JP2018206602A - Negative electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池用負極及びリチウムイオン二次電池に関する。詳細には、本発明は、エネルギー密度が高く、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用負極及びそれを用いたリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a negative electrode for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery. Specifically, the present invention relates to a negative electrode for a lithium ion secondary battery having high energy density and excellent cycle characteristics, and a lithium ion secondary battery using the same.
近年、電子機器や車両走行用などの駆動電源として、エネルギー密度が高いことなどから、リチウムイオン二次電池に注目が集まっており、サイクル特性を向上させる手法について開発が進められている。 In recent years, attention has been focused on lithium ion secondary batteries due to their high energy density as driving power sources for electronic equipment and vehicle travel, and methods for improving cycle characteristics are being developed.
例えば特許文献1には、負極活物質層は、負極活物質、スチレンブタジエンゴム、及びカルボキシメチルセルロースを含有し、負極活物質の粒子表面におけるスチレンブタジエンゴム被覆率が0.3%以上50%以下であるリチウムイオン二次電池が開示されている。そして、特許文献1のリチウムイオン二次電池によれば、十分な初期出力を有し、高温配レート耐久性に優れるとされている。 For example, in Patent Document 1, the negative electrode active material layer contains a negative electrode active material, styrene butadiene rubber, and carboxymethyl cellulose, and the styrene butadiene rubber coverage on the particle surface of the negative electrode active material is 0.3% or more and 50% or less. A lithium ion secondary battery is disclosed. And according to the lithium ion secondary battery of patent document 1, it is supposed that it has sufficient initial output and is excellent in high temperature distribution rate durability.
しかしながら、特許文献1のリチウムイオン二次電池では、炭素系負極活物質が用いられているため、シリコン系負極活物質と比較して十分なエネルギー密度が得られない。一方、シリコン系負極活物質はカーボン系負極活物質と比較してエネルギー密度が大きいものの、特許文献1に示されるような被覆率としても、十分なサイクル特性が得られないおそれがある。 However, in the lithium ion secondary battery of Patent Document 1, since a carbon-based negative electrode active material is used, a sufficient energy density cannot be obtained as compared with a silicon-based negative electrode active material. On the other hand, although the silicon-based negative electrode active material has a larger energy density than the carbon-based negative electrode active material, there is a possibility that sufficient cycle characteristics may not be obtained even with a coverage as shown in Patent Document 1.
また、特許文献1のように、被覆率を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察して測定された被覆率は局所的な情報であるため、観察する場所によっては、被覆されたバインダが偏在しており、電極全体の平均的な被覆率が反映されていないおそれがある。 Further, as in Patent Document 1, since the coverage measured by observing the coverage with a scanning electron microscope (SEM) is local information, the coated binder is unevenly distributed depending on the observation location. The average coverage of the entire electrode may not be reflected.
本発明は、このような従来技術が有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の目的は、エネルギー密度が高く、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用負極及びリチウムイオン二次電池を提供することである。 The present invention has been made in view of the problems of such conventional techniques. An object of the present invention is to provide a negative electrode for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery that have high energy density and excellent cycle characteristics.
本発明の態様に係るリチウムイオン二次電池用負極は、シリコン系負極活物質の比表面積をSA、バインダの比表面積をSB、バインダに被覆されたシリコン系負極活物質の比表面積をSCとしたときに、(SA―SC)/(SA−SB)が所定の値以上である。 The negative electrode for a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention has a specific surface area of a silicon-based negative electrode active material S A , a specific surface area of a binder S B , and a specific surface area of a silicon-based negative electrode active material coated with a binder S When C , (S A −S C ) / (S A −S B ) is equal to or greater than a predetermined value.
本発明によれば、エネルギー密度が高く、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用負極及びリチウムイオン二次電池を提供することができる。 According to the present invention, a negative electrode for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery having high energy density and excellent cycle characteristics can be provided.
以下、図面を用いて本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用負極及びリチウムイオン二次電池について詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, a negative electrode for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery according to the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the dimension ratio of drawing is exaggerated on account of description, and may differ from an actual ratio.
本実施形態のリチウムイオン二次電池用負極は、シリコン系負極活物質と、負極用バインダと、を備える。以下において、これらの構成要素を説明する。 The negative electrode for a lithium ion secondary battery of this embodiment includes a silicon-based negative electrode active material and a negative electrode binder. In the following, these components will be described.
(シリコン系負極活物質)
シリコン系負極活物質は、電流を生じさせる反応に関与することができる。シリコン系負極活物質は、炭素系負極活物質と比較して質量当たりの理論容量が大きいため、エネルギー密度が大きくすることができる。
(Silicon negative electrode active material)
The silicon-based negative electrode active material can participate in a reaction that generates an electric current. Since the silicon-based negative electrode active material has a larger theoretical capacity per mass than the carbon-based negative electrode active material, the energy density can be increased.
シリコン系負極活物質はケイ素を含む負極活物質であればよいが、シリコン系負極活物質は20質量%以上のケイ素を含有することが好ましい。シリコン系負極活物質のケイ素含有量を20質量%以上とすることにより、アモルファス−結晶の相転移を抑えることができ、リチウムイオン二次電池のサイクル特性を向上させることができる。 The silicon-based negative electrode active material may be any negative-electrode active material containing silicon, but the silicon-based negative electrode active material preferably contains 20% by mass or more of silicon. By setting the silicon content of the silicon-based negative electrode active material to 20% by mass or more, amorphous-crystal phase transition can be suppressed, and cycle characteristics of the lithium ion secondary battery can be improved.
本実施形態において、シリコン系負極活物質は、Si、Sn及びMの元素を含み、Mは、遷移元素、B,C,Mg,Al及びZnからなる群より選択される少なくとも1つの元素であることが好ましい。なお、遷移元素は、第3族元素から第11族元素の間にある元素をいう。
In the present embodiment, the silicon-based negative electrode active material includes Si, Sn, and M elements, and M is at least one element selected from the group consisting of transition elements, B, C, Mg, Al, and Zn. It is preferable. The transition element refers to an element between the Group 3 element and the
なお、Mは、B,C,Mg,Al,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Zr,Nb,Mo及びTaからなる群より選択される少なくとも1つの元素であることがより好ましい。また、Mは、C,Al,Ti,V及びZnからなる群より選択される少なくとも1つの元素であることがさらに好ましい。さらに、Al又はTiの少なくともいずれか一方であることが最も好ましい。シリコン系負極活物質がこのような元素を含むことにより、放電容量を維持しつつ、サイクル特性をより向上させることができる。 M is at least one element selected from the group consisting of B, C, Mg, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, and Ta. More preferably. M is more preferably at least one element selected from the group consisting of C, Al, Ti, V, and Zn. Furthermore, it is most preferable that it is at least any one of Al or Ti. By including such an element in the silicon-based negative electrode active material, the cycle characteristics can be further improved while maintaining the discharge capacity.
