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JP4954902B2 - Non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Description

本発明は、リチウム二次電池などの非水電解液二次電池に関する。   The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery such as a lithium secondary battery.

リチウム二次電池の負極活物質には、一般にグラファイトが使用されている。しかし、近年の電子機器の多機能化に伴いその消費電力が著しく増加しており、大容量の二次電池がますます必要となっていることから、グラファイトを用いている限り、近い将来そのニーズに応えるのは困難である。そこで、グラファイトよりも高容量の材料であるSi系物質からなる負極活物質の開発が活発になされている。しかし、Si系物質からなる負極活物質は、充放電に伴う膨張収縮の程度が大きく、それに起因して微粉化が起こりやすい。   In general, graphite is used as a negative electrode active material of a lithium secondary battery. However, with the recent increase in functionality of electronic devices, their power consumption has increased remarkably, and the need for large-capacity secondary batteries is increasing. It is difficult to meet. Therefore, development of a negative electrode active material made of a Si-based material, which is a material having a higher capacity than graphite, has been actively conducted. However, the negative electrode active material made of a Si-based material has a large degree of expansion / contraction due to charge / discharge, and thus is easily pulverized.

ところでSi系の負極活物質は、電池の充電時にその表面において電解液を分解することが知られている。この分解によって活物質の表面にはSEI(solid electrolyte interface)と呼ばれる被膜が形成される。SEIの形成は不可逆反応であり、活物質の表面にひとたびSEIが形成されるとそこに残存する。上述のとおり、Si系の負極活物質は充放電に伴い微粉化しやすいことから、充放電の度に新生面、即ちSEIが形成されやすい面が新たに生成する。この新生面にSEIが形成され、更には既に形成されたSEI上に新たなSEIが堆積することもある。これらの結果、充放電の繰り返しと共に活物質表面へのリチウムイオンの到達がSEIによって次第に妨げられ、電極反応が阻害されることがある。またSEIの形成によって電解液の量が減少することもある。これらのことに起因して、電池のサイクル特性を向上させることが容易でなくなる。   By the way, it is known that the Si-based negative electrode active material decomposes the electrolyte solution on the surface of the battery when it is charged. By this decomposition, a film called SEI (solid electrolyte interface) is formed on the surface of the active material. The formation of SEI is an irreversible reaction, and once SEI is formed on the surface of the active material, it remains there. As described above, since the Si-based negative electrode active material is easily pulverized with charge / discharge, a new surface, that is, a surface on which SEI is likely to be formed is newly generated each time the charge / discharge is performed. SEI is formed on the new surface, and new SEI may be deposited on the already formed SEI. As a result, with the repetition of charge and discharge, the arrival of lithium ions to the active material surface is gradually hindered by SEI, and the electrode reaction may be inhibited. Also, the amount of electrolyte may decrease due to the formation of SEI. For these reasons, it is not easy to improve the cycle characteristics of the battery.

電解液の分解を防止する観点から、電解液に用いられる非水溶媒として4−フルオロ−エチレンカーボネートを用いることが提案されている(特許文献1及び2参照)。これらの特許文献においては、4−フルオロ−エチレンカーボネートは、直鎖系のカーボネートであるジエチルカーボネートやジメチルカーボネートと併用されている。しかし、これらの文献においては4−フルオロ−エチレンカーボネートと直鎖系のカーボネートを、両者の配合割合が大凡1:1となるように用いていることから、電解液の粘性率が高まり、それに起因してレート特性が低下しやすい。   From the viewpoint of preventing the decomposition of the electrolytic solution, it has been proposed to use 4-fluoro-ethylene carbonate as a non-aqueous solvent used in the electrolytic solution (see Patent Documents 1 and 2). In these patent documents, 4-fluoro-ethylene carbonate is used in combination with diethyl carbonate and dimethyl carbonate which are linear carbonates. However, in these documents, 4-fluoro-ethylene carbonate and linear carbonate are used so that the blending ratio of both is approximately 1: 1. As a result, the rate characteristics are likely to deteriorate.

US2006/0099515A1US2006 / 0099515A1 US2006/0134524A1US2006 / 0134524A1

本発明は、正極及び負極並びに非水溶媒にリチウム塩が溶解してなる非水電解液を有する非水電解液二次電池において、
前記負極が、集電体と、その少なくとも一面に形成された、Siを含有する活物質を含む活物質層を有し、
前記非水溶媒が、下記式(1)で表される化合物及び下記式(2)で表される化合物を含み、該非水溶媒に占める式(1)で表される化合物の割合が15〜40体積%であり、該非水溶媒に占める式(2)で表される化合物の割合が55〜85体積%であることを特徴とする非水電解液二次電池を提供するものである。
The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery having a non-aqueous electrolyte solution in which a lithium salt is dissolved in a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous solvent.
The negative electrode has an active material layer including a current collector and an active material containing Si formed on at least one surface thereof,
The non-aqueous solvent contains a compound represented by the following formula (1) and a compound represented by the following formula (2), and the ratio of the compound represented by the formula (1) in the non-aqueous solvent is 15 to 40 Ri vol% der, in which the proportion of the compound represented by formula (2) occupying the non-aqueous solvent to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery, characterized 55-85 vol% der Rukoto.

Figure 0004954902
Figure 0004954902

本発明の非水電解液二次電池に用いられる負極の一実施形態の断面構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross-sectional structure of one Embodiment of the negative electrode used for the nonaqueous electrolyte secondary battery of this invention. 図1に示す負極の製造方法を示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing method of the negative electrode shown in FIG.

以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき説明する。本発明の非水電解液二次電池(以下、単に二次電池又は電池ともいう)は、その基本構成部材として、正極、負極及びこれらの間に配されたセパレータを有している。正極と負極との間はセパレータを介して非水電解液で満たされている。本発明の電池は、これら基本構成部材を備えた円筒型、角型、コイン型等の形態であり得る。しかしこれらの形態に制限されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described based on preferred embodiments thereof. The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention (hereinafter also simply referred to as a secondary battery or a battery) has a positive electrode, a negative electrode, and a separator disposed between them as its basic constituent members. The space between the positive electrode and the negative electrode is filled with a non-aqueous electrolyte via a separator. The battery of the present invention may be in the form of a cylindrical shape, a square shape, a coin shape or the like provided with these basic components. However, it is not limited to these forms.

本発明の電池に用いられる正極は、例えば集電体の少なくとも一面に正極活物質層が形成されてなるものである。正極活物質層には活物質が含まれている。この活物質としては、例えばリチウム遷移金属複合酸化物が用いられる。リチウム遷移金属複合酸化物としてはLiCoO2、LiNiO2、LiMn24、LiMnO2、LiCo0.5Ni0.52、LiNi0.7Co0.2Mn0.12、LiNi1/3Co1/3Mn1/32、Li(LixMn2xCo1-3x)O2(式中、xは0<x<1/3である)などが用いられる。しかしこれらに制限されるものではない。これら正極活物質は一種又は二種以上を組み合わせて用いることができる。The positive electrode used in the battery of the present invention has, for example, a positive electrode active material layer formed on at least one surface of a current collector. The positive electrode active material layer contains an active material. As this active material, for example, a lithium transition metal composite oxide is used. LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiMnO 2 , LiCo 0.5 Ni 0.5 O 2 , LiNi 0.7 Co 0.2 Mn 0.1 O 2 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , Li (Li x Mn 2x Co 1-3x ) O 2 (where x is 0 <x <1/3) or the like is used. However, it is not limited to these. These positive electrode active materials can be used singly or in combination of two or more.

上述の各種正極活物質のうち、LiCoO2のようにLi及びCoを構成元素として含有するものは、リチウムの吸蔵時に収縮し、放出時に膨張する性質を有している。一方、LiNiO2のようにNiを構成元素として含有するものや、LiMn24のようにMnを構成元素として含有するものは、リチウムの吸蔵時に膨張するか、又はリチウム吸蔵時の収縮の程度が、Li及びCoを構成元素として含有するリチウム遷移金属複合酸化物よりも小さいという性質を有している。Among the various positive electrode active materials described above, materials containing Li and Co as constituent elements such as LiCoO 2 have the property of contracting when lithium is occluded and expanding when released. On the other hand, those containing Ni as a constituent element such as LiNiO 2 and those containing Mn as a constituent element such as LiMn 2 O 4 are expanded when lithium is occluded or the degree of contraction when lithium is occluded However, it has the property that it is smaller than the lithium transition metal complex oxide containing Li and Co as constituent elements.

本発明に用いられる正極は、前記の正極活物質を、アセチレンブラック等の導電剤及びポリフッ化ビニリデン等の結着剤と共に適当な溶媒に懸濁させて正極合剤を作製し、これをアルミニウム箔等の集電体の少なくとも一面に塗布、乾燥した後、ロール圧延、プレスすることにより得られる。   The positive electrode used in the present invention is prepared by suspending the positive electrode active material in a suitable solvent together with a conductive agent such as acetylene black and a binder such as polyvinylidene fluoride to produce a positive electrode mixture, which is an aluminum foil. It is obtained by applying and drying on at least one surface of a current collector such as roll rolling and pressing.

前記の方法で正極を製造する場合、前記のリチウム遷移金属複合酸化物はその一次粒子径の平均値が5μm以上10μm以下であることが、充填密度と反応面積との兼ね合いから好ましい。また結着剤として用いられるポリフッ化ビニリデンはその重量平均分子量が350,000以上2,000,000以下であることが、低温環境での放電特性を向上させ得る点から好ましい。   When the positive electrode is produced by the above method, the lithium transition metal composite oxide preferably has an average primary particle diameter of 5 μm or more and 10 μm or less in view of the packing density and the reaction area. The polyvinylidene fluoride used as the binder preferably has a weight average molecular weight of 350,000 or more and 2,000,000 or less from the viewpoint of improving discharge characteristics in a low temperature environment.

本発明の電池に用いられる負極は、例えば集電体の少なくとも一面に負極活物質層が形成されてなるものである。負極活物質層には活物質が含まれている。この活物質として本発明において用いられるものは、Siを含有する物質である。本発明の二次電池は、負極活物質としてSiを含有する物質を用い、これを後述する非水溶媒と組み合わせる点に特徴の一つを有する。その詳細については後述する。   The negative electrode used in the battery of the present invention has, for example, a negative electrode active material layer formed on at least one surface of a current collector. The negative electrode active material layer contains an active material. The active material used in the present invention is a substance containing Si. The secondary battery of the present invention is characterized in that a substance containing Si is used as a negative electrode active material and this is combined with a nonaqueous solvent described later. Details thereof will be described later.

Siを含有する負極活物質はリチウムイオンの吸蔵放出が可能なものである。Siを含む負極活物質は、リチウムの吸蔵時に膨張し、放出時に収縮する性質を有している。この膨張収縮の程度は、従来リチウム二次電池の負極活物質として用いられてきた炭素系材料に比較して極めて大きいものである。Siを含有する負極物質の例としては、シリコン単体、シリコンと金属との合金、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコンホウ化物などを用いることができる。これらの材料はそれぞれ単独で、あるいはこれらを混合して用いることができる。前記の金属としては、例えばCu、Ni、Co、Cr、Fe、Ti、Pt、W、Mo及びAuからなる群から選択される1種類以上の元素が挙げられる。これらの金属のうち、Cu、Ni、Coが好ましく、特に電子伝導性に優れる点、及びリチウム化合物の形成能の低さの点から、Cu、Niを用いることが望ましい。特に好ましいSiを含む負極活物質は、リチウムの吸蔵量の高さの点からシリコン単体又はシリコン酸化物である。   The negative electrode active material containing Si is capable of occluding and releasing lithium ions. The negative electrode active material containing Si has a property of expanding when lithium is occluded and contracting when released. The degree of expansion and contraction is extremely large as compared with the carbon-based material that has been used as the negative electrode active material of the conventional lithium secondary battery. As an example of the negative electrode material containing Si, silicon alone, an alloy of silicon and metal, silicon oxide, silicon nitride, silicon boride and the like can be used. These materials can be used alone or in combination. Examples of the metal include one or more elements selected from the group consisting of Cu, Ni, Co, Cr, Fe, Ti, Pt, W, Mo, and Au. Among these metals, Cu, Ni, and Co are preferable, and Cu and Ni are preferably used from the viewpoint of excellent electronic conductivity and a low ability to form a lithium compound. A particularly preferable negative electrode active material containing Si is silicon alone or silicon oxide from the viewpoint of high lithium storage capacity.

