JP6314751B2 - Binder for lithium ion secondary battery, negative electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は合金系負極活物質を用いた高容量負極に用いるリチウムイオン二次電池用バインダー、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。 The present invention relates to a binder for a lithium ion secondary battery, a negative electrode for a lithium ion secondary battery, and a lithium ion secondary battery used for a high capacity negative electrode using an alloy-based negative electrode active material.
近年、リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高いという特徴から、携帯電話やノートPCなどのポータブル電子機器に広く利用されている。携帯電話を一例に挙げると、通話機能、メール送受信に加えて、Webブラウザや音楽再生機能などの多機能化に伴い、アプリケーションに導入される機能が著しく進化、増加し続けている。 In recent years, lithium ion secondary batteries have been widely used in portable electronic devices such as mobile phones and notebook PCs because of their high energy density. Taking a mobile phone as an example, in addition to a telephone call function and mail transmission / reception, functions introduced into an application have been remarkably evolving and increasing along with the increase in functions such as a Web browser and a music playback function.
上記リチウムイオン二次電池は、正極、負極、正極と負極とを絶縁するセパレーター、および正極と負極との間でリチウムイオンの移動を可能にするための電解液、によって主に構成され、正極および負極は、金属箔からなる集電体の両面または片面に各種の活物質層が塗布されてなるものである。例えば、正極として、コバルト酸リチウムなどを含む活物質層がアルミニウム箔よりなる集電体に塗布されてなるものが用いられ、一方、負極としては、黒鉛などを含む活物質層が銅箔よりなる集電体に塗布されてなるものが用いられている。 The lithium ion secondary battery is mainly composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator that insulates the positive electrode from the negative electrode, and an electrolyte solution that allows lithium ions to move between the positive electrode and the negative electrode. The negative electrode is formed by applying various active material layers to both or one side of a current collector made of metal foil. For example, a positive electrode is used in which an active material layer containing lithium cobalt oxide or the like is applied to a current collector made of aluminum foil, while an active material layer containing graphite or the like is made of copper foil as the negative electrode. What was apply | coated to the electrical power collector is used.
近年、一般的に用いられているリチウムイオン二次電池の負極としては、黒鉛(理論容量372mAh/g)が負極活物質として利用されているが、上述したようにポータブル電子機器の多機能化が進行し、現在さらなる高容量化の対応が急務となっている。 In recent years, graphite (theoretical capacity: 372 mAh / g) has been used as a negative electrode active material as a negative electrode of a lithium ion secondary battery that is commonly used. As the process progresses, there is an urgent need to respond to further increases in capacity.
特に高容量の負極活物質として、リチウム金属、およびリチウムと合金化が可能なシリコン(Si)、シリコン化合物(例えばSiO)、スズ(Sn)などの合金系負極材料が、大学の研究機関や各社メーカー等で検討されおり、特にシリコンでは高い理論容量4199mAh/gを示す。 In particular, high-capacity negative electrode active materials include lithium metal and alloy-based negative electrode materials such as silicon (Si), silicon compounds (eg, SiO), and tin (Sn) that can be alloyed with lithium. In particular, silicon has a high theoretical capacity of 4199 mAh / g.
しかし、シリコンやシリコン化合物を負極活物質として使用した場合、充放電によるリチウムイオンの挿入と脱離に伴った電極の膨張収縮が、黒鉛を負極活物質として用いた場合よりも顕著に大きくなる。したがって、シリコンなどの合金系負極材料を負極活物質に用いたリチウムイオン二次電池では、充電と放電の繰り返しによって、負極活物質層が膨張収縮することで、負極活物質層に大きな応力負荷が働く。 However, when silicon or a silicon compound is used as the negative electrode active material, the expansion and contraction of the electrode accompanying the insertion and desorption of lithium ions due to charge / discharge is significantly larger than when graphite is used as the negative electrode active material. Therefore, in a lithium ion secondary battery using an alloy-based negative electrode material such as silicon as a negative electrode active material, the negative electrode active material layer expands and contracts due to repeated charging and discharging, so that a large stress load is applied to the negative electrode active material layer. work.
その結果、集電体上に形成された負極活物質層にクラックが発生したり、負極活物質層と集電体との間で剥離を生じたりするなどの課題が生じる。これにより、負極活物質と負極活物質間および負極活物質と集電体間での導電パスが遮断され、その結果、リチウムイオン二次電池としてのサイクル特性が低下する。 As a result, there are problems such as cracks generated in the negative electrode active material layer formed on the current collector and peeling between the negative electrode active material layer and the current collector. As a result, the conductive paths between the negative electrode active material and the negative electrode active material and between the negative electrode active material and the current collector are blocked, and as a result, the cycle characteristics of the lithium ion secondary battery are degraded.
このような大きな体積膨張を発現する負極に対して特許文献1では、負極バインダーとして特定の引っ張り強度、引っ張り伸度、弾性率を有するポリアミドイミドを使用することでサイクル特性が改善されるとしている。 With respect to the negative electrode exhibiting such a large volume expansion, Patent Document 1 describes that the cycle characteristics are improved by using polyamideimide having specific tensile strength, tensile elongation, and elastic modulus as the negative electrode binder.
しかし、特許文献1のポリアミドイミドを負極バインダーとして用いた場合においても、負極活物質層の体積膨張が十分に抑えられず、良好なサイクル特性が得られないことが分かった。 However, even when the polyamideimide of Patent Document 1 is used as the negative electrode binder, it was found that the volume expansion of the negative electrode active material layer was not sufficiently suppressed, and good cycle characteristics could not be obtained.
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、リチウムイオン二次電池の負極におけるリチウムの挿入や脱離に伴う負極活物質層の体積膨張を抑制し、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用バインダー、リチウムイオン二次電池用負極、およびこれを用いたリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described conventional problems, and suppresses volume expansion of the negative electrode active material layer accompanying lithium insertion and desorption from the negative electrode of a lithium ion secondary battery, and has excellent cycle characteristics. It aims at providing the binder for lithium ion secondary batteries, the negative electrode for lithium ion secondary batteries, and a lithium ion secondary battery using the same.
上記課題を解決するため、本発明のリチウムイオン二次電池用バインダー(以下、負極バインダーと記すことがある)は、下記の式(1)および式(3)の繰り返し単位を有するポリアミドイミドを含むことを特徴とする
ただし、式(1)内のXは、以下、式(2−1)または式(2−2)を示す。
(ただし、R1、R2は水素、アルキル基からなる群より選ばれる置換基を示す。また、式(2−2)内のYは、−O−、−S−、−C(=O)−、−SO2−、−C(=O)O−、−(CH2)n−、−C(CF3)2−、−C(CH3)2−を示す。なお、−(CH2)n−のnは、0以上5以下の整数である。)
(ただし、上記a及びbは、mol%を表し、a+b=100である)
In order to solve the above problems, a binder for a lithium ion secondary battery of the present invention (hereinafter sometimes referred to as a negative electrode binder) includes a polyamideimide having repeating units of the following formulas (1) and (3). It is characterized by
However, X in Formula (1) represents Formula (2-1) or Formula (2-2) below.
(However, R 1 and R 2 represent a substituent selected from the group consisting of hydrogen and an alkyl group. Y in the formula (2-2) is —O—, —S—, —C (═O). ) -, - SO 2 -, - C (= O) O -, - (CH 2) n -, - C (CF 3) 2 -, - C (CH 3) 2 - shows a Note, -. (CH 2 ) n in n- is an integer of 0 or more and 5 or less.)
(However, a and b represent mol%, and a + b = 100)
リチウムイオン二次電池用負極(以下、「負極」ということがある)に本発明の負極バインダーを用いることで、充放電に伴って生じる負極活物質層の膨張と収縮、つまり体積膨張を抑制することができる。詳細な原因は解明できていないが、以下のような現象によって、リチウムイオン二次電池としてのサイクル特性が向上したと推察している。 By using the negative electrode binder of the present invention for a negative electrode for a lithium ion secondary battery (hereinafter sometimes referred to as “negative electrode”), the expansion and contraction of the negative electrode active material layer caused by charging / discharging, that is, volume expansion is suppressed. be able to. Although the detailed cause has not been clarified, it is presumed that the cycle characteristics as a lithium ion secondary battery have been improved by the following phenomenon.
負極活物質層における負極活物質は、本発明の負極バインダーによって、少なくともその一部が覆われている。本発明の負極バインダーであるポリアミドイミドは、その構造内にトロフルオロメチル基(−CF3基)を持っており、そのためこの−CF3基が撥水性として作用することにより、負極活物質と電解液との過度な濡れ性が抑制され、リチウムイオンとの反応が緩和されるものと考えられる。これにより、負極活物質の急激な劣化が緩和されるものと推察している。 The negative electrode active material in the negative electrode active material layer is at least partially covered with the negative electrode binder of the present invention. Polyamideimide, which is a negative electrode binder of the present invention, has a trifluoromethyl group (—CF 3 group) in its structure. For this reason, the —CF 3 group acts as a water repellency, so It is considered that excessive wettability with the liquid is suppressed and the reaction with lithium ions is alleviated. This presumes that the rapid deterioration of the negative electrode active material is alleviated.
本発明の負極バインダーは、さらに前記式(1)のaの比率が50〜99mol%、前記式(3)のbの比率が50〜1mol%であることが好ましい。なお、aとbの比率を足し合わせた場合、100mol%の関係になるものとする。 In the negative electrode binder of the present invention, the ratio of a in the formula (1) is preferably 50 to 99 mol%, and the ratio of b in the formula (3) is preferably 50 to 1 mol%. In addition, when the ratio of a and b is added, it will be set as the relationship of 100 mol%.
式(1)、および式(3)のaとbの比率が、上記範囲に調製されたポリアミドイミドをバインダーとして用いた場合、充放電による負極活物質層の体積膨張が好適に抑制され、リチウムイオン二次電池としてのサイクル特性が向上する。 In the case where the ratio of a and b in formula (1) and formula (3) is used as a binder, the volume expansion of the negative electrode active material layer due to charge / discharge is suitably suppressed, Cycle characteristics as an ion secondary battery are improved.
また、本発明の負極バインダーの赤外吸収スペクトルにおいて、1360cm−1/1510cm−1(全イミド結合量)の赤外吸収スペクトル強度比に対して、1780cm−1/1510cm−1(環状イミド結合量)の赤外吸収スペクトル強度比が、0.21以上であることが好ましい。 Moreover, in the infrared absorption spectrum of the negative electrode binder of the present invention, 1780 cm −1 / 1510 cm −1 (cyclic imide bond amount) with respect to the infrared absorption spectrum intensity ratio of 1360 cm −1 / 1510 cm −1 (total imide bond amount). ) Is preferably 0.21 or more.
