JP6939045B2 - Electrical device - Google Patents
Electrical device Download PDFInfo
- Publication number
- JP6939045B2 JP6939045B2 JP2017085159A JP2017085159A JP6939045B2 JP 6939045 B2 JP6939045 B2 JP 6939045B2 JP 2017085159 A JP2017085159 A JP 2017085159A JP 2017085159 A JP2017085159 A JP 2017085159A JP 6939045 B2 JP6939045 B2 JP 6939045B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- negative electrode
- positive electrode
- capacity
- active material
- mass
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Description
本発明は、電気デバイスに関する。詳細には、本発明は、エネルギー密度が高く、サイクル特性に優れた電気デバイスに関する。 The present invention relates to electrical devices. Specifically, the present invention relates to an electrical device having a high energy density and excellent cycle characteristics.
近年、電子機器や車両走行用などの駆動電源として、繰りかえし充放電しても性能が低下しないようなサイクル特性に優れた電気デバイスの開発が進められている。特に、リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高いことから、電気自動車などの駆動電源として注目を集めている。 In recent years, as a drive power source for electronic devices and vehicle running, the development of an electric device having excellent cycle characteristics so that its performance does not deteriorate even if it is repeatedly charged and discharged has been promoted. In particular, lithium-ion secondary batteries are attracting attention as drive power sources for electric vehicles and the like because of their high energy density.
例えば、特許文献1には、LiとNiとMnとを含有し、層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物を正極に用いた非水電解質二次電池が開示されている。そして、特許文献1では、正極の電位が4.5V(vs.Li/Li+)に達するまで充電した際の正極と負極の対向充電容量比が1.0〜1.15となるように構成することで、非水電解質二次電池の熱的安定性及び安全性を高くすることができるとされている。 For example, Patent Document 1 discloses a non-aqueous electrolyte secondary battery containing Li, Ni, and Mn and using a lithium transition metal composite oxide having a layered structure as a positive electrode. Then, in Patent Document 1, the opposite charge capacity ratio between the positive electrode and the negative electrode when charging until the potential of the positive electrode reaches 4.5 V (vs. Li / Li +) is 1.0 to 1.15. By doing so, it is said that the thermal stability and safety of the non-aqueous electrolyte secondary battery can be improved.
しかしながら、正極活物質として固溶体リチウム含有遷移金属酸化物を用い、負極活物質としてケイ素含有合金を用いた場合については調査されていない。また、市場の要望により、さらにエネルギー密度が高く、サイクル特性に優れた電気デバイスが望まれている。 However, the case where a solid solution lithium-containing transition metal oxide is used as the positive electrode active material and a silicon-containing alloy is used as the negative electrode active material has not been investigated. Further, according to the demand of the market, an electric device having a higher energy density and excellent cycle characteristics is desired.
本発明は、このような従来技術が有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の目的は、エネルギー密度が高く、サイクル特性に優れた電気デバイスを提供することにある。 The present invention has been made in view of the problems of the prior art. An object of the present invention is to provide an electric device having a high energy density and excellent cycle characteristics.
本発明の態様に係る電気デバイスは、固溶体リチウム含有遷移金属酸化物を含む正極と、20質量%以上のケイ素を含有するケイ素含有合金を含む負極と、を備え、正極の容量に対する負極の容量の比が所定の範囲内である。 The electric device according to the aspect of the present invention includes a positive electrode containing a solid solution lithium-containing transition metal oxide and a negative electrode containing a silicon-containing alloy containing 20% by mass or more of silicon, and has a capacity of the negative electrode with respect to the capacity of the positive electrode. The ratio is within a predetermined range.
本発明によれば、エネルギー密度が高く、サイクル特性に優れた電気デバイスを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an electric device having a high energy density and excellent cycle characteristics.
以下、図面を用いて本実施形態に係る電気デバイスについて詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, the electric device according to the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings. The dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation and may differ from the actual ratios.
[電気デバイス]
本実施形態の電気デバイスでは、正極活物質は固溶体リチウム含有遷移金属酸化物を含み、負極活物質は20質量%以上のケイ素を含有するケイ素含有合金を含む。そして、正極の容量に対する負極の容量の比が1.1超1.6未満である。そのため、エネルギー密度が高く、サイクル特性に優れた電気デバイスを提供することができる。
[Electrical device]
In the electrical device of the present embodiment, the positive electrode active material contains a solid solution lithium-containing transition metal oxide, and the negative electrode active material contains a silicon-containing alloy containing 20% by mass or more of silicon. The ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is more than 1.1 and less than 1.6. Therefore, it is possible to provide an electric device having a high energy density and excellent cycle characteristics.
本実施形態では、正極活物質は所定の組成式を有する固溶体リチウム含有遷移金属酸化物を含む。このような固溶体リチウム含有遷移金属酸化物は、一般的に用いられている遷移金属酸化物などと比較し、容量、エネルギー密度及び結晶構造の安定性が高く、サイクル特性にも優れている。 In the present embodiment, the positive electrode active material contains a solid solution lithium-containing transition metal oxide having a predetermined composition formula. Such a solid solution lithium-containing transition metal oxide has higher capacity, energy density, crystal structure stability, and excellent cycle characteristics as compared with commonly used transition metal oxides and the like.
また、本実施形態では、負極活物質は20質量%以上のケイ素を含有するケイ素含有合金を含む。ケイ素含有合金は、炭素材料などと比較して、容量が大きく、サイクル特性に優れている。 Further, in the present embodiment, the negative electrode active material contains a silicon-containing alloy containing 20% by mass or more of silicon. Silicon-containing alloys have a large capacity and excellent cycle characteristics as compared with carbon materials and the like.
しかしながら、固溶体リチウム含有遷移金属酸化物とケイ素含有合金を組み合わせた電気デバイスでは、想定された程のエネルギー密度及びサイクル特性が得られない場合がある。例えば、正極の容量に対する負極の容量の比を同じにした場合、すなわち正極の容量に対する負極の容量の比を1.0とした場合、想定された程のエネルギー密度及びサイクル特性が得られない However, in an electric device in which a solid solution lithium-containing transition metal oxide and a silicon-containing alloy are combined, the expected energy density and cycle characteristics may not be obtained. For example, when the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is the same, that is, when the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is 1.0, the expected energy density and cycle characteristics cannot be obtained.
その理由は定かではないが、正極の容量に対する負極の容量の比が小さいため、繰り返し充放電すると、リチウムイオンがケイ素含有合金に吸収しきれなくなって、ケイ素含有合金の表面にリチウム金属として析出しまうことが一因と考えられる。また、固溶体リチウム含有遷移金属酸化物の電圧降下の挙動は、ケイ素含有合金の電圧降下の挙動と一致していないため、固溶体リチウム含有遷移金属酸化物が本来有する容量を十分利用できていないことも一因と考えられる。 The reason is not clear, but since the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is small, lithium ions cannot be completely absorbed by the silicon-containing alloy after repeated charging and discharging, and are deposited as lithium metal on the surface of the silicon-containing alloy. That is considered to be one of the causes. In addition, since the voltage drop behavior of the solid solution lithium-containing transition metal oxide does not match the voltage drop behavior of the silicon-containing alloy, the capacity originally possessed by the solid solution lithium-containing transition metal oxide may not be fully utilized. It is considered to be one of the causes.
そこで、本実施形態では、正極の容量に対する負極の容量の比を1.1超としている。そのため、充放電を繰り返してもケイ素含有合金の容量の比率が大きいため、リチウム金属が析出しにくく、固溶体リチウム含有遷移金属酸化物の本来の特性をより活用することができる。そのため、電気デバイスのサイクル特性を向上させることができる。 Therefore, in the present embodiment, the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is set to more than 1.1. Therefore, since the ratio of the capacity of the silicon-containing alloy is large even after repeated charging and discharging, lithium metal is less likely to precipitate, and the original characteristics of the solid solution lithium-containing transition metal oxide can be further utilized. Therefore, the cycle characteristics of the electric device can be improved.
一方、正極の容量に対する負極の容量の比を大きくしすぎると、充放電の反応に関与しないケイ素含有合金が増加するため、エネルギー密度が低下してしまう。また、ケイ素含有合金は炭素材料と比較して、容量が大きいものの、リチウムの吸蔵によって膨張しやすい性質を有する。そのため、単にケイ素含有合金の単位面積当たりの質量を増やした場合、充電時にバインダの降伏応力を超えて膨張しやすくなることから、放電時にケイ素含有合金からリチウムイオンが放出されても、負極活物質層が膨張して元の厚さに戻りにくくなる傾向にある。そのため、正極の容量に対する負極の容量を大きくしすぎると、電気デバイスのエネルギー密度は、より一層低下する傾向にある。 On the other hand, if the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is too large, the number of silicon-containing alloys that are not involved in the charge / discharge reaction increases, and the energy density decreases. Further, although the silicon-containing alloy has a larger capacity than the carbon material, it has a property of easily expanding due to occlusion of lithium. Therefore, if the mass per unit area of the silicon-containing alloy is simply increased, it tends to expand beyond the yield stress of the binder during charging. Therefore, even if lithium ions are released from the silicon-containing alloy during discharging, the negative electrode active material. The layer tends to expand and become difficult to return to its original thickness. Therefore, if the capacity of the negative electrode is made too large with respect to the capacity of the positive electrode, the energy density of the electric device tends to be further lowered.
したがって、本実施形態においては、正極の容量に対する負極の容量の比を1.6未満としている。そのため、ケイ素含有合金の増加や負極活物質層の膨張によるエネルギー密度及びサイクル特性の低下を抑制することができる。 Therefore, in the present embodiment, the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is set to less than 1.6. Therefore, it is possible to suppress a decrease in energy density and cycle characteristics due to an increase in the silicon-containing alloy and expansion of the negative electrode active material layer.
このように、本実施形態の電気デバイスは、正極の容量に対する負極の容量の比を所定の範囲内としている。そのため、本実施形態の電気デバイスによれば、金属リチウムの析出を抑制し、固溶体リチウム含有遷移金属酸化物の利用率を向上させると共に、ケイ素含有合金の膨張を考慮して負極利用率を向上させることができる。このようなエネルギー密度とサイクル特性の向上の課題は、正極活物質として固溶体リチウム含有遷移金属酸化物を用い、負極活物質としてケイ素含有合金を用いた場合に特有な課題である。 As described above, in the electric device of the present embodiment, the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is within a predetermined range. Therefore, according to the electric device of the present embodiment, the precipitation of metallic lithium is suppressed, the utilization rate of the solid solution lithium-containing transition metal oxide is improved, and the negative electrode utilization rate is improved in consideration of the expansion of the silicon-containing alloy. be able to. Such a problem of improving energy density and cycle characteristics is a problem peculiar to the case where a solid solution lithium-containing transition metal oxide is used as a positive electrode active material and a silicon-containing alloy is used as a negative electrode active material.
なお、正極の容量に対する負極の容量の比が1.2以上1.5以下であることがより好ましい。容量比をこのような範囲とすることにより、エネルギー密度及びサイクル特性をより向上させることができるためである。また、正極の容量に対する負極の容量の比が1.2以上1.4以下であることがさらに好ましい。容量比をこのような範囲とすることにより、サイクル特性をさらに向上させることができるためである。 It is more preferable that the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is 1.2 or more and 1.5 or less. This is because the energy density and the cycle characteristics can be further improved by setting the capacity ratio in such a range. Further, it is more preferable that the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is 1.2 or more and 1.4 or less. This is because the cycle characteristics can be further improved by setting the capacitance ratio in such a range.
正極の容量は、正極として固溶体リチウム含有遷移金属酸化物を含む正極活物質を用い、負極として金属リチウムを用いて作製した電気デバイスの容量とすることができる。また、負極の容量は、正極として金属リチウムを用い、負極としてケイ素含有合金を含む負極活物質を用いて作製した電気デバイスの容量とすることができる。正極の容量及び負極の容量は、例えば、室温下(25℃)で最高電圧が4.6Vとなるまで0.1Cで定電流充電し、4.6Vから最低電圧が2.0Vとなるまで1.0Cで定電流放電した時の放電容量とすることができる。なお、正極の容量に対する負極の容量の比は、負極の容量を正極の容量で割った値である。 The capacity of the positive electrode can be the capacity of an electric device manufactured by using a positive electrode active material containing a solid solution lithium-containing transition metal oxide as the positive electrode and using metallic lithium as the negative electrode. Further, the capacity of the negative electrode can be the capacity of an electric device manufactured by using metallic lithium as the positive electrode and using a negative electrode active material containing a silicon-containing alloy as the negative electrode. The capacity of the positive electrode and the capacity of the negative electrode are, for example, charged at a constant current of 0.1 C at room temperature (25 ° C.) until the maximum voltage reaches 4.6 V, and from 4.6 V until the minimum voltage reaches 2.0 V. It can be the discharge capacity when a constant current is discharged at 0.0C. The ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is a value obtained by dividing the capacity of the negative electrode by the capacity of the positive electrode.