Siを含む負極活物質は、電池の充電開始前においてリチウムを含有していることが好ましい。これによって充放電開始前において負極活物質にリチウムが不可逆容量として蓄積された状態になる。したがって充放電は、負極活物質にリチウムが吸蔵された状態から開始されるので、充放電がほぼ100%可逆的に行われるようになる。しかも、Si系の材料は電子伝導性が低いものであるところ、放電時には、負極活物質中にリチウムが常時吸蔵された状態になっているので、その電子伝導性が向上し、負極の分極が小さくなる。これによって、放電末期における負極の電圧の急激な低下が起こりにくくなる。   The negative electrode active material containing Si preferably contains lithium before the start of battery charging. As a result, lithium is accumulated as an irreversible capacity in the negative electrode active material before the start of charge / discharge. Therefore, since charging / discharging is started from the state in which lithium is occluded in the negative electrode active material, charging / discharging is performed reversibly almost 100%. Moreover, since Si-based materials have low electron conductivity, during discharge, lithium is constantly occluded in the negative electrode active material, so that the electron conductivity is improved and the negative electrode polarization is reduced. Get smaller. This makes it difficult for the voltage of the negative electrode to rapidly decrease at the end of discharge.

Siを含む負極活物質が、電池の充電開始前においてリチウムを含有していることは、負極活物質の表面における、リチウム挿入反応時(充電時)に、過電圧を低く抑えられるという点からも有利である。過電圧を低く抑えられることで、過剰なSEI形成のような副反応を防ぐことができるからである。   The fact that the negative electrode active material containing Si contains lithium before the start of charging of the battery is advantageous in that overvoltage can be kept low during the lithium insertion reaction (during charging) on the surface of the negative electrode active material. It is. This is because, by suppressing the overvoltage to a low level, side reactions such as excessive SEI formation can be prevented.

充電開始前からSiを含む負極活物質にリチウムを含有させておくためには、例えば負極を電池に組み込む前に、又は組み込んだ後であってかつ充電開始前に、公知の手段によってSiを含む負極活物質に対してリチウムを吸蔵させればよい。リチウムを吸蔵させる手段としては、例えば本出願人の先の出願に係るWO2006/100794A1に記載の方法や、US5556721Aに記載の方法を用いることができる。また、リチウム塩を含む非水溶媒に、リチウム吸蔵前の負極及び金属リチウムを、導電性材料製のメッシュを介して浸漬させ、負極と金属リチウムとを電気化学的に短絡させることでもリチウムを吸蔵させることができる。この場合、吸蔵量の制御は、環境温度、メッシュサイズ、メッシュの材質、非水溶媒の構成、浸漬時間により可能である。いずれの方法を採用する場合でも、リチウムの吸蔵量は、負極活物質の初期充電理論容量に対して好ましくは10〜40%、更に好ましくは20〜40%、一層好ましくは25〜35%に設定する。本実施形態では負極活物質としてシリコンを含む材料を用いているところ、理論的にはシリコンは組成式SiLi4.4で表される状態までリチウムを吸蔵するので、リチウムの吸蔵量が、シリコンの初期充電理論容量に対して100%であるとは、組成式SiLi4.4で表される状態までリチウムがシリコンに吸蔵されることをいう。In order to allow lithium to be contained in the negative electrode active material containing Si from the start of charging, for example, Si is contained by a known means before or after incorporating the negative electrode into the battery and before the start of charging. What is necessary is just to occlude lithium with respect to a negative electrode active material. As a means for occluding lithium, for example, the method described in WO2006 / 100794A1 and the method described in US5556721A according to the previous application of the present applicant can be used. In addition, the negative electrode and metallic lithium before occlusion of lithium are immersed in a non-aqueous solvent containing lithium salt through a mesh made of a conductive material, and the negative electrode and metallic lithium are electrochemically short-circuited to occlude lithium. Can be made. In this case, the occlusion amount can be controlled by the environmental temperature, the mesh size, the mesh material, the configuration of the nonaqueous solvent, and the immersion time. Whichever method is employed, the lithium storage amount is preferably set to 10 to 40%, more preferably 20 to 40%, and still more preferably 25 to 35% with respect to the initial charge theoretical capacity of the negative electrode active material. To do. In the present embodiment, when a material containing silicon is used as the negative electrode active material, theoretically, silicon occludes lithium to the state represented by the composition formula SiLi 4.4. Therefore, the occlusion amount of lithium is the initial charge of silicon. 100% of the theoretical capacity means that lithium is occluded by silicon to the state represented by the composition formula SiLi 4.4 .

負極活物質層は、例えば、前記の負極活物質からなる連続薄膜層であり得る。この場合、化学気相蒸着法、物理気相蒸着法、スパッタリング法等の各種薄膜形成手段によって、集電体の少なくとも一面に薄膜からなる負極活物質層が形成される。この薄膜をエッチングしてその厚み方向に延びる空隙を多数形成してもよい。エッチングには、水酸化ナトリウム水溶液等を用いた湿式エッチング法の他、ドライガスやプラズマ等を用いた乾式エッチング法が採用できる。連続薄膜層の形態以外に、負極活物質層は、前記の負極活物質の粒子を含む塗膜層、前記の負極活物質の粒子を含む焼結体層等であり得る。また、後述する図1に示す構造の層であり得る。   The negative electrode active material layer can be, for example, a continuous thin film layer made of the negative electrode active material. In this case, the negative electrode active material layer made of a thin film is formed on at least one surface of the current collector by various thin film forming means such as chemical vapor deposition, physical vapor deposition, and sputtering. The thin film may be etched to form a large number of voids extending in the thickness direction. In addition to the wet etching method using a sodium hydroxide aqueous solution or the like, a dry etching method using a dry gas or plasma can be employed for the etching. In addition to the form of the continuous thin film layer, the negative electrode active material layer may be a coating layer containing particles of the negative electrode active material, a sintered body layer containing particles of the negative electrode active material, or the like. Moreover, it may be a layer having a structure shown in FIG.

本発明の二次電池におけるセパレータとしては、合成樹脂製不織布、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン、又はポリテトラフルオロエチレンの多孔質フィルム等が好ましく用いられる。電池の過充電時に生じる電極の発熱を抑制する観点からは、ポリオレフィン微多孔膜の片面又は両面にフェロセン誘導体の薄膜が形成されてなるセパレータを用いることが好ましい。セパレータは、突刺強度が0.2N/μm厚以上0.49N/μm厚以下であり、巻回軸方向の引張強度が40MPa以上150MPa以下であることが好ましい。充放電に伴い大きく膨張・収縮する負極活物質であるSi系の物質を用いても、セパレータの損傷を抑制することができ、内部短絡の発生を抑制することができるからである。   As the separator in the secondary battery of the present invention, a synthetic resin nonwoven fabric, a polyolefin such as polyethylene or polypropylene, or a polytetrafluoroethylene porous film is preferably used. From the viewpoint of suppressing the heat generation of the electrode that occurs when the battery is overcharged, it is preferable to use a separator in which a thin film of a ferrocene derivative is formed on one side or both sides of a polyolefin microporous membrane. The separator preferably has a puncture strength of 0.2 N / μm thickness or more and 0.49 N / μm thickness or less, and a tensile strength in the winding axis direction of 40 MPa or more and 150 MPa or less. This is because even when a Si-based material that is a negative electrode active material that expands and contracts greatly with charge and discharge is used, damage to the separator can be suppressed, and occurrence of internal short circuits can be suppressed.

非水電解液は、支持電解質であるリチウム塩を非水溶媒に溶解した溶液からなる。本発明の二次電池は、非水溶媒の種類に特徴の一つを有する。具体的には、非水溶媒は、前記の式(1)及び(2)で表される化合物を含むものである。本発明の二次電池においては負極活物質としてSiを含有する物質を用いることは先に述べたとおりであるところ、Siを含有する負極活物質は充電時に非水溶媒を分解する性質を有している。この分解を防止する観点から、本発明においては前記の各化合物を含む非水溶媒、即ちフッ素化された非水溶媒を用いている。   The nonaqueous electrolytic solution is a solution in which a lithium salt as a supporting electrolyte is dissolved in a nonaqueous solvent. The secondary battery of the present invention has one of the characteristics in the type of the non-aqueous solvent. Specifically, the non-aqueous solvent contains the compounds represented by the above formulas (1) and (2). In the secondary battery of the present invention, as described above, the material containing Si is used as the negative electrode active material. The negative electrode active material containing Si has a property of decomposing a nonaqueous solvent during charging. ing. From the viewpoint of preventing this decomposition, in the present invention, a non-aqueous solvent containing each of the above compounds, that is, a fluorinated non-aqueous solvent is used.

リチウム二次電池に用いられる非水溶媒は一般にフッ素化されると、フッ素原子の有するバルキーな立体障害性に起因して、フッ素化前に比較してその粘性率が高くなる。また、電気陰性度の強いフッ素が導入されることで、極性及び分子間相互作用が強くなる。分子間相互作用が強くなることは、粘性率の増加につながる。極性が強くなることは、誘電率の増加につながる。粘性率の増加は、導電率の低下による電池の内部抵抗の増大をもたらし、レート特性が低下するなどマイナスの方向に作用する。一方、誘電率の増加は導電率を高めるというプラスの方向に作用する。粘性率の増加に起因するマイナスの作用と、誘電率の増加に起因するプラスの作用とを比較すると、粘性率の増加に起因するマイナスの作用の方が大きい傾向が認められる。そこで、フッ素化された非水溶媒の使用量を低減させて粘性率の増大を防止しようとすると、非水混合溶媒全体の導電率が低下し、電池の内部抵抗が増加してしまう。この理由は、式(1)で表される化合物自体が式(2)で表される化合物よりも誘電率が高いという特徴を有するためである。これらの事情を勘案して、本発明においては、非水溶媒に占める式(1)で表される化合物の割合を従来よりも低い値である15〜40体積%に設定し、好ましくは20〜40体積%、更に好ましくは25〜40体積%、一層好ましくは25〜35体積%に設定する。これによって、電池の内部抵抗の増大及び充放電のレート特性の低下を抑制しつつ、非水溶媒の分解を防止、ひいてはサイクル特性の向上が可能となる。一方、非水溶媒に占める式(2)で表される化合物の割合を、従来よりも高い割合である55〜85体積%に設定し、好ましくは55〜80体積%、更に好ましくは55〜75体積%、一層好ましくは65〜75体積%に設定する。式(2)で表される化合物は、式(1)で表される化合物に比較して粘性率の低い物質であることから、その使用割合を高めることで、非水電解液全体としての粘性率の上昇が抑制される。本明細書において「体積」とは25℃における体積を意味する。   When a non-aqueous solvent used for a lithium secondary battery is generally fluorinated, the viscosity is higher than before fluorination due to the bulky steric hindrance of fluorine atoms. In addition, the introduction of fluorine with strong electronegativity increases the polarity and intermolecular interaction. A stronger intermolecular interaction leads to an increase in viscosity. A stronger polarity leads to an increase in dielectric constant. The increase in the viscosity causes an increase in the internal resistance of the battery due to the decrease in the conductivity, and acts in a negative direction such as a decrease in rate characteristics. On the other hand, an increase in the dielectric constant acts in the positive direction of increasing the conductivity. Comparing the negative effect resulting from the increase in the viscosity and the positive effect resulting from the increase in the dielectric constant, the negative effect resulting from the increase in the viscosity tends to be larger. Therefore, if an attempt is made to reduce the amount of the fluorinated nonaqueous solvent to prevent an increase in the viscosity, the conductivity of the entire nonaqueous mixed solvent is lowered, and the internal resistance of the battery is increased. This is because the compound itself represented by the formula (1) has a characteristic that the dielectric constant is higher than that of the compound represented by the formula (2). In consideration of these circumstances, in the present invention, the ratio of the compound represented by the formula (1) in the non-aqueous solvent is set to 15 to 40% by volume, which is a lower value than conventional, and preferably 20 to It is set to 40% by volume, more preferably 25 to 40% by volume, and still more preferably 25 to 35% by volume. As a result, it is possible to prevent decomposition of the non-aqueous solvent and thus improve cycle characteristics while suppressing an increase in the internal resistance of the battery and a decrease in charge / discharge rate characteristics. On the other hand, the proportion of the compound represented by the formula (2) in the non-aqueous solvent is set to 55 to 85% by volume, which is a higher rate than before, preferably 55 to 80% by volume, more preferably 55 to 75%. Volume% is set, more preferably 65 to 75 volume%. Since the compound represented by the formula (2) is a substance having a lower viscosity than the compound represented by the formula (1), the viscosity of the non-aqueous electrolyte as a whole can be increased by increasing its use ratio. The rate increase is suppressed. In this specification, “volume” means a volume at 25 ° C.