上記負極バインダーであるポリアミドイミドの環状イミド結合量に帰属する赤外吸収スペクトル強度比が、全イミド結合量に帰属する赤外吸収スペクトル強度比が、0.21以上である場合、リチウムイオン二次電池にしたときのサイクル特性が良好となる。 When the infrared absorption spectrum intensity ratio attributed to the cyclic imide bond amount of the polyamideimide as the negative electrode binder is 0.21 or more, the lithium ion secondary Cycle characteristics when used as a battery are improved.
本発明によれば、負極活物質層の体積膨張を防ぐことができ、サイクル特性の向上が可能となるリチウムイオン二次電池用負極、およびリチウムイオン二次電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the volume expansion of a negative electrode active material layer can be prevented, and the negative electrode for lithium ion secondary batteries which can improve cycling characteristics, and a lithium ion secondary battery can be provided.
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment. The constituent elements described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art and those that are substantially the same. Furthermore, the constituent elements described below can be appropriately combined.
<リチウムイオン二次電池>
図1に、リチウムイオン二次電池100の構成断面図を示す。図1のリチウムイオン二次電池100は、正極10および負極20と、正極10と負極20との間に配置されたセパレーター18と電解質を含む電解液から構成され、前記セパレーター18は充放電時における正負極間でのリチウムイオンの移動媒体である上記電解液を保持する。
<Lithium ion secondary battery>
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a lithium ion
上記正極10は、リチウムイオンを吸蔵・放出する正極活物質と、導電助剤と、バインダーとを含む正極活物質層14を正極集電体12の少なくとも一方の主面に備えて構成されており、上記負極20は、リチウムイオンを吸蔵・放出する負極活物質と、導電助剤と、バインダーとを含む負極活物質層24を負極集電体22の少なくとも一方の主面に備えて構成されている。
The
リチウムイオン二次電池の形状としては、特に制限はなく、例えば、円筒型、角型、コイン型、偏平型、ラミネートフィルム型など、いずれであってもよい。本発明では、ラミネートフィルムを外装体50として用い、下記実施例では、ラミネートフィルム型電池を作製し評価する。ラミネートフィルムは、例えば、ポリプロピレン、アルミニウム、ナイロンがこの順に積層されてなる3層構造として構成されている。
There is no restriction | limiting in particular as a shape of a lithium ion secondary battery, For example, any, such as a cylindrical type, a square type, a coin type, a flat type, a laminate film type, may be sufficient. In the present invention, a laminate film is used as the
<リチウムイオン二次電池用バインダー>
リチウムイオン二次電池用負極に用いる本発明に係るリチウムイオン二次電池用バインダー(以下、負極バインダーと記すことがある)は、下記の式(1)および下記の式(3)の繰り返し単位を有するポリアミドイミドを含む。
ただし、式(1)内のXは、以下、式(2−1)または式(2−2)を示す。
(ただし、R1、R2は水素、アルキル基からなる群より選ばれる置換基を示す。また、式(2−2)内のYは、−O−、−S−、−C(=O)−、−SO2−、−C(=O)O−、−(CH2)n−、−C(CF3)2−、−C(CH3)2−を示す。なお、−(CH2)n−のnは、0以上5以下の整数である。)
(ただし、上記a及びbは、mol%を表し、a+b=100である)
<Binder for lithium ion secondary battery>
The binder for a lithium ion secondary battery according to the present invention used for a negative electrode for a lithium ion secondary battery (hereinafter sometimes referred to as a negative electrode binder) is a repeating unit of the following formula (1) and the following formula (3). Including polyamideimide.
However, X in Formula (1) represents Formula (2-1) or Formula (2-2) below.
(However, R 1 and R 2 represent a substituent selected from the group consisting of hydrogen and an alkyl group. Y in the formula (2-2) is —O—, —S—, —C (═O). ) -, - SO 2 -, - C (= O) O -, - (CH 2) n -, - C (CF 3) 2 -, - C (CH 3) 2 - shows a Note, -. (CH 2 ) n in n- is an integer of 0 or more and 5 or less.)
(However, a and b represent mol%, and a + b = 100)
リチウムイオン二次電池用負極20において、上記負極バインダーを用いることで、充放電時における負極活物質層24の膨張収縮を抑制することが可能となる。上記負極バインダーは、上記式(1)と上記式(3)のポリアミドイミドから構成された構造を有しており、したがってトリフルオロメチル基を分子内の一部に有するポリアミドイミドとなる。
By using the negative electrode binder in the
上記バインダーによって構成されるリチウムイオン二次電池用負極20では、充放電における負極活物質の劣化が抑制され、その結果負極活物質層24の体積膨張が抑制される。上記理由により、リチウムイオン二次電池用負極20を、リチウムイオン二次電池100に用いた場合、優れたサイクル特性を示す。
In the
さらに前記負極バインダーの式(1)のaの比率としては、50〜99mol%、式(3)のbの比率としては50〜1mol%であることが好ましい。 Further, the ratio of a in formula (1) of the negative electrode binder is preferably 50 to 99 mol%, and the ratio of b in formula (3) is preferably 50 to 1 mol%.
前記式(1)、および前記式(3)のaとbの比率が、それぞれ50〜99mol%、50〜1mol%に調製されたポリアミドイミドを負極バインダーとして用いることで、充放電時における負極活物質層24の膨張収縮が抑制され、ひいては負極活物質の劣化の不具合が改善されることにより、優れたサイクル特性を発現し得る。
The polyamide imides prepared so that the ratios of a and b in the formula (1) and the formula (3) are 50 to 99 mol% and 50 to 1 mol%, respectively, are used as the negative electrode binder. The expansion and contraction of the
さらに負極バインダーの赤外吸収スペクトルにおいて、1360cm−1/1510cm−1(全イミド結合量)の赤外吸収スペクトル強度比に対して、1780cm−1/1510cm−1(環状イミド結合量)の赤外吸収スペクトル強度比が0.21以上であることが好ましい。 Further in the infrared absorption spectrum of the negative electrode binder, to infrared absorption spectrum intensity ratio of 1360cm -1 / 1510cm -1 (total imide bond amount), infrared 1780cm -1 / 1510cm -1 (cyclic imide bond amount) The absorption spectrum intensity ratio is preferably 0.21 or more.
本発明の負極バインダーの赤外吸収スペクトルにおいて、1360cm−1/1510cm−1(全イミド結合量)の赤外吸収スペクトル強度比に対して、1780cm−1/1510cm−1(環状イミド結合量)の赤外吸収スペクトル強度比を0.21以上にすることで、高重合度(高分子量化)の負極バインダーとなり、負極活物質層の体積膨張を抑制することができる。さらには、負極集電体22と負極活物質層24およびまたは、負極活物質同士での接着性を強く固持することができる。
In the infrared absorption spectrum of the negative electrode binder of the present invention, with respect to the infrared absorption spectrum intensity ratio of 1360 cm -1 / 1510 cm -1 (total imide bond amount), 1780 cm -1 / 1510 cm -1 of the (cyclic imide bond amount) By setting the infrared absorption spectrum intensity ratio to 0.21 or more, the negative electrode binder having a high degree of polymerization (high molecular weight) can be obtained, and the volume expansion of the negative electrode active material layer can be suppressed. Furthermore, the adhesion between the negative electrode
なお、上記負極バインダーの重合度は、所定の温度で熱処理することで、その重合度を高めることが可能である。ポリアミドイミドを構成するポリアミドイミド分子とポリアミドイミド分子とが、熱処理によって新たに縮重合し、ポリアミドイミドとしての機械的強度を高めることができる。 The degree of polymerization of the negative electrode binder can be increased by heat treatment at a predetermined temperature. The polyamideimide molecule and the polyamideimide molecule constituting the polyamideimide are newly polycondensed by heat treatment, and the mechanical strength as the polyamideimide can be increased.
上記熱処理の温度の上限としては、本発明内のポリアミドイミドが分解しない程度の温度であることが望ましいが、上記ポリアミドイミドをリチウムイオン二次電池としたときに、電池特性を損なわない範囲であれば、ポリアミドイミドの一部が分解する温度でも構わない。 The upper limit of the temperature of the heat treatment is desirably a temperature at which the polyamideimide in the present invention is not decomposed. However, when the polyamideimide is used as a lithium ion secondary battery, the battery characteristics are not impaired. For example, a temperature at which a part of the polyamideimide is decomposed may be used.
以下、上述した本発明に係るリチウムイオン二次電池用負極20およびリチウムイオン二次電池100の好適な実施形態について、さらに詳細に説明する。
Hereinafter, preferred embodiments of the
<負極活物質>
本実施形態におけるリチウムイオン二次電池用負極20の負極活物質としては、リチウムと合金化が可能な負極活物質が用いられる。特に、高容量であるシリコンが望ましい。シリコンは、単体で含まれていても、合金で含まれていても、化合物で含まれていてもよく、それらの2種以上が混在した状態で粒子を形成していてもよい。具体的には、MySi(MはSi以外の1種以上の元素であり、yは0以上の数値である)の化学式で示されるシリコン化合物として、例えばSiB4、SiB6、Mg2Si、Ni2Si、TiSi2、MoSi2、NiSi2、CaSi2、CrSi2、Cu5Si、FeSi2、MnSi2、NbSi2、TaSi2、VSi2、WSi2、ZnSi2などが挙げられる。またシリコンを含有した酸化化合物、窒素化化合物、または炭化化合物として、例えばSiC、Si3N4、Si2N2O、SiOx(0<x≦2)、LiSiO、などが挙げられる。さらに、シリコンの合金としては、例えば、シリコン以外に、スズ、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモンおよびクロムからなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。
<Negative electrode active material>
As the negative electrode active material of the
また、シリコン以外の負極活物質としては、金属スズが挙げられる。金属スズは、単体で含まれていても、合金で含まれていても、化合物で含まれていてもよく、それらの2種以上が混在した状態で含まれていてもよい。具体的には、NwSn(NはSn以外の1種以上の元素であり、wは0以上の数値である)の化学式で示されるスズ化合物として、例えばMg2Sn、が挙げられる。また、スズを含有した酸化化合物、窒素化化合物、または炭化化合物として、例えばSnOz(0<z≦2)、LiSnOなどが挙げられる。さらに、スズの合金としては、例えば、スズ以外に、シリコン、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモンおよびクロムからなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。 In addition, examples of the negative electrode active material other than silicon include metallic tin. Metal tin may be contained alone, in an alloy, in a compound, or in a state in which two or more of them are mixed. Specifically, as a tin compound represented by a chemical formula of N w Sn (N is one or more elements other than Sn and w is a numerical value of 0 or more), for example, Mg 2 Sn can be given. Examples of the tin-containing oxide compound, nitrogenated compound, or carbonized compound include SnO z (0 <z ≦ 2) and LiSnO. Furthermore, as an alloy of tin, for example, at least one selected from the group consisting of silicon, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, antimony and chromium in addition to tin The thing containing is mentioned.