以下、本実施形態の電気デバイスの構成について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, the configuration of the electric device of the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
図1では、本実施形態の電気デバイス100の一例として、リチウムイオン二次電池を挙げて説明する。図1に示すように、本実施形態に係る電気デバイス100は、正極10と、負極20と、セパレータ30と、を備える。
In FIG. 1, a lithium ion secondary battery will be described as an example of the
(正極10)
正極10は、正極集電体11と、正極集電体11の表面に配置された正極活物質層12と、を含む。正極活物質層12は、正極集電体11の少なくとも一方の面に配置されていればよい。
(Positive electrode 10)
The
(正極集電体11)
正極集電体11は、後述する正極タブ60などと接続され、電気デバイス100の外部と電子の受け渡しをする。正極集電体11を形成する材料は特に限定されないが、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタン、及びこれらの合金などの金属が挙げられる。正極集電体11を形成する材料は、上述した金属単体、上述した金属を組み合わせた合金、上述した金属の組み合わせのめっき材などを用いることができる。なかでも、正極集電体11を形成する材料は、電子伝導性や電池作動電位の観点から、アルミニウムを含むことが好ましい。正極集電体11の厚さは特に限定されないが、通常は1〜100μm程度である。
(Positive Current Collector 11)
The positive electrode
(正極活物質層12)
正極活物質層12は80質量%〜98質量%の正極活物質を含有する。正極活物質層12の膜厚は特に限定されないが、20μm〜80μmであることが好ましく、20μm〜50μmであることがより好ましい。正極活物質層12は、正極活物質に加え、正極用導電助剤や正極用バインダをさらに含むことができる。
(Positive electrode active material layer 12)
The positive electrode
正極活物質は、化学式Li1.5[NiaCobMnc[Li]d]Ozで表される固溶体リチウム含有遷移金属酸化物を含む。なお、上記化学式中、a,b,c及びdは、a+b+c+d=1.5、1.1≦a+b+c≦1.4、0.1≦d≦0.4の関係を満たす。また、上記化学式中、zは原子価を満足する酸素数である。すなわち、上記化学式において、zは、a,b,c及びdの値により定まる数であり、酸素以外の元素数が定まることにより一義的に定まる数値である。zは例えば3などの値をとる。なお、各元素の組成は、例えば、誘導結合プラズマ(ICP)発光分析法により測定することができる。 The positive electrode active material includes a chemical formula Li 1.5 [Ni a Co b Mn c [Li] d] O z solid solution lithium-containing transition metal oxide represented by. In the above chemical formula, a, b, c and d satisfy the relationships of a + b + c + d = 1.5, 1.1 ≦ a + b + c ≦ 1.4 and 0.1 ≦ d ≦ 0.4. Further, in the above chemical formula, z is an oxygen number satisfying the valence. That is, in the above chemical formula, z is a number determined by the values of a, b, c and d, and is a numerical value uniquely determined by determining the number of elements other than oxygen. z takes a value such as 3, for example. The composition of each element can be measured by, for example, inductively coupled plasma (ICP) emission spectrometry.
このような固溶体リチウム含有遷移金属酸化物は、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、コバルト酸リチウム(LiCoO2)及び三元系複合酸化物(Li[NiCoMn]O2)よりも、エネルギー密度、結晶構造の安定性、サイクル特性などの点においてバランスが取れている。 Such solid solution lithium-containing transition metal oxides include lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), and a ternary composite oxide (Li [NiComn] O). It is more balanced in terms of energy density, crystal structure stability, cycle characteristics, etc. than 2).
すなわち、正極活物質としては、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、コバルト酸リチウム、三元系複合酸化物などが知られている。しかし、これらの正極活物質は、それぞれ以下のような特長と共に、欠点を有している。 That is, as the positive electrode active material, lithium nickelate, lithium manganate, lithium cobalt oxide, ternary composite oxide and the like are known. However, each of these positive electrode active materials has the following features and drawbacks.
ニッケル酸リチウムは、比較的容量が大きいものの、高温で結晶構造中酸素が脱離しやすい傾向にあるため、発火や爆発を誘発するおそれがあり、安全性が高いとはいえない。また、ニッケル酸リチウムは、平均電圧が3.5Vと放電作動電圧が低く、サイクル特性が低い傾向にある。 Although lithium nickelate has a relatively large capacity, oxygen tends to be easily desorbed in the crystal structure at a high temperature, which may induce ignition or explosion, and cannot be said to be highly safe. Further, lithium nickelate has a low average voltage of 3.5 V and a low discharge operating voltage, and tends to have low cycle characteristics.
マンガン酸リチウムは、過電圧に強く、発火する危険性が低いため、安全性が高く、平均電圧3.8Vと放電作動電圧も高い。また、マンガン酸リチウムは、資源が豊富であるため、供給量が安定している。しかし、マンガン酸リチウムは比較的容量が小さく、エネルギー密度も低い。また、マンガン酸リチウムは、マンガン自体が高温で溶解しやすい性質を有するため、サイクル特性や保存性が低い傾向にある。 Lithium manganate is resistant to overvoltage and has a low risk of ignition, so it is highly safe and has a high average voltage of 3.8 V and a high discharge operating voltage. In addition, the supply of lithium manganate is stable due to its abundant resources. However, lithium manganate has a relatively small capacity and a low energy density. Further, lithium manganate tends to have low cycle characteristics and storage stability because manganese itself has a property of being easily dissolved at a high temperature.
コバルト酸リチウムは、ニッケル酸リチウムに次いで高容量で、平均電圧3.7Vと放電作動電圧も高い。また、コバルト酸リチウムは、2.5V〜4.3Vといった電圧域では良好な可逆性を示し、サイクル特性とレート特性のバランスが比較的優れている。しかし、充電時に多量のリチウムが放出されると、結晶構造が維持できなくなるため、理論容量の全てを使用できず、実際に使用できる容量はその半分程度となってしまう。さらに、コバルトは資源量が乏しく、希少性が高いため、コスト増加の原因となってしまう。 Lithium cobalt oxide has the second highest capacity after lithium nickel oxide, and has a high average voltage of 3.7 V and a high discharge operating voltage. Further, lithium cobalt oxide shows good reversibility in the voltage range of 2.5V to 4.3V, and has a relatively excellent balance between cycle characteristics and rate characteristics. However, if a large amount of lithium is released during charging, the crystal structure cannot be maintained, so that the entire theoretical capacity cannot be used, and the capacity that can actually be used is about half of that. In addition, cobalt is scarce in resources and highly scarce, which causes an increase in cost.
三元系複合酸化物は、容量及びレート特性に優れている。しかし、ニッケル酸リチウムの特性が強く反映されているため、コバルト酸リチウムに比べ、初期の充放電効率やサイクル特性が低いといった欠点がある。 The ternary composite oxide is excellent in capacity and rate characteristics. However, since the characteristics of lithium nickel oxide are strongly reflected, there are drawbacks such as lower initial charge / discharge efficiency and cycle characteristics than lithium cobalt oxide.
しかしながら、本実施形態では、上記のような固溶体リチウム含有遷移金属酸化物を正極活物質として用いる。そのため、容量、エネルギー密度及び結晶構造の安定性が高く、サイクル特性にも優れている。 However, in the present embodiment, the above-mentioned solid solution lithium-containing transition metal oxide is used as the positive electrode active material. Therefore, the capacity, energy density, and crystal structure stability are high, and the cycle characteristics are also excellent.
なお、上記化学式において、a,b,c及びdは、0<a<1.4、0≦b<1.4、0<c<1.4、0.1≦d≦0.4、a+b+c+d=1.5、1.1≦a+b+c≦1.4の関係を満たすことが好ましい。また、上記化学式において、a、b、c及びdは、0<a<1.35、0≦b<1.35、0<c<1.35、0.15<d≦0.35、a+b+c+d=1.5、1.15≦a+b+c<1.35の関係を満たすことがより好ましい。また、上記化学式において、a、b、c及びdは、0<a<1.3、0≦b<1.3、0<c<1.3、0.15<d≦0.35、a+b+c+d=1.5、1.2≦a+b+c<1.3の関係を満たすことがさらに好ましい。このような固溶体リチウム含有遷移金属酸化物を含む正極活物質を用いた場合、電気デバイス100の容量を向上させることができる。
In the above chemical formula, a, b, c and d are 0 <a <1.4, 0 ≦ b <1.4, 0 <c <1.4, 0.1 ≦ d ≦ 0.4, a + b + c + d. It is preferable to satisfy the relationship of = 1.5 and 1.1 ≦ a + b + c ≦ 1.4. Further, in the above chemical formula, a, b, c and d are 0 <a <1.35, 0 ≦ b <1.35, 0 <c <1.35, 0.15 <d ≦ 0.35, a + b + c + d. It is more preferable to satisfy the relationship of = 1.5, 1.15 ≦ a + b + c <1.35. Further, in the above chemical formula, a, b, c and d are 0 <a <1.3, 0 ≦ b <1.3, 0 <c <1.3, 0.15 <d ≦ 0.35, a + b + c + d. It is more preferable to satisfy the relationship of = 1.5 and 1.2 ≦ a + b + c <1.3. When such a positive electrode active material containing a solid solution lithium-containing transition metal oxide is used, the capacity of the
正極活物質の平均粒子径は特に制限されないが、高出力化の観点から、1μm〜30μmであることが好ましく、5μm〜20μmであることがより好ましい。なお、正極活物質の平均粒子径は、透過型電子顕微鏡(TEM)又は走査型電子顕微鏡(SEM)などを用いて実測した数〜数十個の粒子の最大粒子径における平均値とすることができる。 The average particle size of the positive electrode active material is not particularly limited, but from the viewpoint of increasing the output, it is preferably 1 μm to 30 μm, and more preferably 5 μm to 20 μm. The average particle size of the positive electrode active material may be the average value at the maximum particle size of several to several tens of particles actually measured using a transmission electron microscope (TEM) or a scanning electron microscope (SEM). can.
正極活物質は、固溶体リチウム含有遷移金属酸化物と、固溶体リチウム含有遷移金属酸化物の表面に配置され、Al、Zr及びTiからなる群より選択される少なくとも1種以上の金属の酸化物により形成された被覆層と、を含むことが好ましい。このような被覆層を配置することにより、固溶体リチウム含有遷移金属酸化物の結晶構造が安定するため、遷移金属の溶出や酸素の離脱が抑制され、サイクル特性が向上する。 The positive electrode active material is arranged on the surface of the solid solution lithium-containing transition metal oxide and the solid solution lithium-containing transition metal oxide, and is formed of an oxide of at least one metal selected from the group consisting of Al, Zr and Ti. It is preferable to include the coated coating layer. By arranging such a coating layer, the crystal structure of the solid solution lithium-containing transition metal oxide is stabilized, so that the elution of the transition metal and the release of oxygen are suppressed, and the cycle characteristics are improved.
被覆層を形成する金属酸化物は特に限定されないが、Al2O3、ZrO2及びTiO2からなる群より選択される少なくとも1以上の金属酸化物であることが好ましい。なお、被覆層には、Nb、Sn、W、Mo及びVからなる群より選択される少なくとも1種以上の金属酸化物がさらに含まれていてもよい。 The metal oxide forming the coating layer is not particularly limited, but is preferably at least one or more metal oxides selected from the group consisting of Al 2 O 3 , ZrO 2 and TiO 2. The coating layer may further contain at least one metal oxide selected from the group consisting of Nb, Sn, W, Mo and V.
被覆層を形成する金属の酸化物の含有量は、正極活物質全体の0.1質量%〜3.0質量%であることが好ましい。被覆層の含有量をこのような範囲とすることにより、固溶体リチウム含有遷移金属酸化物の結晶構造が安定するため、遷移金属の溶出や酸素の離脱が抑制され、サイクル特性が向上する。 The content of the oxide of the metal forming the coating layer is preferably 0.1% by mass to 3.0% by mass of the entire positive electrode active material. By setting the content of the coating layer in such a range, the crystal structure of the solid solution lithium-containing transition metal oxide is stabilized, so that the elution of the transition metal and the release of oxygen are suppressed, and the cycle characteristics are improved.
被覆層の平均厚みは特に限定されないが、上述したような固溶体リチウム含有遷移金属酸化物の特性を向上させるという観点からは、2〜20nmであることが好ましい。被覆層の平均厚みは、例えば、SEMやTEMにより観察することができる。また、被覆層の平均厚みは、被覆層を含む固溶体リチウム含有遷移金属酸化物の平均粒子径から、被覆層を有しない固溶体リチウム含有遷移金属酸化物の平均粒子径を差し引いた値とすることもできる。なお、上記平均粒子径は、例えばレーザー回折法により測定した体積基準における粒度分布の累積値が50%の時の粒子径とすることができる。 The average thickness of the coating layer is not particularly limited, but is preferably 2 to 20 nm from the viewpoint of improving the characteristics of the solid solution lithium-containing transition metal oxide as described above. The average thickness of the coating layer can be observed by, for example, SEM or TEM. The average thickness of the coating layer may be a value obtained by subtracting the average particle size of the solid solution lithium-containing transition metal oxide having no coating layer from the average particle size of the solid solution lithium-containing transition metal oxide containing the coating layer. can. The average particle size can be, for example, the particle size when the cumulative value of the particle size distribution on a volume basis measured by a laser diffraction method is 50%.