本実施形態においては、式(1)で表される化合物及び式(2)で表される化合物に加えて、非水電解液二次電池に従来用いられている他の非水溶媒を更に用いてもよい。例えば式(1)においてR1及びR2がいずれもHである化合物を用いてもよい。任意に併用し得る他の非水溶媒の量は、非水溶媒全体の体積に対して1〜50%、特に10〜30%とすることが好ましい。In the present embodiment, in addition to the compound represented by the formula (1) and the compound represented by the formula (2), another nonaqueous solvent conventionally used in nonaqueous electrolyte secondary batteries is further used. May be. For example, a compound in which R 1 and R 2 are both H in formula (1) may be used. The amount of other nonaqueous solvent that can be optionally used in combination is preferably 1 to 50%, particularly 10 to 30%, based on the total volume of the nonaqueous solvent.

本発明者らの検討の結果、式(1)で表される化合物においてR1及びR2のうちのいずれか一方のみがFであり、他方がHであると、即ち式(1)で表される化合物がモノフッ化化合物であると、その分解が一層防止され、サイクル特性が一層向上することが判明した。同様の理由により、式(2)で表される化合物に関しては、R3〜R6のいずれもがHであることが好ましいことが判明した。なお、式(1)で表される化合物にFが含まれていることで、電池の充電時に負極活物質の表面に安定なSEIが形成される。このSEI中にはLiFなどが形成されるので、これに起因して充放電を担うLiが一部消費されてしまう。したがって、負極活物質が電池の充放電開始前においてLiを含有していることは、そのLiが、消費されたLiの供給源になる点から有利である。As a result of the study by the present inventors, in the compound represented by formula (1), only one of R 1 and R 2 is F and the other is H, that is, represented by formula (1). It was found that when the compound to be obtained is a monofluorinated compound, its decomposition is further prevented and the cycle characteristics are further improved. For the same reason, it has been found that it is preferable that all of R 3 to R 6 are H for the compound represented by the formula (2). In addition, by including F in the compound represented by the formula (1), stable SEI is formed on the surface of the negative electrode active material when the battery is charged. Since LiF and the like are formed in this SEI, a part of Li responsible for charge / discharge is consumed due to this. Therefore, it is advantageous that the negative electrode active material contains Li before the start of charging / discharging of the battery in that the Li becomes a supply source of consumed Li.

式(2)で表される化合物に関しては、該化合物が、同式においてR3〜R6がHである化合物と、同式においてR3〜R6の少なくとも一つがFである化合物との混合物であることも好ましい。かかる混合物を用いることで、式(2)で表される化合物においてR3〜R6がHである化合物のみを用いる場合に比較して、容量維持率が一層向上するからである。かかる混合物を用いる場合、この観点から、式(2)で表される化合物においてR3〜R6の少なくとも一つがFである化合物の、非水溶媒に占める割合は10〜40体積%であることが好ましく、15〜30体積%であることが更に好ましい。一方、式(2)で表される化合物においてR3〜R6がHである化合物の、非水溶媒に占める割合は35〜65体積%であることが好ましく、45〜55体積%であることが更に好ましい。As for the compound represented by formula (2), the compound is a mixture of a compound in which R 3 to R 6 are H and a compound in which at least one of R 3 to R 6 is F in the formula It is also preferable. This is because by using such a mixture, the capacity retention rate is further improved as compared with the case where only the compound in which R 3 to R 6 are H in the compound represented by the formula (2). In the case of using such a mixture, from this viewpoint, the ratio of the compound represented by formula (2) in which at least one of R 3 to R 6 is F to the nonaqueous solvent is 10 to 40% by volume. Is preferable, and it is still more preferable that it is 15-30 volume%. On the other hand, the proportion of the compound represented by formula (2) in which R 3 to R 6 are H in the non-aqueous solvent is preferably 35 to 65% by volume, and 45 to 55% by volume. Is more preferable.

特に、前記の混合物を、式(1)で表される化合物においてR1及びR2のうちのいずれか一方のみがFであり、他方がHであるものと組み合わせて用いると、容量維持率が更に一層向上するので好ましい。In particular, when the above mixture is used in combination with a compound represented by the formula (1) in which only one of R 1 and R 2 is F and the other is H, the capacity retention ratio is increased. Further improvement is preferable.

なお式(2)で表される化合物がFを含む場合には、R3〜R6のいずれか一つのみがFであることが好ましい。特に、分子骨格における末端に位置する炭素に結合したR3及びR6のいずれか一方のみFであることが好ましい。In addition, when the compound represented by Formula (2) contains F, it is preferable that only any one of R < 3 > -R < 6 > is F. In particular, it is preferable that only one of R 3 and R 6 bonded to carbon located at the terminal in the molecular skeleton is F.

本実施形態においては、式(1)で表される化合物及び式(2)で表される化合物に加えて、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン(以下、DMIという)を用いることも好ましい。DMIを併用することで、電池の容量維持率の向上を図ることができる。非水溶媒中におけるDMIの使用量は、0.5〜1体積%であることが、電池内でのDMIの分解挙動を制御しつつ、電池の容量維持率を向上させる点から好ましい。   In this embodiment, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone (hereinafter referred to as DMI) may be used in addition to the compound represented by formula (1) and the compound represented by formula (2). preferable. By using DMI together, the capacity maintenance rate of the battery can be improved. The amount of DMI used in the non-aqueous solvent is preferably 0.5 to 1% by volume from the viewpoint of improving the capacity retention rate of the battery while controlling the decomposition behavior of DMI in the battery.

以上のとおり、本発明においては非水溶媒として式(1)及び(2)で表される化合物を併用することで、負極活物質として用いられるSiを含有する物質の表面における非水溶媒の分解を効果的に防止することができる。ところで、Siを含有する負極活物質は、電池の充電開始前からリチウムを含有した状態であることが好ましいことは先に述べたとおりであるところ、このような状態においては、充電時(即ち負極活物質へのリチウム挿入時)の過電圧を低く抑えられるので、負極活物質の表面に形成されるSEIが薄く且つ緻密なものになる傾向にある。このような薄く且つ緻密なSEIの形成は、充放電の度に生じる新たな活物質表面と非水溶媒との接触を抑制するので、連続的な非水溶媒の分解が起こりづらくなる。したがって、Siを含む負極活物質が電池の充電開始前からリチウムを含有している場合に、非水溶媒として式(1)及び(2)で表される化合物を併用することで、本発明の効果が一層顕著なものとなる。   As described above, in the present invention, by using the compounds represented by the formulas (1) and (2) together as a nonaqueous solvent, the decomposition of the nonaqueous solvent on the surface of the substance containing Si used as the negative electrode active material Can be effectively prevented. By the way, as described above, the negative electrode active material containing Si is preferably in a state containing lithium before the charging of the battery is started. Since the overvoltage during lithium insertion into the active material can be kept low, the SEI formed on the surface of the negative electrode active material tends to be thin and dense. The formation of such a thin and dense SEI suppresses contact between a new active material surface and a non-aqueous solvent that occurs each time charging / discharging, and therefore, continuous decomposition of the non-aqueous solvent is difficult to occur. Therefore, when the negative electrode active material containing Si contains lithium before the start of charging of the battery, the compounds represented by the formulas (1) and (2) are used in combination as non-aqueous solvents. The effect becomes even more remarkable.

Siを含有する負極活物質に関して先に述べたとおり、この活物質は、リチウムの吸蔵時に膨張し、放出時に収縮する性質を有している。一方、正極活物質に関して先に述べたとおり、Li及びCoを構成元素として含有するリチウム遷移金属複合酸化物はリチウムの吸蔵時に収縮し、放出時に膨張する性質を有している。つまり、このリチウム遷移金属複合酸化物と、Siを含有する負極活物質は、リチウムの吸蔵放出に関し、その体積変化が正反対の挙動を示す。したがって、本発明の電池の充電時には負極活物質が膨張し、正極活物質が収縮する。逆に、放電時には正極活物質が膨張し、負極活物質が収縮する。このように、充電時においては、負極活物質の膨張分の体積が正極活物質の収縮分の体積によって吸収され、逆に放電時においては、正極活物質の膨張分の体積が負極活物質の収縮分の体積によって吸収される。これによって、充電時及び放電時のいずれの場合においても、電池全体の体積変化に起因する応力の発生を抑えることができ、正極及び負極並びにセパレータ等が損傷を受けることが効果的に防止される。その結果、電池のサイクル特性が向上する。このように本発明においては、正極活物質として特定のものを用いることで、非水溶媒の分解防止によるサイクル特性の向上に加えて、電池全体の体積変化に起因する応力の発生の抑制によるサイクル特性の向上も図られる。   As described above regarding the negative electrode active material containing Si, this active material has a property of expanding when lithium is occluded and contracting when released. On the other hand, as described above regarding the positive electrode active material, the lithium transition metal composite oxide containing Li and Co as constituent elements has a property of contracting when lithium is occluded and expanding when released. That is, the lithium transition metal composite oxide and the Si-containing negative electrode active material exhibit the opposite behavior in terms of volume change with respect to insertion and release of lithium. Therefore, when the battery of the present invention is charged, the negative electrode active material expands and the positive electrode active material contracts. Conversely, during discharge, the positive electrode active material expands and the negative electrode active material contracts. Thus, during charging, the volume of expansion of the negative electrode active material is absorbed by the volume of contraction of the positive electrode active material. Conversely, during discharge, the volume of expansion of the positive electrode active material is the volume of the negative electrode active material. Absorbed by the volume of contraction. As a result, in both cases of charging and discharging, it is possible to suppress the generation of stress due to the volume change of the entire battery, and effectively prevent the positive electrode, the negative electrode, the separator, and the like from being damaged. . As a result, the cycle characteristics of the battery are improved. Thus, in the present invention, by using a specific positive electrode active material, in addition to improving the cycle characteristics by preventing the decomposition of the nonaqueous solvent, the cycle by suppressing the generation of stress due to the volume change of the whole battery The characteristics are also improved.

特に、負極におけるSiに対する、正極におけるCoの重量比(Co/Si)を好ましくは0.3〜5.5、更に好ましくは0.4〜2.5、一層好ましくは0.4〜1に設定することで、電池全体の体積変化に起因する応力の発生を一層効果的に抑えることができる。具体的には、Co/Siの重量比を0.3以上に設定することで、Co量の減少による正極起因のレート特性の低下を回避し、負極についても高いエネルギー密度(又は容量)が得られることとなる。またCo/Siの重量比を5.5以下に設定することで、充電時における正極活物質の収縮と負極活物質の膨張とのバランスが良好になり、十分に応力緩和されることとなる。   In particular, the weight ratio of Co in the positive electrode to Co in the negative electrode (Co / Si) is preferably set to 0.3 to 5.5, more preferably 0.4 to 2.5, and still more preferably 0.4 to 1. By doing so, it is possible to more effectively suppress the generation of stress due to the volume change of the entire battery. Specifically, by setting the weight ratio of Co / Si to 0.3 or more, a decrease in rate characteristics due to a decrease in the amount of Co is avoided, and a high energy density (or capacity) is also obtained for the negative electrode. Will be. Further, by setting the Co / Si weight ratio to 5.5 or less, the balance between the contraction of the positive electrode active material and the expansion of the negative electrode active material during charging becomes good, and the stress is sufficiently relaxed.