また、負極活物質として、上記に挙げた材料に限定することはなく、他にも、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出する材料であれば特に制限はされないリチウムイオン二次電池用負極20に、膨張収縮の大きな負極活物質を用いた場合において、より好適な効果を発揮することができる。 Further, the negative electrode active material is not limited to the above-mentioned materials, and any other negative electrode for lithium ion secondary batteries is not particularly limited as long as it is a material capable of electrochemically inserting and extracting lithium ions. In addition, when a negative electrode active material having a large expansion and contraction is used, a more suitable effect can be exhibited.
<ポリアミドイミドバインダー>
上述したリチウムイオン二次電池用バインダーは、負極活物質層24を構成する部材同士を結着させて負極活物質層24の形態を維持する目的、および負極活物質層24と負極集電体22とを結着させてリチウムイオン二次電池用負極20の電極構造を維持する目的で添加される。リチウムイオン二次電池用負極20に用いられるバインダーとして、上述したポリアミドイミドを用いることができる。上記ポリアミドイミドとしては、強度、伸張率、弾性率、耐電解液性のほかに、溶媒への溶解性や加工性、コストなどの点からも上述した芳香族ポリアミドイミドが好ましい。
<Polyamideimide binder>
The binder for a lithium ion secondary battery described above aims to maintain the form of the negative electrode
前述の式(1)および式(3)によって構成されたポリアミドイミドの製造方法としては、酸成分とイソシアネート成分から製造するイソシアネート法、または酸クロリドとアミンから製造するジアミン法(酸クロリド法)などの公知の方法で製造することができるが、製造コストの点からイソシアネート法が好ましい。 Examples of the method for producing the polyamideimide constituted by the above formulas (1) and (3) include an isocyanate method produced from an acid component and an isocyanate component, or a diamine method (acid chloride method) produced from an acid chloride and an amine. However, the isocyanate method is preferred from the viewpoint of production cost.
ポリアミドイミドをイソシアネート法で合成する場合、酸成分として前記式(1)および前記式(3)に含まれるトリメリット酸無水物を必須成分とするが、リチウムイオン二次電池としたときに特性を損なわない範囲でその一部を他の多塩基酸またはその無水物に置き換えることができる。例えば、ピロメリット酸、ビフェニルテトラカルボン酸、ビフェニルスルホンテトラカルボン酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸、ビフェニルエーテルテトラカルボン酸、エチレングリコールビストリメリテート、プロピレングリコールビストリメリテートなどのテトラカルボン酸およびこれらの無水物、シュウ酸、アジピン酸、マロン酸、セバシン酸、アゼライン酸、ドデカンジカルボン酸、ジカルボキシポリブタジエン、ジカルボキシポリ(アクリロニトリル−ブタジエン)、ジカルボキシポリ(スチレン−ブタジエン)などの脂肪族ジカルボン酸、1,4−シクロヘキサンジカルボン酸、1,3−シクロヘキサンジカルボン酸、4,4’−ジシクロヘキシルメタンジカルボン酸、ダイマー酸などの脂環族ジカルボン酸、テレフタル酸、イソフタル酸、ジフェニルスルホンジカルボン酸、ジフェニルエーテルジカルボン酸、ナフタレンジカルボン酸などの芳香族ジカルボン酸、トリメシン酸、シクロヘキサントリカルボン酸などの3 官能カルボン酸などが挙げられる。これらの中ではトリメリット酸無水物が最も好ましく、次いでベンゾフェノンテトラカルボン酸無水物、ビフェニルテトラカルボン酸無水物、ピロメリット酸などが好ましい。 When synthesizing polyamideimide by the isocyanate method, trimellitic anhydride contained in the formula (1) and the formula (3) is an essential component as an acid component. A part thereof can be replaced with another polybasic acid or its anhydride as long as it is not impaired. For example, tetracarboxylic acids such as pyromellitic acid, biphenyl tetracarboxylic acid, biphenyl sulfone tetracarboxylic acid, benzophenone tetracarboxylic acid, biphenyl ether tetracarboxylic acid, ethylene glycol bis trimellitate, propylene glycol bis trimellitate and anhydrides thereof, Aliphatic dicarboxylic acids such as oxalic acid, adipic acid, malonic acid, sebacic acid, azelaic acid, dodecanedicarboxylic acid, dicarboxypolybutadiene, dicarboxypoly (acrylonitrile-butadiene), dicarboxypoly (styrene-butadiene), 1,4 Cyclohexanedicarboxylic acid, 1,3-cyclohexanedicarboxylic acid, 4,4′-dicyclohexylmethanedicarboxylic acid, dimer acid and other alicyclic dicarboxylic acids, terephthalic acid Isophthalic acid, diphenyl sulfone dicarboxylic acid, diphenyl ether dicarboxylic acid, aromatic dicarboxylic acids such as naphthalene dicarboxylic acid, trimesic acid, and trifunctional carboxylic acids such as cyclohexane tricarboxylic acid. Of these, trimellitic anhydride is most preferred, followed by benzophenone tetracarboxylic anhydride, biphenyltetracarboxylic anhydride, pyromellitic acid, and the like.
ポリアミドイミドをイソシアネート法で合成する場合、前記式(1)および前記式(3)に対応するジイソシアネートを必須成分とするが、例えば、以下に列挙するジイソシアネート成分を用いることができる。p−フェニレンジイソシアネート、m−フェニレンジイソシアネート、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート、4,4’−ジフェニルエーテルジイソシアネート、ジフェニルカルボニル−3,3’−ジイソシアナート、4−イソシアナト安息香酸4−イソシアナトフェニル、4,4’−ジフェニルスルホンジイソシアネート、ジフェニルスルフィド−2,4’−ジイソシアナート、キシリレンジイソシアネート、トリレンジイソシアネート、トリジンジイソシアネート、2,2−ビス(4−イソシアナトフェニル)ヘキサフルオロプロパン、1−イソシアネート−4−[1−(4−イソシアネートフェニル)−1−メチルエチル]ベンゼン等の芳香族ジイソシアネートなどが挙げられ、これらの中ではp−フェニレンジイソシアネート、m−フェニレンジイソシアネート、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート、4,4’−ジフェニルエーテルジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、トリレンジイソシアネート、トリジンジイソシアネート等の芳香族ジイソシアネートが好ましく、さらに好ましくはp−フェニレンジイソシアネート、m−フェニレンジイソシアネート、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネートである。 When the polyamideimide is synthesized by the isocyanate method, the diisocyanate corresponding to the formula (1) and the formula (3) is an essential component. For example, the diisocyanate components listed below can be used. p-phenylene diisocyanate, m-phenylene diisocyanate, 4,4′-diphenylmethane diisocyanate, 4,4′-diphenyl ether diisocyanate, diphenylcarbonyl-3,3′-diisocyanate, 4-isocyanatobenzoic acid 4-isocyanatophenyl, 4 , 4′-diphenylsulfone diisocyanate, diphenyl sulfide-2,4′-diisocyanate, xylylene diisocyanate, tolylene diisocyanate, tolidine diisocyanate, 2,2-bis (4-isocyanatophenyl) hexafluoropropane, 1-isocyanate Aromatic diisocyanates such as -4- [1- (4-isocyanatophenyl) -1-methylethyl] benzene and the like, and among these, p-phenylene diisocyanate. , M-phenylene diisocyanate, 4,4′-diphenylmethane diisocyanate, 4,4′-diphenyl ether diisocyanate, xylylene diisocyanate, tolylene diisocyanate, tolidine diisocyanate and the like, more preferably p-phenylene diisocyanate, m- Phenylene diisocyanate, 4,4′-diphenylmethane diisocyanate.
なお、ポリアミドイミドをジアミン法で製造する場合は、上記酸成分のカルボン酸をカルボン酸クロライドに変更することができ、イソシアネート成分を対応するアミンに変更して製造することができる。 In addition, when manufacturing a polyamideimide by the diamine method, the carboxylic acid of the said acid component can be changed into a carboxylic acid chloride, and it can manufacture by changing an isocyanate component into a corresponding amine.
ポリアミドイミドは、極性溶媒中で60〜200℃に加熱しながら攪拌することで容易に合成することができる。イソシアネート法による合成に使用する溶媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン、N、N’−ジメチルホルムアミド、N、N’−ジメチルアセトアミド、1、3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、テトラメチルウレア、スルホラン、ジメチルスルホオキシド、γ−ブチロラクトン、シクロヘキサノン、シクロペンタノンなどを挙げることができ、これらの中でもN−メチル−2−ピロリドンが好ましい。また、これらの溶媒の一部を、トルエン、キシレンなどの炭化水素系有機溶媒、ジグライム、トリグライム、テトラヒドロフランなどのエーテル系有機溶媒、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンなどのケトン系有機溶媒で置き換えることも可能である。 Polyamideimide can be easily synthesized by stirring in a polar solvent while heating to 60 to 200 ° C. Examples of the solvent used for the synthesis by the isocyanate method include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N′-dimethylformamide, N, N′-dimethylacetamide, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, tetra Examples include methylurea, sulfolane, dimethylsulfoxide, γ-butyrolactone, cyclohexanone, and cyclopentanone. Among these, N-methyl-2-pyrrolidone is preferable. It is also possible to replace some of these solvents with hydrocarbon organic solvents such as toluene and xylene, ether organic solvents such as diglyme, triglyme and tetrahydrofuran, and ketone organic solvents such as methyl ethyl ketone and methyl isobutyl ketone. is there.