(正極用導電助剤)
正極用導電助剤は、正極活物質層12の内部における電子ネットワークを効果的に形成し、電気デバイス100の放電容量を大きくすることができる。正極活物質層12中に含まれる正極用導電助剤の含有量は特に限定されないが、1質量%〜10質量%が好ましく、2質量%〜6質量%がより好ましい。正極用導電助剤の含有量をこのような範囲とすることにより、正極活物質層12の導電性を向上させることができる。
(Conductive aid for positive electrode)
The positive electrode conductive auxiliary agent can effectively form an electronic network inside the positive electrode
(正極用バインダ)
正極用バインダは、正極活物質同士又は正極活物質と正極用導電助剤を結合させることができる。正極用バインダを形成する材料としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリアミドイミド(PAI)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)などの熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム(IR)、ブタジエンゴム(BR)などのエラストマーが挙げられる。これらの正極用バインダは、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、バインダとしての接着性や耐熱性が優れていることから、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリアミドイミド(PAI)からなる群より選択される少なくとも1つが好ましい。正極活物質層12中に含まれる正極用バインダの含有量は特に限定されないが、0.5質量%〜15質量%が好ましく、1質量%〜10質量%がより好ましい。
(Binder for positive electrode)
The positive electrode binder can bond the positive electrode active materials to each other or the positive electrode active material and the positive electrode conductive auxiliary agent. Examples of the material for forming the binder for the positive electrode include polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA), polyether nitrile (PEN), and poly. Acrylonitrile (PAN), polyimide (PI), polyamide (PA), polyamideimide (PAI), carboxymethyl cellulose (CMC), ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVDF) ), Polytetrafluoroethylene (PTFE), thermoplastic resin such as polyvinyl chloride (PVF), thermocurable resin such as epoxy resin, styrene-butadiene rubber (SBR), isoprene rubber (IR), butadiene rubber (BR) Such as elastomer. These positive electrode binders may be used alone or in combination of two or more. Among these, at least one selected from the group consisting of polyimide (PI), polyamide (PA), and polyamideimide (PAI) is preferable because of its excellent adhesiveness and heat resistance as a binder. The content of the positive electrode binder contained in the positive electrode
(負極20)
負極20は、負極集電体21と、負極集電体21の表面に配置された負極活物質層22と、を含む。負極活物質層22は、負極集電体21の少なくとも一方の面に配置されていればよい。
(Negative electrode 20)
The
(負極集電体21)
負極集電体21は、後述する負極タブ65などと接続され、電気デバイス100の外部と電子の受け渡しをする。負極集電体21を形成する材料は特に限定されないが、例えば、銅(Cu)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、ステンレス鋼(SUS)などの金属が好ましい。これらの中でも、負極集電体21を形成する材料として、銅(Cu)を用いることが好ましい。負極集電体21の厚さは特に限定されないが、通常は1μm〜100μm程度である。
(Negative electrode current collector 21)
The negative electrode
(負極活物質層22)
負極活物質層22は40質量%〜98質量%の負極活物質を含有する。負極活物質層22の膜厚は特に限定されないが、放電前において、20μm〜80μmであることが好ましく、20μm〜50μmであることがより好ましく、28μm〜39μmであることがさらに好ましく、29μm〜36μmであることが特に好ましい。負極活物質層22の膜厚をこのような範囲とすることにより、電気デバイス100のエネルギー密度及びサイクル特性を向上させることができる。負極活物質層22は、負極活物質に加え、負極用導電助剤や負極用バインダをさらに含むことができる。
(Negative electrode active material layer 22)
The negative electrode
(負極活物質)
負極活物質は、20質量%以上のケイ素を含有するケイ素含有合金を含む。ケイ素含有合金は、充電の際にリチウムイオンと合金化するため、炭素系の負極活物質などと比較して負極活物質の質量当たりの放電容量を大きくすることができる。そのため、本実施形態の電気デバイス100は、ケイ素含有合金を用いることで、電気デバイス100の放電容量を大きくすることができる。また、ケイ素含有合金のケイ素含有量を20質量%以上とすることにより、アモルファス−結晶の相転移を抑えることができる。そのため、電気デバイス100のサイクル特性を向上させることができる。
(Negative electrode active material)
The negative electrode active material contains a silicon-containing alloy containing 20% by mass or more of silicon. Since the silicon-containing alloy is alloyed with lithium ions during charging, the discharge capacity per mass of the negative electrode active material can be increased as compared with a carbon-based negative electrode active material or the like. Therefore, the
本実施形態において、ケイ素含有合金は、Si、Sn及びMの元素を含み、Mは、遷移元素、B,C,Mg,Al及びZnからなる群より選択される少なくとも1つの元素であることが好ましい。なお、遷移元素は、第3族元素から第11族元素の間にある元素をいう。このようなケイ素含有合金を用いることで、電気デバイス100のサイクル特性を高くすることができる。
In the present embodiment, the silicon-containing alloy contains elements of Si, Sn and M, where M is at least one element selected from the group consisting of transition elements, B, C, Mg, Al and Zn. preferable. The transition element refers to an element between the Group 3 element and the
なお、Mは、B,C,Mg,Al,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Zr,Nb,Mo及びTaからなる群より選択される少なくとも1つの元素であることがより好ましい。また、Mは、C,Al,Ti,V及びZnからなる群より選択される少なくとも1つの元素であることがさらに好ましい。さらに、Al又はTiの少なくともいずれか一方であることが最も好ましい。ケイ素含有合金がこのような元素を含むことにより、放電容量を維持しつつ、サイクル特性をより向上させることができる。 M is at least one element selected from the group consisting of B, C, Mg, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo and Ta. More preferably. Further, M is more preferably at least one element selected from the group consisting of C, Al, Ti, V and Zn. Further, it is most preferable that it is at least one of Al and Ti. When the silicon-containing alloy contains such an element, the cycle characteristics can be further improved while maintaining the discharge capacity.
なお、Si、Sn及びMの元素を含むケイ素含有合金には、不可避不純物が含まれていてもよい。不可避不純物とは、原料中に存在したり、製造工程において不可避的に混入したりするものを意味する。不可避不純物は、本来は不要なものであるが、微量であり、ケイ素含有合金の特性に影響を及ぼさないため、許容されている不純物である。不可避不純物の含有量は、ケイ素含有合金全体に対して0.5質量%未満であることが好ましく、0.1質量%未満であることがより好ましく、0.01質量%未満であることがさらに好ましい。 The silicon-containing alloy containing Si, Sn, and M elements may contain unavoidable impurities. Inevitable impurities mean those that are present in the raw material or are inevitably mixed in the manufacturing process. Although unavoidable impurities are originally unnecessary, they are permissible impurities because they are in trace amounts and do not affect the characteristics of the silicon-containing alloy. The content of unavoidable impurities is preferably less than 0.5% by mass, more preferably less than 0.1% by mass, and further preferably less than 0.01% by mass with respect to the entire silicon-containing alloy. preferable.
ケイ素含有合金の一般式は、Si−Sn−Mであることが好ましく、Si−Sn−Ti又はSi−Sn−Ti−Alであることがより好ましい。ここで、一般式Si−Sn−Tiにおいて、Snの含有量が7質量%以上30質量%以下、Tiの含有量が0質量%超え37質量%以下、残部がSi及び不可避不純物であることが好ましい。又は、一般式Si−Sn−Tiにおいて、Snの含有量が30質量%以上51質量%以下、Tiの含有量が0質量%超え35質量%以下、残部がSi及び不可避不純物であることが好ましい。また、一般式Si−Sn−Tiにおいて、Snの含有量が7質量%以上30質量%以下、Tiが7質量%超え37質量%以下、残部がSi及び不可避不純物であることがより好ましい。又は、Snの含有量が30質量%以上51質量%以下、Tiの含有量が7質量%超え35質量%以下、残部がSi及び不可避不純物であることがより好ましい。また、一般式Si−Sn−Tiにおいて、Snの含有量が7質量%以上30質量%以下、Tiの含有量が18質量%以上37質量%以下、残部がSi及び不可避不純物であることがさらに好ましい。又は、一般式Si−Sn−Tiにおいて、Snの含有量が30質量%以上51質量%以下、Tiの含有量が7質量%超え20質量%以下、残部がSi及び不可避不純物であることがさらに好ましい。さらに、一般式Si−Sn−Tiにおいて、Snの含有量が7質量%以上21質量%以下、Tiの含有量が24質量%以上37質量%以下、残部がSi及び不可避不純物であることが最も好ましい。各元素の含有量を上記範囲内とすることで、サイクル耐久性に優れた電気デバイス100を提供することができる。
The general formula of the silicon-containing alloy is preferably Si—Sn—M, more preferably Si—Sn—Ti or Si—Sn—Ti—Al. Here, in the general formula Si-Sn-Ti, the Sn content is 7% by mass or more and 30% by mass or less, the Ti content is 0% by mass or more and 37% by mass or less, and the balance is Si and unavoidable impurities. preferable. Alternatively, in the general formula Si-Sn-Ti, it is preferable that the Sn content is 30% by mass or more and 51% by mass or less, the Ti content is 0% by mass or more and 35% by mass or less, and the balance is Si and unavoidable impurities. .. Further, in the general formula Si—Sn—Ti, it is more preferable that the Sn content is 7% by mass or more and 30% by mass or less, Ti is 7% by mass or more and 37% by mass or less, and the balance is Si and unavoidable impurities. Alternatively, it is more preferable that the Sn content is 30% by mass or more and 51% by mass or less, the Ti content is 7% by mass or more and 35% by mass or less, and the balance is Si and unavoidable impurities. Further, in the general formula Si-Sn-Ti, the Sn content is 7% by mass or more and 30% by mass or less, the Ti content is 18% by mass or more and 37% by mass or less, and the balance is Si and unavoidable impurities. preferable. Alternatively, in the general formula Si-Sn-Ti, the Sn content is 30% by mass or more and 51% by mass or less, the Ti content is 7% by mass or more and 20% by mass or less, and the balance is Si and unavoidable impurities. preferable. Further, in the general formula Si-Sn-Ti, the Sn content is 7% by mass or more and 21% by mass or less, the Ti content is 24% by mass or more and 37% by mass or less, and the balance is Si and unavoidable impurities. preferable. By setting the content of each element within the above range, it is possible to provide the
一般式Si−Sn−Ti−Alにおいては、Snの含有量が2質量%以上10質量%以下、Tiの含有量が25質量%以上35質量%以下、Alの含有量が0.3質量%以上3質量%以下、残部がSi及び不可避不純物であることが好ましい。各元素の含有量を上記範囲内とすることで、電気デバイス100のサイクル耐久性を向上させることができる。なお、Snの含有量は、3質量%以上がさらに好ましい。また、Snの含有量は、9質量%以下がより好ましく、8.5質量%以下がさらに好ましい。また、Tiの含有量は、28質量%以上がより好ましく、29質量%以上がさらに好ましい。また、Tiの含有量は、34質量%以下がより好ましく33質量%以下がさらに好ましく、32質量%以下が特に好ましく、31質量%以下が最も好ましい。また、Alの含有量は、0.35質量%以上がより好ましく、0.4質量%以上がさらに好ましい。また、Alの含有量は、2.5質量%以下がより好ましく、2.0質量%以下がさらに好ましい。なお、Siの含有量は、58質量%以上が好ましく、58.5質量%以上がより好ましく、59質量%以上がさらに好ましい。Siの含有量は、70質量%以下が好ましく、68質量%以下がより好ましく、67質量%以下がさらに好ましく、66質量%以下が特に好ましい。
In the general formula Si-Sn-Ti-Al, the Sn content is 2% by mass or more and 10% by mass or less, the Ti content is 25% by mass or more and 35% by mass or less, and the Al content is 0.3% by mass. It is preferable that the amount is 3% by mass or less and the balance is Si and unavoidable impurities. By setting the content of each element within the above range, the cycle durability of the
ケイ素含有合金は、非晶質又は低結晶性のケイ素を主成分とする母相と、上記母相中に分散され、遷移金属のケイ化物を含有するシリサイド相と、を含むことが好ましい。ケイ素含有合金がこのような母相とシリサイド相とを含むことで、サイクル特性に優れた放電容量の大きい電気デバイス100を提供することができる。なお、ここでいう主成分は、母相中、非晶質又は低結晶性のケイ素を50質量%以上含むという意味である。
The silicon-containing alloy preferably contains a parent phase containing amorphous or low-crystalline silicon as a main component and a silicide phase dispersed in the mother phase and containing a transition metal silicide. When the silicon-containing alloy contains such a matrix phase and a silicide phase, it is possible to provide an
ケイ素を主成分とする母相は、電気デバイス100を充放電した際に、リチウムイオンの吸蔵及び放出に関与する相である。そのため、ケイ素を主成分とする母相が、ケイ素のみからなる単相である場合、多くのリチウムイオンを吸蔵・放出することが可能であるため好ましい。
The mother phase containing silicon as a main component is a phase involved in occlusion and release of lithium ions when the
ケイ素を主成分とする母相は、シリサイド相よりもアモルファス化していることが好ましい。このようにすることで、電気デバイス100の放電容量をより大きくすることができる。ケイ素を主成分とする母相が、シリサイド相よりもアモルファス化していることは、電子線回折分析により得られる電子線回折像で確認することができる。なお、単結晶相の電子線回折像は二次元点配列のネットパターン(格子状のスポット)であり、多結晶相の電子線回折像はデバイシェラーリング(回折環)であり、アモルファス相の電子線回折像はハローパターンである。
The matrix phase containing silicon as a main component is preferably amorphous rather than the silicide phase. By doing so, the discharge capacity of the
シリサイド相は、例えばTiSi2などの遷移金属のケイ化物を含むことにより、ケイ素を主成分とする母相との親和性を向上させることができる。そのため、電気デバイス100の充電により、ケイ素含有合金が体積膨張した場合であっても、母相とシリサイド相の間で割れが生じるのを抑制することができる。さらに、シリサイド相は、母相よりも電子伝導性及び硬度が高い傾向にあるため、ケイ素含有合金の電子伝導性を改善し、かつ、充放電時のケイ素含有合金の膨張を抑制する役割をも有する。
By including silicide of a transition metal such as TiSi 2 in the silicide phase, the affinity with the silicon-based matrix can be improved. Therefore, even when the silicon-containing alloy is volume-expanded by charging the
シリサイド相は、例えばMSi2及びMSiなど、ケイ素の組成比が異なる複数の相を有していてもよく、異なる遷移金属元素とのケイ化物を含む複数の相が存在していてもよい。シリサイド相に含まれる遷移金属元素は、Ti、Zr、Ni、Cu及びFeからなる群より選択される少なくとも1つの元素が好ましく、Ti及びZrの少なくともいずれか一方の元素がより好ましく、Tiがさらに好ましい。これらの遷移金属元素とのケイ化物は、電子伝導性及び硬度が高いため、ケイ素含有合金の電子伝導性を改善し、かつ、充放電時のケイ素含有合金の膨張を抑制することができる。特に、Tiとのケイ化物であるTiSi2は、電子伝導性が非常に高いため好ましい。なお、シリサイド相が、TiSi2を含むケイ素の組成比が異なる複数の相を有し、遷移金属元素MがTiである場合、シリサイド相全体に対するTiSi2の割合は、50質量%以上が好ましく、80質量%以上がより好ましい。また、この割合は、90質量%以上がさらに好ましく、95質量%以上が特に好ましく、100質量%が最も好ましい。 The silicide phase may have a plurality of phases having different silicon composition ratios, such as MSi 2 and MSi, or may have a plurality of phases containing silicides with different transition metal elements. The transition metal element contained in the silicide phase is preferably at least one element selected from the group consisting of Ti, Zr, Ni, Cu and Fe, more preferably at least one element of Ti and Zr, and further Ti. preferable. Since silicides with these transition metal elements have high electron conductivity and hardness, it is possible to improve the electron conductivity of the silicon-containing alloy and suppress the expansion of the silicon-containing alloy during charging and discharging. In particular, TiSi 2 , which is a silicide with Ti, is preferable because it has very high electron conductivity. When the silicide phase has a plurality of phases in which the composition ratio of silicon containing TiSi 2 is different and the transition metal element M is Ti, the ratio of TiSi 2 to the entire silicide phase is preferably 50% by mass or more. More preferably, it is 80% by mass or more. Further, this ratio is more preferably 90% by mass or more, particularly preferably 95% by mass or more, and most preferably 100% by mass.