Li及びCoを構成元素として含有するリチウム遷移金属複合酸化物としてはLiCoO2が代表的なものであるが、本発明において用い得る該複合酸化物はこれに限られず、例えば以下の式(1)で表されるものを広く用いることができる。
LiCox1-x2 (1)
(式中、xは1未満の正数を示し、Mは金属元素を示す。)
LiCoO 2 is a typical lithium transition metal composite oxide containing Li and Co as constituent elements, but the composite oxide that can be used in the present invention is not limited to this. For example, the following formula (1) Can be widely used.
LiCo x M 1-x O 2 (1)
(In the formula, x represents a positive number less than 1, and M represents a metal element.)

前記の式中、Mで表される金属元素としては、例えばCo以外の遷移金属元素及びLi以外の典型金属元素が挙げられる。遷移金属元素としては、例えばNi、Mn、Fe、V、Zr、Ti、Mo、W、Nb等が挙げられる。特に、遷移金属元素としてNi及び/又はMnを用いることが好ましい。一方、典型金属元素としては、例えばMg、Al、Gaが挙げられる。前記の複合酸化物におけるxは前述のとおり1未満の正数であり、好ましくは0.1〜0.4、更に好ましくは0.11〜0.30である。   In the above formula, examples of the metal element represented by M include transition metal elements other than Co and typical metal elements other than Li. Examples of the transition metal element include Ni, Mn, Fe, V, Zr, Ti, Mo, W, and Nb. In particular, it is preferable to use Ni and / or Mn as the transition metal element. On the other hand, examples of typical metal elements include Mg, Al, and Ga. As described above, x in the composite oxide is a positive number less than 1, preferably 0.1 to 0.4, and more preferably 0.11 to 0.30.

また、前記の複合酸化物に含まれるCoの量は、該複合酸化物に含まれる遷移金属元素の総量に対して好ましくは10〜40重量%、更に好ましくは10〜30重量%である。前記の複合酸化物におけるCoの量をこの範囲内に設定することにより、該複合酸化物がリチウムを吸蔵したときの収縮の程度を適切な範囲内にすることが可能となる。   The amount of Co contained in the composite oxide is preferably 10 to 40% by weight, more preferably 10 to 30% by weight, based on the total amount of transition metal elements contained in the composite oxide. By setting the amount of Co in the composite oxide within this range, it is possible to make the degree of shrinkage when the composite oxide occludes lithium within an appropriate range.

前記の複合酸化物の具体例としては、例えばLi(CoaMnbNic)O2(式中、a+b+c=1、0<a<1、0≦b<1、0≦c<1、但しbとcは同時に0にはならない)、Li(CoaFeb)O2(式中、a+b=1、0<a<1、0<b<1)、Li(Coab)O2(式中、a+b=1、0<a<1、0<b<1)などが挙げられる。これらの複合酸化物は単独で用いてもよく、あるいは二種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの複合酸化物のうち、リチウムの吸蔵放出に起因する体積変化が大きな材料を用いることが好ましい。その理由は、該複合酸化物と組み合わせて用いられる負極活物質であるSiを含む材料は、リチウムの吸蔵放出に起因する体積変化が大きい材料なので、該複合酸化物とSiを含む材料とで、電池全体の体積変化が相殺されやすいからである。この観点からの好ましい材料としては、例えばLiMn0.3Co0.4Ni0.32、LiMn0.45Co0.10Ni0.452、LiMn1/3Co1/3Ni1/32等が挙げられる。これらの材料は、公知の方法、例えば炭酸リチウムと遷移金属酸化物とを大気中で焼成することによって製造される。Specific examples of the composite oxide include, for example, Li (Co a Mn b Ni c ) O 2 (wherein a + b + c = 1, 0 <a <1, 0 ≦ b <1, 0 ≦ c <1, provided that b and c cannot be 0 at the same time), Li (Co a Fe b ) O 2 (where a + b = 1, 0 <a <1, 0 <b <1), Li (Co a V b ) O 2 (Wherein, a + b = 1, 0 <a <1, 0 <b <1). These composite oxides may be used alone or in combination of two or more. Of these composite oxides, it is preferable to use a material having a large volume change due to insertion and extraction of lithium. The reason for this is that the material containing Si, which is the negative electrode active material used in combination with the composite oxide, is a material that has a large volume change due to insertion and extraction of lithium. This is because volume changes of the entire battery are easily offset. Examples of preferable materials from this viewpoint include LiMn 0.3 Co 0.4 Ni 0.3 O 2 , LiMn 0.45 Co 0.10 Ni 0.45 O 2 , and LiMn 1/3 Co 1/3 Ni 1/3 O 2 . These materials are produced by a known method, for example, by baking lithium carbonate and a transition metal oxide in the atmosphere.

電池のサイクル特性を一層向上させる観点から、負極として、図1に示される構造のものを用いることが好ましい。同図に示す実施形態の負極10は、集電体11と、その少なくとも一面に形成された活物質層12を備えている。なお図1においては、便宜的に集電体11の片面にのみ活物質層12が形成されている状態が示されているが、活物質層は集電体の両面に形成されていてもよい。   From the viewpoint of further improving the cycle characteristics of the battery, it is preferable to use a negative electrode having the structure shown in FIG. The negative electrode 10 of the embodiment shown in the figure includes a current collector 11 and an active material layer 12 formed on at least one surface thereof. 1 shows a state in which the active material layer 12 is formed only on one side of the current collector 11 for convenience, the active material layer may be formed on both sides of the current collector. .

活物質層12においては、Siを含む活物質の粒子12aの表面の少なくとも一部が、リチウム化合物の形成能の低い金属材料で被覆されている。この金属材料13は、粒子12aの構成材料と異なる材料である。該金属材料で被覆された該粒子12aの間には空隙が形成されている。つまり該金属材料は、リチウムイオンを含む非水電解液が粒子12aへ到達可能なような隙間を確保した状態で該粒子12aの表面を被覆している。図1中、金属材料13は、粒子12aの周囲を取り囲む太線として便宜的に表されている。各粒子は他の粒子と直接ないし金属材料13を介して接触している。「リチウム化合物の形成能の低い」とは、リチウムと金属間化合物若しくは固溶体を形成しないか、又は形成したとしてもリチウムが微量であるか若しくは非常に不安定であることを意味する。   In the active material layer 12, at least a part of the surface of the active material particles 12 a containing Si is covered with a metal material having a low lithium compound forming ability. The metal material 13 is a material different from the constituent material of the particles 12a. Gaps are formed between the particles 12a coated with the metal material. That is, the metal material covers the surface of the particle 12a in a state in which a gap is ensured so that the non-aqueous electrolyte containing lithium ions can reach the particle 12a. In FIG. 1, the metal material 13 is conveniently represented as a thick line surrounding the periphery of the particle 12a. Each particle is in direct contact with other particles or through the metal material 13. “Low lithium compound forming ability” means that lithium does not form an intermetallic compound or solid solution, or even if formed, lithium is in a very small amount or very unstable.

金属材料13は導電性を有するものであり、その例としては銅、ニッケル、鉄、コバルト又はこれらの金属の合金などが挙げられる。特に金属材料13は、活物質の粒子12aが膨張収縮しても該粒子12aの表面の被覆が破壊されにくい延性の高い材料であることが好ましい。そのような材料としては銅を用いることが好ましい。   The metal material 13 has conductivity, and examples thereof include copper, nickel, iron, cobalt, and alloys of these metals. In particular, the metal material 13 is preferably a highly ductile material in which even if the active material particles 12a expand and contract, the coating on the surface of the particles 12a is not easily broken. It is preferable to use copper as such a material.

金属材料13は、活物質層12の厚み方向全域にわたって活物質の粒子12aの表面に存在していることが好ましい。そして金属材料13のマトリックス中に活物質の粒子12aが存在していることが好ましい。これによって、充放電によって該粒子12aが膨張収縮することに起因して微粉化しても、その脱落が起こりづらくなる。また、金属材料13を通じて活物質層12全体の電子伝導性が確保されるので、電気的に孤立した活物質の粒子12aが生成すること、特に活物質層12の深部に電気的に孤立した活物質の粒子12aが生成することが効果的に防止される。金属材料13が活物質層12の厚み方向全域にわたって活物質の粒子12aの表面に存在していることは、該材料13を測定対象とした電子顕微鏡マッピングによって確認できる。   The metal material 13 is preferably present on the surface of the active material particles 12 a over the entire thickness direction of the active material layer 12. The active material particles 12 a are preferably present in the matrix of the metal material 13. Thus, even if the particles 12a are pulverized due to expansion and contraction due to charge / discharge, the particles are less likely to fall off. In addition, since the electronic conductivity of the entire active material layer 12 is ensured through the metal material 13, the electrically isolated active material particles 12 a are generated, and in particular, the electrically isolated active material is deep in the active material layer 12. Generation of the particles 12a of the substance is effectively prevented. The presence of the metal material 13 on the surface of the active material particles 12a over the entire thickness direction of the active material layer 12 can be confirmed by electron microscope mapping using the material 13 as a measurement target.

金属材料13は、粒子12aの表面を連続に又は不連続に被覆している。金属材料13が粒子12aの表面を連続に被覆している場合には、金属材料13の被覆に、非水電解液の流通が可能な微細な空隙を形成することが好ましい。金属材料13が粒子12aの表面を不連続に被覆している場合には、粒子12aの表面のうち、金属材料13で被覆されていない部位を通じて該粒子12aへ非水電解液が供給される。このような構造の金属材料13の被覆を形成するためには、例えば後述する条件に従う電解めっきによって金属材料13を粒子12aの表面に析出させればよい。   The metal material 13 coats the surface of the particle 12a continuously or discontinuously. When the metal material 13 continuously covers the surfaces of the particles 12a, it is preferable to form fine voids in the coating of the metal material 13 that allow the non-aqueous electrolyte to flow. When the metal material 13 discontinuously coats the surface of the particle 12a, the non-aqueous electrolyte is supplied to the particle 12a through a portion of the surface of the particle 12a that is not covered with the metal material 13. In order to form the coating of the metal material 13 having such a structure, the metal material 13 may be deposited on the surfaces of the particles 12a by, for example, electrolytic plating in accordance with conditions described later.

活物質の粒子12aの表面を被覆している金属材料13は、その厚みの平均が好ましくは0.05〜2μm、更に好ましくは0.1〜0.25μmという薄いものである。つまり金属材料13は最低限の厚みで以て活物質の粒子12aの表面を被覆している。これによって、エネルギー密度を高めつつ、充放電によって粒子12aが膨張収縮して微粉化することに起因する脱落を防止している。ここでいう「厚みの平均」とは、活物質の粒子12aの表面のうち、実際に金属材料13が被覆している部分に基づき計算された値である。したがって活物質の粒子12aの表面のうち金属材料13で被覆されていない部分は、平均値の算出の基礎にはされない。   The average thickness of the metal material 13 covering the surface of the active material particles 12a is preferably 0.05 to 2 μm, more preferably 0.1 to 0.25 μm. That is, the metal material 13 covers the surface of the active material particles 12a with a minimum thickness. As a result, while the energy density is increased, the particles 12a are prevented from falling off due to expansion / contraction and pulverization due to charge / discharge. Here, the “average thickness” is a value calculated based on a portion of the surface of the active material particle 12 a that is actually covered with the metal material 13. Accordingly, the portion of the surface of the active material particle 12a that is not covered with the metal material 13 is not used as the basis for calculating the average value.