また上記の合成時における反応温度、反応時間を調整することにより、ポリアミドイミドの分子量を容易に調製することが可能である。本実施形態に係るポリアミドイミドにおていは、重量平均分子量(Mw)としては、4,000〜100,000が好ましく、5,000〜60,000がより好ましい。重量平均分子量が4,000〜100,000となる本実施形態に係るポリアミドイミドを負極バインダーとして用いることで、活物質と活物質および活物質と集電体の結着性を強く保持することができ、負極活物質間での導電パスに優れ、充放電サイクル特性が良好となる。さらに、重量平均分子量が5,000〜60,000となる本実施形態に係るポリアミドイミドを負極バインダーとして用いることで、サイクル特性がより優れる。この原因についての詳細は解明できていないが、重量平均分子量が5,000〜60,000となる場合、本実施形態に係るポリアミドイミドの極めて微少量が、充放電過程において分解および/または電解液に溶出し、これが負極活物質表面にフッ素を含む好適な固体電解質界面(SEI)被膜の一部に作用することでサイクル特性がより優れると考えている。 In addition, the molecular weight of the polyamideimide can be easily prepared by adjusting the reaction temperature and reaction time during the synthesis. In the polyamideimide according to the present embodiment, the weight average molecular weight (Mw) is preferably 4,000 to 100,000, and more preferably 5,000 to 60,000. By using the polyamideimide according to this embodiment having a weight average molecular weight of 4,000 to 100,000 as a negative electrode binder, the binding properties of the active material and the active material and the active material and the current collector can be strongly retained. In addition, the conductive path between the negative electrode active materials is excellent, and the charge / discharge cycle characteristics are good. Furthermore, cycling characteristics are more excellent by using the polyamideimide which concerns on this embodiment whose weight average molecular weight becomes 5,000-60,000 as a negative electrode binder. Although details about the cause have not been elucidated, when the weight average molecular weight is 5,000 to 60,000, a very small amount of the polyamideimide according to the present embodiment is decomposed and / or electrolytic solution in the charge and discharge process. It is believed that the cycle characteristics are further improved by acting on a part of a suitable solid electrolyte interface (SEI) film containing fluorine on the negative electrode active material surface.
なお、上記重量平均分子量は、サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)を用いて上記ポリアミドイミドの標準ポリスチレン換算の重量平均分子量(Mw)を算出することができる。 In addition, the said weight average molecular weight can calculate the weight average molecular weight (Mw) of standard polyamide conversion of the said polyamideimide using size exclusion chromatography (SEC).
ポリアミドイミドを合成する際、その反応を促進するために、必要に応じて触媒を用いても良く、例えばトリエチルアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンジアミン、1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]−7−ウンデセン等のアミン類、フッ化ナトリウム、フッ化カリウム、フッ化セシウム等のハロゲン化金属、ナトリウムメトキシド、ナトリウムエトキシド等の有機塩基、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムの無機塩基が挙げられる。触媒量は酸成分に対して0mol%以上10mol%以下が好ましく、さらに好ましくは0.1mol%以上5mol%以下である。 In synthesizing the polyamideimide, a catalyst may be used as necessary to accelerate the reaction. For example, triethylamine, diethylenetriamine, triethylenediamine, 1,8-diazabicyclo [5.4.0] -7-undecene. Amines such as sodium fluoride, potassium fluoride and cesium fluoride, organic bases such as sodium methoxide and sodium ethoxide, and inorganic bases such as sodium hydroxide and potassium hydroxide. The amount of the catalyst is preferably 0 mol% or more and 10 mol% or less, and more preferably 0.1 mol% or more and 5 mol% or less with respect to the acid component.
なお、上記負極20に用いられるバインダーとしては、本発明内のポリアミドイミドとその他のバインダーを少なくとも1つ以上と組み合わせて併用してもよい。その他のバインダーとしては、ポリアミドイミド、ポリイミドなどが挙げられ、ポリアミドイミドとしては、公知の各種ポリアミドイミドが挙げられる。より具体的には、例えば、日立化成社製「HPCシリーズ(商品名)」、東洋紡績社製「バイロマックス(商品名)」などの市販品を使用することができる。なお、上記ポリアミドイミドとしては、分子鎖中に芳香環を有するもの、すなわち芳香族ポリアミドイミドがより好ましい。さらに本発明のポリアミドイミドと組み合わせるポリアミドイミドは、1種のみを使用してもよく、2種以上を併用してもよい。ポリイミドとしては、公知の各種ポリイミドが挙げられ、熱可塑性ポリイミド、熱硬化性ポリイミドの何れも使用することができる。また、熱硬化性ポリイミドの場合には、縮合型のポリイミド、付加型のポリイミドの何れであってもよい。より具体的には、例えば、東レ社製「セミコファイン(商品名)」、日立化成デュポンマイクロシステムズ社製「PIXシリーズ(商品名)」、日立化成社製「HCIシリーズ(商品名)」、宇部興産社製「U−ワニス(商品名)」などの市販品を使用することができる。上記ポリイミドも同様に、本発明のポリアミドイミドと組み合わせる場合、1種のみを使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
In addition, as a binder used for the said
<正極活物質>
リチウムイオン二次電池に用いられる正極活物質としては、リチウム複合酸化物が用いられ、具体的には、以下に示す各材料および各元素の組成比が異なる類似の材料が使用でき、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、ニッケルコバルト酸リチウム(LiNiCoO2)、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)、LiMO2(M=Ni、Co、Mn)、LiMO2(M=Ni、Co、Al)、LiFeMnO2、Li2PtO3、LiMnNiO4、LiNiMnO2、LiCrMnO4、LiFe(SO4)3、LiMVO4、(M=Mn、Ni、Co)、LiCoPO4、Li3V2(PO4)3、などが挙げられる。また、この材料に限定することはなく、他にも、リチウムイオンを電気化学的に挿入および脱離する正極活物質材料であれば、特に制限はされない。
<Positive electrode active material>
As the positive electrode active material used in the lithium ion secondary battery, a lithium composite oxide is used. Specifically, similar materials having different composition ratios of the respective materials and elements shown below can be used. (LiCoO 2 ), lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium nickel cobaltate (LiNiCoO 2 ), lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), LiMO 2 (M = Ni, Co, Mn), LiMO 2 (M = Ni, Co, Al), LiFeMnO 2 , Li 2 PtO 3 , LiMnNiO 4 , LiNiMnO 2 , LiCrMnO 4 , LiFe (SO 4 ) 3 , LiMVO 4 , (M = Mn, Ni, Co) ), LiCoPO 4 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , and the like. The material is not limited to this material, and any other positive electrode active material that electrochemically inserts and desorbs lithium ions is not particularly limited.
正極10に用いられるバインダーとしては、本実施形態のポリアミドイミド、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリイミド、ポリウレタン、エチレンビニルアルコール、ポリアクリレート、などの有機系バインダー、カルボキシメチルセルロース(CMC)、スチレンーブタジエン共重合体などの水系バインダーが好適に用いることができる。
Examples of the binder used for the
<導電助剤>
負極活物質層24および正極活物質層14において、導電性を向上させることを目的として導電助剤を追加で添加してもよい。本実施形態において用いられる導電助剤は特に制限されず、周知の材料を用いることができる。例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック、気相成長炭素繊維(VGCF)、カーボンナノチューブ等の炭素繊維、およびグラファイトなどの炭素材料が挙げられ、これらの1種または2種以上を用いることができる。
<Conductive aid>
In the negative electrode
<集電体>
集電体は、導電性材料から構成され、その一方の主面または両面に活物質層が配置される。本実施形態のリチウムイオン二次電池として、集電体を構成する材料は特に限定するものではないが、負極20に用いられる負極集電体22としては、銅、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、またはこれらの合金などの金属箔を用いることができる。特に銅および銅合金が好ましく、電解銅箔および圧延銅箔によって製造された箔を好適に用いることができる。正極10に用いられる正極集電体12としては、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、チタンまたはこれらの合金などの金属箔を用いることができ、特に正極集電体12としては、アルミニウム箔が好ましい。
<Current collector>
The current collector is made of a conductive material, and an active material layer is disposed on one main surface or both surfaces thereof. Although the material which comprises a collector is not specifically limited as a lithium ion secondary battery of this embodiment, As a
本実施形態における負極集電体22において、シリコンやシリコン化合物などの高容量な負極活物質と組み合わせて負極20を作製する場合、上記負極集電体22の抗張力としては、50N/mm2以上のものが好ましく、さらに200N/mm2以上を有する負極集電体22がより好ましい。
In the negative electrode
負極集電体22の抗張力に関して上記に限定するものではないが、その理由として、我々のこれまでの種々の研究成果において、抗張力が50N/mm2よりも小さい負極集電体22を用いた場合、充放電時に上記負極活物質層24の膨張収縮によって、破れが発生しやすくなる傾向にあった。つまり、充放電による負極20の破れや負極活物質層24の脱落をより効果的に抑制するためには、少なからず所定の抗張力を有する負極集電体22を用いることが望ましく、それによって本発明の効果が好適に発揮される。
The tensile strength of the negative electrode
本実施形態における上記負極集電体22である銅箔厚みは、特に限定するものではないが、5〜30μm程度の銅箔が好適に用いることができる。銅箔厚みが5μmよりも薄い集電体になると、銅箔の相対的な抗張力が弱くなる傾向にあり、負極活物質層24の充放電による体積膨張によって、銅箔の破れや変形等が容易に生じやすい可能性がある。
Although the copper foil thickness which is the said
また、上記銅箔の表面粗さRaについても特に限定するものではないが、負極活物質層24との接着性との観点から、少なからず所定の表面粗さを有する集電体が好ましい。銅箔の表面粗さRaとしては、0.05μm以上の銅箔を用いればよい。なお、RaはJIS B0601に規定される算術平均粗さRaのことである。
Further, the surface roughness Ra of the copper foil is not particularly limited, but from the viewpoint of adhesion to the negative electrode
<セパレーター>
セパレーター18は、負極20と正極10との間に配置され、両極の接触による電流の短絡を防止し、さらに電解質塩を含んだ電解液が含浸されていることにより、リチウムイオンを通過させるものである。このセパレーター18は、例えば微少な孔を多数有する多孔性膜を備えるものであって、上記セパレーター18の具体的な材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系多孔フィルム、ポリイミド、ポリアミドイミドなどの高耐熱多孔膜、前記ポリオレフィン系多孔膜と高耐熱多孔膜との複合膜、芳香族ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミドなどの不織布などが挙げられる。またセパレーター18は、例えばその厚みが5μm以上、50μm以下の範囲であると共に、その全体積中における空隙体積の比率を表す空孔率が20%以上、60%以下の範囲であるものが好ましい。
<Separator>
The separator 18 is disposed between the
<電解液>
電解液は、上述したようにセパレーター18に含浸されており、例えば、溶媒とこの溶媒に溶解された電解質塩とを含んでおり、必要に応じて添加剤を含んでいてもよい。上記電解液の溶媒としては、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)、などの環状炭酸エステル、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)などの鎖状炭酸エステル、酢酸メチル(MA),酢酸エチル(EA),プロピオン酸メチル(MP),プロピオン酸エチル(EP)などの鎖状カルボン酸エステル、または、γ−ブチロラクトン(GBL)、γ−バレロラクトン(GVL)などの環状カルボン酸エステルなどが挙げられる。これらのいずれか1種、または2種以上を混合して溶媒として用いることができる。また、上記列挙した溶媒に限定することはなく、電解質塩を溶解しリチウムイオン二次電池100としたときにその特性を損なわない範囲でれば、特に制限はされない。
<Electrolyte>
The electrolytic solution is impregnated in the separator 18 as described above, and includes, for example, a solvent and an electrolyte salt dissolved in the solvent, and may include an additive as necessary. Examples of the solvent for the electrolytic solution include cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC), and chain structures such as dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and ethyl methyl carbonate (EMC). A chain carboxylic acid ester such as carbonate, methyl acetate (MA), ethyl acetate (EA), methyl propionate (MP), ethyl propionate (EP), or γ-butyrolactone (GBL), γ-valerolactone ( Cyclic carboxylic acid esters such as GVL). Any one of these or a mixture of two or more can be used as a solvent. Further, the solvent is not limited to the above listed solvents, and is not particularly limited as long as the characteristics are not impaired when the electrolyte salt is dissolved to form the lithium ion
また、上記溶媒には、ビニレンカーボネート(VC)などの不飽和結合を有する環式炭酸エステルや、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)などのフッ素化環状カーボネートを混合して溶媒として用いることができる。 In addition, a cyclic carbonate having an unsaturated bond such as vinylene carbonate (VC), or a fluorinated cyclic carbonate such as fluoroethylene carbonate (FEC) or difluoroethylene carbonate (DFEC) is mixed with the above solvent as a solvent. Can be used.