シリサイド相の大きさは、特に限定されないが、0nm超え50nm以下であることが好ましい。シリサイド相の大きさをこのような範囲とすると、電気デバイス100の放電容量が大きくなるため好ましい。
The size of the silicide phase is not particularly limited, but is preferably more than 0 nm and 50 nm or less. When the size of the silicide phase is within such a range, the discharge capacity of the
CuKα1線を用いてケイ素含有合金をX線回折測定した場合に、2θ=24°〜33°の範囲におけるSiの(111)面の回折ピーク強度に対する、2θ=37°〜45°の範囲における上記ケイ化物の回折ピーク強度の比が0.41以上であることが好ましい。回折ピーク強度の比を0.41以上とすることにより、SiとLiとが合金化する際のアモルファス−結晶の相転移が抑制され、ケイ素含有合金の膨張収縮が抑制されることから、サイクル特性が向上するため好ましい。なお、この回折ピーク強度比の値は、0.89以上であることがより好ましく、2.55以上がさらに好ましく、7.07以上が特に好ましい。 When the silicon-containing alloy is X-ray diffracted using CuKα1 wire, the above in the range of 2θ = 37 ° to 45 ° with respect to the diffraction peak intensity of the Si (111) plane in the range of 2θ = 24 ° to 33 °. The ratio of diffraction peak intensities of silicide is preferably 0.41 or more. By setting the ratio of the diffraction peak intensities to 0.41 or more, the phase transition of the amorphous-crystal when Si and Li are alloyed is suppressed, and the expansion and contraction of the silicon-containing alloy is suppressed. Is preferable because it improves. The value of this diffraction peak intensity ratio is more preferably 0.89 or more, further preferably 2.55 or more, and particularly preferably 7.07 or more.
ここで、2θ=24°〜33°の範囲におけるSiの(111)面の回折ピーク強度は、以下のようにして求めることができる。 Here, the diffraction peak intensity of the Si (111) plane in the range of 2θ = 24 ° to 33 ° can be obtained as follows.
まず、X線回折分析により得られた回折スペクトルにおいて、2θ=24°における垂線と回折スペクトルとが交わる点をaとする。同様に、2θ=33°における垂線とX線路回折スペクトルとが交わる点をbとする。ここで、線分abをベースラインとし、Siの(111)面の回折ピーク(2θ=約28.5°)における垂線と上記ベースラインとが交わる点をcとする。そして、Siの(111)面の回折ピーク(2θ=約28.5°)の頂点dと点cとを結ぶ線分cdの長さを、Siの(111)面の回折ピーク強度とすることができる。 First, in the diffraction spectrum obtained by X-ray diffraction analysis, let a be the point where the perpendicular at 2θ = 24 ° and the diffraction spectrum intersect. Similarly, let b be the point where the perpendicular at 2θ = 33 ° and the X-line diffraction spectrum intersect. Here, let the line segment ab be the baseline, and let c be the point where the perpendicular line at the diffraction peak (2θ = about 28.5 °) of the (111) plane of Si intersects the baseline. Then, the length of the line segment cd connecting the apex d of the diffraction peak (2θ = about 28.5 °) of the Si (111) plane and the point c is defined as the diffraction peak intensity of the Si (111) plane. Can be done.
同様に、2θ=37°〜45°の範囲におけるケイ化物の回折ピーク強度は、以下のようにして求めることができる。以下では、遷移金属のケイ化物がTiSi2である場合を例に挙げて説明する。 Similarly, the diffraction peak intensity of silicide in the range of 2θ = 37 ° to 45 ° can be determined as follows. In the following, a case where the transition metal silicide is TiSi 2 will be described as an example.
まず、X線回折分析により得られた回折スペクトルにおいて、2θ=37°における垂線と回折スペクトルとが交わる点をeとする。同様に、2θ=45°における垂線とX線路回折スペクトルとが交わる点をfとする。ここで、線分efをベースラインとし、TiSi2の回折ピーク(2θ=約39°)における垂線と上記ベースラインとが交わる点をgとする。そして、TiSi2の回折ピーク(2θ=約39°)の頂点hと点gとを結ぶ線分ghの長さを、TiSi2の回折ピーク強度とすることができる。 First, in the diffraction spectrum obtained by X-ray diffraction analysis, let e be the point where the perpendicular at 2θ = 37 ° and the diffraction spectrum intersect. Similarly, let f be the point where the perpendicular at 2θ = 45 ° and the X-line diffraction spectrum intersect. Here, let the line segment ef be the baseline, and let g be the point where the perpendicular line at the diffraction peak of TiSi 2 (2θ = about 39 °) intersects the baseline. Then, the length of a line segment gh connecting the vertex h and point g of the diffraction peak of TiSi 2 (2 [Theta] = about 39 °), may be a diffraction peak intensity of TiSi 2.
ケイ素含有合金の平均粒子径は特に制限されないが、0.1μm〜20μmであることが好ましく0.2μm〜10μmであることがより好ましい。なお、ケイ素含有合金の平均粒子径は、体積基準における粒度分布の累積値が50%の時の粒子径を表し、例えば、レーザー回折・散乱法により測定することができる。 The average particle size of the silicon-containing alloy is not particularly limited, but is preferably 0.1 μm to 20 μm, and more preferably 0.2 μm to 10 μm. The average particle size of the silicon-containing alloy represents the particle size when the cumulative value of the particle size distribution on a volume basis is 50%, and can be measured by, for example, a laser diffraction / scattering method.
負極活物質は上記ケイ素含有合金以外の負極活物質を含んでいてもよい。ただし、放電容量及びサイクル特性の観点より、負極活物質におけるケイ素含有合金の含有量は、50質量%以上が好ましく、80質量%以上がより好ましく、95質量%以上がさらに好ましく、100質量%であることが特に好ましい。 The negative electrode active material may contain a negative electrode active material other than the above silicon-containing alloy. However, from the viewpoint of discharge capacity and cycle characteristics, the content of the silicon-containing alloy in the negative electrode active material is preferably 50% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, further preferably 95% by mass or more, and 100% by mass. It is particularly preferable to have.
(負極用導電助剤)
負極用導電助剤は、負極活物質層22の内部における電子ネットワークを効果的に形成することができる。負極用導電助剤を形成する材料としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト、炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。これらの負極用導電助剤は、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。負極活物質層22における負極用導電助剤の含有量は特に限定されないが、1質量%〜10質量%が好ましく、2質量%〜8質量%がより好ましい。負極用導電助剤の含有量をこのような範囲とすることにより、負極活物質層22の導電性を向上させることができる。
(Conductive auxiliary agent for negative electrode)
The negative electrode conductive auxiliary agent can effectively form an electronic network inside the negative electrode
(負極用バインダ)
負極用バインダは、負極活物質同士又は負極活物質と負極用導電助剤を結合させることができる。負極用バインダを形成する材料としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリアミドイミド(PAI)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)などの熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム(IR)、ブタジエンゴム(BR)などのエラストマーが挙げられる。これらの負極用バインダは、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、負極用バインダとしての接着性や耐熱性が優れていることから、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリアミドイミド(PAI)からなる群より選択される少なくとも1つが好ましい。負極活物質層22における負極用バインダの含有量は特に限定されないが、0.5質量%〜15質量%が好ましく、1質量%〜10質量%がより好ましい。
(Binder for negative electrode)
The negative electrode binder can bond the negative electrode active materials to each other or the negative electrode active material and the negative electrode conductive auxiliary agent. Examples of the material for forming the binder for the negative electrode include polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA), polyether nitrile (PEN), and poly. Acrylonitrile (PAN), polyimide (PI), polyamide (PA), polyamideimide (PAI), carboxymethyl cellulose (CMC), ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVDF) ), Polytetrafluoroethylene (PTFE), thermoplastic resin such as polyvinyl chloride (PVF), thermocurable resin such as epoxy resin, styrene-butadiene rubber (SBR), isoprene rubber (IR), butadiene rubber (BR) Such as elastomer. These negative electrode binders may be used alone or in combination of two or more. Among these, at least one selected from the group consisting of polyimide (PI), polyamide (PA), and polyamideimide (PAI) is preferable because it has excellent adhesiveness and heat resistance as a binder for a negative electrode. The content of the negative electrode binder in the negative electrode
(セパレータ30)
セパレータ30は、正極10と負極20との間に配置される。セパレータ30は、正極10と負極20とを隔離し、リチウムイオンの移動を仲介する。セパレータ30の膜厚は、内部抵抗を低減させる観点から、1μm〜100μmが好ましく、5μm〜50μmであることがより好ましい。セパレータ30には、非水電解質を含めることができる。非水電解質としては、イオン伝導性ポリマーにリチウム塩が溶解したゲル状又は固体状のポリマー電解質、並びに有機溶媒にリチウム塩が溶解した液体電解質を多孔質基体層に保持させて用いることができる。
(Separator 30)
The
ポリマー電解質に用いられるイオン伝導性ポリマーとしては、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、へキサフルオロプロピレン、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)及びこれらの共重合体等が挙げられる。 Examples of the ionic conductive polymer used in the polymer electrolyte include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), polyvinylidene fluoride (PVDF), hexafluoropropylene, polyethylene glycol (PEG), polyacrylonitrile (PAN), and polymethyl. Examples thereof include methacrylate (PMMA) and polymers thereof.
液体電解質に用いられる有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)等のカーボネート類が挙げられる。 Examples of the organic solvent used for the liquid electrolyte include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and ethylmethyl. Examples thereof include carbonates such as carbonate (EMC) and methylpropyl carbonate (MPC).
リチウム塩としては、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiTaF6、LiClO4、LiCF3SO3等の化合物が挙げられる。 The lithium salt, Li (CF 3 SO 2) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2) 2 N, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiClO 4, compounds such as LiCF 3 SO 3 is Can be mentioned.