活物質の粒子12aの表面が金属材料13で被覆されていることによって、該粒子12aには電子伝導性が付与される。その結果、充電時の過電圧を低く抑えることが可能となる。このことによって、活物質の粒子12aの表面に形成されるSEIを、薄く且つ緻密なものにすることができる。先に述べたとおり、このような薄く且つ緻密なSEIの形成は、充放電の度に生じる新たな活物質表面と非水溶媒との接触を抑制するので、連続的な非水溶媒の分解が起こりづらくなる。したがって、活物質の粒子12aの表面が金属材料13で被覆されている場合に、非水溶媒として式(1)及び(2)で表される化合物を併用することで、本発明の効果が一層顕著なものとなる。   The surface of the active material particle 12 a is coated with the metal material 13, whereby electron conductivity is imparted to the particle 12 a. As a result, it is possible to keep the overvoltage during charging low. As a result, the SEI formed on the surface of the active material particles 12a can be made thin and dense. As described above, the formation of such a thin and dense SEI suppresses contact between a new active material surface and a non-aqueous solvent that occurs every time charging / discharging, and therefore, continuous decomposition of the non-aqueous solvent is prevented. It is hard to happen. Therefore, when the surfaces of the active material particles 12a are coated with the metal material 13, the effects of the present invention are further improved by using the compounds represented by the formulas (1) and (2) together as the non-aqueous solvent. It will be remarkable.

金属材料13で被覆された粒子12a間に形成された空隙は、リチウムイオンを含む非水電解液の流通の経路としての働きを有している。この空隙の存在によって非水電解液が活物質層12の厚み方向へ円滑に流通するので、サイクル特性を向上させることができる。更に、粒子12a間に形成されている空隙は、充放電で活物質の粒子12aが体積変化することに起因する応力を緩和するための空間としての働きも有する。充電によって体積が増加した活物質の粒子12aの体積の増加分は、この空隙に吸収される。その結果、該粒子12aの微粉化が起こりづらくなり、また負極10の著しい変形が効果的に防止される。   The voids formed between the particles 12a coated with the metal material 13 have a function as a flow path of the non-aqueous electrolyte containing lithium ions. Since the non-aqueous electrolyte smoothly flows in the thickness direction of the active material layer 12 due to the presence of the voids, cycle characteristics can be improved. Further, the voids formed between the particles 12a also have a function as a space for relieving stress caused by the volume change of the active material particles 12a due to charge and discharge. The increase in the volume of the active material particles 12a whose volume has been increased by charging is absorbed by the voids. As a result, pulverization of the particles 12a is difficult to occur, and significant deformation of the negative electrode 10 is effectively prevented.

活物質層12は、後述するように、好適には粒子12a及び結着剤を含むスラリーを集電体上に塗布し乾燥させて得られた塗膜に対し、所定のめっき浴を用いた電解めっきを行い、粒子12a間に金属材料13を析出させることで形成される。   As described later, the active material layer 12 is preferably electrolyzed using a predetermined plating bath on a coating film obtained by applying a slurry containing particles 12a and a binder onto a current collector and drying the slurry. It forms by plating and depositing the metal material 13 between the particle | grains 12a.

非水電解液の流通が可能な空隙を活物質層12内に必要且つ十分に形成するためには、前記の塗膜内にめっき液を十分浸透させることが好ましい。これに加えて、該めっき液を用いた電解めっきによって金属材料13を析出させるための条件を適切なものとすることが好ましい。めっきの条件にはめっき浴の組成、めっき浴のpH、電解の電流密度などがある。めっき浴のpHに関しては、これを7.1〜11に調整することが好ましい。pHをこの範囲内とすることで、活物質の粒子12aの溶解が抑制されつつ、該粒子12aの表面が清浄化されて、粒子表面へのめっきが促進され、同時に粒子12a間に適度な空隙が形成される。pHの値は、めっき時の温度において測定されたものである。   In order to form necessary and sufficient voids in the active material layer 12 in which the non-aqueous electrolyte can be circulated, it is preferable to sufficiently infiltrate the plating solution into the coating film. In addition to this, it is preferable to make conditions suitable for depositing the metal material 13 by electrolytic plating using the plating solution. The plating conditions include the composition of the plating bath, the pH of the plating bath, and the current density of electrolysis. Regarding the pH of the plating bath, it is preferable to adjust this to 7.1-11. By controlling the pH within this range, the dissolution of the active material particles 12a is suppressed, the surface of the particles 12a is cleaned, and plating on the particle surface is promoted. Is formed. The value of pH is measured at the temperature at the time of plating.

めっきの金属材料13として銅を用いる場合には、ピロリン酸銅浴を用いることが好ましい。また該金属材料としてニッケルを用いる場合には、例えばアルカリ性のニッケル浴を用いることが好ましい。特に、ピロリン酸銅浴を用いると、活物質層12を厚くした場合であっても、該層の厚み方向全域にわたって、前記の空隙を容易に形成し得るので好ましい。また、活物質の粒子12aの表面には金属材料13が析出し、且つ該粒子12a間では金属材料13の析出が起こりづらくなるので、該粒子12a間の空隙が首尾良く形成されるという点でも好ましい。ピロリン酸銅浴を用いる場合、その浴組成、電解条件及びpHは次のとおりであることが好ましい。
・ピロリン酸銅三水和物:85〜120g/l
・ピロリン酸カリウム:300〜600g/l
・硝酸カリウム:15〜65g/l
・浴温度:45〜60℃
・電流密度:1〜7A/dm2
・pH:アンモニア水とポリリン酸を添加してpH7.1〜9.5になるように調整する。
When using copper as the metal material 13 for plating, it is preferable to use a copper pyrophosphate bath. When nickel is used as the metal material, for example, an alkaline nickel bath is preferably used. In particular, it is preferable to use a copper pyrophosphate bath, even if the active material layer 12 is thick, because the voids can be easily formed over the entire thickness direction of the layer. Further, since the metal material 13 is deposited on the surface of the active material particles 12a and the metal material 13 is less likely to be deposited between the particles 12a, the voids between the particles 12a are also successfully formed. preferable. When using a copper pyrophosphate bath, the bath composition, electrolysis conditions and pH are preferably as follows.
Copper pyrophosphate trihydrate: 85-120 g / l
-Potassium pyrophosphate: 300-600 g / l
-Potassium nitrate: 15-65 g / l
-Bath temperature: 45-60 ° C
・ Current density: 1 to 7 A / dm 2
PH: Ammonia water and polyphosphoric acid are added to adjust the pH to 7.1 to 9.5.

ピロリン酸銅浴を用いる場合には特に、P27の重量とCuの重量との比(P27/Cu)で定義されるP比が5〜12であるものを用いることが好ましい。P比が5未満のものを用いると、活物質の粒子12aを被覆する金属材料13が厚くなる傾向となり、粒子12a間に所望の空隙を形成させづらい場合がある。また、P比が12を超えるものを用いると、電流効率が悪くなり、ガス発生などが生じやすくなることから生産安定性が低下する場合がある。更に好ましいピロリン酸銅浴として、P比が6.5〜10.5であるものを用いると、活物質の粒子12a間に形成される空隙のサイズ及び数が、活物質層12内での非水電解液の流通に非常に有利になる。In particular, when a copper pyrophosphate bath is used, it is preferable to use one having a P ratio defined by a ratio of P 2 O 7 weight to Cu weight (P 2 O 7 / Cu) of 5 to 12. . When the P ratio is less than 5, the metal material 13 covering the active material particles 12a tends to be thick, and it may be difficult to form desired voids between the particles 12a. Further, when a P ratio exceeding 12 is used, current efficiency is deteriorated, and gas generation is likely to occur, so that production stability may be lowered. When a copper pyrophosphate bath having a P ratio of 6.5 to 10.5 is used as a more preferable copper pyrophosphate bath, the size and number of voids formed between the active material particles 12a may be reduced. This is very advantageous for the flow of the water electrolyte.

アルカリ性のニッケル浴を用いる場合には、その浴組成、電解条件及びpHは次のとおりであることが好ましい。
・硫酸ニッケル:100〜250g/l
・塩化アンモニウム:15〜30g/l
・ホウ酸:15〜45g/l
・浴温度:45〜60℃
・電流密度:1〜7A/dm2
・pH:25重量%アンモニア水:100〜300g/lの範囲でpH8〜11となるように調整する。
このアルカリ性のニッケル浴と前述のピロリン酸銅浴とを比べると、ピロリン酸銅浴を用いた場合の方が活物質層12内に適度な空隙が形成される傾向があり、負極の長寿命化を図りやすいので好ましい。
When an alkaline nickel bath is used, the bath composition, electrolysis conditions and pH are preferably as follows.
Nickel sulfate: 100 to 250 g / l
Ammonium chloride: 15-30 g / l
・ Boric acid: 15-45 g / l
-Bath temperature: 45-60 ° C
・ Current density: 1 to 7 A / dm 2
-PH: 25% by weight ammonia water: Adjust to pH 8-11 within the range of 100-300 g / l.
When this alkaline nickel bath and the above-described copper pyrophosphate bath are compared, there is a tendency that moderate voids are formed in the active material layer 12 when the copper pyrophosphate bath is used, and the life of the negative electrode is increased. It is preferable because it is easy to achieve.

前記の各種めっき浴に、タンパク質、活性硫黄化合物、セルロース等の銅箔製造用電解液に用いられる各種添加剤を加えることにより、金属材料13の特性を適宜調整することも可能である。   The characteristics of the metal material 13 can be appropriately adjusted by adding various additives used in the electrolytic solution for producing copper foil such as protein, active sulfur compound, and cellulose to the above various plating baths.

上述の各種方法によって形成される活物質層全体の空隙の割合、つまり空隙率は、15〜45体積%程度、特に20〜40体積%程度であることが好ましい。空隙率をこの範囲内とすることで、非水電解液の流通が可能な空隙を活物質層12内に必要且つ十分に形成することが可能となる。活物質層12の空隙量は、水銀圧入法(JIS R 1655)で測定される。水銀圧入法は、固体中の細孔の大きさやその容積を測定することによって、その固体の物理的形状の情報を得るための手法である。水銀圧入法の原理は、水銀に圧力を加えて測定対象物の細孔中へ圧入し、その時に加えた圧力と、押し込まれた(浸入した)水銀体積の関係を測定することにある。この場合、水銀は活物質層12内に存在する大きな空隙から順に浸入していく。本発明においては、圧力90MPaで測定した空隙量を全体の空隙量とみなしている。活物質層12の空隙率(%)は、前記の方法で測定された単位面積当たりの空隙量を、単位面積当たりの活物質層12の見かけの体積で除し、それに100を乗じることにより求める。   The ratio of the voids in the entire active material layer formed by the various methods described above, that is, the void ratio is preferably about 15 to 45% by volume, particularly about 20 to 40% by volume. By setting the porosity within this range, it is possible to form necessary and sufficient voids in the active material layer 12 that allow the nonaqueous electrolyte to flow. The void amount of the active material layer 12 is measured by a mercury intrusion method (JIS R 1655). The mercury intrusion method is a method for obtaining information on the physical shape of a solid by measuring the size and volume of pores in the solid. The principle of the mercury intrusion method is to apply a pressure to mercury to inject it into the pores of the object to be measured, and to measure the relationship between the pressure applied at that time and the volume of mercury that has been pushed in (intruded). In this case, mercury enters sequentially from the large voids present in the active material layer 12. In the present invention, the void amount measured at a pressure of 90 MPa is regarded as the entire void amount. The porosity (%) of the active material layer 12 is obtained by dividing the void amount per unit area measured by the above method by the apparent volume of the active material layer 12 per unit area and multiplying it by 100. .