電解質塩としては、例えばリチウム塩が挙げられ、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。リチウム塩としては、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiB(C6H5)4、LiCH3SO3、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiC(SO2CF3)3、LiAlCl4、LiSiF6、LiCl、リチウムビスオキサレートボレート、あるいはLiBrなどが挙げられ、1種または2種以上用いることができる。特に、LiPF6は高いイオン伝導性を得ることができるため好適に用いることができる。 As electrolyte salt, lithium salt is mentioned, for example, 1 type may be used independently, and 2 or more types may be mixed and used for it. Lithium salts include LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiB (C 6 H 5 ) 4 , LiCH 3 SO 3 , LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiAlCl 4 , LiSiF 6 , LiCl, lithium bisoxalate borate, LiBr, or the like can be used, and one kind or two or more kinds can be used. In particular, LiPF 6 can be suitably used because it can obtain high ionic conductivity.
<リチウムイオン二次電池の製造方法>
本実施形態のリチウムイオン二次電池100は、例えば、次のようにして製造することができる。
<Method for producing lithium ion secondary battery>
The lithium ion
まず、負極20は以下のようにして製造することができる。例えば、上述した負極活物質と、導電助剤と、バインダーとをN−メチル−2−ピロリドンなどの溶媒に混合分散させてペースト状の負極スラリーを作製する。次いで、この負極スラリーを例えばコンマロールコーターを用いて、所定の厚みを有する負極活物質層24を銅箔などの負極集電体22の片面または両面に塗布し、乾燥炉内にて溶媒を乾燥させた。なお、上記負極集電体22の両面に塗布された場合、負極活物質層24となる塗膜の厚みは、両面とも同じ膜厚であることが望ましい。上記負極活物質が形成された負極20をロールプレス機などにより、負極活物質層24を負極集電体22の片面または両面に圧着させ、負極集電体22上の負極活物質層24と、負極集電体22との密着性を高めると同時に、所定の密度を有する負極シートとなる。
First, the
上記負極シートは、金型を用いて所定の電極サイズに打ち抜き、本実施形態のリチウムイオン二次電池用の負極20とする。上記負極20の面積は、正極10の面積よりも大きいサイズであることが好ましい。負極20の面積を、対向する正極10の面積よりも大きくして、リチウムの析出による内部短絡の発生を防止するためである。
The negative electrode sheet is punched into a predetermined electrode size using a mold to form the
上記負極20は、真空中または不活性ガスの雰囲気中において上記バインダーの熱分解する温度以下で熱処理することで、バインダーによる重合度の増加によって負極活物質層24と負極集電体22の界面、および負極活物質同士での密着性をさらに高めることができる。また、負極集電体22の表面に一定の表面粗さを有していれば、その表面の凹凸部分にバインダーが入り込むことにより、バインダーと負極集電体22の間にアンカー効果が作用し、さらに密着性が向上する。そのため、リチウムイオンの吸蔵・放出の際の活物質の体積の膨張・収縮による負極集電体22からの負極活物質層24の剥離を抑制することができる。
The
正極10は以下のようにして製造することができる。例えば、上述した正極活物質と、導電助剤と、バインダーとをN−メチル−2−ピロリドンなどの溶媒に混合分散させてペースト状の正極スラリーを作製する。次いで、この正極スラリーを例えばコンマロールコーターを用いて、所定の厚みを有する正極活物質層14をアルミニウム箔などの正極集電体12の片面または両面に塗布し、乾燥炉内にて溶媒を乾燥させた。なお、上記正極集電体12の両面に塗布された場合、正極活物質層14となる塗膜の厚みは、両面とも同じ膜厚であることが望ましい。上記正極活物質層14が形成された正極10をロールプレス機などにより、正極活物質層14を正極集電体12の片面または両面に圧着させ、正極活物質層14と正極集電体12との密着性を高めると同時に、所定の密度を有する正極シートとなる。
The
上記正極シートは、金型を用いて所定の電極サイズに打ち抜き、本実施形態のリチウムイオン二次電池用の正極10とする。既に上述している通り、上記正極10の面積は、負極20の面積よりも小さいサイズであることが好ましい。正極10の面積を、対向する負極20の面積よりも若干小さくすることで、簡易的にリチウムの析出による内部短絡の発生を防止するためである。
The positive electrode sheet is punched into a predetermined electrode size using a mold to form the
また上記正極10においても負極20と同様に、使用するバインダーによって適宜熱処理を行っても良い。
Further, similarly to the
続いて、負極20と正極10とをセパレーター18を介して積層することで電極体30を作製することができる。これを電極体1層とし、同様の作製方法にて任意の積層数で構成された電極体を作製することができる。上記セパレーター18は、負極20と正極10とが直接接触しないようにするために、金型を用いて両電極よりも電極サイズが大きく打ち抜いたものを好適に用いることができる。
Subsequently, the electrode body 30 can be manufactured by laminating the
次いで、上記電極体30の負極20において、負極活物質層24を設けていない銅箔の突起端部に、ニッケル製の負極リード62を取り付け、一方、電極体30の正極10においては、正極活物質層14を設けていないアルミニウム箔の突起端部に、アルミニウム製の正極リード60を超音波溶接機によって取り付ける。そして、この電極体30を、アルミニウムのラミネートフィルムの外装体50内に挿入して周囲の1箇所を除いてヒートシールすることにより閉口部を形成し、外装体50内に所定量の電解液を注入した後に、残りの1箇所を減圧しながらヒートシールすることにより密封し、リチウムイオン二次電池100を作製することができる。
Next, in the
このリチウムイオン二次電池100では、充電を行うと、例えば、正極活物質層14からリチウムイオンが放出され、電解液を介して負極活物質層24に吸蔵される。また、放電を行うと、例えば、負極活物質層24からリチウムイオンが放出され、電解液を介して正極活物質層14に吸蔵される。したがって、上記リチウムイオン二次電池100は電気容量を貯蔵することができる。
In the lithium ion
以上、実施の形態により本発明を詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態においては、ラミネートフィルム構造を有するリチウムイオン二次電池について説明したが、本発明は、正極および負極を折り畳んだり、あるいは積み重ねた構造を有するリチウムイオン二次電池についても同様に適用することができる。さらにコイン型、角型あるいは扁平型などのリチウムイオン二次電池についても好適に応用することができる。 Although the present invention has been described in detail with the embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made. For example, in the above embodiment, a lithium ion secondary battery having a laminate film structure has been described. However, the present invention also applies to a lithium ion secondary battery having a structure in which a positive electrode and a negative electrode are folded or stacked. Can be applied. Furthermore, the present invention can also be suitably applied to lithium ion secondary batteries such as coin type, square type, and flat type.
以下、上記実施形態に基づいて、さらに以下の実施例および比較例にて本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明は以下に記す実施例の形態に限定されるものではない。 Hereinafter, based on the said embodiment, this invention is further demonstrated in detail in the following examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to the embodiments described below.
<ポリアミドイミドAの合成>
冷却管と窒素ガス導入口のついた4ツ口フラスコに、トリメリット酸無水物(TMA)(和光純薬工業社製)1mol、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)(アルドリッチ社製)0.99mol、2,2−ビス(4−イソシアナトフェニル)ヘキサフルオロプロパン(東京化成工業社製)0.01mol、触媒としてフッ化カリウム0.01mol(純正化学社製)を固形分濃度が20%となるようにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)と共に仕込み、攪拌しながら120℃に昇温して約1時間反応させた後、次いで180℃に昇温して約3時間反応させてポリアミドイミドAを得た。前記ポリアミドイミドAの式(1)と式(3)のmol比率は、99/1であった。
<Synthesis of Polyamideimide A>
In a four-necked flask equipped with a condenser and a nitrogen gas inlet, trimellitic anhydride (TMA) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 1 mol, 4,4′-diphenylmethane diisocyanate (MDI) (manufactured by Aldrich) 0 99 mol, 2,2-bis (4-isocyanatophenyl) hexafluoropropane (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) 0.01 mol, potassium fluoride 0.01 mol (Pure Chemical Co., Ltd.) as a catalyst,
<ポリアミドイミドBの合成>
トリメリット酸無水物(TMA)(和光純薬工業社製)1mol、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)(アルドリッチ社製)0.9mol、2,2−ビス(4−イソシアナトフェニル)ヘキサフルオロプロパン(東京化成工業社製)0.1mol、触媒としてフッ化カリウム0.01mol(純正化学社製)を固形分濃度が20%となるようにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)と共に仕込み、ポリアミドイミドAと同様の合成温度、反応時間にてポリアミドイミドBを得た。前記ポリアミドイミドBの式(1)と式(3)のmol比率は、91/9であった。
<Synthesis of Polyamideimide B>
Trimellitic anhydride (TMA) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 1 mol, 4,4′-diphenylmethane diisocyanate (MDI) (manufactured by Aldrich) 0.9 mol, 2,2-bis (4-isocyanatophenyl) hexa 0.1 mol of fluoropropane (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and 0.01 mol of potassium fluoride (manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.) as a catalyst are charged together with N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) so that the solid concentration is 20%. Polyamideimide B was obtained at the same synthesis temperature and reaction time as polyamideimide A. The molar ratio of the formula (1) and the formula (3) of the polyamideimide B was 91/9.