多孔質基体層を形成する材料は特に限定されないが、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体などの熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。多孔質基体層の空孔率は、特に限定されないが、40%〜85%であることが好ましい。空孔率を40%以上とする場合、十分なイオン伝導性を得ることができる。一方、空孔率を85%以下とする場合、多孔質基体層の強度を良好に維持することができる。 The material for forming the porous substrate layer is not particularly limited, but it is preferable to use a thermoplastic resin such as polyethylene, polypropylene, or an ethylene-propylene copolymer. The porosity of the porous substrate layer is not particularly limited, but is preferably 40% to 85%. When the porosity is 40% or more, sufficient ionic conductivity can be obtained. On the other hand, when the porosity is 85% or less, the strength of the porous substrate layer can be maintained satisfactorily.
本実施形態の電気デバイス100は、正極10、負極20及びセパレータ30の他、必要に応じて、図1に示すように、正極タブ60、負極タブ65及び外装体70などをさらに備えていてもよい。
In addition to the
なお、図1に示すように、正極10、負極20及びセパレータ30を備える単電池層40を、複数積層して電気的に並列に配置させたものを発電要素50とすることもできる。また、本実施形態の電気デバイス100は、図1のような形態に限定されず、例えば、集電体の一方の面に正極活物質層を配置し、集電体のもう一方の面に負極活物質層を配置したような双極型電極を含む双極型電池としてもよい。また、図1の実施形態のような積層型の電気デバイスに限定されず、巻回型の電気デバイスとしてもよい。
As shown in FIG. 1, a plurality of cell cell layers 40 including a
(正極タブ60及び負極タブ65)
正極タブ60は、正極集電体11と、電気デバイス100の外部の機器とを電気的に接続することができる。また、負極タブ65は、負極集電体21と、電気デバイス100の外部の機器とを電気的に接続することができる。正極タブ60及び負極タブ65を形成する材料は特に限定されず、例えばアルミニウム、銅、チタン、ニッケルからなる群より選択される少なくとも1つの金属を用いることができる。なお、正極タブ60及び負極タブ65を形成する材料は、同一であっても異なっていてもよい。
(
The
(外装体70)
外装体70は、単電池層40又は発電要素50を収容することができる。外装体70は、例えば、缶や、フィルムにより形成されたものが挙げられる。また、外装体70の形状は、特に限定されず、円筒型、角型、シート型とすることができる。特に限定されないが、小型化及び軽量化などの観点より、外装体70はフィルムにより形成されていることが好ましい。なかでも、高出力化や冷却性能の観点からは、フィルムはラミネートフィルムであることが好ましく、ラミネートフィルムはアルミニウムを含むことが好ましい。また、電気デバイス100は扁平積層型リチウムイオン二次電池であることが好ましい。このようなリチウムイオン二次電池は、放電容量及び放熱性能を高くすることができるため、車両に搭載する場合に最適である。アルミニウムを含むラミネートフィルムの一例としては、PP/アルミニウム/ナイロンの3層ラミネートフィルムが挙げられる。
(Exterior body 70)
The
本実施形態の電気デバイス100は、正極10と、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30と、を備える。正極10は、正極集電体11と、正極集電体11の表面に配置された正極活物質層12と、を含む。負極20は、負極集電体21と、負極集電体21の表面に配置された負極活物質層22と、を含む。正極活物質層12は80質量%〜98質量%の正極活物質を含有し、正極活物質は化学式Li1.5[NiaCobMnc[Li]d]Ozで表される固溶体リチウム含有遷移金属酸化物を含む。なお、上記化学式中、a,b,c及びdは、a+b+c+d=1.5、1.1≦a+b+c≦1.4、0.1≦d≦0.4の関係を満たし、zは原子価を満足する酸素数である。負極活物質層22は40質量%〜98質量%の負極活物質を含有し、負極活物質は、20質量%以上のケイ素を含有するケイ素含有合金を含む。そして、正極10の容量に対する負極20の容量の比が1.1超1.6未満である。
The
本実施形態の電気デバイス100では、正極10の容量に対する負極20の容量の比が所定の範囲内であるため、充放電の繰り返しによる金属リチウムの析出を少なくすることができ、サイクル特性を向上させることができる。また、正極10の容量に対する負極20の容量の比が所定の範囲内であるため、固溶体リチウム含有遷移金属酸化物が本来有する容量を有用に活用することができる。また、正極10の容量に対する負極20の容量の比が所定の範囲内であるため、ケイ素含有合金の増加や負極活物質層22の膨張によるエネルギー密度及びサイクル特性の低下を抑制することができる。
In the
本実施形態の電気デバイス100の用途は特に限定されないが、上述のように、エネルギー密度が高く、サイクル特性に優れている。そのため、車両用として好適に用いることができる。具体的には、本実施形態の電気デバイス100は、車両用の駆動電源などに好適に用いることができる。
The application of the
[電気デバイスの製造方法]
本実施形態に係る電気デバイスの製造方法は特に限定されないが、一例として、リチウムイオン二次電池の製造方法を挙げて説明する。リチウムイオン二次電池の製造方法は、例えば電極の作製工程と、組立工程と、を備える。
[Manufacturing method of electrical devices]
The method for manufacturing the electric device according to the present embodiment is not particularly limited, but a method for manufacturing a lithium ion secondary battery will be described as an example. A method for manufacturing a lithium ion secondary battery includes, for example, an electrode manufacturing step and an assembling step.
(電極の作製工程)
電極の作製工程は、例えば、活物質スラリーを調整し、活物質スラリーを集電体上に塗布、乾燥、プレスして活物質層を形成することにより作製することができる。活物質スラリーは、上述した活物質の他、バインダ、導電助剤及び溶媒を含めることができる。なお、電極は正極10及び負極20を含む。正極10を作製する場合は正極活物質が用いられ、負極20を作製する場合は負極活物質が用いられる。
(Electrode manufacturing process)
The electrode manufacturing process can be performed, for example, by preparing the active material slurry, applying the active material slurry on the current collector, drying, and pressing to form the active material layer. The active material slurry can contain a binder, a conductive additive and a solvent in addition to the above-mentioned active material. The electrodes include a
活物質スラリーの溶媒としては、特に制限されず、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルホルムアミド、シクロヘキサン、ヘキサン、水などを用いることができる。 The solvent of the active material slurry is not particularly limited, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, methylformamide, cyclohexane, hexane, water and the like can be used.
活物質スラリーを集電体に塗布する方法は特に限定されず、スプレーコート法、ロールコート法、ドクターブレード法、フローコート法、ディップコート法、スクリーン印刷法、インクジェット法などの公知の方法を使用することができる。 The method of applying the active material slurry to the current collector is not particularly limited, and known methods such as a spray coating method, a roll coating method, a doctor blade method, a flow coating method, a dip coating method, a screen printing method, and an inkjet method are used. can do.
活物質スラリーの上記乾燥方法は、特に制限されず、用いる活物質スラリーの特性などに応じて適宜調整すればよい。また、上記プレス工程は特に限定されず、例えばカレンダーロール、平板プレスなどを用いることができる。 The method for drying the active material slurry is not particularly limited, and may be appropriately adjusted according to the characteristics of the active material slurry to be used. The press process is not particularly limited, and for example, a calendar roll, a flat plate press, or the like can be used.
(組立工程)
上述のようにして作製された正極10及び負極20との間に、セパレータ30を介して積層することにより、単電池層40を作製することができる。また、必要に応じ、単電池層40を複数積層させることにより、発電要素50を作製してもよい。このようにして得られた単電池層40又は発電要素50を、外装体70内に封止することにより、リチウムイオン二次電池を作製することができる。
(Assembly process)
The
なお、本実施形態の電気デバイスの製造方法は、サイクル特性などを向上させるため、エージング処理、ガス除去処理、活性化処理などを実施してもよい。 In addition, in the method of manufacturing the electric device of this embodiment, in order to improve the cycle characteristics and the like, aging treatment, gas removal treatment, activation treatment and the like may be carried out.
エージング処理は特に限定されないが、以下のように実施することが好ましい。まず、25℃にて定電流充電法で0.05C、4時間の充電(SOC約20%)を行う。次いで、25℃にて0.1Cで4.45Vまで充電した後、充電を止め、その状態(SOC約70%)で約48時間保持する。 The aging treatment is not particularly limited, but it is preferable to carry out the aging treatment as follows. First, charging is performed at 25 ° C. by a constant current charging method at 0.05 C for 4 hours (SOC of about 20%). Then, after charging to 4.45 V at 0.1 C at 25 ° C., charging is stopped and held in that state (SOC about 70%) for about 48 hours.
ガス除去処理は、外装体70の一部を開封して圧縮などすることにより、外装体70内のガスを除去することができる。外装体70内のガスを除去した後は、開封した外装体70の一部を密着させて、単電池層40又は発電要素50を密封することができる。ガス除去処理は、エージング処理後及び活性化処理後の少なくともいずれか一方で実施することができる。
In the gas removal treatment, the gas in the
活性化処理は、特に限定されず、例えば以下のような電気化学前処理を実施することができる。まず、25℃にて、定電流充電法で0.1Cで電圧が4.45Vとなるまで充電した後、0.1Cで2.0Vまで放電するサイクルを2回行う。同様に、25℃にて、定電流充電法で0.1Cで4.55Vとなるまで充電した後、0.1Cで2.0Vまで放電するサイクルを1回、0.1Cで4.65Vとなるまで充電した後、0.1Cで2.0Vまで放電するサイクルを1回行う。更に、25℃にて、定電流充電法で、0.1Cで4.75Vとなるまで充電した後、0.1Cで2.0Vまで放電するサイクルを1回行えばよい。なお、上記の例では、充電方式を定電流充電法としたが、定電流定電圧充電法を用いてもよい。また、上記の例では、終止条件を電圧としたが、電圧に代えて電荷量や時間としてもよい。 The activation treatment is not particularly limited, and for example, the following electrochemical pretreatment can be carried out. First, the battery is charged at 25 ° C. by a constant current charging method at 0.1 C until the voltage reaches 4.45 V, and then discharged to 2.0 V at 0.1 C twice. Similarly, at 25 ° C., after charging to 4.55 V at 0.1 C by the constant current charging method, one cycle of discharging to 2.0 V at 0.1 C is performed once, and 4.65 V at 0.1 C. After charging until it becomes, a cycle of discharging to 2.0 V at 0.1 C is performed once. Further, at 25 ° C., a constant current charging method may be used to charge the battery to 4.75 V at 0.1 C and then discharge to 2.0 V at 0.1 C once. In the above example, the charging method is the constant current charging method, but the constant current constant voltage charging method may be used. Further, in the above example, the termination condition is voltage, but the amount of charge or time may be used instead of voltage.
以下、本実施形態を実施例及び比較例によりさらに詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the present embodiment will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present embodiment is not limited thereto.
[実施例1]
(正極の作製)
硫酸マンガン一水和物(分子量169.01g/mol)28.61gと硫酸ニッケル六水和物(分子量262.85g/mol)17.74gとを純水200gに加え、攪拌して溶解し、混合溶液を調整した。
[Example 1]
(Preparation of positive electrode)
28.61 g of manganese sulfate monohydrate (molecular weight 169.01 g / mol) and 17.74 g of nickel sulfate hexahydrate (molecular weight 262.85 g / mol) are added to 200 g of pure water, and the mixture is stirred, dissolved and mixed. The solution was adjusted.
次に、この混合溶液がpH7になるまでアンモニア水を滴下した。そして、この混合溶液のpHが7の状態で維持されるようにアンモニア水を滴下しながら、2mol/LのNa2CO3水溶液を滴下し、複合炭酸塩を沈殿させた。 Next, aqueous ammonia was added dropwise until the mixed solution reached pH 7. Then, while dropping ammonia water so that the pH of this mixed solution was maintained at 7, a 2 mol / L Na 2 CO 3 aqueous solution was dropped to precipitate the complex carbonate.
そして、得られた沈殿物を吸引濾過した後、十分に水洗し、乾燥オーブンにて120℃、5時間乾燥した。次に、得られた乾燥物を乳鉢で粉砕した後、500℃、5時間仮焼成を行った。仮焼成した粉末に、水酸化リチウム一水和物(分子量41.96g/mol)10.67gを加え、乳鉢で30分間程度混練した。 Then, the obtained precipitate was suction-filtered, washed thoroughly with water, and dried in a drying oven at 120 ° C. for 5 hours. Next, the obtained dried product was crushed in a mortar and then calcined at 500 ° C. for 5 hours. To the pre-baked powder, 10.67 g of lithium hydroxide monohydrate (molecular weight 41.96 g / mol) was added, and the mixture was kneaded in a mortar for about 30 minutes.
この粉末を500℃で2時間仮焼成した後、900℃で12時間焼成してLi1.5[Ni0.45Mn0.85[Li]0.20]Ozの組成を有する固溶体リチウム含有遷移金属酸化物を得た。 After the powder was 2 hours calcined at 500 ° C., containing solid solution lithium having the composition was fired at 900 ° C. 12 hours Li 1.5 [Ni 0.45 Mn 0.85 [ Li] 0.20] O z A transition metal oxide was obtained.