なお、Si、Sn及びMの元素を含むシリコン系負極活物質には、不可避不純物が含まれていてもよい。不可避不純物とは、原料中に存在したり、製造工程において不可避的に混入したりするものを意味する。不可避不純物は、本来は不要なものであるが、微量であり、シリコン系負極活物質の特性に影響を及ぼさないため、許容されている不純物である。不可避不純物の含有量は、シリコン系負極活物質全体に対して0.5質量%未満であることが好ましく、0.1質量%未満であることがより好ましく、0.01質量%未満であることがさらに好ましい。 Note that the silicon-based negative electrode active material containing Si, Sn, and M elements may contain inevitable impurities. An inevitable impurity means what exists in a raw material or is inevitably mixed in a manufacturing process. Inevitable impurities are originally unnecessary, but they are a very small amount and do not affect the characteristics of the silicon-based negative electrode active material. The content of inevitable impurities is preferably less than 0.5% by mass, more preferably less than 0.1% by mass, and less than 0.01% by mass with respect to the entire silicon-based negative electrode active material. Is more preferable.
シリコン系負極活物質の一般式は、Si−Sn−Mであることが好ましく、Si−Sn−Tiであることがより好ましい。ここで、一般式Si−Sn−Tiにおいて、Snの含有量が7質量%以上30質量%以下、Tiの含有量が0質量%超え37質量%以下、残部がSi及び不可避不純物であることが好ましい。又は、一般式Si−Sn−Tiにおいて、Snの含有量が30質量%以上51質量%以下、Tiの含有量が0質量%超え35質量%以下、残部がSi及び不可避不純物であることが好ましい。また、一般式Si−Sn−Tiにおいて、Snの含有量が7質量%以上30質量%以下、Tiが7質量%超え37質量%以下、残部がSi及び不可避不純物であることがより好ましい。又は、Snの含有量が30質量%以上51質量%以下、Tiの含有量が7質量%超え35質量%以下、残部がSi及び不可避不純物であることがより好ましい。また、一般式Si−Sn−Tiにおいて、Snの含有量が7質量%以上30質量%以下、Tiの含有量が18質量%以上37質量%以下、残部がSi及び不可避不純物であることがさらに好ましい。又は、一般式Si−Sn−Tiにおいて、Snの含有量が30質量%以上51質量%以下、Tiの含有量が7質量%超え20質量%以下、残部がSi及び不可避不純物であることがさらに好ましい。さらに、一般式Si−Sn−Tiにおいて、Snの含有量が7質量%以上21質量%以下、Tiの含有量が24質量%以上37質量%以下、残部がSi及び不可避不純物であることが最も好ましい。各元素の含有量を上記範囲内とすることで、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池を提供することができる。 The general formula of the silicon-based negative electrode active material is preferably Si—Sn—M, and more preferably Si—Sn—Ti. Here, in the general formula Si-Sn-Ti, the Sn content is 7% by mass or more and 30% by mass or less, the Ti content is more than 0% by mass and 37% by mass or less, and the balance is Si and inevitable impurities. preferable. Or in general formula Si-Sn-Ti, it is preferable that Sn content is 30 mass% or more and 51 mass% or less, Ti content exceeds 0 mass% and 35 mass% or less, and the remainder is Si and inevitable impurities. . In the general formula Si-Sn-Ti, it is more preferable that the Sn content is 7% by mass or more and 30% by mass or less, Ti is more than 7% by mass and 37% by mass or less, and the balance is Si and inevitable impurities. Alternatively, it is more preferable that the Sn content is 30% by mass or more and 51% by mass or less, the Ti content is more than 7% by mass and 35% by mass or less, and the balance is Si and inevitable impurities. Further, in the general formula Si—Sn—Ti, the Sn content is 7% by mass to 30% by mass, the Ti content is 18% by mass to 37% by mass, and the balance is Si and inevitable impurities. preferable. Or, in the general formula Si-Sn-Ti, the Sn content is 30% by mass or more and 51% by mass or less, the Ti content is more than 7% by mass and 20% by mass or less, and the balance is Si and inevitable impurities. preferable. Furthermore, in the general formula Si—Sn—Ti, the Sn content is 7% by mass or more and 21% by mass or less, the Ti content is 24% by mass or more and 37% by mass or less, and the remainder is Si and inevitable impurities. preferable. By setting the content of each element within the above range, a lithium ion secondary battery excellent in cycle characteristics can be provided.
シリコン系負極活物質の平均粒子径は特に制限されないが、0.1μm〜20μmであることが好ましく0.2μm〜10μmであることがより好ましい。なお、シリコン系負極活物質の平均粒子径は、体積基準における粒度分布の累積値が50%の時の粒子径を表し、例えば、レーザー回折・散乱法により測定することができる。 The average particle diameter of the silicon-based negative electrode active material is not particularly limited, but is preferably 0.1 μm to 20 μm, and more preferably 0.2 μm to 10 μm. The average particle diameter of the silicon-based negative electrode active material represents the particle diameter when the cumulative value of the particle size distribution on a volume basis is 50%, and can be measured by, for example, a laser diffraction / scattering method.
(負極用バインダ)
負極用バインダは、シリコン系負極活物質同士などを結合させることができる。負極用バインダを形成する材料としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリアミドイミド(PAI)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)などの熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂、スチレンブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム(IR)、ブタジエンゴム(BR)などのエラストマーが挙げられる。これらの負極用バインダは、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、負極用バインダとしての接着性や耐熱性が優れていることから、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリアミドイミド(PAI)からなる群より選択される少なくとも1つが好ましい。
(Binder for negative electrode)
The negative electrode binder can bond silicon-based negative electrode active materials and the like. Examples of the material for forming the binder for the negative electrode include polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA), polyether nitrile (PEN), poly Acrylonitrile (PAN), polyimide (PI), polyamide (PA), polyamideimide (PAI), carboxymethylcellulose (CMC), ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVDF) ), Polytetrafluoroethylene (PTFE), thermoplastic resin such as polyvinyl fluoride (PVF), thermosetting resin such as epoxy resin, styrene butadiene rubber (SBR), isoprene rubber (IR), butadiene rubber (B ) Include elastomers such as. These binders for negative electrodes may be used independently and may use 2 or more types together. Among these, at least one selected from the group consisting of polyimide (PI), polyamide (PA), and polyamideimide (PAI) is preferable because of its excellent adhesion and heat resistance as a negative electrode binder.