<ポリアミドイミドCの合成>
トリメリット酸無水物(TMA)(和光純薬工業社製)1mol、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)(アルドリッチ社製)0.8mol、2,2−ビス(4−イソシアナトフェニル)ヘキサフルオロプロパン(東京化成工業社製)0.2mol、触媒としてフッ化カリウム0.01mol(純正化学社製)を固形分濃度が20%となるようにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)と共に仕込み、ポリアミドイミドAと同様の合成温度、反応時間にてポリアミドイミドBを得た。前記ポリアミドイミドCの式(1)と式(3)のmol比率は、82/18であった。
<Synthesis of Polyamideimide C>
Trimellitic anhydride (TMA) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 1 mol, 4,4′-diphenylmethane diisocyanate (MDI) (manufactured by Aldrich) 0.8 mol, 2,2-bis (4-isocyanatophenyl) hexa Charge 0.2 mol of fluoropropane (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and 0.01 mol of potassium fluoride (manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.) as a catalyst together with N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) so that the solid content concentration is 20%. Polyamideimide B was obtained at the same synthesis temperature and reaction time as polyamideimide A. The molar ratio of the formula (1) and the formula (3) of the polyamideimide C was 82/18.
<ポリアミドイミドDの合成>
トリメリット酸無水物(TMA)(和光純薬工業社製)1mol、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)(アルドリッチ社製)0.5mol、2,2−ビス(4−イソシアナトフェニル)ヘキサフルオロプロパン(東京化成工業社製)0.5mol、触媒としてフッ化カリウム0.01mol(純正化学社製)を固形分濃度が20%となるようにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)と共に仕込み、ポリアミドイミドAと同様の合成温度、反応時間にてポリアミドイミドDを得た。前記ポリアミドイミドDの式(1)と式(3)のmol比率は、50/50であった。
<Synthesis of Polyamideimide D>
Trimellitic anhydride (TMA) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) 1 mol, 4,4'-diphenylmethane diisocyanate (MDI) (manufactured by Aldrich) 0.5 mol, 2,2-bis (4-isocyanatophenyl) hexa Charge 0.5 mol of fluoropropane (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and 0.01 mol of potassium fluoride (manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.) as a catalyst together with N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) so that the solid concentration is 20%. Polyamideimide D was obtained at the same synthesis temperature and reaction time as polyamideimide A. The molar ratio of the formula (1) and the formula (3) of the polyamideimide D was 50/50.
<リチウムイオン二次電池用負極の作製>
(実施例1)
負極活物質として減圧下において1000℃の熱処理で不均化反応させたSiOを80wt%と、導電助剤としてアセチレンブラックを5wt%と、バインダーとしてイソシアネート法によって合成したポリアミドイミドAを15wt%と、N−メチル−2−ピロリドンの溶媒とを混合分散させてペースト状の負極スラリーを作製した。そして、コンマロールコーターを用いて、この負極スラリーを厚さ10μmの銅箔の両面に所定の厚みとなるように、均一に負極活物質層を塗布した。次いで、乾燥炉内にて110℃の大気雰囲気下で上記負極活物質中のN−メチル−2−ピロリドン溶媒を乾燥させた。なお、上記銅箔の両面に塗布された負極活物質層の塗膜の厚みは、ほぼ同じ膜厚に調整した。上記負極活物質が形成された負極をロールプレス機によって、負極活物質層を負極集電体の両面に圧着させ、所定の密度を有する負極シートを得た。
<Preparation of negative electrode for lithium ion secondary battery>
Example 1
80 wt% of SiO disproportionated by heat treatment at 1000 ° C. under reduced pressure as a negative electrode active material, 5 wt% of acetylene black as a conductive additive, and 15 wt% of polyamideimide A synthesized by an isocyanate method as a binder, A paste-like negative electrode slurry was prepared by mixing and dispersing a solvent of N-methyl-2-pyrrolidone. Then, using a comma roll coater, the negative electrode active material layer was uniformly applied on both surfaces of the copper foil having a thickness of 10 μm so as to have a predetermined thickness. Next, the N-methyl-2-pyrrolidone solvent in the negative electrode active material was dried in an air atmosphere at 110 ° C. in a drying furnace. In addition, the thickness of the coating film of the negative electrode active material layer apply | coated to both surfaces of the said copper foil was adjusted to the substantially same film thickness. The negative electrode on which the negative electrode active material was formed was pressure-bonded to both surfaces of the negative electrode current collector by a roll press to obtain a negative electrode sheet having a predetermined density.
上記負極シートは、電極金型を用いて21×31mmの電極サイズに打ち抜き、そして熱処理炉にて30℃/minの高速昇温で300℃まで昇温し、1時間保持した後に室温まで急冷させ、実施例1に係るリチウムイオン二次電池用負極を作製した。なお、上記熱処理は、真空中にて実施した。 The negative electrode sheet is punched into an electrode size of 21 × 31 mm using an electrode mold, heated to 300 ° C. at a high temperature of 30 ° C./min in a heat treatment furnace, held for 1 hour, and then rapidly cooled to room temperature. A negative electrode for a lithium ion secondary battery according to Example 1 was produced. The heat treatment was performed in a vacuum.
<リチウムイオン二次電池用正極の作製>
正極活物質としてコバルト酸リチウム(LiCoO2)を96wt%と、導電助剤としてケッチェンブラックを2wt%と、バインダーとしてPVDFを2wt%と、N−メチル−2−ピロリドンの溶媒とを混合分散させて、ペースト状の正極スラリーを作製した。
そして、コンマロールコーターを用いて、この正極スラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に所定の厚みとなるように、均一に正極活物質層を塗布した。次いで、乾燥炉内にて、110℃の大気雰囲気下で上記正極活物質中のN−メチル−2−ピロリドン溶媒を乾燥させた。なお、上記アルミニウム箔の両面に塗布された正極活物質層の塗膜の厚みは、ほぼ同じ膜厚に調整した。上記正極活物質が形成された正極をロールプレス機によって、正極活物質層を正極集電体の両面に圧着させ、所定の密度を有する正極シートを得た。
<Preparation of positive electrode for lithium ion secondary battery>
96 wt% of lithium cobaltate (LiCoO 2 ) as a positive electrode active material, 2 wt% of ketjen black as a conductive additive, 2 wt% of PVDF as a binder, and a solvent of N-methyl-2-pyrrolidone are mixed and dispersed. Thus, a paste-like positive electrode slurry was prepared.
Then, using a comma roll coater, the positive electrode active material layer was uniformly applied so that the positive electrode slurry had a predetermined thickness on both surfaces of an aluminum foil having a thickness of 20 μm. Next, the N-methyl-2-pyrrolidone solvent in the positive electrode active material was dried in an air atmosphere at 110 ° C. in a drying furnace. In addition, the thickness of the coating film of the positive electrode active material layer apply | coated to both surfaces of the said aluminum foil was adjusted to the substantially same film thickness. The positive electrode on which the positive electrode active material was formed was pressure-bonded to both surfaces of the positive electrode current collector by a roll press to obtain a positive electrode sheet having a predetermined density.
上記負極シートは、電極金型を用いて20×30mmの電極サイズに打ち抜き、リチウムイオン二次電池用正極を作製した。 The negative electrode sheet was punched into an electrode size of 20 × 30 mm using an electrode mold to produce a positive electrode for a lithium ion secondary battery.
<リチウムイオン二次電池の作製>
上記作製した負極と正極とを、厚さ16μmの22×33mmサイズのポリエチレン製のセパレーターを介して積層し、電極体を作製した。これを電極体1層とし、同様の作製方法にて4層で構成された電極体を作製した。なお、上記負極および正極は、両面に各活物質層を備えているため、負極3枚と正極2枚とセパレーター4枚とで構成されている。
さらに、上記電極体の負極において、負極活物質層を設けていない銅箔の突起端部にニッケル製の負極リードを取り付け、一方、電極体の正極においては、正極活物質層を設けていないアルミニウム箔の突起端部にアルミニウム製の正極リードを超音波溶接機によって取り付けた。そしてこの電極体を、アルミニウムのラミネートフィルムの外装体内に挿入して周囲の1箇所を除いてヒートシールすることにより閉口部を形成し、上記外装体内にEC/DECが3:7の割合で配合された溶媒中に、リチウム塩として1M(mol/L)のLiPF6が添加された電解液を注入した後に、残りの1箇所を真空シール機によって減圧しながらヒートシールで密封し、実施例1に係るリチウムイオン二次電池を作製した。上記作製したリチウムイオン二次電池は、100サイクル後の放電容量維持率、100サイクル後のセルの厚みから膨張率を測定した。
<Production of lithium ion secondary battery>
The prepared negative electrode and positive electrode were laminated through a polyethylene separator having a thickness of 16 μm and a size of 22 × 33 mm, thereby preparing an electrode body. This was used as one electrode body, and an electrode body composed of four layers was produced by the same production method. In addition, since the said negative electrode and a positive electrode are equipped with each active material layer on both surfaces, they are comprised by three negative electrodes, two positive electrodes, and four separators.
Further, in the negative electrode of the electrode body, a nickel negative electrode lead is attached to the protruding end portion of the copper foil not provided with the negative electrode active material layer, while the positive electrode of the electrode body is provided with aluminum without the positive electrode active material layer. An aluminum positive electrode lead was attached to the protruding end of the foil by an ultrasonic welding machine. Then, this electrode body is inserted into an aluminum laminate film outer package and heat-sealed except for one peripheral portion to form a closed portion, and EC / DEC is blended at a ratio of 3: 7 in the outer package. Example 1 After injecting an electrolyte containing 1M (mol / L) LiPF 6 as a lithium salt into the solvent, the remaining one part was sealed with a heat seal while reducing the pressure with a vacuum sealer. The lithium ion secondary battery which concerns on was produced. The lithium ion secondary battery produced above was measured for expansion rate from the discharge capacity retention rate after 100 cycles and the cell thickness after 100 cycles.
(実施例2)
実施例2に係るリチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池は、リチウムイオン二次電池用負極に用いたバインダーをポリアミドイミドBに変更した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池を作製した。
(Example 2)
The negative electrode for lithium ion secondary batteries and the lithium ion secondary battery according to Example 2 were the same as in Example 1 except that the binder used for the negative electrode for lithium ion secondary batteries was changed to polyamideimide B. A negative electrode for a secondary battery and a lithium ion secondary battery were produced.