本実施形態の負極においては、水銀圧入法で測定された活物質層12の空隙量から算出された空隙率が前記の範囲内であることに加えて、10MPaにおいて水銀圧入法で測定された活物質層12の空隙量から算出された空隙率が10〜40%であることが好ましい。また、1MPaにおいて水銀圧入法で測定された活物質層12の空隙量から算出された空隙率が0.5〜15%であることが好ましい。更に、5MPaにおいて水銀圧入法で測定された活物質層12の空隙量から算出された空隙率が1〜35%であることが好ましい。上述したとおり、水銀圧入法よる測定では、水銀の圧入条件を次第に高くしていく。そして低圧の条件下では大きな空隙に水銀が圧入され、高圧の条件下では小さな空隙に水銀が圧入される。したがって圧力1MPaにおいて測定された空隙率は、主として大きな空隙に由来するものである。一方、圧力10MPaにおいて測定された空隙率は、小さな空隙の存在も反映されたものである。   In the negative electrode of the present embodiment, the porosity calculated from the void amount of the active material layer 12 measured by the mercury intrusion method is within the above range, and in addition, the active mass measured by the mercury intrusion method at 10 MPa. The porosity calculated from the amount of voids in the material layer 12 is preferably 10 to 40%. Moreover, it is preferable that the porosity calculated from the void amount of the active material layer 12 measured by the mercury intrusion method at 1 MPa is 0.5 to 15%. Furthermore, it is preferable that the porosity calculated from the void amount of the active material layer 12 measured by the mercury intrusion method at 5 MPa is 1 to 35%. As described above, in the mercury intrusion measurement, mercury intrusion conditions are gradually increased. Under low pressure conditions, mercury is pressed into large gaps, and under high pressure conditions, mercury is pressed into small gaps. Therefore, the porosity measured at a pressure of 1 MPa is mainly derived from large voids. On the other hand, the porosity measured at a pressure of 10 MPa reflects the presence of small voids.

活物質の粒子12aの粒径を適切に選択することによっても、前記の空隙率をコントロールすることができる。この観点から、粒子12aはその最大粒径が好ましくは30μm以下であり、更に好ましくは10μm以下である。また粒子の粒径をD50値で表すと0.1〜8μm、特に0.3〜4μmであることが好ましい。粒子の粒径は、レーザー回折散乱式粒度分布測定、電子顕微鏡観察(SEM観察)によって測定される。The porosity can also be controlled by appropriately selecting the particle size of the active material particles 12a. From this viewpoint, the particle 12a has a maximum particle size of preferably 30 μm or less, more preferably 10 μm or less. Moreover, when the particle diameter of the particle is expressed by a D 50 value, it is preferably 0.1 to 8 μm, particularly preferably 0.3 to 4 μm. The particle size of the particles is measured by laser diffraction / scattering particle size distribution measurement and electron microscope observation (SEM observation).

負極全体に対する活物質の量が少なすぎると電池のエネルギー密度を十分に向上させにくく、逆に多すぎると強度が低下し活物質の脱落が起こりやすくなる傾向にある。これらを勘案すると、活物質層の厚みは10〜40μm、好ましくは15〜30μm、更に好ましくは18〜25μmである。   If the amount of the active material relative to the whole negative electrode is too small, it is difficult to sufficiently improve the energy density of the battery. Conversely, if the amount is too large, the strength decreases and the active material tends to fall off. Considering these, the thickness of the active material layer is 10 to 40 μm, preferably 15 to 30 μm, and more preferably 18 to 25 μm.

本実施形態の負極10においては、活物質層12の表面に薄い表面層(図示せず)が形成されていてもよい。また負極10はそのような表面層を有していなくてもよい。表面層の厚みは、0.25μm以下、好ましくは0.1μm以下という薄いものである。表面層の厚みの下限値に制限はない。表面層を形成することで、微粉化した活物質の粒子12aの脱落を一層防止することができる。尤も、本実施形態においては、活物質層12の空隙率を上述した範囲内に設定することによって、表面層を用いなくても微粉化した活物質の粒子12aの脱落を十分に防止することが可能である。   In the negative electrode 10 of the present embodiment, a thin surface layer (not shown) may be formed on the surface of the active material layer 12. Further, the negative electrode 10 may not have such a surface layer. The thickness of the surface layer is 0.25 μm or less, preferably 0.1 μm or less. There is no restriction | limiting in the lower limit of the thickness of a surface layer. By forming the surface layer, the pulverized active material particles 12a can be further prevented from falling off. However, in the present embodiment, by setting the porosity of the active material layer 12 within the above-described range, it is possible to sufficiently prevent the pulverized active material particles 12a from dropping without using a surface layer. Is possible.

負極10が前記の厚みの薄い表面層を有するか又は該表面層を有していないことによって、負極10を用いて二次電池を組み立て、当該電池の初期充電を行うときの過電圧を低くすることができる。このことは、二次電池の充電時に負極10の表面でリチウムが還元することを防止できることを意味する。リチウムの還元は、両極の短絡の原因となるデンドライトの発生につながる。   When the negative electrode 10 has the thin surface layer or does not have the surface layer, a secondary battery is assembled using the negative electrode 10 to reduce the overvoltage when the battery is initially charged. Can do. This means that lithium can be prevented from being reduced on the surface of the negative electrode 10 when the secondary battery is charged. The reduction of lithium leads to the generation of dendrites that cause a short circuit between the two electrodes.

負極10が表面層を有している場合、該表面層は活物質層12の表面を連続又は不連続に被覆している。表面層が活物質層12の表面を連続に被覆している場合、該表面層は、その表面において開孔し且つ活物質層12と通ずる多数の微細空隙(図示せず)を有していることが好ましい。微細空隙は表面層の厚さ方向へ延びるように表面層中に存在していることが好ましい。微細空隙は非水電解液の流通が可能なものである。微細空隙の役割は、活物質層12内に非水電解液を供給することにある。微細空隙は、負極10の表面を電子顕微鏡観察により平面視したとき、金属材料13で被覆されている面積の割合、即ち被覆率が95%以下、特に80%以下、とりわけ60%以下となるような大きさであることが好ましい。被覆率が95%を超えると、高粘性率の非水電解液が浸入しづらくなり、非水電解液の選択の幅が狭くなるおそれがある。   When the negative electrode 10 has a surface layer, the surface layer covers the surface of the active material layer 12 continuously or discontinuously. When the surface layer continuously covers the surface of the active material layer 12, the surface layer has a large number of microscopic voids (not shown) that are open at the surface and communicate with the active material layer 12. It is preferable. The fine voids are preferably present in the surface layer so as to extend in the thickness direction of the surface layer. The fine voids allow the non-aqueous electrolyte to flow. The role of the fine voids is to supply a non-aqueous electrolyte into the active material layer 12. When the surface of the negative electrode 10 is viewed in plan by electron microscope observation, the fine voids are such that the ratio of the area covered with the metal material 13, that is, the coverage is 95% or less, particularly 80% or less, especially 60% or less. It is preferable that the size is large. When the coverage exceeds 95%, it is difficult for a non-aqueous electrolyte having a high viscosity to penetrate, and the range of selection of the non-aqueous electrolyte may be narrowed.

表面層は、リチウム化合物の形成能の低い金属材料から構成されている。この金属材料は、活物質層12中に存在している金属材料13と同種でもよく、あるいは異種でもよい。また表面層は、異なる2種以上の金属材料からなる2層以上の構造であってもよい。負極10の製造の容易さを考慮すると、活物質層12中に存在している金属材料13と、表面層を構成する金属材料とは同種であることが好ましい。   The surface layer is made of a metal material having a low lithium compound forming ability. This metal material may be the same as or different from the metal material 13 present in the active material layer 12. The surface layer may have a structure of two or more layers made of two or more different metal materials. Considering the ease of manufacture of the negative electrode 10, the metal material 13 present in the active material layer 12 and the metal material constituting the surface layer are preferably the same type.

本実施形態の負極10は、活物質層12中の空隙率が高い値になっているので、折り曲げに対する耐性が高いものである。具体的には、JIS C 6471に従い測定されたMIT耐折性が好ましくは30回以上、更に好ましくは50回以上という高耐折性を有している。耐折性が高いことは、負極10を折り畳んだり巻回したりして電池容器内に収容する場合に、負極10に折れが生じにくくなることから極めて有利である。MIT耐折装置としては、例えば東洋精機製作所製の槽付フィルム耐折疲労試験機(品番549)が用いられ、屈曲半径0.8mm、荷重0.5kgf、サンプルサイズ15×150mmで測定することができる。   Since the porosity in the active material layer 12 has a high value, the negative electrode 10 of this embodiment has high resistance to bending. Specifically, the MIT folding resistance measured according to JIS C 6471 is preferably 30 times or more, more preferably 50 times or more. High folding resistance is extremely advantageous since the negative electrode 10 is less likely to be folded when the negative electrode 10 is folded or wound and accommodated in a battery container. As the MIT folding endurance device, for example, a film folding endurance fatigue tester (product number 549) manufactured by Toyo Seiki Seisakusho is used, and measurement can be performed with a bending radius of 0.8 mm, a load of 0.5 kgf and a sample size of 15 × 150 mm. it can.

負極10における集電体11としては、非水電解液二次電池用負極の集電体として従来用いられているものと同様のものを用いることができる。集電体11は、先に述べたリチウム化合物の形成能の低い金属材料から構成されていることが好ましい。そのような金属材料の例は既に述べたとおりである。特に、銅、ニッケル、ステンレス等からなることが好ましい。また、コルソン合金箔に代表されるような銅合金箔の使用も可能である。更に集電体として、常態抗張力(JIS C 2318)が好ましくは500MPa以上である金属箔、例えば前記のコルソン合金箔の少なくとも一方の面に銅被膜層を形成したものを用いることもできる。更に集電体として常態伸度(JIS C 2318)が4%以上のものを用いることも好ましい。抗張力が低いと活物質が膨張した際の応力によりシワが生じ、伸び率が低いと該応力により集電体に亀裂が入ることがあるからである。これらの集電体を用いることで、上述した負極10の耐折性を一層高めることが可能となる。集電体11の厚みは、負極10の強度維持と、エネルギー密度向上とのバランスを考慮すると、9〜35μmであることが好ましい。なお、集電体11として銅箔を使用する場合には、クロメート処理や、トリアゾール系化合物及びイミダゾール系化合物などの有機化合物を用いた防錆処理を施しておくことが好ましい。   As the current collector 11 in the negative electrode 10, the same one as conventionally used as the current collector of the negative electrode for the non-aqueous electrolyte secondary battery can be used. The current collector 11 is preferably made of a metal material having a low lithium compound forming ability as described above. Examples of such metal materials are as already described. In particular, it is preferably made of copper, nickel, stainless steel or the like. Also, it is possible to use a copper alloy foil represented by a Corson alloy foil. Further, as the current collector, a metal foil having a normal tensile strength (JIS C 2318) of preferably 500 MPa or more, for example, a copper film layer formed on at least one surface of the aforementioned Corson alloy foil can be used. Furthermore, it is preferable to use a current collector having a normal elongation (JIS C 2318) of 4% or more. This is because when the tensile strength is low, wrinkles are generated due to stress when the active material expands, and when the elongation is low, the current collector may crack. By using these current collectors, it is possible to further improve the folding resistance of the negative electrode 10 described above. The thickness of the current collector 11 is preferably 9 to 35 μm considering the balance between maintaining the strength of the negative electrode 10 and improving the energy density. In addition, when using copper foil as the electrical power collector 11, it is preferable to give the rust prevention process using organic compounds, such as a chromate process and a triazole type compound and an imidazole type compound.

次に、本実施形態の負極10の好ましい製造方法について、図2を参照しながら説明する。本製造方法では、活物質の粒子及び結着剤を含むスラリーを用いて集電体11上に塗膜を形成し、次いでその塗膜に対して電解めっきを行う。   Next, the preferable manufacturing method of the negative electrode 10 of this embodiment is demonstrated, referring FIG. In this manufacturing method, a coating film is formed on the current collector 11 using a slurry containing particles of an active material and a binder, and then electrolytic plating is performed on the coating film.