負極用バインダの引張弾性率は、2GPa以上10GPa以下であることが好ましい。引張弾性率が2GPa以上である場合、シリコン系負極活物質の膨張に伴う負極用バインダの破断が抑制されるため、負極からシリコン系負極活物質が離脱するのを抑制することができ、充放電の繰り返しによる放電容量の低下を抑制することができる。すなわち、引張弾性率を2GPa以上とすることにより、リチウムイオン二次電池のサイクル特性を向上させることができる。引張弾性率が10GPa以下である場合、リチウムイオン吸蔵によるシリコン系負極活物質の膨張を過度に抑制しないため、リチウムイオン二次電池の放電容量を大きくすることができる。 The tensile modulus of the negative electrode binder is preferably 2 GPa or more and 10 GPa or less. When the tensile modulus is 2 GPa or more, breakage of the binder for the negative electrode accompanying expansion of the silicon-based negative electrode active material is suppressed, so that the release of the silicon-based negative electrode active material from the negative electrode can be suppressed. It is possible to suppress a decrease in discharge capacity due to repetition of the above. That is, by setting the tensile modulus to 2 GPa or more, the cycle characteristics of the lithium ion secondary battery can be improved. When the tensile elastic modulus is 10 GPa or less, since the expansion of the silicon-based negative electrode active material due to lithium ion occlusion is not excessively suppressed, the discharge capacity of the lithium ion secondary battery can be increased.
引張弾性率は、例えば、日本工業規格JIS K7161−1により、試験温度23±2℃、試験速度1mm/minで測定することができる。具体的には、Et=(σ2−σ1)/(ε2−ε1)の数式に従って算出することができる。上記式において、Etは引張弾性率(Pa)、σ1はひずみε1=0.0005における応力(Pa)、σ2はひずみε2=0.0025における応力(Pa)を示す。 The tensile elastic modulus can be measured, for example, according to Japanese Industrial Standard JIS K7161-1 at a test temperature of 23 ± 2 ° C. and a test speed of 1 mm / min. Specifically, it can be calculated according to an equation of E t = (σ 2 −σ 1 ) / (ε 2 −ε 1 ). In the above formula, Et represents the tensile modulus (Pa), σ 1 represents the stress (Pa) at the strain ε 1 = 0.0005, and σ 2 represents the stress (Pa) at the strain ε 2 = 0.0025.
シリコン系負極活物質の比表面積をSA、バインダの比表面積をSB、バインダに被覆されたシリコン系負極活物質の比表面積をSCとしたときに、0.5≦(SA―SC)/(SA−SB)の関係を満たす。本実施形態では、このような関係を満たすことにより、シリコン系負極活物質を所定の状態以上に被覆することができる。なお、(SA―SC)/(SA−SB)は0.65以上であることがより好ましい。また、(SA―SC)/(SA−SB)の上限は1である。 The specific surface area of the silicon-based negative active material S A, a specific surface area of the binder S B, the specific surface area of the silicon-based negative active material coated binder when the S C, 0.5 ≦ (S A -S satisfy the relation of C) / (S a -S B ). In the present embodiment, by satisfying such a relationship, the silicon-based negative electrode active material can be coated in a predetermined state or more. Incidentally, (S A -S C) / (S A -S B) is more preferably 0.65 or more. The upper limit of (S A -S C) / ( S A -S B) is 1.
シリコン系負極活物質は、炭素系負極活物質と比較してエネルギー密度が大きいものの、充放電時の体積変化が大きく、負極用バインダから離脱しやすい。しかしながら、本実施形態では、(SA―SC)/(SA−SB)の値を0.5以上とすることにより、シリコン系負極活物質の表面を所定の状態以上に被覆することができる。そのため、シリコン系負極活物質の膨張に伴う負極用バインダの破断が抑制されるため、負極からシリコン系負極活物質が離脱するのを抑制することができ、充放電の繰り返しによる放電容量の低下を抑制することができる。すなわち、本実施形態では、(SA―SC)/(SA−SB)の値を0.5以上とすることにより、リチウムイオン二次電池のサイクル特性を向上させることができる。 Although the silicon-based negative electrode active material has a larger energy density than the carbon-based negative electrode active material, the volume change during charge / discharge is large, and the silicon-based negative electrode active material is easily detached from the negative electrode binder. However, in the present embodiment, by setting (S A -S C) / ( S A -S B) value of 0.5 or more, coating the surface of the silicon-based negative active material than in a predetermined state Can do. For this reason, since the breakage of the binder for the negative electrode accompanying the expansion of the silicon-based negative electrode active material is suppressed, it is possible to prevent the silicon-based negative electrode active material from detaching from the negative electrode and to reduce the discharge capacity due to repeated charge and discharge. Can be suppressed. That is, in this embodiment, by setting (S A -S C) / ( S A -S B) value of 0.5 or more, it is possible to improve the cycle characteristics of the lithium ion secondary battery.
ここで、上記(SA―SC)/(SA−SB)は、シリコン系負極活物質に対する負極用バインダの被覆率を表しているともいえる。例えば、シリコン系負極活物質の表面の全てがバインダにより被覆されている場合、シリコン系負極活物質の比表面積SBとバインダに被覆されたシリコン系負極活物質の比表面積SCが同じ値となるため、上記(SA―SC)/(SA−SB)の値は1となる。一方、シリコン系負極活物質が全くバインダに覆われていない場合、シリコン系負極活物質の比表面積SAとバインダに被覆されたシリコン系負極活物質の比表面積SCが同じ値となるため、上記(SA―SC)/(SA−SB)の値は0となる。そして、シリコン系負極活物質の表面の一部がバインダにより被覆されている場合、上記(SA―SC)/(SA−SB)の値は0から1の間の値となる。 Here, the (S A -S C) / ( S A -S B) can be said to represent the coverage of the negative electrode binder to silicon-based negative active material. For example, if all of the surface of the silicon-based negative active material is coated with a binder, a same value the specific surface area S C of the silicon-based negative active material coated on the specific surface area S B and the binder of the silicon-based negative active material Therefore, the value of (S A −S C ) / (S A −S B ) is 1. On the other hand, if the silicon-based negative active material is not covered at all in a binder, the specific surface area S C of the silicon-based negative active material coated on the specific surface area S A and the binder of the silicon-based negative active material is the same value, The value of (S A −S C ) / (S A −S B ) is 0. When a part of the surface of the silicon-based negative electrode active material is covered with a binder, the value of (S A −S C ) / (S A −S B ) is a value between 0 and 1.