(実施例3)
実施例3に係るリチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池は、リチウムイオン二次電池用負極に用いたバインダーをポリアミドイミドCに変更した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池を作製した。
(Example 3)
The negative electrode for lithium ion secondary batteries and the lithium ion secondary battery according to Example 3 were the same as in Example 1 except that the binder used for the negative electrode for lithium ion secondary batteries was changed to polyamideimide C. A negative electrode for a secondary battery and a lithium ion secondary battery were produced.
(実施例4)
実施例4に係るリチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池は、リチウムイオン二次電池用負極に用いたバインダーをポリアミドイミドDに変更した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池を作製した。
Example 4
The negative electrode for lithium ion secondary batteries and the lithium ion secondary battery according to Example 4 were the same as in Example 1 except that the binder used for the negative electrode for lithium ion secondary batteries was changed to polyamideimide D. A negative electrode for a secondary battery and a lithium ion secondary battery were produced.
<ポリアミドイミドEの合成>
トリメリット酸無水物(TMA)(和光純薬工業社製)1mol、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)(アルドリッチ社製)1mol、触媒としてフッ化カリウム0.01mol(純正化学社製)を固形分濃度が20%となるようにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)と共に仕込み、ポリアミドイミドAと同様の合成温度、反応時間にてポリアミドイミドEを得た。前記ポリアミドイミドEの式(1)と式(3)のmol比率は、100/0であった。
<Synthesis of Polyamideimide E>
Trimellitic anhydride (TMA) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 1 mol, 4,4′-diphenylmethane diisocyanate (MDI) (manufactured by Aldrich) 1 mol, 0.01 mol of potassium fluoride (manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.) as a catalyst N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was charged so that the solid content concentration was 20%, and polyamideimide E was obtained at the same synthesis temperature and reaction time as polyamideimide A. The molar ratio of the formula (1) and the formula (3) of the polyamideimide E was 100/0.
(比較例1)
比較例1に係るリチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池は、負極バインダーをポリアミドイミドEに変更した以外は、実施例1と同様の方法によってリチウムイオン二次電池用負極、およびリチウムイオン二次電池を作製した。
(Comparative Example 1)
A negative electrode for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery according to Comparative Example 1 were prepared in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode binder was changed to polyamideimide E. An ion secondary battery was produced.
<熱処理温度>
本発明に係るリチウムイオン二次電池用負極を種々の温度で熱処理し、上記負極を構成する負極バインダーの重合度が異なる負極を作製した。以下、更に好ましいリチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池の実施形態について実施例と比較例を挙げて詳細に説明する。なお、以下の実施例では、実施例2で合成したポリアミドイミドB(式(1)と式(3)のaとbのそれぞれの比率が91mol%、および9mol%)を例に挙げて詳細に説明する。
<Heat treatment temperature>
The negative electrode for lithium ion secondary batteries according to the present invention was heat-treated at various temperatures to produce negative electrodes having different degrees of polymerization of the negative electrode binder constituting the negative electrode. Hereinafter, more preferred embodiments of the negative electrode for lithium ion secondary battery and the embodiment of the lithium ion secondary battery will be described in detail with reference to examples and comparative examples. In the following examples, the polyamideimide B synthesized in Example 2 (the ratios of a and b in the formula (1) and the formula (3) are 91 mol% and 9 mol%, respectively) will be described in detail as an example. explain.
(実施例5)
実施例5に係るリチウムイオン二次電用負極およびリチウムイオン二次電池は、実施例2に係るリチウムイオン二次電池用負極の熱処理温度を、300℃から150℃に変更した以外は、実施例2と同様の方法によってリチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池を作製した。
(Example 5)
The lithium ion secondary battery negative electrode and the lithium ion secondary battery according to Example 5 are the same as Example except that the heat treatment temperature of the lithium ion secondary battery negative electrode according to Example 2 was changed from 300 ° C to 150 ° C. The negative electrode for lithium ion secondary batteries and the lithium ion secondary battery were produced by the same method as 2.
また上記とは別に、負極バインダー(ポリアミドイミドB)をフィルム状に塗布し、真空下の150℃の熱処理温度にて溶媒であるNMPを乾燥させ、実施例5におけるポリアミドイミドフィルムを作製した。 Separately from the above, a negative electrode binder (polyamideimide B) was applied in the form of a film, and NMP as a solvent was dried at a heat treatment temperature of 150 ° C. under vacuum to produce a polyamideimide film in Example 5.
(実施例6)
実施例6に係るリチウムイオン二次電用負極およびリチウムイオン二次電池は、実施例2に係るリチウムイオン二次電池用負極の熱処理温度を、300℃から200℃に変更した以外は、実施例2と同様の方法によってリチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池を作製した。
(Example 6)
The negative electrode for lithium ion secondary power and the lithium ion secondary battery according to Example 6 were the same as those in Example except that the heat treatment temperature of the negative electrode for lithium ion secondary battery according to Example 2 was changed from 300 ° C to 200 ° C. The negative electrode for lithium ion secondary batteries and the lithium ion secondary battery were produced by the same method as 2.
また上記とは別に、負極バインダー(ポリアミドイミドB)をフィルム状に塗布し、真空下の200℃の熱処理温度にて溶媒であるNMPを乾燥させ、実施例6におけるポリアミドイミドフィルムを作製した。 Separately from the above, a negative electrode binder (polyamideimide B) was applied in the form of a film, and NMP as a solvent was dried at a heat treatment temperature of 200 ° C. under vacuum to produce a polyamideimide film in Example 6.
(実施例7)
実施例7に係るリチウムイオン二次電用負極およびリチウムイオン二次電池は、実施例2と同一であるため、作製方法は省略する。なお、上記リチウムイオン二次電池用負極の熱処理温度は、実施例2と同じ300℃で実施した。
(Example 7)
Since the negative electrode for lithium ion secondary electricity and the lithium ion secondary battery according to Example 7 are the same as those of Example 2, the manufacturing method is omitted. In addition, the heat processing temperature of the said negative electrode for lithium ion secondary batteries was implemented at 300 degreeC same as Example 2. FIG.
また上記とは別に、負極バインダー(ポリアミドイミドB)をフィルム状に塗布し、真空下の300℃の熱処理温度にて溶媒であるNMPを乾燥させ、実施例7におけるポリアミドイミドフィルムを作製した。 Separately from the above, a negative electrode binder (polyamideimide B) was applied in a film form, and NMP as a solvent was dried at a heat treatment temperature of 300 ° C. under vacuum to produce a polyamideimide film in Example 7.
(実施例8)
実施例8に係るリチウムイオン二次電用負極およびリチウムイオン二次電池は、実施例2に係るリチウムイオン二次電池用負極の熱処理温度を、300℃から350℃に変更した以外は、実施例2と同様の方法によってリチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池を作製した。
(Example 8)
The lithium ion secondary battery negative electrode and the lithium ion secondary battery according to Example 8 are the same as those in Example except that the heat treatment temperature of the lithium ion secondary battery negative electrode according to Example 2 was changed from 300 ° C to 350 ° C. The negative electrode for lithium ion secondary batteries and the lithium ion secondary battery were produced by the same method as 2.
また上記とは別に、負極バインダー(ポリアミドイミドB)をフィルム状に塗布し、真空下の350℃の熱処理温度にて溶媒であるNMPを乾燥させ、実施例8におけるポリアミドイミドフィルムを作製した。 Separately from the above, a negative electrode binder (polyamideimide B) was applied in the form of a film, and NMP as a solvent was dried at a heat treatment temperature of 350 ° C. under vacuum to produce a polyamideimide film in Example 8.
(実施例9)
実施例9に係るリチウムイオン二次電用負極およびリチウムイオン二次電池は、実施例2に係るリチウムイオン二次電池用負極の熱処理温度を、300℃から500℃に変更した以外は、実施例2と同様の方法によってリチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池を作製した。
Example 9
The lithium ion secondary battery negative electrode and the lithium ion secondary battery according to Example 9 were the same as those in Example except that the heat treatment temperature of the lithium ion secondary battery negative electrode according to Example 2 was changed from 300 ° C to 500 ° C. The negative electrode for lithium ion secondary batteries and the lithium ion secondary battery were produced by the same method as 2.
また上記とは別に、負極バインダー(ポリアミドイミドB)をフィルム状に塗布し、真空下の500℃の熱処理温度にて溶媒であるNMPを乾燥させ、実施例9におけるポリアミドイミドフィルムを作製した。 Separately from the above, a negative electrode binder (polyamideimide B) was applied in the form of a film, and NMP as a solvent was dried at a heat treatment temperature of 500 ° C. under vacuum to produce a polyamideimide film in Example 9.
<バインダーの複合化>
本発明に係る実施例のポリアミドイミドの負極バインダーは、他のバインダーと混合させた場合においても、リチウムイオン二次電池として優れたサイクル特性を発揮することができる。以下に、実施例のバインダーと市販のバインダーとを組み合わせた場合におけるリチウムイオン二次電池、比較例のバインダーと市販のバインダーとを組み合わせた場合におけるリチウムイオン二次電池ついて、実施例と比較例を例に挙げて詳細に説明する。
<Combination of binder>
The polyamideimide negative electrode binder of the example according to the present invention can exhibit excellent cycle characteristics as a lithium ion secondary battery even when mixed with another binder. Examples and comparative examples of lithium ion secondary batteries when combining the binders of the examples and commercially available binders, lithium ion secondary batteries when combining the binders of the comparative examples and commercially available binders, An example will be described in detail.
(実施例10)
実施例10に係るリチウムイオン二次電用負極およびリチウムイオン二次電池は、リチウムイオン二次電池用負極に用いるバインダーを、本発明内のポリアミドイミドBと市販のポリアミドイミド(日立化成社製「HPCシリーズ(商品名)」とを50vol%:50vol%になるように調製し、それ以外は実施例2と同様の方法によってリチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池を作製した。
(Example 10)
In the lithium ion secondary battery negative electrode and lithium ion secondary battery according to Example 10, the binder used for the lithium ion secondary battery negative electrode was polyamide imide B in the present invention and a commercially available polyamide imide (manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd., “ “HPC series (trade name)” was prepared so as to be 50 vol%: 50 vol%, and a negative electrode for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery were produced in the same manner as in Example 2 except that.