上述のようにして得られた固溶体リチウム含有遷移金属酸化物10.0gと硝酸アルミニウム九水和物(分子量375.13g/mol)0.37gとを純水100gに加え、攪拌して混合し、混合溶液を調整した。 10.0 g of the solid solution lithium-containing transition metal oxide obtained as described above and 0.37 g of aluminum nitrate nineahydrate (molecular weight 375.13 g / mol) were added to 100 g of pure water, and the mixture was stirred and mixed. The mixed solution was prepared.
次に、この混合溶液を攪拌しながら5%アンモニア水をpH7〜8になるまで徐々に滴下し、固溶体リチウム含有遷移金属酸化物の粒子表面に水酸化アルミニウムを析出させ、この混合溶液をさらに5時間攪拌した。 Next, while stirring the mixed solution, 5% aqueous ammonia was gradually added dropwise until the pH reached 7 to 8, aluminum hydroxide was precipitated on the particle surface of the solid solution lithium-containing transition metal oxide, and the mixed solution was further added to 5. Stirred for hours.
その後、沈殿物を吸引濾過し、十分に水洗した後、乾燥オーブンにて100℃、1時間乾燥した。乾燥した粉末を乳鉢で粉砕した後、450℃、5時間焼成して、Al2O3により形成された被覆層を含む固溶体リチウム含有遷移金属酸化物を得た。なお、被覆層を含む固溶体リチウム含有遷移金属酸化物全体に対し、Al2O3の含有量は0.5質量%であった。また、被覆層を含む固溶体リチウム含有遷移金属酸化物の平均粒子径は8μmであった。 Then, the precipitate was suction-filtered, washed thoroughly with water, and dried in a drying oven at 100 ° C. for 1 hour. The dried powder was pulverized in a mortar and then fired at 450 ° C. for 5 hours to obtain a solid solution lithium-containing transition metal oxide containing a coating layer formed of Al 2 O 3. The content of Al 2 O 3 was 0.5% by mass with respect to the entire solid solution lithium-containing transition metal oxide including the coating layer. The average particle size of the solid solution lithium-containing transition metal oxide containing the coating layer was 8 μm.
次に、正極用スラリーを作製するため、NMPを溶媒とした20質量%バインダ溶液1.5質量部に、さらに溶媒(NMP)4.0質量部を加えた。そして、これらの混合溶液を、攪拌脱泡機(株式会社シンキー製 自転公転ミキサーあわとり錬太郎AR−100)で1分間攪拌してバインダ希釈溶液を作製した。次に、このバインダ希釈溶液に、導電助剤0.3質量部と被覆層を有する固溶体リチウム含有遷移金属酸化物9.4質量部、及び溶媒(NMP)2.6質量部を加え、攪拌脱泡機で3分間攪拌して固形分濃度が55質量%である正極用スラリーを作製した。 Next, in order to prepare a slurry for a positive electrode, 4.0 parts by mass of a solvent (NMP) was further added to 1.5 parts by mass of a 20% by mass binder solution using NMP as a solvent. Then, these mixed solutions were stirred for 1 minute with a stirring defoaming machine (Shinky Co., Ltd. rotating and revolving mixer Awatori Rentaro AR-100) to prepare a binder diluted solution. Next, 0.3 parts by mass of the conductive additive, 9.4 parts by mass of the solid solution lithium-containing transition metal oxide having a coating layer, and 2.6 parts by mass of the solvent (NMP) were added to this binder diluted solution, and the mixture was removed by stirring. The mixture was stirred with a foaming machine for 3 minutes to prepare a slurry for a positive electrode having a solid content concentration of 55% by mass.
このようにして得られた正極用スラリーを、20μm厚のアルミニウムで形成された集電体の一方の面に、乾燥後の正極活物質層の膜厚が50μmとなるように、ドクターブレード(テスター産業株式会社製 PI−1210自動塗工装置)で塗布した。次に、この正極用スラリーを塗布した集電体を、ホットプレート上に置き、正極活物質層に残留するNMP量を0.02質量%以下となるように100℃〜110℃で30分間乾燥させた。このように乾燥して得られたものを、ローラープレスで圧縮成形し、切断した。 The positive electrode slurry thus obtained was placed on one surface of a current collector formed of 20 μm thick aluminum so that the thickness of the positive electrode active material layer after drying was 50 μm, and the doctor blade (tester) was used. It was applied with PI-1210 automatic coating device manufactured by Sangyo Co., Ltd.). Next, the current collector coated with this positive electrode slurry is placed on a hot plate and dried at 100 ° C. to 110 ° C. for 30 minutes so that the amount of NMP remaining in the positive electrode active material layer is 0.02% by mass or less. I let you. The product obtained by drying in this manner was compression-molded by a roller press and cut.
次に、得られた切断物を、真空乾燥機内に設置して、室温(25℃)にて1.33×104Pa(100mmHg)まで減圧した。続いて、窒素ガスを100cm3/分で流通させながら、昇温速度10℃/分で120℃まで昇温させた。その後、120℃で1.33×104Pa(100mmHg)に減圧した状態で12時間保持した後、室温(25℃)まで降温させた。このようにして得られた乾燥物を正極とした。 Next, the obtained cut piece was placed in a vacuum dryer and depressurized to 1.33 × 10 4 Pa (100 mmHg) at room temperature (25 ° C.). Subsequently, the temperature was raised to 120 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min while circulating nitrogen gas at 100 cm 3 / min. Then, the temperature was kept at 120 ° C. under reduced pressure to 1.33 × 10 4 Pa (100 mmHg) for 12 hours, and then the temperature was lowered to room temperature (25 ° C.). The dried product thus obtained was used as a positive electrode.
(負極の作製)
まず、遊星型ボールミル(ドイツ フリッチュ社製P−6)を用いて、メカニカルアロイ法により金属粉末を合金化処理及び粉砕処理した。具体的には、質量比で、Si:Sn:Ti=80:10:10となるように調整した金属粉末と、ジルコニア製粉砕ボールとを、ジルコニア製容器に投入した。その後、ジルコニア製容器を固定する台座を、600rpmで24時間回転させて、金属粉末を合金化した。その後、台座を400rpmで1時間回転させ、合金を粉砕処理した。なお、得られたケイ素含有合金の平均粒子径は0.3μmであった。
(Preparation of negative electrode)
First, using a planetary ball mill (P-6 manufactured by Frichchu, Germany), the metal powder was alloyed and pulverized by a mechanical alloy method. Specifically, the metal powder adjusted so that the mass ratio was Si: Sn: Ti = 80: 10: 10 and the zirconia crushed balls were put into a zirconia container. Then, the pedestal for fixing the zirconia container was rotated at 600 rpm for 24 hours to alloy the metal powder. Then, the pedestal was rotated at 400 rpm for 1 hour to pulverize the alloy. The average particle size of the obtained silicon-containing alloy was 0.3 μm.
このようにして得られたケイ素含有合金の組織構造を電子回折法により分析した。その結果、シリサイド相(TiSi2)の結晶性を示す回折スポット及びハローパターンが観察され、母相であるアモルファスSi相中に結晶性のシリサイド相が分散した組織構造を有することが確認できた。 The structure of the silicon-containing alloy thus obtained was analyzed by electron diffraction. As a result, diffraction spots and halo patterns showing the crystallinity of the silicide phase (TiSi 2 ) were observed, and it was confirmed that the amorphous Si phase, which is the parent phase, had a structure in which the crystalline silicide phase was dispersed.
また、このようにして得られたケイ素含有合金の組織構造を、X線回折測定法により分析した。X線回折測定法に用いた装置及び条件は以下の通りである。 Moreover, the structure structure of the silicon-containing alloy thus obtained was analyzed by the X-ray diffraction measurement method. The equipment and conditions used for the X-ray diffraction measurement method are as follows.
装置名:株式会社リガク製、X線回折装置(SmartLab9kW)
電圧:45kV
電流:200mA
X線波長:CuKα1
Device name: X-ray diffractometer (SmartLab9kW) manufactured by Rigaku Co., Ltd.
Voltage: 45kV
Current: 200mA
X-ray wavelength: CuKα1
X線回折測定法による分析の結果、2θ=24°〜33°の範囲におけるSiの(111)面の回折ピーク強度に対する、2θ=37°〜45°の範囲における前記ケイ化物の回折ピーク強度の比は0.41であった。なお、X線回折測定法による分析により、ケイ素含有合金に含まれるTiはすべてシリサイド(TiSi2)相に存在していることも確認された。 As a result of analysis by the X-ray diffraction measurement method, the diffraction peak intensity of the silicide in the range of 2θ = 37 ° to 45 ° with respect to the diffraction peak intensity of the Si (111) plane in the range of 2θ = 24 ° to 33 °. The ratio was 0.41. It was also confirmed by the analysis by the X-ray diffraction measurement method that all the Ti contained in the silicon-containing alloy was present in the silicide (TiSi 2) phase.
このようにして得られた負極活物質80質量部と、導電助剤5質量部と、バインダ15質量部とをN−メチルピロリドン100質量部に分散させ、脱泡混練機(株式会社Thinky製 AR−100)内で混合し、負極スラリーを得た。なお、導電助剤はカーボンブラック、バインダはポリイミドの前駆体であるポリアミック酸を用いた。 80 parts by mass of the negative electrode active material thus obtained, 5 parts by mass of the conductive auxiliary agent, and 15 parts by mass of the binder were dispersed in 100 parts by mass of N-methylpyrrolidone, and a defoaming kneader (AR manufactured by Thinky Co., Ltd.) was used. The mixture was mixed in −100) to obtain a negative electrode slurry. Carbon black was used as the conductive auxiliary agent, and polyamic acid, which is a precursor of polyimide, was used as the binder.
このようにして得られた負極用スラリーを、10μm厚の電解銅集電体の一方の面に、乾燥後の負極活物質層の膜厚が30.00μmとなるように、ドクターブレード(テスター産業株式会社製 PI−1210自動塗工装置)で塗布した。次に、この負極用スラリーを塗布した負極集電体を、ホットプレート上に置き、負極活物質層に残留するNMP量が0.02質量%以下となるように100℃〜110℃で30分間乾燥させた。このように乾燥して得られたものを、ローラープレスで圧縮成形し、切断した。 The negative electrode slurry thus obtained is placed on one surface of a 10 μm-thick electrolytic copper current collector so that the thickness of the negative electrode active material layer after drying is 30.00 μm, so that the doctor blade (tester industry) It was applied with PI-1210 automatic coating device manufactured by Co., Ltd.). Next, the negative electrode current collector coated with this negative electrode slurry is placed on a hot plate, and the amount of NMP remaining in the negative electrode active material layer is 0.02% by mass or less at 100 ° C. to 110 ° C. for 30 minutes. It was dried. The product obtained by drying in this manner was compression-molded by a roller press and cut.
次に、得られた切断物を、真空乾燥機内に設置して、室温(25℃)にて1.33×104Pa(100mmHg)まで減圧した。続いて、窒素ガスを100cm3/分で流通させながら、昇温速度10℃/分で325℃まで昇温させた。その後、325℃で1.33×104Pa(100mmHg)に減圧した状態で24時間保持した後、室温(25℃)まで降温させた。このようにして得られた乾燥物を負極とした。 Next, the obtained cut piece was placed in a vacuum dryer and depressurized to 1.33 × 10 4 Pa (100 mmHg) at room temperature (25 ° C.). Subsequently, the temperature was raised to 325 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min while circulating nitrogen gas at 100 cm 3 / min. Then, the temperature was kept at 325 ° C. under reduced pressure to 1.33 × 10 4 Pa (100 mmHg) for 24 hours, and then the temperature was lowered to room temperature (25 ° C.). The dried product thus obtained was used as a negative electrode.
(リチウムイオン二次電池の作製)
まず、上述のようにして得られた正極を、正極活物質層の面積が縦2.5cm×横2.0cmになるように2枚切り取り、正極活物質層側が外側になるように、2枚の正極を重ね合わせ、正極集電体側の外周部をスポット溶接した。その後、正極集電体にアルミニウム製の正極タブを溶接した。
(Manufacturing of lithium-ion secondary battery)
First, two positive electrodes obtained as described above are cut out so that the area of the positive electrode active material layer is 2.5 cm in length × 2.0 cm in width, and two sheets are formed so that the positive electrode active material layer side is on the outside. The positive electrodes of the above were overlapped, and the outer peripheral portion on the positive electrode current collector side was spot welded. Then, an aluminum positive electrode tab was welded to the positive electrode current collector.
次に、上述のようにして得られた負極を、負極活物質層の面積が縦2.7cm×横2.2cmになるように2枚切り取った。その後、負極集電体に電解銅製の負極タブを溶接した。 Next, two negative electrodes obtained as described above were cut out so that the area of the negative electrode active material layer was 2.7 cm in length × 2.2 cm in width. Then, a negative electrode tab made of electrolytic copper was welded to the negative electrode current collector.
