13に示すサンプルC1の容量が150サイクル程度で急激に低下する要因として、この時点から剥離などが急激に進行しはじめるためと推測される。 Further, no significant deformation of the electrode group was observed in the batteries other than the sample C2. However, when the battery after evaluation was disassembled and the negative electrode was observed, in the sample C1 in which the columnar body was composed of one columnar body portion, the columnar body was often peeled off. This is presumably because the expansion / contraction stress due to charging / discharging concentrated on the junction between the current collector and the columnar body. Note that, as a factor that the capacity of the sample C1 shown in FIG.
また、図示しないが、サンプルC2においては電極群の変形により、300サイクルまで到達することができなかった。そして、変形は100サイクル時点で観測され、電池を分解すると柱状体の剥離が多く見られた。 Although not shown, in sample C2, it was not possible to reach up to 300 cycles due to deformation of the electrode group. Deformation was observed at the 100th cycle. When the battery was disassembled, many columnar bodies were peeled off.
一方、これらに対してサンプル1では、柱状体の剥離はほとんど見られなかった。これは、接合部での応力が柱状体部間の各屈曲点により分散されているためと推測される。
On the other hand, in
また、柱状体が3段の柱状体部で構成されたサンプルC3においては、多段化により、サンプルC2よりも優れたサイクル特性を示すものの、300サイクルでは電極群の変形が見られ、変形部分では主に柱状体の剥離が発生していた。 In addition, in the sample C3 in which the columnar body is composed of the three-stage columnar body portion, although the cycle characteristics superior to the sample C2 are exhibited due to the multi-stage, the deformation of the electrode group is seen at 300 cycles, Peeling of the columnar body occurred mainly.
また、柱状体部の段数を増やしたサンプル2とサンプル3およびサンプル6〜サンプル9では、段数の増加とともにサイクル特性が良化する傾向を示していた。この時、電極群の変形は見られず、著しい変化はなかった。
Further,
また、柱状体の斜立角度を小さくしたサンプル4では、サンプル1と比較して優れたサイクル特性を示した。これは、充放電による膨張・収縮の応力が、より水平分力に配分され、捲回方向の効果が顕著に現れたものと考えられる。
In addition,
また、酸素分圧を小さくして柱状体を形成したサンプル5では、柱状体のxの値は小さく、つまり膨張しやすくなるため、より大きな応力が発生する。その結果、サンプル1と比較してサイクル特性はやや低下する。しかし、最上部の柱状体部の捲回方向を終端方向とすることにより、柱状体の膨張・収縮の小さいサンプルC3よりも優れたサイクル特性を得ることができた。
Further, in
また、柱状体の斜立方向を捲回終端とし、最上部の柱状体部の斜立方向のみを捲回終端方向と捲回始端方向に変えたサンプル6とサンプル7およびサンプル8とサンプル9を比較すると、若干サンプル7とサンプル9の容量維持率が小さくなっていた。これは、電極群が膨張するときに、柱状体が受ける反力が、最上部の柱状体部の斜立方向により、若干異なることによるものと思われる。
また、サンプル7、サンプル9とサンプルC2、サンプルC3を比較すると、サンプル7、サンプル9の容量維持率は大きく、群径の変化率は小さかった。これは、最上部の柱状体部の斜立方向が捲回始端方向と同じでも、柱状体全体の斜立方向が捲回始端方向に傾斜していないため、柱状体の膨張・収縮により応力を吸収できず、さらに捲き締まり効果が得られないため群径の変化が大きくなったものと考えられる。
Further, comparing sample 7 and
本発明は、膨張・収縮の大きな活物質を用いて、今後大きな需要が期待される高容量化や信頼性に優れた非水電解質二次電池の実現に有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful for realizing a non-aqueous electrolyte secondary battery with high capacity and excellent reliability, which is expected to have a great demand in the future, using an active material having large expansion / contraction.
1,17 正極
1a 正極集電体
1b 正極合剤層
2 負極
3 セパレータ
4 電極群
5 電池ケース
6 封口板
7 ガスケット
8 正極リード
9 負極リード
10a,10b 絶縁板
11 負極集電体(集電体)
12 凹部
13 凸部
15,250,350 柱状体
15a 下部側
15b 上部側
18 電解液
41 巻出し・巻取りロール
42 マスク
43a,43b 蒸着ソース
44a,44b 成膜ロール
45 巻取り・巻出しロール
46 真空容器
47 真空ポンプ
48a,48b 酸素ノズル
151,152,153,251,252,253,254,255,256,257,351,352,353,354,355,356,357,358 柱状体部
DESCRIPTION OF
12
Claims (9)
正極集電体の両面にリチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出できる正極活物質を含む正極合剤層を有する正極と、
前記正極と前記負極との間に対向して設けられるセパレータと、を少なくとも備え、
前記負極の前記柱状体の最上段に設けられた前記柱状体部の先端が、捲回時の終端方向に向けて斜立していることを特徴とする非水電解質二次電池。 A columnar body formed by stacking columnar body portions having different oblique directions in the longitudinal direction of the current collector formed on the convex portion of the current collector having a convex portion in n (n ≧ 2) stages. A negative electrode composed of a body,
A positive electrode having a positive electrode mixture layer containing a positive electrode active material capable of reversibly occluding and releasing lithium ions on both sides of the positive electrode current collector;
A separator provided oppositely between the positive electrode and the negative electrode,
The non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein a tip of the columnar body portion provided at the uppermost stage of the columnar body of the negative electrode is inclined toward a terminal direction at the time of winding.
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