(比較例2)
比較例2に係るリチウムイオン二次電用負極およびリチウムイオン二次電池は、リチウムイオン二次電池用負極に用いるバインダーを、本発明内のポリアミドイミドFと市販のポリアミドイミド(日立化成社製「HPCシリーズ(商品名)」とを50vol%:50vol%になるように調製し、それ以外は比較例1と同様の方法によってリチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池を作製した。
(Comparative Example 2)
In the lithium ion secondary battery negative electrode and lithium ion secondary battery according to Comparative Example 2, the binder used for the negative electrode for the lithium ion secondary battery was polyamide imide F in the present invention and a commercially available polyamide imide (manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd., “ “HPC series (trade name)” was prepared so as to be 50 vol%: 50 vol%, and a negative electrode for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery were produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that.
<評価>
実施例と比較例で作製したリチウムイオン二次電池、ポリアミドイミドフィルムについて、以下の評価を行った。
<Evaluation>
The following evaluation was performed about the lithium ion secondary battery and the polyamide-imide film which were produced by the Example and the comparative example.
(サイクル試験)
実施例および比較例で作製したリチウムイオン二次電池は、下記に示す充放電試験条件によって充放電を繰り返し、サイクル特性について評価した。なお、充放電は25℃にて実施した。充放電試験条件は、1.0Cの定電流で4.2Vになるまで定電流充電を行い、その後は1.0Cの定電流で電池電圧が2.5Vとなるまで放電し、上記を1サイクルとし、100サイクル後の放電容量維持率によって評価した。なお、1Cとは公称容量値の容量を有する電池セルを定電流充電、または定電流放電して、ちょうど1時間で充放電が終了となる電流値のことである。
(Cycle test)
The lithium ion secondary batteries produced in Examples and Comparative Examples were repeatedly charged and discharged under the following charge / discharge test conditions and evaluated for cycle characteristics. In addition, charging / discharging was implemented at 25 degreeC. The charging / discharging test conditions were as follows: constant current charging until a constant current of 1.0 C was 4.2 V, then discharging until a battery voltage of 2.5 V was reached with a constant current of 1.0 C, and the above was performed for one cycle. And evaluated by the discharge capacity maintenance rate after 100 cycles. Note that 1C is a current value at which charging / discharging is completed in just one hour after constant current charging or constant current discharging of a battery cell having a nominal capacity value.
例えば、100サイクル後の放電容量維持率は、以下の計算式によって定義される。
100サイクル後の放電容量維持率(%)=(100サイクル後の放電容量/1サイクル後の放電容量)×100(%)
For example, the discharge capacity maintenance rate after 100 cycles is defined by the following calculation formula.
Discharge capacity retention rate after 100 cycles (%) = (discharge capacity after 100 cycles / discharge capacity after 1 cycle) × 100 (%)
(厚み膨張)
実施例および比較例のリチウムイオン二次電池は、充放電前と100サイクル終了した時点でのセルの厚みを測定することで、厚みの膨張率を算出した。なお、厚み膨張率は以下の計算式によって定義した。
(Thickness expansion)
In the lithium ion secondary batteries of Examples and Comparative Examples, the expansion coefficient of thickness was calculated by measuring the thickness of the cell before charging and discharging and at the time when 100 cycles were completed. The thickness expansion coefficient was defined by the following calculation formula.
膨張率(%)=(充放電前のセル厚み(mm)−充放電後のセル厚み(mm))/充放電前のセル厚み(mm)×100(%) Expansion rate (%) = (cell thickness before charge / discharge (mm) −cell thickness after charge / discharge (mm)) / cell thickness before charge / discharge (mm) × 100 (%)
(サイクル後の負極活物質層の剥離有無)
100サイクル終了した実施例および比較例のリチウムイオン二次電池は、グローブポックス内で解体し負極を取り出した。取り出した負極は、ジメチルカーボネート(DMC)で電解液を洗浄し、40℃で乾燥した後に負極における負極活物質層の集電体からの剥離状態を目視で評価した。
(Presence or absence of peeling of negative electrode active material layer after cycle)
The lithium ion secondary batteries of Examples and Comparative Examples that ended 100 cycles were disassembled in the globepox and the negative electrode was taken out. The negative electrode taken out was washed with an electrolytic solution with dimethyl carbonate (DMC) and dried at 40 ° C., and then the peeled state of the negative electrode active material layer from the current collector in the negative electrode was visually evaluated.
(赤外分光分析)
実施例および比較例で作製したポリアミドイミドフィルムは、フーリエ変換赤外分光光度計(サーモニコレー社製、品番:Nexus670+SMART ENDURANCEダイアモンドATR]を用いて、得られた吸収スペクトルから、上記バインダーの化学構造を解析した。
(Infrared spectroscopy)
Polyamideimide films prepared in Examples and Comparative Examples were obtained by using a Fourier transform infrared spectrophotometer (manufactured by Thermo Nicolet, product number: Nexus 670 + SMART ENDURANCE Diamond ATR), and obtained the chemical structure of the binder from the obtained absorption spectra. Analyzed.
なお、ポリアミドイミドにおいて、主にイミド基の吸収スペクトルは(νC−N:1380cm−1、νC=O:1780cm−1)、アミド基の吸収スペクトルは(νN−H:1525cm−1、νC=O:1660cm−1)、ベンゼン環の吸収スペクトルは(νC=C:1510cm−1、νC=O:1590cm−1)とした。なお、赤外線吸収波長は、その意味する基の吸収スペクトルのピークを示すものである。また、以下に示すスペクトル比は1510cm−1で規格化したピーク強度比を表したものである。 In the polyamideimide, the absorption spectrum of the imide group is mainly (ν C—N : 1380 cm −1 , ν C═O : 1780 cm −1 ), and the absorption spectrum of the amide group is (ν N—H : 1525 cm −1) . ν C = O: 1660cm -1) , the absorption spectrum of the benzene ring (ν C = C: 1510cm -1 , ν C = O: was 1590 cm -1). The infrared absorption wavelength indicates the peak of the absorption spectrum of the meaning group. Further, the spectral ratio shown below represents the peak intensity ratio normalized at 1510 cm −1 .
また、ポリアミドイミド内の全イミド結合量は、1380cm−1と1510cm−1との吸収スペクトル比(1380cm−1/1510cm−1)、主鎖にある環状イミド結合量は、1780cm−1と1510cm−1との吸収スペクトル比(1780cm−1/1510cm−1)、一方、アミド結合量は、1525cm−1と1510cm−1との吸収スペクトル比(1525cm−1/1510cm−1)で表した。 The total imide linkage of the polyamideimide, absorption spectrum ratio of the 1380 cm -1 and 1510cm -1 (1380cm -1 / 1510cm -1 ), cyclic imide bond content in the main chain, and 1780 cm -1 1510 cm - 1 with the absorption spectrum ratio (1780cm -1 / 1510cm -1), whereas, an amide bond amount was expressed in the absorption spectrum ratio of the 1525 cm -1 and 1510cm -1 (1525cm -1 / 1510cm -1 ).
また、全イミド結合量中の環状イミド結合量を以下の計算式により相対比として算出した。 Moreover, the cyclic imide bond amount in the total imide bond amount was calculated as a relative ratio by the following calculation formula.
全イミド結合量中の環状イミド結合量比=環状イミド結合量の吸収スペクトル比/全イミド結合量の吸収スペクトル比 Cyclic imide bond content ratio in total imide bond content = Absorption spectrum ratio of cyclic imide bond content / Absorption spectrum ratio of total imide bond content
ポリアミドイミドにおいて、前記式(1)と式(3)のaおよびbのmol比率を種々に調製した実施例1〜実施例4および比較例1に係る負極および/またはそのリチウムイオン二次電池における、サイクル特性、セルのサイクル後の厚み膨張率の結果について表1に示す。
上記表1より明らかなように、ポリアミドイミドを構成する前記式(1)と前記式(3)のaおよびbの比率(a/b)が50〜99mol%/50〜1mol%である実施例1〜実施例4では、リチウムイオン二次電池としたときの100サイクル後のサイクル特性が80%以上の高い容量維持率を示すことがわかった。一方、比較例1の式(3)の構造を持たないポリアミドイミドを用いたリチウムイオン二次電池では、負極活物質の剥離は生じないものの、サイクル特性の低下、およびセルの厚み膨張が大きいことが確認された。 As is clear from Table 1 above, the ratio (a / b) of a and b in the formula (1) and the formula (3) constituting the polyamideimide is 50 to 99 mol% / 50 to 1 mol%. In Examples 1 to 4, it was found that the cycle characteristics after 100 cycles when a lithium ion secondary battery was used showed a high capacity retention rate of 80% or more. On the other hand, in the lithium ion secondary battery using the polyamideimide that does not have the structure of the formula (3) in Comparative Example 1, the negative electrode active material does not peel off, but the cycle characteristics are deteriorated and the cell thickness is large. Was confirmed.
本発明の実施例に係るポリアミドイミドBを負極バインダーとして使用した負極を例にとって、その負極活物質層中に含まれるポリアミドイミドの化学構造である環状イミド結合量を種々に調整し、それをリチウムイオン二次電池としたときのサイクル特性の結果について表2に示す。 Taking as an example a negative electrode using polyamideimide B according to an embodiment of the present invention as a negative electrode binder, the amount of cyclic imide bonds, which is the chemical structure of the polyamideimide contained in the negative electrode active material layer, was variously adjusted, Table 2 shows the results of the cycle characteristics when an ion secondary battery is obtained.
表2の実施例5〜実施例9から明らかなように、ポリアミドイミドを構成する環状イミド結合量の強度比が、全イミド結合量の強度比に対して、0.21以上である場合、リチウムイオン二次電池としたときのサイクル特性が良好となった。
本発明内のポリアミドイミドBを一例にとって、他の負極バインダーと複合化したときのリチウムイオン二次電池としてのサイクル特性の結果について表3に示す。
表3の結果から明らかなように、本発明内の負極バインダーであるポリアミドイミドは、他のポリアミドイミドと組み合わせた場合においても、リチウムイオン二次電池として、優れたサイクル特性を発現することが確認された。 As is clear from the results in Table 3, it was confirmed that the polyamideimide as the negative electrode binder in the present invention exhibited excellent cycle characteristics as a lithium ion secondary battery even when combined with other polyamideimides. It was done.
100・・・リチウムイオン二次電池、10・・・正極(同義:リチウムイオン二次電池用正極)、12・・・正極集電体、14・・・正極活物質層、60・・・正極リード、
20・・・負極(同義:リチウムイオン二次電池用負極)、22・・・負極集電体、24・・・負極活物質層、62・・・負極リード、18・・・セパレーター、30・・・電極体、50・・・外装体
DESCRIPTION OF
20 ... negative electrode (synonymous: negative electrode for lithium ion secondary battery), 22 ... negative electrode current collector, 24 ... negative electrode active material layer, 62 ... negative electrode lead, 18 ... separator, 30 ..Electrode body, 50 ... exterior body
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