先ず図2(a)に示すように集電体11を用意する。そして集電体11上に、活物質の粒子12aを含むスラリーを塗布して塗膜15を形成する。集電体11における塗膜形成面の表面粗さは、輪郭曲線の最大高さで0.5〜4μmであることが好ましい。最大高さが4μmを超えると塗膜15の形成精度が低下する上、凸部に浸透めっきの電流集中が起こりやすい。最大高さが0.5μmを下回ると、活物質層12の密着性が低下しやすい。活物質の粒子12aとしては、好適に上述した粒度分布及び平均粒径を有するものを用いる。   First, a current collector 11 is prepared as shown in FIG. Then, a slurry containing active material particles 12 a is applied onto the current collector 11 to form a coating film 15. The surface roughness of the coating film forming surface of the current collector 11 is preferably 0.5 to 4 μm at the maximum height of the contour curve. If the maximum height exceeds 4 μm, the formation accuracy of the coating film 15 is lowered and current concentration of the permeation plating tends to occur on the convex portions. When the maximum height is less than 0.5 μm, the adhesion of the active material layer 12 tends to be lowered. As the active material particles 12a, those having the above-described particle size distribution and average particle size are preferably used.

スラリーは、活物質の粒子の他に、結着剤及び希釈溶媒などを含んでいる。またスラリーはアセチレンブラックやグラファイトなどの導電性炭素材料の粒子を少量含んでいてもよい。特に、活物質の粒子12aがシリコン系材料から構成されている場合には、該活物質の粒子12aの重量に対して導電性炭素材料を1〜3重量%含有することが好ましい。導電性炭素材料の含有量が1重量%未満であると、スラリーの粘性率が低下して活物質の粒子12aの沈降が促進されるため、良好な塗膜15及び均一な空隙を形成しにくくなる。また導電性炭素材料の含有量が3重量%を超えると、該導電性炭素材料の表面にめっき核が集中し、良好な被覆を形成しにくくなる。   The slurry contains a binder and a diluting solvent in addition to the active material particles. The slurry may contain a small amount of conductive carbon material particles such as acetylene black and graphite. In particular, when the active material particles 12a are made of a silicon-based material, the conductive carbon material is preferably contained in an amount of 1 to 3% by weight based on the weight of the active material particles 12a. When the content of the conductive carbon material is less than 1% by weight, the viscosity of the slurry is lowered and the sedimentation of the active material particles 12a is promoted, so that it is difficult to form a good coating film 15 and uniform voids. Become. On the other hand, if the content of the conductive carbon material exceeds 3% by weight, plating nuclei concentrate on the surface of the conductive carbon material, and it becomes difficult to form a good coating.

結着剤としてはスチレンブタジエンラバー(SBR)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリエチレン(PE)、エチレンプロピレンジエンモノマー(EPDM)などが用いられる。希釈溶媒としてはN−メチルピロリドン、シクロヘキサンなどが用いられる。スラリー中における活物質の粒子12aの量は30〜70重量%程度とすることが好ましい。結着剤の量は0.4〜4重量%程度とすることが好ましい。これらに希釈溶媒を加えてスラリーとする。   As the binder, styrene butadiene rubber (SBR), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene (PE), ethylene propylene diene monomer (EPDM), or the like is used. As a diluting solvent, N-methylpyrrolidone, cyclohexane or the like is used. The amount of the active material particles 12a in the slurry is preferably about 30 to 70% by weight. The amount of the binder is preferably about 0.4 to 4% by weight. A dilution solvent is added to these to form a slurry.

形成された塗膜15は、粒子12a間に多数の微小空間を有する。塗膜15が形成された集電体11を、リチウム化合物の形成能の低い金属材料を含むめっき浴中に浸漬する。めっき浴への浸漬によって、めっき液が塗膜15内の前記微小空間に浸入して、塗膜15と集電体11との界面にまで達する。その状態下に電解めっきを行い、めっき金属種を粒子12aの表面に析出させる(以下、このめっきを浸透めっきともいう)。浸透めっきは、集電体11をカソードとして用い、めっき浴中にアノードとしての対極を浸漬し、両極を電源に接続して行う。   The formed coating film 15 has a large number of minute spaces between the particles 12a. The current collector 11 on which the coating film 15 is formed is immersed in a plating bath containing a metal material having a low lithium compound forming ability. By immersion in the plating bath, the plating solution enters the minute space in the coating film 15 and reaches the interface between the coating film 15 and the current collector 11. Under this condition, electrolytic plating is performed to deposit plating metal species on the surfaces of the particles 12a (hereinafter, this plating is also referred to as permeation plating). The osmotic plating is performed by using the current collector 11 as a cathode, immersing a counter electrode as an anode in a plating bath, and connecting both electrodes to a power source.

浸透めっきによる金属材料の析出は、塗膜15の一方の側から他方の側に向かって進行させることが好ましい。具体的には、図2(b)ないし(d)に示すように、塗膜15と集電体11との界面から塗膜の表面に向けて金属材料13の析出が進行するように電解めっきを行う。金属材料13をこのように析出させることで、活物質の粒子12aの表面を金属材料13で首尾よく被覆することができると共に、金属材料13で被覆された粒子12a間に空隙を首尾よく形成することができる。   The deposition of the metal material by the osmotic plating is preferably progressed from one side of the coating film 15 to the other side. Specifically, as shown in FIGS. 2B to 2D, electrolytic plating is performed so that the deposition of the metal material 13 proceeds from the interface between the coating film 15 and the current collector 11 toward the surface of the coating film. I do. By precipitating the metal material 13 in this way, the surface of the active material particles 12a can be successfully coated with the metal material 13, and a void is successfully formed between the particles 12a coated with the metal material 13. be able to.

前述のように金属材料13を析出させるための浸透めっきの条件には、めっき浴の組成、めっき浴のpH、電解の電流密度などがある。このような条件については既に述べたとおりである。   As described above, the conditions of the infiltration plating for depositing the metal material 13 include the composition of the plating bath, the pH of the plating bath, the current density of electrolysis, and the like. Such conditions are as already described.

図2(b)ないし(d)に示されているように、塗膜15と集電体11との界面から塗膜の表面に向けて金属材料13の析出が進行するようにめっきを行うと、析出反応の最前面部においては、ほぼ一定の厚みで金属材料13のめっき核からなる微小粒子13aが層状に存在している。金属材料13の析出が進行すると、隣り合う微小粒子13aどうしが結合して更に大きな粒子となり、更に析出が進行すると、該粒子どうしが結合して活物質の粒子12aの表面を連続的に被覆するようになる。   As shown in FIGS. 2B to 2D, when plating is performed such that the deposition of the metal material 13 proceeds from the interface between the coating film 15 and the current collector 11 toward the surface of the coating film. In the forefront portion of the precipitation reaction, fine particles 13a made of plating nuclei of the metal material 13 are present in layers with a substantially constant thickness. As the deposition of the metal material 13 proceeds, adjacent microparticles 13a combine to form larger particles, and when the deposition proceeds further, the particles combine to continuously cover the surface of the active material particles 12a. It becomes like this.

浸透めっきは、塗膜15の厚み方向全域に金属材料13が析出した時点で終了させる。めっきの終了時点を調節することで、活物質層12の上面に表面層(図示せず)を形成することができる。このようにして、図2(d)に示すように、目的とする負極が得られる。   The permeation plating is terminated when the metal material 13 is deposited on the entire thickness direction of the coating film 15. By adjusting the end point of plating, a surface layer (not shown) can be formed on the upper surface of the active material layer 12. In this way, the target negative electrode is obtained as shown in FIG.

浸透めっき後、負極10を防錆処理することも好ましい。防錆処理としては、例えばベンゾトリアゾール、カルボキシベンゾトリアゾール、トリルトリアゾール等のトリアゾール系化合物及びイミダゾール等を用いる有機防錆や、コバルト、ニッケル、クロメート等を用いる無機防錆を採用できる。   It is also preferable to subject the negative electrode 10 to rust prevention after the osmotic plating. As the rust prevention treatment, for example, organic rust prevention using triazole compounds such as benzotriazole, carboxybenzotriazole, tolyltriazole, and imidazole, and inorganic rust prevention using cobalt, nickel, chromate and the like can be employed.

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲はかかる実施例に制限されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the scope of the present invention is not limited to such examples.

〔実施例1〕
(1)負極の製造
厚さ18μmの電解銅箔からなる集電体を室温で30秒間酸洗浄した。処理後、15秒間純水洗浄した。集電体の両面上にケイ素からなる粒子を含むスラリーを膜厚15μmになるように塗布し塗膜を形成した。スラリーの組成は、粒子:スチレンブタジエンラバー(結着剤):アセチレンブラック=100:1.7:2(重量比)であった。粒子の平均粒径D50は2μmであった。平均粒径D50は、日機装(株)製のマイクロトラック粒度分布測定装置(No.9320−X100)を使用して測定した。
[Example 1]
(1) Production of Negative Electrode A current collector made of an electrolytic copper foil having a thickness of 18 μm was acid washed at room temperature for 30 seconds. After the treatment, it was washed with pure water for 15 seconds. A slurry containing silicon particles was applied on both sides of the current collector to a thickness of 15 μm to form a coating film. The composition of the slurry was particles: styrene butadiene rubber (binder): acetylene black = 100: 1.7: 2 (weight ratio). The average particle diameter D 50 of the particles was 2 μm. The average particle diameter D 50 was measured using a Microtrac particle size distribution measuring device (No. 9320-X100) manufactured by Nikkiso Co., Ltd.

塗膜が形成された集電体を、以下の浴組成を有するピロリン酸銅浴に浸漬させ、電解により、塗膜に対して銅の浸透めっきを行い、活物質層を形成した。電解の条件は以下のとおりとした。陽極にはDSEを用いた。電源は直流電源を用いた。
・ピロリン酸銅三水和物:105g/l
・ピロリン酸カリウム:450g/l
・硝酸カリウム:30g/l
・P比:7.7
・浴温度:50℃
・電流密度:3A/dm2
・pH:アンモニア水とポリリン酸を添加してpH8.2になるように調整した。
The current collector on which the coating film was formed was immersed in a copper pyrophosphate bath having the following bath composition, and copper was permeated to the coating film by electrolysis to form an active material layer. The electrolysis conditions were as follows. DSE was used for the anode. A DC power source was used as the power source.
Copper pyrophosphate trihydrate: 105 g / l
-Potassium pyrophosphate: 450 g / l
・ Potassium nitrate: 30 g / l
-P ratio: 7.7
・ Bath temperature: 50 ° C
・ Current density: 3 A / dm 2
-PH: Ammonia water and polyphosphoric acid were added to adjust to pH 8.2.

浸透めっきは、塗膜の厚み方向全域にわたって銅が析出した時点で終了させた。このようにして目的とする負極を得た。活物質層の縦断面のSEM観察によって該活物質層においては、活物質の粒子は、平均厚み240nmの銅の被膜で被覆されていることを確認した。また、活物質層の全体の空隙率は30%であった。更に10MPa下での空隙率は29%であり、1MPa下での空隙率は4%であった。得られた負極を直径14mmの大きさに打ち抜いた。   The permeation plating was terminated when copper was deposited over the entire thickness direction of the coating film. In this way, a target negative electrode was obtained. SEM observation of the longitudinal section of the active material layer confirmed that the active material particles were covered with a copper film having an average thickness of 240 nm in the active material layer. Moreover, the porosity of the whole active material layer was 30%. Furthermore, the porosity under 10 MPa was 29%, and the porosity under 1 MPa was 4%. The obtained negative electrode was punched into a diameter of 14 mm.