シリコン系負極活物質の比表面積SAは、6m2/g〜10m2/gであることが好ましく、7m2/g〜9m2/gであることがより好ましい。また、バインダの比表面積SBは、1m2/g〜5m2/gであることが好ましく、2m2/g〜4m2/gであることがより好ましい。また、バインダに被覆されたシリコン系負極活物質の比表面積SCは、2m2/g〜5m2/gであることが好ましく、3m2/g〜4m2/gであることがより好ましい。 The specific surface area S A of the silicon-based negative active material is preferably 6m 2 / g~10m 2 / g, more preferably 7m 2 / g~9m 2 / g. The specific surface area S B of the binder is preferably 1m 2 / g~5m 2 / g, more preferably 2m 2 / g~4m 2 / g. The specific surface area S C of the silicon-based negative active material coated binder is preferably 2m 2 / g~5m 2 / g, and more preferably 3m 2 / g~4m 2 / g.
上記SA、SB及びSCの比表面積は、それぞれ窒素ガスを吸着ガスとして測定したBET比表面積とすることができる。このような測定方法により、比表面積を簡便に計測することができる。具体的には、BET比表面積は、JIS Z8830:2013(ISO 9277:2010)(ガス吸着による粉体(固体)の比表面積測定方法)に準じて測定することができる。また、BET比表面積は、静的容量法により、窒素ガスを吸着ガスとして測定し、多点法により解析することができる。さらに、バインダの比表面積SB及びバインダに被覆されたシリコン系負極活物質の比表面積SCは、ガラス板に塗布及び熱処理したものを削ぎ落として回収し、粉末状の測定試料として用いることができる。 The S A, the specific surface area of S B and S C may be a BET specific surface area, respectively nitrogen gas was measured as an adsorption gas. With such a measuring method, the specific surface area can be easily measured. Specifically, the BET specific surface area can be measured according to JIS Z8830: 2013 (ISO 9277: 2010) (method for measuring the specific surface area of powder (solid) by gas adsorption). The BET specific surface area can be analyzed by a multipoint method by measuring nitrogen gas as an adsorbed gas by a static capacity method. Furthermore, the specific surface area S C of the silicon-based negative active material coated on the specific surface area S B and the binder of the binder is scraped off the one coated and heat-treated glass plate was recovered, it is used as a powdery sample it can.
図1に示すように、本実施形態のリチウムイオン二次電池用負極10には、負極集電体11と、負極集電体11の少なくとも一方の面に配置された負極活物質層12を含めることができる。
As shown in FIG. 1, the
(負極集電体11)
負極集電体11は、後述する負極タブ65などと接続され、リチウムイオン二次電池100の外部と電子の受け渡しをする。負極集電体11を形成する材料は特に限定されないが、例えば、銅(Cu)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、ステンレス鋼(SUS)などの金属が好ましい。これらの中でも、負極集電体11を形成する材料として、銅(Cu)を用いることが好ましい。負極集電体11の厚さは特に限定されないが、通常は1μm〜100μm程度である。
(Negative electrode current collector 11)
The negative electrode
(負極活物質層12)
負極活物質層12には、上述したシリコン系負極活物質と負極用バインダとを含有させることができる。負極活物質層12におけるシリコン系負極活物質の含有量は、60質量%〜90質量%が好ましく、70質量%〜85質量%がより好ましい。また、負極活物質層12における負極用バインダの含有量は、6質量%〜30質量%が好ましく、10質量%〜25質量%がより好ましい。上記のような範囲とすることにより、バインダによるシリコン系負極活物質の被覆率をより好ましい範囲とすることができる。
(Negative electrode active material layer 12)
The negative electrode
負極活物質層12の膜厚は特に限定されないが、20μm〜80μmであることが好ましく、20μm〜50μmであることがより好ましい。負極活物質層の膜厚をこのような範囲とすることにより、リチウムイオン二次電池100のエネルギー密度及びサイクル特性を向上させることができる。
The film thickness of the negative electrode
(負極用導電助剤)
負極活物質層12には、負極用導電助剤などをさらに含めてもよい。負極用導電助剤は、負極活物質層の内部における電子ネットワークを効果的に形成することができる。負極用導電助剤を形成する材料としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト、炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。これらの負極用導電助剤は、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。負極活物質層12における負極用導電助剤の含有量は特に限定されないが、1質量%〜10質量%が好ましく、2質量%〜8質量%がより好ましい。負極用導電助剤の含有量をこのような範囲とすることにより、負極活物質層12の導電性を向上させることができる。
(Conductive aid for negative electrode)
The negative electrode
以上の通り、本実施形態のリチウムイオン二次電池用負極は、シリコン系負極活物質と、シリコン系負極活物質を被覆するバインダと、を備える。さらに、本実施形態のリチウムイオン二次電池用負極は、シリコン系負極活物質の比表面積をSA、バインダの比表面積をSB、バインダに被覆されたシリコン系負極活物質の比表面積をSCとしたときに、0.5≦(SA―SC)/(SA−SB)の関係を満たす。そのため、本実施形態のリチウムイオン二次電池用負極によれば、リチウムイオン二次電池に用いた場合に、エネルギー密度が高く、サイクル特性を向上させることができる。 As described above, the negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present embodiment includes the silicon-based negative electrode active material and the binder that covers the silicon-based negative electrode active material. Furthermore, the negative electrode for a lithium ion secondary battery of this embodiment has a specific surface area of the silicon-based negative electrode active material S A , a specific surface area of the binder S B , and a specific surface area of the silicon-based negative electrode active material coated with the binder S When C is satisfied, the relationship of 0.5 ≦ (S A −S C ) / (S A −S B ) is satisfied. Therefore, according to the negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present embodiment, when used in a lithium ion secondary battery, the energy density is high and cycle characteristics can be improved.
[リチウムイオン二次電池]
本実施形態のリチウムイオン二次電池は、上記リチウムイオン二次電池用負極を備える。そのため、上述したように、本実施形態のリチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高く、サイクル特性に優れている。
[Lithium ion secondary battery]
The lithium ion secondary battery of this embodiment is equipped with the said negative electrode for lithium ion secondary batteries. Therefore, as described above, the lithium ion secondary battery of this embodiment has a high energy density and excellent cycle characteristics.
図1に示すように、本実施形態のリチウムイオン二次電池100は、上述したリチウムイオン二次電池用負極10に加え、正極20、セパレータ30、正極タブ60、負極タブ65、外装体70などをさらに備えることができる。図1の実施形態において、セパレータ30は、正極20と負極10との間に配置されている。なお、図1に示すように、正極20、負極10及びセパレータ30を備える単電池層40を、複数積層して電気的に並列に配置させたものを発電要素50とすることもできる。また、本実施形態のリチウムイオン二次電池100は、図1のような形態に限定されず、例えば、集電体の一方の面に正極活物質層を配置し、集電体のもう一方の面に負極活物質層を配置したような双極型電極を含む双極型電池としてもよい。また、図1の実施形態のような積層型のリチウムイオン二次電池に限定されず、巻回型のリチウムイオン二次電池としてもよい。
As shown in FIG. 1, the lithium ion
(正極20)
正極20には、正極集電体21と、正極活物質層22と、を含めることができる。正極活物質層22は、正極集電体21の少なくとも一方の面に配置することができる。
(Positive electrode 20)
The
(正極集電体21)
正極集電体21は、後述する正極タブ60などと接続され、リチウムイオン二次電池100の外部と電子の受け渡しをする。正極集電体21を形成する材料は特に限定されないが、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタン、及びこれらの合金などの金属が挙げられる。正極集電体21を形成する材料は、上述した金属単体、上述した金属を組み合わせた合金、上述した金属の組み合わせのめっき材などを用いることができる。なかでも、正極集電体21を形成する材料は、電子伝導性や電池作動電位の観点から、アルミニウムを含むことが好ましい。正極集電体21の厚さは特に限定されないが、通常は1μm〜100μm程度である。
(Positive electrode current collector 21)
The positive electrode
(正極活物質層22)
正極活物質層22は、例えば、正極活物質、正極用バインダ、正極用導電助剤などを含有する。正極活物質層22の膜厚は特に限定されないが、20μm〜80μmであることが好ましく、20μm〜50μmであることがより好ましい。
(Positive electrode active material layer 22)
The positive electrode
(正極活物質)
正極活物質は、電流を生じさせる反応に関与することができる。正極活物質層22における正極活物質の含有量は特に限定されないが、80質量%〜98質量%であることが好ましい。
(Positive electrode active material)
The positive electrode active material can participate in a reaction that generates an electric current. The content of the positive electrode active material in the positive electrode
正極活物質としては、例えば、リチウム−遷移金属複合酸化物、リチウム−遷移金属リン酸化合物、リチウム−遷移金属硫酸化合物などが挙げられる。リチウム−遷移金属複合酸化物としては、例えば、LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、Li(Ni−Mn−Co)O2、Li(Li−Ni−Mn−Co)O2及びこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等を挙げることができる。リチウム−遷移金属リン酸化合物としては、LiFePO4等を挙げることができる。リチウム−遷移金属硫酸化合物としては、LixFe2(SO4)3等を挙げることができる。 Examples of the positive electrode active material include lithium-transition metal composite oxides, lithium-transition metal phosphate compounds, and lithium-transition metal sulfate compounds. Examples of the lithium-transition metal composite oxide include LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , Li (Ni—Mn—Co) O 2 , Li (Li—Ni—Mn—Co) O 2, and transitions thereof. An example in which a part of the metal is substituted with another element can be given. Examples of the lithium-transition metal phosphate compound include LiFePO 4 . Examples of the lithium-transition metal sulfate compound include Li x Fe 2 (SO 4 ) 3 .
(正極用バインダ)
正極用バインダは、正極活物質同士又は正極活物質と正極用導電助剤を結合させることができる。正極用バインダを形成する材料としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリアミドイミド(PAI)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)などの熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂、スチレンブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム(IR)、ブタジエンゴム(BR)などのエラストマーが挙げられる。これらの正極用バインダは、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、バインダとしての接着性や耐熱性が優れていることから、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリアミドイミド(PAI)からなる群より選択される少なくとも1つが好ましい。正極活物質層22中に含まれる正極用バインダの含有量は特に限定されないが、0.5質量%〜15質量%が好ましく、1質量%〜10質量%がより好ましい。
(Binder for positive electrode)
The positive electrode binder can bind the positive electrode active materials to each other or the positive electrode active material and the positive electrode conductive additive. Examples of the material for forming the positive electrode binder include polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA), polyether nitrile (PEN), poly Acrylonitrile (PAN), polyimide (PI), polyamide (PA), polyamideimide (PAI), carboxymethylcellulose (CMC), ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVDF) ), Polytetrafluoroethylene (PTFE), thermoplastic resin such as polyvinyl fluoride (PVF), thermosetting resin such as epoxy resin, styrene butadiene rubber (SBR), isoprene rubber (IR), butadiene rubber (B ) Include elastomers such as. These positive electrode binders may be used alone or in combination of two or more. Among these, at least one selected from the group consisting of polyimide (PI), polyamide (PA), and polyamideimide (PAI) is preferable because of excellent adhesion and heat resistance as a binder. Although content of the binder for positive electrodes contained in the positive electrode
(正極用導電助剤)
正極用導電助剤は、正極活物質層22の内部における電子ネットワークを効果的に形成し、リチウムイオン二次電池100の放電容量を大きくすることができる。正極活物質層22中に含まれる正極用導電助剤の含有量は特に限定されないが、1質量%〜10質量%が好ましく、2質量%〜6質量%がより好ましい。正極用導電助剤の含有量をこのような範囲とすることにより、正極活物質層22の導電性を向上させることができる。
(Conductive aid for positive electrode)
The conductive additive for positive electrode can effectively form an electronic network inside the positive electrode
(セパレータ30)
セパレータ30は、正極20と負極10との間に配置することができる。セパレータ30は、正極20と負極10とを隔離し、リチウムイオンの移動を仲介する。セパレータ30の膜厚は、内部抵抗を低減させる観点から、1μm〜100μmが好ましく、5μm〜50μmであることがより好ましい。セパレータ30には、非水電解質を含めることができる。非水電解質としては、イオン伝導性ポリマーにリチウム塩が溶解したゲル状又は固体状のポリマー電解質、並びに有機溶媒にリチウム塩が溶解した液体電解質を多孔質基体層に保持させて用いることができる。
(Separator 30)
The
ポリマー電解質に用いられるイオン伝導性ポリマーとしては、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、へキサフルオロプロピレン、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)及びこれらの共重合体等が挙げられる。 Examples of the ion conductive polymer used in the polymer electrolyte include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), polyvinylidene fluoride (PVDF), hexafluoropropylene, polyethylene glycol (PEG), polyacrylonitrile (PAN), and polymethyl. Examples include methacrylate (PMMA) and copolymers thereof.
液体電解質に用いられる有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)等のカーボネート類が挙げられる。 Examples of the organic solvent used in the liquid electrolyte include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and ethyl methyl. And carbonates such as carbonate (EMC) and methylpropyl carbonate (MPC).
リチウム塩としては、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiTaF6、LiClO4、LiCF3SO3等の化合物が挙げられる。 The lithium salt, Li (CF 3 SO 2) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2) 2 N, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiClO 4, compounds such as LiCF 3 SO 3 is Can be mentioned.
多孔質基体層を形成する材料は特に限定されないが、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体などの熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。多孔質基体層の空孔率は、特に限定されないが、40%〜85%であることが好ましい。空孔率を40%以上とする場合、十分なイオン伝導性を得ることができる。一方、空孔率を85%以下とする場合、多孔質基体層の強度を良好に維持することができる。 The material for forming the porous substrate layer is not particularly limited, but it is preferable to use a thermoplastic resin such as polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene copolymer. The porosity of the porous substrate layer is not particularly limited, but is preferably 40% to 85%. When the porosity is 40% or more, sufficient ionic conductivity can be obtained. On the other hand, when the porosity is 85% or less, the strength of the porous substrate layer can be maintained well.
(正極タブ60及び負極タブ65)
正極タブ60は、正極集電体21と、リチウムイオン二次電池100の外部の機器とを電気的に接続することができる。また、負極タブ65は、負極集電体11と、リチウムイオン二次電池100の外部の機器とを電気的に接続することができる。正極タブ60及び負極タブ65を形成する材料は特に限定されず、例えばアルミニウム、銅、チタン、ニッケルからなる群より選択される少なくとも1つの金属を用いることができる。なお、正極タブ60及び負極タブ65を形成する材料は、同一であっても異なっていてもよい。
(
The
(外装体70)
外装体70は、単電池層40又は発電要素50を収容することができる。外装体70は、例えば、缶や、フィルムにより形成されたものが挙げられる。また、外装体70の形状は、特に限定されず、円筒型、角型、シート型とすることができる。特に限定されないが、小型化及び軽量化などの観点より、外装体70はフィルムにより形成されていることが好ましい。なかでも、高出力化や冷却性能の観点からは、フィルムはラミネートフィルムであることが好ましく、ラミネートフィルムはアルミニウムを含むことが好ましい。また、リチウムイオン二次電池100は扁平積層型リチウムイオン二次電池であることが好ましい。このようなリチウムイオン二次電池は、放電容量及び放熱性能を高くすることができるため、車両に搭載する場合に最適である。アルミニウムを含むラミネートフィルムの一例としては、PP/アルミニウム/ナイロンの3層ラミネートフィルムが挙げられる。
(Exterior body 70)
The
本実施形態のリチウムイオン二次電池100の用途は特に限定されないが、上述のように、エネルギー密度が高く、サイクル特性に優れている。そのため、車両用として好適に用いることができる。具体的には、本実施形態のリチウムイオン二次電池100は、車両用の駆動電源などに好適に用いることができる。
Although the use of the lithium ion
[リチウムイオン二次電池用負極の製造方法]
リチウムイオン二次電池用負極の製造方法は、例えば、負極活物質を含む正極スラリーを調製し、負極スラリーを負極集電体11上に塗布、乾燥、プレスして負極活物質層12を形成することにより作製することができる。負極スラリーは、上述した負極活物質、負極用バインダ、負極用導電助剤の他、溶媒を含めることができる。
[Method for producing negative electrode for lithium ion secondary battery]
The method for producing a negative electrode for a lithium ion secondary battery includes, for example, preparing a positive electrode slurry containing a negative electrode active material, applying the negative electrode slurry onto the negative electrode
負極スラリーの溶媒としては、特に制限されず、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルホルムアミド、ヘキサン、シクロヘキサン、水などを用いることができる。 The solvent for the negative electrode slurry is not particularly limited, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, methylformamide, hexane, cyclohexane, water and the like can be used.
負極スラリーを集電体に塗布する方法は特に限定されず、スプレーコート法、ロールコート法、ドクターブレード法、フローコート法、ディップコート法、スクリーン印刷法、インクジェット法などの公知の方法を使用することができる。 The method for applying the negative electrode slurry to the current collector is not particularly limited, and a known method such as a spray coating method, a roll coating method, a doctor blade method, a flow coating method, a dip coating method, a screen printing method, or an ink jet method is used. be able to.
負極スラリーの上記乾燥方法は、特に制限されず、用いる負極スラリーの特性などに応じて適宜調製すればよい。また、上記プレス工程は特に限定されず、例えばカレンダーロール、平板プレスなどを用いることができる。 The method for drying the negative electrode slurry is not particularly limited, and may be appropriately prepared according to the characteristics of the negative electrode slurry to be used. Moreover, the said press process is not specifically limited, For example, a calender roll, a flat plate press, etc. can be used.
負極バインダによるシリコン系負極活物質の被覆率を大きくする方法は特に限定されないが、例えばシリコン系負極活物質に対する負極バインダの含有量を増加させることで被覆率を向上させることができる。 The method for increasing the coverage of the silicon-based negative electrode active material with the negative electrode binder is not particularly limited, but for example, the coverage can be improved by increasing the content of the negative electrode binder with respect to the silicon-based negative electrode active material.
[リチウムイオン二次電池の製造方法]
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の製造方法は、上述したリチウムイオン二次電池用負極の製造方法を備えていればよい。本実施形態のリチウムイオン二次電池の製造方法は、例えば正極の作製工程と、組立工程と、を備えていてもよい。
[Method for producing lithium ion secondary battery]
The manufacturing method of the lithium ion secondary battery which concerns on this embodiment should just be equipped with the manufacturing method of the negative electrode for lithium ion secondary batteries mentioned above. The manufacturing method of the lithium ion secondary battery of this embodiment may include, for example, a positive electrode manufacturing process and an assembling process.
(正極の作製工程)
正極20の作製工程は、例えば、正極活物質を含む正極スラリーを調製し、正極スラリーを正極集電体21上に塗布、乾燥、プレスして正極活物質層22を形成することにより作製することができる。正極スラリーは、上述した正極活物質、正極用バインダ、正極用導電助剤及び溶媒を含めることができる。
(Production process of positive electrode)
The
正極スラリーを正極集電体上に塗布、乾燥、プレスして正極活物質層22を形成する方法は特に限定されず、負極と同様の方法にして作製することができる。
A method for forming the positive electrode
(組立工程)
上述のようにして作製された正極20及び負極10との間に、セパレータ30を介して積層することにより、単電池層40を作製することができる。また、必要に応じ、単電池層40を複数積層させることにより、発電要素50を作製してもよい。このようにして得られた単電池層40又は発電要素50を、外装体70内に封止することにより、リチウムイオン二次電池を作製することができる。
(Assembly process)
By laminating the
以下、本実施形態を実施例及び比較例によりさらに詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the present embodiment will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present embodiment is not limited to these.