そして、正極と負極の活物質層がそれぞれ向かいあうように、正極の両面に負極を配置し、正極と負極との間にそれぞれセパレータを配置して発電要素を作製した。セパレータは、縦3.0cm、横2.5cm、厚さ25μm、空孔率55%の多孔質ポリプロピレンを用いた。このようにして得られた積層型の発電要素は、負極/セパレータ/正極/セパレータ/負極の各層が順番に積層されている。 Then, the negative electrodes were arranged on both sides of the positive electrode so that the active material layers of the positive electrode and the negative electrode face each other, and separators were arranged between the positive electrode and the negative electrode to prepare a power generation element. As the separator, porous polypropylene having a length of 3.0 cm, a width of 2.5 cm, a thickness of 25 μm, and a porosity of 55% was used. In the laminated power generation element thus obtained, the negative electrode / separator / positive electrode / separator / negative electrode layers are laminated in this order.
そして、得られた発電要素の両面に、アルミニウムラミネートフィルム(縦3.5cm×横3.5cm)を配置し、アルミニウムラミネートフィルムの3辺をヒートシールして発電要素をアルミニウムラミネートフィルムの外装体に収容した。 Then, aluminum laminate films (length 3.5 cm x width 3.5 cm) are arranged on both sides of the obtained power generation element, and the three sides of the aluminum laminate film are heat-sealed to use the power generation element as the outer body of the aluminum laminate film. Contained.
次に、ヒートシールされていない開封された辺から、外装体の内部に以下のようにして調整した電解液を0.8cm3注入し、開封された辺をヒートシールした。なお、本実施例の発電要素は2つのセルを有するため、1セル当たりの電解液の量は0.4cm3である。そして、電解液を電極細孔内に十分に浸透させるため、面圧が0.5Mpaとなるように、25℃で24時間加圧し続け、リチウムイオン二次電池を作製した。 Then, from the unwrapped side not heat-sealed, the electrolytic solution was prepared as follows into the package body 0.8 cm 3 injected, was heat sealed unsealed edges. Since the power generation element of this embodiment has two cells, the amount of the electrolytic solution per cell is 0.4 cm 3 . Then, in order to allow the electrolytic solution to sufficiently permeate into the electrode pores, the lithium ion secondary battery was produced by continuously pressurizing at 25 ° C. for 24 hours so that the surface pressure was 0.5 MPa.
電解液は以下のようにして調整した。まず、エチレンカーボネート(EC)30体積%とジエチルカーボネート(DEC)70体積%の混合溶媒に、1.0MのLiPF6(電解質)を溶解した。その後、得られた溶媒に、ジフルオロリン酸リチウム(LiPO2F2)を1.8質量%とメチレンメタンジスルホン酸(MMDS)1.5質量%を溶解したものを電解液として用いた。 The electrolytic solution was adjusted as follows. First, 1.0 M of LiPF 6 (electrolyte) was dissolved in a mixed solvent of 30% by volume of ethylene carbonate (EC) and 70% by volume of diethyl carbonate (DEC). Then, a solution prepared by dissolving 1.8% by mass of lithium difluorophosphate (LiPO 2 F 2 ) and 1.5% by mass of methylenemethane disulfonic acid (MMDS) in the obtained solvent was used as an electrolytic solution.
なお、上述のようにして得られた正極及び負極について、対極をリチウム金属としたハーフセルを作製して、それぞれ正極と負極の容量を測定したところ、正極の容量に対する負極の容量の比は1.2であった。なお、正極の容量に対する負極の容量の比の測定方法は後述する。 For the positive electrode and the negative electrode obtained as described above, half cells having lithium metal as the counter electrode were prepared, and the capacities of the positive electrode and the negative electrode were measured. As a result, the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode was 1. It was 2. The method for measuring the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode will be described later.
[実施例2]
負極活物質層の厚さを32.50μmとして正極の容量に対する負極の容量の比を1.3とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
[Example 2]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the negative electrode active material layer was 32.50 μm and the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode was 1.3.
[実施例3]
負極活物質層の厚さを35.00μmとして正極の容量に対する負極の容量の比を1.4とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
[Example 3]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the negative electrode active material layer was 35.00 μm and the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode was 1.4.
[実施例4]
負極活物質層の厚さを37.50μmとして正極の容量に対する負極の容量の比を1.5とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
[Example 4]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the negative electrode active material layer was 37.50 μm and the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode was 1.5.
[比較例1]
負極活物質層の厚さを27.50μmとして正極の容量に対する負極の容量の比を1.1とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
[Comparative Example 1]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the negative electrode active material layer was 27.50 μm and the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode was 1.1.
[比較例2]
負極活物質層の厚さを40.00μmとして正極の容量に対する負極の容量の比を1.6とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
[Comparative Example 2]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the negative electrode active material layer was 40.00 μm and the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode was 1.6.
[比較例3]
負極活物質層の厚さを42.50μmとして正極の容量に対する負極の容量の比を1.7とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
[Comparative Example 3]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the negative electrode active material layer was 42.50 μm and the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode was 1.7.
[比較例4]
負極活物質層の厚さを45.00μmとして正極の容量に対する負極の容量の比を1.8とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
[Comparative Example 4]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the negative electrode active material layer was 45.00 μm and the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode was 1.8.
[比較例5]
負極活物質層の厚さを47.50μmとして正極の容量に対する負極の容量の比を1.9とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
[Comparative Example 5]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the negative electrode active material layer was 47.50 μm and the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode was 1.9.
[比較例6]
負極活物質層の厚さを50.00μmとして正極の容量に対する負極の容量の比を2.0とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
[Comparative Example 6]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the negative electrode active material layer was 50.00 μm and the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode was 2.0.
[比較例7]
負極活物質層の厚さを25.00μmとして正極の容量に対する負極の容量の比を1.0とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
[Comparative Example 7]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the negative electrode active material layer was 25.00 μm and the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode was 1.0.
[評価]
(正極の容量に対する負極の容量の比)
正極の容量に対する負極の容量の比は、以下のようにして評価した。まず、ハーフセル1及びハーフセル2を以下のようにして作製した。次に、各ハーフセルの容量を以下のようにして測定した。そして、ハーフセル1の容量を正極の容量、ハーフセル2の容量を負極の容量とし、負極の容量を正極の容量で割ることにより正極の容量に対する負極の容量の比を算出した。
[evaluation]
(Ratio of negative electrode capacity to positive electrode capacity)
The ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode was evaluated as follows. First, half cell 1 and half cell 2 were produced as follows. Next, the capacity of each half cell was measured as follows. Then, the capacity of the half cell 1 was defined as the capacity of the positive electrode, the capacity of the half cell 2 was defined as the capacity of the negative electrode, and the capacity of the negative electrode was divided by the capacity of the positive electrode to calculate the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode.
(ハーフセル1の作製)
負極を金属リチウムに代えた以外は実施例1と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
(Making half cell 1)
A lithium ion secondary battery was produced by the same method as in Example 1 except that the negative electrode was replaced with metallic lithium.
(ハーフセル2の作製)
正極を金属リチウムに変えた以外は実施例1と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
(Making half cell 2)
A lithium ion secondary battery was produced by the same method as in Example 1 except that the positive electrode was changed to metallic lithium.
(容量)
室温下(25℃)で、最高電圧が4.6Vとなるまで0.1Cで定電流充電した。そして、4.6Vから最低電圧が2.0Vとなるまで1.0Cで定電流放電した時の放電容量を容量とした。
(capacity)
At room temperature (25 ° C.), constant current charging was performed at 0.1 C until the maximum voltage reached 4.6 V. Then, the discharge capacity at the time of constant current discharge at 1.0 C from 4.6 V to the minimum voltage of 2.0 V was defined as the capacity.
(終端電位)
正極終端電位及び負極終端電位は、以下のようにして求めた。まず、上述のようにして作製したハーフセル1及びハーフセル2を、室温下(25℃)で、最高電圧が4.6Vとなるまで0.1Cで定電流充電した。次に、これらのハーフセルを、4.6Vから最低電圧が2.0Vとなるまで1.0Cで定電流放電した。そして、これらのハーフセルの放電時の電位差が2.5Vとなった時のハーフセル1の電位を正極終端電位とした。同様に、これらのハーフセルの放電時の電位差が2.5Vとなった時のハーフセル2の電位を負極終端電位とした。
(Terminal potential)
The positive electrode terminal potential and the negative electrode terminal potential were obtained as follows. First, the half cell 1 and the half cell 2 produced as described above were constantly charged at room temperature (25 ° C.) at 0.1 C until the maximum voltage reached 4.6 V. Next, these half cells were discharged at a constant current of 1.0 C from 4.6 V until the minimum voltage became 2.0 V. Then, the potential of the half cell 1 when the potential difference of these half cells at the time of discharge became 2.5 V was defined as the positive electrode termination potential. Similarly, the potential of the half cell 2 when the potential difference of these half cells at the time of discharge becomes 2.5 V was defined as the negative electrode termination potential.
(正極利用率)
正極利用率は、以下のようにして求めた。まず、上述のようにして作製したハーフセル1を、室温下(25℃)で、最高電圧が4.6Vとなるまで0.1Cで定電流充電した。そして、このハーフセル1を、4.6Vから最低電圧が2.0Vとなるまで1.0Cで定電流放電した。そして、放電直前の容量を100%とし、放電直前の容量に対する正極終端電位まで放電した時の容量の百分率(%)を正極利用率とした。
(Positive electrode utilization rate)
The positive electrode utilization rate was determined as follows. First, the half cell 1 produced as described above was constantly charged at room temperature (25 ° C.) at 0.1 C until the maximum voltage reached 4.6 V. Then, the half cell 1 was discharged at a constant current of 1.0 C from 4.6 V until the minimum voltage became 2.0 V. Then, the capacity immediately before discharge was set to 100%, and the percentage (%) of the capacity when discharged to the positive electrode terminal potential with respect to the capacity immediately before discharge was set as the positive electrode utilization rate.
(負極利用率)
負極利用率は、上述のようにして測定したハーフセル2の容量をハーフセル1の容量で割ったときの百分率である。すなわち、負極利用率は、負極の容量を正極の容量で割ったときの百分率(%)である。
(Negative electrode utilization rate)
The negative electrode utilization rate is a percentage when the capacity of the half cell 2 measured as described above is divided by the capacity of the half cell 1. That is, the negative electrode utilization rate is a percentage (%) when the capacity of the negative electrode is divided by the capacity of the positive electrode.
(負極活物質層の厚さ)
負極活物質層の厚さは、上述のようにして得られた負極の厚さから負極集電体の厚さを引いて算出した。負極の厚さ及び負極集電体の厚さはシックネスゲージで測定した。0サイクル目の負極活物質層の厚さは、充放電前における負極活物質層の厚さである。100サイクル目の負極活物質層の厚さは、室温下(25℃)で、最高電圧が4.6Vとなるまで0.1Cで定電流充電した後、最低電圧が2.0Vとなるまで1.0Cで定電流放電する充放電サイクルを、100サイクル行った後の負極活物質層の厚さである。
(Thickness of negative electrode active material layer)
The thickness of the negative electrode active material layer was calculated by subtracting the thickness of the negative electrode current collector from the thickness of the negative electrode obtained as described above. The thickness of the negative electrode and the thickness of the negative electrode current collector were measured with a thickness gauge. The thickness of the negative electrode active material layer in the 0th cycle is the thickness of the negative electrode active material layer before charging / discharging. The thickness of the negative electrode active material layer in the 100th cycle is 1 at room temperature (25 ° C.) after constant current charging at 0.1 C until the maximum voltage reaches 4.6 V and then until the minimum voltage reaches 2.0 V. It is the thickness of the negative electrode active material layer after 100 cycles of charge / discharge cycles of constant current discharge at 0.0C.
(負極活物質層の膨張率)
負極活物質層の膨張率は、100サイクル目の負極活物質層の厚さを、0サイクル目の負極活物質層の厚さで割った時の百分率(%)である。
(Expansion rate of negative electrode active material layer)
The expansion rate of the negative electrode active material layer is a percentage (%) when the thickness of the negative electrode active material layer in the 100th cycle is divided by the thickness of the negative electrode active material layer in the 0th cycle.
(エネルギー密度)
エネルギー密度は、以下のようにして算出した。まず、室温下(25℃)で、最高電圧が4.6Vとなるまで0.1Cで定電流充電した。そして、4.6Vから最低電圧が2.0Vとなるまで1.0Cで定電流放電した時の放電容量を容量とした。上記のようにして測定した容量に平均電圧を乗じて、電気デバイスの外装体を含む体積で割ることにより体積エネルギー密度(Wh/L)を算出した。そして、比較例7の電気デバイスの体積エネルギー密度を100%とした時の、各実施例及び比較例の体積エネルギー密度の百分率をエネルギー密度(%)として算出した。
(Energy density)
The energy density was calculated as follows. First, at room temperature (25 ° C.), constant current charging was performed at 0.1 C until the maximum voltage reached 4.6 V. Then, the discharge capacity at the time of constant current discharge at 1.0 C from 4.6 V to the minimum voltage of 2.0 V was defined as the capacity. The volume energy density (Wh / L) was calculated by multiplying the capacity measured as described above by the average voltage and dividing by the volume including the exterior of the electric device. Then, when the volume energy density of the electric device of Comparative Example 7 was set to 100%, the percentage of the volume energy density of each Example and Comparative Example was calculated as the energy density (%).