(2)正極の製造
LiCoO2を正極活物質として用いた。この正極活物質を、アセチレンブラック(AB)及びポリフッ化ビニリデン(PVdF)と共に、溶媒であるN−メチルピロリドンに懸濁させ正極合剤を得た。配合の重量比は、LiCoO2:AB:PVdF=88:6:6とした。この正極合剤をアルミニウム箔(厚さ20μm)からなる集電体にアプリケータを用いて塗布し、120℃で乾燥した後、荷重0.2ton/cmのロールプレスを行い、正極を得た。この正極の厚さは約70μmであった。この正極を直径13mmの大きさに打ち抜いた。
(2) Production of positive electrode LiCoO 2 was used as a positive electrode active material. This positive electrode active material was suspended in N-methylpyrrolidone as a solvent together with acetylene black (AB) and polyvinylidene fluoride (PVdF) to obtain a positive electrode mixture. The weight ratio of the blending was LiCoO 2 : AB: PVdF = 88: 6: 6. This positive electrode mixture was applied to a current collector made of aluminum foil (thickness 20 μm) using an applicator, dried at 120 ° C., and then roll-pressed with a load of 0.2 ton / cm to obtain a positive electrode. The thickness of this positive electrode was about 70 μm. This positive electrode was punched into a size of 13 mm in diameter.

(3)リチウム二次電池の製造
このようにして得られた正極及び負極を、20μm厚のポリエチレン製多孔質フィルムからなるセパレータを挟んで対向させた。電解液における非水溶媒として、式(1)で表される化合物においてR1がFでR2がHであるもの(以下、F−ECという)と、式(2)で表される化合物においてR3〜R6のすべてがHであるもの(以下、DECという)と、式(2)で表される化合物においてR3のみがFであるもの(以下、F−DECという)とを、以下の表1に示す割合で混合した混合溶媒を用いた。この混合溶媒に1mol/lのLiPF6を溶解した溶液に対して、ビニレンカーボネートを2体積%外添したものを非水電解液として用いた。これによって2032型コイン電池を製造した。得られた電池におけるCo/Siの重量比は、以下の表1に示すとおりであった。
(3) Production of lithium secondary battery The positive electrode and the negative electrode thus obtained were opposed to each other with a separator made of a polyethylene porous film having a thickness of 20 μm interposed therebetween. As the nonaqueous solvent in the electrolytic solution, in the compound represented by the formula (1), R 1 is F and R 2 is H (hereinafter referred to as F-EC), and the compound represented by the formula (2) A compound in which all of R 3 to R 6 are H (hereinafter referred to as DEC) and a compound represented by formula (2) in which only R 3 is F (hereinafter referred to as F-DEC) are referred to below. The mixed solvent mixed in the ratio shown in Table 1 was used. A solution obtained by adding 2% by volume of vinylene carbonate to a solution obtained by dissolving 1 mol / l LiPF 6 in this mixed solvent was used as a non-aqueous electrolyte. This produced a 2032 type coin battery. The weight ratio of Co / Si in the obtained battery was as shown in Table 1 below.

〔実施例2ないし4並びに比較例1及び2〕
非水電解液における非水溶媒として、F−ECと、DECと、F−DECとを、以下の表1に示す割合で混合した混合溶媒を用い、且つ正極活物質の量及び負極活物質の量を同表に示す値とした以外は、実施例1と同様にしてリチウム二次電池を得た。
[Examples 2 to 4 and Comparative Examples 1 and 2]
As a non-aqueous solvent in the non-aqueous electrolyte, a mixed solvent in which F-EC, DEC, and F-DEC were mixed at a ratio shown in Table 1 below, and the amount of the positive electrode active material and the amount of the negative electrode active material A lithium secondary battery was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount was changed to the value shown in the table.

〔実施例5〕
ジエチルカーボネート非水溶媒に、LiClO4を1mol/lの濃度で溶解させた非水電解液を用意した。25℃のアルゴン雰囲気中において、この非水電解液中に、実施例2−1で得られた負極と600μm厚のリチウム箔とをSUS製メッシュ(100mesh)を介して浸漬させ、負極と金属リチウムとを電気化学的に短絡させた。これによって負極中の活物質にリチウムを吸蔵させた。リチウムの吸蔵量は、浸漬時間を40分とすることで、負極活物質の初期充電理論容量に対して25%とした。正確な吸蔵量の確認はICP発光分析により確認を行った。得られた負極はリチウム塩の除去を目的として、ジメチルカーボネートにて洗浄を行い、真空乾燥により溶媒の除去を行った。このようにして得られた、リチウムを吸蔵した負極活物質を有する負極を用い、実施例1と同様にしてリチウム二次電池を得た。
Example 5
A nonaqueous electrolytic solution in which LiClO 4 was dissolved at a concentration of 1 mol / l in a diethyl carbonate nonaqueous solvent was prepared. In the argon atmosphere at 25 ° C., the negative electrode obtained in Example 2-1 and the 600 μm-thick lithium foil were immersed in this nonaqueous electrolytic solution through a SUS mesh (100 mesh), and the negative electrode and the metallic lithium And were short-circuited electrochemically. Thus, lithium was occluded in the active material in the negative electrode. The amount of lithium occluded was 25% of the initial charge theoretical capacity of the negative electrode active material by setting the immersion time to 40 minutes. The exact amount of occlusion was confirmed by ICP emission analysis. The obtained negative electrode was washed with dimethyl carbonate for the purpose of removing the lithium salt, and the solvent was removed by vacuum drying. A lithium secondary battery was obtained in the same manner as in Example 1 using the negative electrode having the negative electrode active material occluded with lithium thus obtained.

〔評価〕
実施例及び比較例で得られたリチウム二次電池について、以下の方法で100サイクル目の容量維持率及びレート特性を評価した。それらの結果を以下の表1に示す。
[Evaluation]
About the lithium secondary battery obtained by the Example and the comparative example, the capacity | capacitance maintenance factor and rate characteristic of 100th cycle were evaluated with the following method. The results are shown in Table 1 below.

〔100サイクル目の容量維持率〕
13サイクル目の放電容量及び100サイクル目の放電容量を測定した。100サイクル目の容量維持率は、100サイクル目の放電容量を13サイクル目の放電容量で除し、100を乗じて算出した。充電条件は0.5C、4.2Vで、定電流・定電圧とした。放電条件は0.5C、2.7Vで、定電流とした。但し、1サイクル目の充放電は0.05Cとし、2〜4サイクル目の充放電は0.1C、5〜7サイクル目の充放電は0.5C、8〜10サイクル目の充放電は1Cとした。
[Capacity maintenance rate at 100th cycle]
The discharge capacity at the 13th cycle and the discharge capacity at the 100th cycle were measured. The capacity retention rate at the 100th cycle was calculated by dividing the discharge capacity at the 100th cycle by the discharge capacity at the 13th cycle and multiplying by 100. The charging conditions were 0.5 C, 4.2 V, and constant current / constant voltage. The discharge condition was 0.5 C, 2.7 V, and a constant current. However, charge / discharge at the first cycle is 0.05C, charge / discharge at the second to fourth cycles is 0.1C, charge / discharge at the fifth to seventh cycles is 0.5C, and charge / discharge at the eighth to tenth cycles is 1C. It was.

〔レート特性〕
上述の容量維持率の測定において、13サイクル目の放電容量を1サイクル目の放電容量で除し、これに100を乗じた値をレート特性とした。
[Rate characteristics]
In the measurement of the capacity retention rate described above, the discharge capacity at the 13th cycle was divided by the discharge capacity at the 1st cycle, and a value obtained by multiplying this by 100 was taken as the rate characteristic.

Figure 0004954902
Figure 0004954902

表1に示す結果から明らかなように、実施例1ないし4の電池(本発明品)は比較例1及び2の電池と同程度又はそれ以上のレート特性を有し、かつ比較例1及び2の電池に比べて容量維持率が高いことが判る。つまりサイクル特性が良好であることが判る。特に、電池の充電前から負極活物質にリチウムが吸蔵されている負極を用いた実施例5の電池は、容量維持率及びレート特性が極めて高くなることが判る。   As is apparent from the results shown in Table 1, the batteries of Examples 1 to 4 (product of the present invention) have rate characteristics comparable to or higher than those of Comparative Examples 1 and 2, and Comparative Examples 1 and 2 It can be seen that the capacity retention rate is higher than that of the battery. That is, it can be seen that the cycle characteristics are good. In particular, it can be seen that the battery of Example 5 using the negative electrode in which lithium is occluded in the negative electrode active material before charging the battery has extremely high capacity retention rate and rate characteristics.

以上、詳述したとおり、本発明によれば、充放電のレート特性を低下させることなく、非水溶媒の分解及びサイクル特性の低下を防止することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to prevent decomposition of the non-aqueous solvent and deterioration of the cycle characteristics without reducing the charge / discharge rate characteristics.

Claims (8)

正極及び負極並びに非水溶媒にリチウム塩が溶解してなる非水電解液を有する非水電解液二次電池において、
前記負極が、集電体と、その少なくとも一面に形成された、Siを含有する活物質を含む活物質層を有し、
前記非水溶媒が、下記式(1)で表される化合物及び下記式(2)で表される化合物を含み、該非水溶媒に占める式(1)で表される化合物の割合が15〜40体積%であり、該非水溶媒に占める式(2)で表される化合物の割合が55〜85体積%であることを特徴とする非水電解液二次電池。
Figure 0004954902
In a non-aqueous electrolyte secondary battery having a non-aqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt in a positive electrode and a negative electrode and a non-aqueous solvent,
The negative electrode has an active material layer including a current collector and an active material containing Si formed on at least one surface thereof,
The non-aqueous solvent contains a compound represented by the following formula (1) and a compound represented by the following formula (2), and the ratio of the compound represented by the formula (1) in the non-aqueous solvent is 15 to 40 Ri vol% der, nonaqueous electrolyte secondary batteries proportion of the compound represented by formula (2) occupying the non-aqueous solvent and wherein 55-85 vol% der Rukoto.
Figure 0004954902
前記式(1)で表される化合物においてR1及びR2のうちいずれか一方のみがFであり、他方がHである請求の範囲第1項記載の非水電解液二次電池。 2. The nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein in the compound represented by the formula (1), only one of R 1 and R 2 is F and the other is H. 3. 前記式(2)で表される化合物においてR3〜R6がHである請求の範囲第1項記載の非水電解液二次電池。The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein R 3 to R 6 are H in the compound represented by the formula (2). 前記式(2)で表される化合物が、同式においてR3〜R6がHである化合物と、同式においてR3〜R6の少なくとも一つがFである化合物との混合物である請求の範囲第1項記載の非水電解液二次電池。The compound represented by the formula (2) is a mixture of a compound in which R 3 to R 6 are H in the same formula and a compound in which at least one of R 3 to R 6 is F in the same formula. A non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1 in the range. 前記式(2)で表される化合物においてR3〜R6の少なくとも一つがFである化合物の、前記非水溶媒に占める割合が10〜40体積%である請求の範囲第4項記載の非水電解液二次電池。The non-aqueous solvent according to claim 4, wherein a proportion of the compound represented by the formula (2) in which at least one of R 3 to R 6 is F is 10 to 40% by volume in the non-aqueous solvent. Water electrolyte secondary battery. 前記Siを含む活物質は、電池の充電開始前においてリチウムを含有している請求の範囲第1項記載の非水電解液二次電池。  The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the active material containing Si contains lithium before charging of the battery is started. 前記負極が負極活物質層を有し、該負極活物質層が、Siを含む活物質の粒子を含有し、該粒子の表面の少なくとも一部がリチウム化合物の形成能の低い金属材料で被覆されていると共に、該金属材料で被覆された該粒子どうしの間に空隙が形成されている請求の範囲第1項記載の非水電解液二次電池。  The negative electrode has a negative electrode active material layer, the negative electrode active material layer contains particles of an active material containing Si, and at least a part of the surface of the particles is coated with a metal material having a low lithium compound forming ability. The nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein voids are formed between the particles coated with the metal material. 前記正極が、Li及びCoを構成元素として含有するリチウム遷移金属複合酸化物を含む正極活物質層を有し、
前記負極におけるSiに対する、前記正極におけるCoの重量比(Co/Si)が0.3〜5.5の範囲内である請求の範囲第1項記載の非水電解液二次電池。
The positive electrode has a positive electrode active material layer containing a lithium transition metal composite oxide containing Li and Co as constituent elements,
The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein a weight ratio (Co / Si) of Co in the positive electrode to Si in the negative electrode is in a range of 0.3 to 5.5.
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