[実施例1]
(負極の作製)
まず、遊星型ボールミル(ドイツ フリッチュ社製P−6)を用いて、メカニカルアロイ法により金属粉末を合金化処理及び粉砕処理した。具体的には、質量比で、Si:Sn:Ti=66:5:29となるように調製した金属粉末と、ジルコニア製粉砕ボールとを、ジルコニア製容器に投入した。その後、ジルコニア製容器を固定する台座を、600rpmで12.5時間回転させて、金属粉末を合金化した。その後、台座を200rpmで2時間回転させ、合金を粉砕処理した。なお、レーザー回折・散乱法により測定したシリコン径負極活物質の平均粒子径は2μmであった。
[Example 1]
(Preparation of negative electrode)
First, the metal powder was alloyed and pulverized by a mechanical alloy method using a planetary ball mill (P-6, manufactured by Frichiu, Germany). Specifically, a metal powder prepared so as to have a mass ratio of Si: Sn: Ti = 66: 5: 29 and zirconia pulverized balls were put into a zirconia container. Then, the base which fixes the container made from zirconia was rotated at 600 rpm for 12.5 hours, and metal powder was alloyed. Then, the base was rotated at 200 rpm for 2 hours, and the alloy was pulverized. In addition, the average particle diameter of the silicon diameter negative electrode active material measured by the laser diffraction / scattering method was 2 μm.
このようにして得られた負極活物質80質量%と、負極用導電助剤5質量%と、負極用バインダ前駆体15質量%(固形分)とをN−メチルピロリドンに分散させ、脱泡混練機(株式会社Thinky製 AR−100)内で混合し、負極スラリーを得た。なお、負極用導電助剤はアセチレンブラック、負極用バインダ前駆体はポリアミック酸を用いた。 80% by mass of the negative electrode active material thus obtained, 5% by mass of a conductive auxiliary for negative electrode, and 15% by mass (solid content) of a binder precursor for negative electrode are dispersed in N-methylpyrrolidone and defoamed and kneaded. A negative electrode slurry was obtained by mixing in a machine (AR-100, manufactured by Thinky Co., Ltd.). In addition, acetylene black was used for the conductive support agent for negative electrodes, and polyamic acid was used for the binder precursor for negative electrodes.
次に、負極集電体の一方の面に、乾燥後の負極活物質層の厚さが30μmとなるように、負極スラリーを均一に塗布し、真空中で24時間乾燥させた。その後、同様に、負極集電体のもう一方の面に、乾燥後の負極活物質層の厚さが30μmとなるように、負極スラリーを均一に塗布した。そして、真空中で24時間乾燥させ、さらに真空中300℃で1時間乾燥焼成を行うことにより負極を得た。なお、負極集電体は、12μm厚の銅箔を用いた。 Next, the negative electrode slurry was uniformly applied on one surface of the negative electrode current collector so that the dried negative electrode active material layer had a thickness of 30 μm, and dried in vacuum for 24 hours. Thereafter, similarly, the negative electrode slurry was uniformly applied to the other surface of the negative electrode current collector so that the thickness of the dried negative electrode active material layer was 30 μm. And it was made to dry in vacuum for 24 hours, and also the negative electrode was obtained by performing drying baking at 300 degreeC in vacuum for 1 hour. The negative electrode current collector was a 12 μm thick copper foil.
(電池の作製)
金属リチウムの正極と上述のようにして得られた負極を用いて、積層型リチウムイオン二次電池を作製した。具体的には、正極と負極との間にセパレータを配置し、正極と負極とを交互に積層させ、発電要素を作製した。セパレータは、40μm厚のポリオレフィンを用いた。なお、この積層体には、正極を2枚、負極を3枚及びセパレータを4枚積層させている。
(Production of battery)
Using the positive electrode of metallic lithium and the negative electrode obtained as described above, a stacked lithium ion secondary battery was produced. Specifically, a separator was disposed between the positive electrode and the negative electrode, and the positive electrode and the negative electrode were alternately laminated to produce a power generation element. The separator used was a polyolefin having a thickness of 40 μm. In this laminated body, two positive electrodes, three negative electrodes, and four separators are laminated.
得られた発電要素に正極タブ及び負極タブをそれぞれ溶接し、アルミニウムを含むラミネートフィルムからなる外装内に、電解液をシリンジで注入した後、真空密封し、リチウムイオン二次電池を得た。なお、電解液は、濃度が1mol/Lとなるように、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を有機溶媒に溶解させたものを用いた。有機溶媒は、エチレンカーボネート(EC)及びジエチルカーボネート(DEC)を、EC:DEC=3:7(体積比)の割合で混合したものを用いた。 A positive electrode tab and a negative electrode tab were welded to the obtained power generation element, respectively, and an electrolyte solution was injected into the exterior made of a laminate film containing aluminum with a syringe, followed by vacuum sealing to obtain a lithium ion secondary battery. Incidentally, the electrolyte concentration is such that 1 mol / L, was used by dissolving lithium hexafluorophosphate (LiPF 6) in an organic solvent. As the organic solvent, a mixture of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) in a ratio of EC: DEC = 3: 7 (volume ratio) was used.
[実施例2]
負極活物質層の組成を負極活物質87.5質量%と、負極用導電助剤5質量%と、負極用バインダ7.5質量%とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン電池を作製した。
[Example 2]
A lithium ion battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the composition of the negative electrode active material layer was 87.5% by mass of the negative electrode active material, 5% by mass of the conductive additive for negative electrode, and 7.5% by mass of the binder for negative electrode. Was made.
[比較例1]
負極活物質層の組成を負極活物質91質量%と、負極用導電助剤4質量%と、負極用バインダ5質量%とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン電池を作製した。
[Comparative Example 1]
A lithium ion battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the composition of the negative electrode active material layer was 91% by mass of the negative electrode active material, 4% by mass of the conductive additive for negative electrode, and 5% by mass of the binder for negative electrode.
[比較例2]
負極活物質層の組成を負極活物質95質量%と、負極用導電助剤4質量%と、負極用バインダ1質量%とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン電池を作製した。
[Comparative Example 2]
A lithium ion battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the composition of the negative electrode active material layer was 95% by mass of the negative electrode active material, 4% by mass of the conductive additive for negative electrode, and 1% by mass of the binder for negative electrode.
[評価]
(シリコン系負極活物質の比表面積SA)
シリコン系負極活物質の比表面積SAは上述のようにして得られたシリコン系負極活物質をそのまま用いてBET比表面積を測定した。BET比表面積は、JIS Z8830:2013に準じて測定した。具体的には、BET比表面積は、静的容量法により、窒素ガスを吸着ガスとして測定し、多点法により解析した。
[Evaluation]
(Specific surface area S A of silicon-based negative electrode active material)
The specific surface area S A of the silicon-based negative active material and the BET specific surface are used as the silicon-based negative active material obtained as described above. The BET specific surface area was measured according to JIS Z8830: 2013. Specifically, the BET specific surface area was measured by a multipoint method by measuring nitrogen gas as an adsorbed gas by a static capacity method.
(バインダの比表面積SB)
乾燥後の負極活物質層の厚さが30μmとなるように、上記ポリアミック酸をガラス板に均一に塗布した。そして、真空中で24時間乾燥させ、さらに真空中300℃で1時間乾燥焼成を行った。そして、熱処理により形成されたバインダをガラス板から削ぎ落として粉末状にして回収し、BET比表面積を測定した。BET比表面積は、上記と同様に、JIS Z8830に準じて測定した。なお、SBは、バインダを形成する材料と熱処理温度が同一であれば、略同一の値となる。
(Binder specific surface area S B )
The polyamic acid was uniformly applied to a glass plate so that the thickness of the negative electrode active material layer after drying was 30 μm. Then, it was dried in vacuum for 24 hours, and further dried and fired at 300 ° C. in vacuum for 1 hour. Then, the binder formed by the heat treatment was scraped off from the glass plate and recovered in a powder form, and the BET specific surface area was measured. The BET specific surface area was measured according to JIS Z8830 as described above. Incidentally, S B, if the material and heat treatment temperature for forming the binder are the same, a substantially same value.
(バインダに被覆されたシリコン系負極活物質の比表面積SC)
まず、実施例のようにして作製した電極スラリーを準備した。次に、乾燥後の負極活物質層の厚さが30μmとなるように、上記電極スラリーをガラス板に均一に塗布した。そして、真空中で24時間乾燥させ、さらに真空中300℃で1時間乾燥焼成を行った。そして、熱処理により形成されたバインダに被覆されたシリコン系負極活物質をガラス板から削ぎ落として粉末状にして回収し、BET比表面積を測定した。BET比表面積は、上記と同様に、JIS Z8830に準じて測定した。なお、SAの測定に用いたシリコン系負極活物質と、SCの測定に用いたバインダに被覆されたシリコン系負極活物質の平均粒子径は略同一である。
(Specific surface area S C of silicon-based negative electrode active material coated with binder)
First, an electrode slurry prepared as in the example was prepared. Next, the electrode slurry was uniformly applied to a glass plate so that the thickness of the negative electrode active material layer after drying was 30 μm. Then, it was dried in vacuum for 24 hours, and further dried and fired at 300 ° C. in vacuum for 1 hour. And the silicon type negative electrode active material coat | covered with the binder formed by heat processing was scraped off from the glass plate, and it collect | recovered in powder form, and measured the BET specific surface area. The BET specific surface area was measured according to JIS Z8830 as described above. Incidentally, a silicon-based negative active material used for the measurement of S A, the average particle size of the silicon-based negative active material coated binder used for the measurement of S C is substantially the same.
(引張弾性率)
負極用バインダの引張弾性率は、JIS K7161−1:2014(ISO 527−1:2012)に準じて測定した。なお、試験温度23±2℃、試験速度1mm/minで測定した。
(Tensile modulus)
The tensile modulus of the negative electrode binder was measured according to JIS K7161-1: 2014 (ISO 527-1: 2012). The measurement was performed at a test temperature of 23 ± 2 ° C. and a test speed of 1 mm / min.
(放電容量維持率)
放電容量維持率は、以下のようにして測定した。まず、室温下(25℃)で、最低電圧が0.01Vとなるまで0.1Cで定電流充電した後、最高電圧が2.0Vとなるまで1.0Cで定電流放電する充放電サイクルを1サイクル行った。その後、放電レートを0.3Cとした以外は1サイクル目と同様にして充放電をさらに99サイクル行った。そして、1サイクル目と100サイクル目において、2.0Vから0.01Vまで放電した時の放電容量を測定し、100サイクル目の放電容量に対する1サイクル目の放電容量の割合を放電容量維持率とした。
(Discharge capacity maintenance rate)
The discharge capacity retention rate was measured as follows. First, at room temperature (25 ° C.), after charging at a constant current of 0.1 C until the minimum voltage reaches 0.01 V, a charge / discharge cycle is performed at a constant current of 1.0 C until the maximum voltage reaches 2.0 V. One cycle was performed. Thereafter, 99 cycles were further charged and discharged in the same manner as in the first cycle except that the discharge rate was 0.3C. Then, in the first cycle and the 100th cycle, the discharge capacity when discharging from 2.0 V to 0.01 V is measured, and the ratio of the discharge capacity of the first cycle to the discharge capacity of the 100th cycle is defined as the discharge capacity maintenance rate. did.
上記のようにして作製した実施例及び比較例におけるリチウムイオン電池の評価結果を表1及び図2に示す。 Table 1 and FIG. 2 show the evaluation results of the lithium ion batteries in Examples and Comparative Examples produced as described above.
表1及び図2に示すように、実施例1及び実施例2の負極では、(SA―SC)/(SA−SB)の値が0.5以上であるため、放電容量維持率がそれぞれ98.2%及び92.3%となり、優れたサイクル特性を示すこと分かった。一方、比較例1及び比較例2の負極では、(SA―SC)/(SA−SB)の値が0.5未満であるため、放電容量維持率がそれぞれ13.2%及び10%となり、実施例1及び実施例2と比較して十分なサイクル特性が得られなかった。すなわち、実施例1及び実施例2の負極では、シリコン系負極活物質に対するバインダの被覆率が所定の値以上であるため、優れたサイクル特性を有する負極が得られたと考えられる。 As shown in Table 1 and FIG. 2, in the negative electrodes of Example 1 and Example 2, the value of (S A −S C ) / (S A −S B ) was 0.5 or more, so that the discharge capacity was maintained. The ratios were 98.2% and 92.3%, respectively, indicating excellent cycle characteristics. On the other hand, in the negative electrodes of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, since the value of (S A -S C ) / (S A -S B ) is less than 0.5, the discharge capacity retention rate is 13.2% and It was 10%, and sufficient cycle characteristics were not obtained as compared with Example 1 and Example 2. That is, in the negative electrodes of Example 1 and Example 2, since the binder coverage with respect to the silicon-based negative electrode active material is a predetermined value or more, it is considered that a negative electrode having excellent cycle characteristics was obtained.
以上、本発明を実施例及び比較例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。 Although the present invention has been described with reference to the examples and comparative examples, the present invention is not limited to these, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention.
10 リチウムイオン二次電池用負極
100 リチウムイオン二次電池
10 Lithium ion secondary battery
Claims (4)
前記シリコン系負極活物質を被覆するバインダと、
を備え、
前記シリコン系負極活物質の比表面積をSA、前記バインダの比表面積をSB、前記バインダに被覆された前記シリコン系負極活物質の比表面積をSCとしたときに、0.5≦(SA―SC)/(SA−SB)の関係を満たすリチウムイオン二次電池用負極。 A silicon-based negative electrode active material;
A binder covering the silicon-based negative electrode active material;
With
The silicon-based negative active specific surface area S A of the material, the specific surface area S B of the binder, the specific surface area of the silicon-based negative active material coated on the binder when the S C, 0.5 ≦ ( A negative electrode for a lithium ion secondary battery satisfying the relationship of S A -S C ) / (S A -S B ).
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