(放電容量維持率)
放電容量維持率は、以下のようにして測定した。まず、室温下(25℃)で、最高電圧が4.6Vとなるまで0.1Cで定電流充電した後、最低電圧が2.0Vとなるまで1.0Cで定電流放電する充放電サイクルを、100サイクル行った。そして、1サイクル目と100サイクル目において、4.6Vから2.0Vまで放電した時の放電容量を測定し、100サイクル目の放電容量に対する1サイクル目の放電容量の百分率を放電容量維持率(%)とした。
(Discharge capacity retention rate)
The discharge capacity retention rate was measured as follows. First, at room temperature (25 ° C.), a charge / discharge cycle is performed in which a constant current is charged at 0.1 C until the maximum voltage reaches 4.6 V, and then a constant current discharge is performed at 1.0 C until the minimum voltage reaches 2.0 V. , 100 cycles were performed. Then, in the first cycle and the 100th cycle, the discharge capacity when discharged from 4.6V to 2.0V is measured, and the percentage of the discharge capacity in the first cycle with respect to the discharge capacity in the 100th cycle is the discharge capacity retention rate (the discharge capacity retention rate). %).
上記のようにして作製した実施例及び比較例のリチウムイオン二次電池の評価結果を表1に示す。 Table 1 shows the evaluation results of the lithium ion secondary batteries of Examples and Comparative Examples produced as described above.
表1に示すように、実施例1〜実施例4のリチウムイオン二次電池は、正極の容量に対する負極の容量の比が所定の範囲内であるため、エネルギー密度が108%以上、放電容量維持率が80%以上となり、エネルギー密度が高く、サイクル特性も優れていた。 As shown in Table 1, the lithium ion secondary batteries of Examples 1 to 4 have an energy density of 108% or more and maintain a discharge capacity because the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is within a predetermined range. The rate was 80% or more, the energy density was high, and the cycle characteristics were excellent.
一方、比較例1〜比較例7のリチウムイオン二次電池は、正極の容量に対する負極の容量の比が所定の範囲外であったため、実施例1〜実施例4と比較して、エネルギー密度及びサイクル特性が十分でなかった。 On the other hand, in the lithium ion secondary batteries of Comparative Examples 1 to 7, the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode was out of the predetermined range, so that the energy density and the energy density were compared with those of Examples 1 to 4. The cycle characteristics were not sufficient.
図2は、正極の容量に対する負極の容量の比が1.0である比較例7の正極と負極をそれぞれ用いたハーフセル1とハーフセル2の充放電曲線、並びにハーフセル1とハーフセル2の電位差を示すグラフである。図2に示すように、比較例7では、ケイ素含有合金特有の負極電位の低下により、正極の電位が高い状態で正極終端電位と負極終端電位の電位差が2.5Vとなる。このことから、正極の容量に対する負極の容量の比が1.0の場合は、固溶体リチウム含有遷移金属酸化物において利用できていない容量があることが分かる。 FIG. 2 shows the charge / discharge curves of the half cell 1 and the half cell 2 using the positive electrode and the negative electrode of Comparative Example 7 in which the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is 1.0, and the potential difference between the half cell 1 and the half cell 2. It is a graph. As shown in FIG. 2, in Comparative Example 7, the potential difference between the positive electrode terminal potential and the negative electrode terminal potential becomes 2.5 V in a state where the positive electrode potential is high due to the decrease in the negative electrode potential peculiar to the silicon-containing alloy. From this, it can be seen that when the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is 1.0, there is a capacity that cannot be used in the solid solution lithium-containing transition metal oxide.
図3は、正極の容量に対する負極の容量の比を変化させた場合の充放電曲線を示すグラフである。図中、容量比1.0〜1.5は、それぞれ比較例7及び実施例1〜4で用いた負極に相当する。図3で示すように、正極の容量に対する負極の容量の比を大きくしていくと、負極の電位が下がりにくくなるため、正極終端電位が低くなり、正極利用率が向上することが分かる。 FIG. 3 is a graph showing a charge / discharge curve when the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is changed. In the figure, the volume ratios of 1.0 to 1.5 correspond to the negative electrodes used in Comparative Examples 7 and Examples 1 to 4, respectively. As shown in FIG. 3, it can be seen that when the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is increased, the potential of the negative electrode is less likely to decrease, so that the terminal potential of the positive electrode is lowered and the utilization rate of the positive electrode is improved.
図4は、図3で示したハーフセル1とハーフセル2の電位差を示すグラフである。図4のグラフより、正極の容量に対する負極の容量の比を大きくするに従い、リチウムイオン二次電池の容量が向上していることが分かる。 FIG. 4 is a graph showing the potential difference between the half cell 1 and the half cell 2 shown in FIG. From the graph of FIG. 4, it can be seen that the capacity of the lithium ion secondary battery is improved as the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is increased.
一方、表1及び図5に示すように、正極の容量に対する負極の容量の比を大きくした場合、負極活物質層の目付量が増加するため、負極活物質層の0サイクル目の厚さが厚くなってしまう。そして、正極の容量に対する負極の容量の比を大きくすると、負極活物質層の膨張率が低下する。したがって、正極の容量に対する負極の容量の比を大きくするに従って、充放電反応に利用されない負極活物質の割合が増加することが分かる。 On the other hand, as shown in Table 1 and FIG. 5, when the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is increased, the amount of the negative electrode active material layer is increased, so that the thickness of the negative electrode active material layer at the 0th cycle is increased. It gets thicker. Then, when the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is increased, the expansion coefficient of the negative electrode active material layer decreases. Therefore, it can be seen that as the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is increased, the ratio of the negative electrode active material not used in the charge / discharge reaction increases.
すなわち、表1及び図6に示すように、正極の容量に対する負極の容量の比を大きくすると、正極利用率が増加し、金属リチウムの析出が少なくなる一方、負極利用率が低下する傾向にある。 That is, as shown in Table 1 and FIG. 6, when the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is increased, the positive electrode utilization rate tends to increase, the precipitation of metallic lithium decreases, and the negative electrode utilization rate tends to decrease. ..
しかしながら、図7及び図8に示すように、実施例1〜実施例4のリチウムイオン二次電池は、正極の容量に対する負極の容量の比が所定の範囲内である。そのため、実施例1〜実施例4のリチウムイオン二次電池は、比較例1〜比較例7のリチウムイオン二次電池と比較し、エネルギー密度が高く、サイクル特性が優れている。 However, as shown in FIGS. 7 and 8, in the lithium ion secondary batteries of Examples 1 to 4, the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is within a predetermined range. Therefore, the lithium ion secondary batteries of Examples 1 to 4 have a higher energy density and excellent cycle characteristics than the lithium ion secondary batteries of Comparative Examples 1 to 7.
以上、本発明を実施例及び比較例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。 Although the present invention has been described above with reference to Examples and Comparative Examples, the present invention is not limited thereto, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention.
10 正極
11 正極集電体
12 正極活物質層
20 負極
21 負極集電体
22 負極活物質層
30 セパレータ
100 電気デバイス
10
Claims (4)
負極集電体と、前記負極集電体の表面に配置された負極活物質層と、を含む負極と、
前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータと、を備え、
前記正極活物質層は80質量%〜98質量%の正極活物質を含有し、
前記正極活物質は化学式Li1.5[NiaCobMnc[Li]d]Ozで表される固溶体リチウム含有遷移金属酸化物を含み、前記化学式中、a,b,c及びdは、a+b+c+d=1.5、1.1≦a+b+c≦1.4、0.1≦d≦0.4の関係を満たし、zは原子価を満足する酸素数であり、
前記負極活物質層は40質量%〜98質量%の負極活物質を含有し、
前記負極活物質は、20質量%以上のケイ素を含有するケイ素含有合金を含み、
前記正極の容量に対する前記負極の容量の比が1.1超1.6未満であり、
前記正極の容量及び前記負極の容量は、25℃で最高電圧が4.6Vとなるまで0.1Cで定電流充電し、4.6Vから最低電圧が2.0Vとなるまで1.0Cで定電流放電した時の放電容量である電気デバイス。 A positive electrode including a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer arranged on the surface of the positive electrode current collector.
A negative electrode including a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer arranged on the surface of the negative electrode current collector.
A separator arranged between the positive electrode and the negative electrode is provided.
The positive electrode active material layer contains 80% by mass to 98% by mass of the positive electrode active material.
Wherein comprises a positive electrode active material has the formula Li 1.5 [Ni a Co b Mn c [Li] d] O z solid solution lithium-containing transition metal oxide represented by in Formula, a, b, c and d are , A + b + c + d = 1.5, 1.1 ≦ a + b + c ≦ 1.4, 0.1 ≦ d ≦ 0.4, and z is the number of oxygen satisfying the valence.
The negative electrode active material layer contains 40% by mass to 98% by mass of the negative electrode active material.
The negative electrode active material contains a silicon-containing alloy containing 20% by mass or more of silicon, and contains a silicon-containing alloy.
Wherein the ratio of the capacitance of the negative electrode with respect to the capacity of the positive electrode 1.1 Ri der and less than 1.6,
The capacity of the positive electrode and the capacity of the negative electrode are constantly charged at 0.1 C until the maximum voltage reaches 4.6 V at 25 ° C., and fixed at 1.0 C from 4.6 V until the minimum voltage reaches 2.0 V. discharge capacity der Ru electrical device at the time of the current discharge.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017085159A JP6939045B2 (en) | 2017-04-24 | 2017-04-24 | Electrical device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017085159A JP6939045B2 (en) | 2017-04-24 | 2017-04-24 | Electrical device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2018185890A JP2018185890A (en) | 2018-11-22 |
| JP6939045B2 true JP6939045B2 (en) | 2021-09-22 |
Family
ID=64356188
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2017085159A Active JP6939045B2 (en) | 2017-04-24 | 2017-04-24 | Electrical device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6939045B2 (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2024520547A (en) * | 2021-10-05 | 2024-05-24 | エルジー エナジー ソリューション リミテッド | Lithium secondary battery |
| CN115810797A (en) * | 2021-11-15 | 2023-03-17 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | Lithium ion battery, battery module, battery pack and electric device |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6035689B2 (en) * | 2012-08-02 | 2016-12-07 | 日産自動車株式会社 | Method for producing non-aqueous organic electrolyte secondary battery |
| KR20170084307A (en) * | 2014-12-17 | 2017-07-19 | 닛산 지도우샤 가부시키가이샤 | Electrical device |
-
2017
- 2017-04-24 JP JP2017085159A patent/JP6939045B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2018185890A (en) | 2018-11-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5175826B2 (en) | Active material particles and use thereof | |
| CN101436659B (en) | Positive electrode for lithium-ion secondary battery, manufacturing method thereof, and lithium-ion secondary battery | |
| US8178238B2 (en) | Positive-electrode active material for lithium-ion secondary battery, positive electrode, manufacturing method thereof, and lithium-ion secondary battery | |
| CN111758176B (en) | Pre-doping method of negative electrode active material, method of manufacturing negative electrode, and method of manufacturing electric storage device | |
| US20130004847A1 (en) | High energy lithium ion batteries with particular negative electrode compositions | |
| JP5704986B2 (en) | Positive electrode material for non-aqueous electrolyte secondary battery and non-aqueous electrolyte secondary battery | |
| WO2011036759A1 (en) | Lithium secondary battery and process for producing same | |
| JP2009043477A (en) | Positive electrode active material, positive electrode and non-aqueous electrolyte battery using the same | |
| JP7140125B2 (en) | Negative electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery including the same | |
| CN105308777B (en) | Negative electrode active material for electrical and use its electrical equipment | |
| CN111758179A (en) | Positive electrode, electrode group and non-aqueous electrolyte battery | |
| JP5831769B2 (en) | Lithium ion secondary battery and manufacturing method thereof | |
| CN107112518B (en) | Negative electrode active material for electrical equipment and electrical equipment using the same | |
| KR101859347B1 (en) | Negative-electrode active material for lithium ion secondary battery, negative-electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery | |
| US20230137413A1 (en) | Lithium secondary battery and method for using same | |
| JP6897228B2 (en) | Active material, electrodes and lithium-ion secondary battery | |
| JP6969085B2 (en) | Non-aqueous electrolyte secondary battery | |
| JP2017091821A (en) | Cathode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery and method for producing the same | |
| JP7003775B2 (en) | Lithium ion secondary battery | |
| JP6939045B2 (en) | Electrical device | |
| DE102021132903A1 (en) | PRELITHIATED SILICON PARTICLES AND PROCESS FOR THEIR PRODUCTION | |
| JP6488689B2 (en) | Negative electrode active material for electric device and electric device using the same | |
| JP6972671B2 (en) | Negative negative for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery | |
| WO2023053591A1 (en) | Electrode for secondary batteries, method for producing electrode for secondary batteries, and secondary battery | |
| JP6485028B2 (en) | Negative electrode active material for electric device and electric device using the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20200210 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20201222 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20210105 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20210308 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20210803 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20210816 |
|
| R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 6939045 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |