JP7745587B2 - Anode material, anode of secondary battery using said anode material, and method of manufacturing the same - Google Patents
Anode material, anode of secondary battery using said anode material, and method of manufacturing the sameInfo
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Description
本発明は、負極材料に関する。本発明はまた、当該負極材料を用いた二次電池の負極に関する。本発明はさらに、当該二次電池の負極の製造方法に関する。 The present invention relates to a negative electrode material. The present invention also relates to a negative electrode of a secondary battery using the negative electrode material. The present invention further relates to a method for manufacturing the negative electrode of the secondary battery.
近年、二次電池は、パソコン、携帯端末等のポータブル電源や、電気自動車(BEV)、ハイブリッド自動車(HEV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)等の車両駆動用電源などに好適に用いられている。 In recent years, secondary batteries have been used favorably as portable power sources for personal computers, mobile devices, etc., and as power sources for vehicles such as electric vehicles (BEVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs).
車両駆動用電源用途、特にBEVの駆動用電源用途においては、車両の航続距離延長の観点から、二次電池は、さらなる高容量化が望まれている。容量が高い負極活物質として、Si含有粒子が知られており、Si含有粒子によれば二次電池を高容量化できることが知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1には、負極活物質として、Si含有粒子と、天然黒鉛などの黒鉛粒子とを併用する技術が開示されている。 When used as a power source for driving vehicles, particularly BEVs, secondary batteries are desired to have even higher capacities in order to extend the vehicle's driving range. Si-containing particles are known as a high-capacity negative electrode active material, and it is known that Si-containing particles can increase the capacity of secondary batteries (see, for example, Patent Document 1). Patent Document 1 discloses a technology that uses a combination of Si-containing particles and graphite particles such as natural graphite as a negative electrode active material.
しかしながら、Si含有粒子は、容量が高い一方で、二次電池を充放電した際の膨張/収縮による体積変化が大きい。このため、Si含有粒子と黒鉛粒子とを併用する場合、特にSi含有粒子の割合が大きいと、二次電池に充放電を繰り返した際にこれら粒子の充填性が低下して、導電パス切れ、内部ストレスの発生等が起こり得る。そのため、Si含有粒子と黒鉛粒子とを併用する場合には、二次電池のサイクル特性が低下するという問題、具体的には、二次電池に充放電を繰り返した際の容量劣化が大きいという問題がある。 However, while Si-containing particles have a high capacity, they also undergo large volume changes due to expansion and contraction when the secondary battery is charged and discharged. Therefore, when Si-containing particles and graphite particles are used together, particularly when the proportion of Si-containing particles is high, the packing ability of these particles decreases when the secondary battery is repeatedly charged and discharged, which can lead to conductive path breakage, internal stress, and other problems. Therefore, when Si-containing particles and graphite particles are used together, the cycle characteristics of the secondary battery decrease; specifically, there is a problem of significant capacity degradation when the secondary battery is repeatedly charged and discharged.
上記事情に鑑み、本発明は、Si含有粒子と黒鉛粒子とを含有する負極材料であって、二次電池に充放電を繰り返した際の容量劣化を抑制可能な負極材料を提供することを目的とする。 In light of the above circumstances, the present invention aims to provide an anode material containing Si-containing particles and graphite particles that can suppress capacity degradation during repeated charging and discharging of a secondary battery.
ここに開示される負極材料は、Si含有粒子と、黒鉛粒子と、を含有する。前記Si含有粒子の平均粒子径(D50)に対する前記黒鉛粒子の平均粒子径(D50)の比は、1~8である。前記Si含有粒子と前記黒鉛粒子の合計に対する前記Si含有粒子の質量割合は、10質量%~60質量%である。前記Si含有粒子1gを、25℃、60MPaで一軸方向に加圧して直径20mmのタブレット状に成形した場合に、得られる成形体の密度は、0.9g/cm3以上である。 The negative electrode material disclosed herein contains Si-containing particles and graphite particles. The ratio of the average particle size (D50) of the graphite particles to the average particle size (D50) of the Si-containing particles is 1 to 8. The mass ratio of the Si-containing particles to the total of the Si-containing particles and the graphite particles is 10% by mass to 60% by mass. When 1 g of the Si-containing particles is uniaxially pressed at 25°C and 60 MPa to form a tablet having a diameter of 20 mm, the density of the resulting compact is 0.9 g/ cm3 or more.
このような構成によれば、Si含有粒子と黒鉛粒子とを含有する負極材料であって、二次電池に充放電を繰り返した際の容量劣化を抑制可能な負極材料を提供することができる。 This configuration makes it possible to provide a negative electrode material containing Si-containing particles and graphite particles, which can suppress capacity degradation when a secondary battery is repeatedly charged and discharged.
別の側面から、ここに開示される二次電池の負極は、負極集電体と、前記負極集電体に支持された負極活物質層と、を備える。前記負極活物質層は、上記の負極材料を含有する。 From another aspect, the negative electrode of the secondary battery disclosed herein comprises a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer supported on the negative electrode current collector. The negative electrode active material layer contains the above-mentioned negative electrode material.
このような構成の負極によれば、二次電池に充放電を繰り返した際の優れた容量劣化耐性を付与することができる。 A negative electrode with this configuration can provide the secondary battery with excellent resistance to capacity degradation during repeated charge and discharge.
別の側面から、ここに開示される二次電池の負極の製造方法は、負極集電体に、上記の負極材料を含有する負極ペーストを塗工する工程と、前記塗工された負極ペーストを乾燥して、負極活物質層を形成する工程と、前記負極活物質層をプレスする工程と、を備える。 From another aspect, the method for manufacturing a negative electrode of a secondary battery disclosed herein includes the steps of applying a negative electrode paste containing the above-described negative electrode material to a negative electrode current collector, drying the applied negative electrode paste to form a negative electrode active material layer, and pressing the negative electrode active material layer.
このような構成によって得られる負極によれば、二次電池に充放電を繰り返した際の優れた容量劣化耐性を付与することができる。 A negative electrode obtained with this configuration can provide the secondary battery with excellent resistance to capacity degradation during repeated charge and discharge.
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態を説明する。なお、本明細書において言及していない事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。なお、本明細書において「A~B」として表現される数値範囲には、AおよびBが含まれる。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Matters not mentioned in this specification but necessary for implementing the present invention can be understood as design matters for those skilled in the art based on the prior art in the relevant field. The present invention can be implemented based on the contents disclosed in this specification and the common technical knowledge in the relevant field. Furthermore, in the following drawings, components and parts that perform the same function are denoted by the same reference numerals. Furthermore, the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each figure do not reflect the actual dimensional relationships. Note that in this specification, numerical ranges expressed as "A to B" include A and B.
なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイスを指す。また、本明細書において「リチウムイオン二次電池」とは、電荷担体としてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池を指す。 In this specification, the term "secondary battery" refers to an electricity storage device that can be repeatedly charged and discharged. Furthermore, in this specification, the term "lithium ion secondary battery" refers to a secondary battery that uses lithium ions as charge carriers and achieves charging and discharging through the transfer of charge associated with the lithium ions between the positive and negative electrodes.
本実施形態に係る負極材料は、Si含有粒子と、黒鉛粒子と、を含有する。当該Si含有粒子の平均粒子径D50に対する当該黒鉛粒子の平均粒子径D50の比は、1~8である。当該Si含有粒子と当該黒鉛粒子の合計に対する当該Si含有粒子の質量割合は、10質量%~60質量%である。当該Si含有粒子1gを、25℃、60MPaで一軸方向に加圧して直径20mmのタブレット状に成形した場合に、得られる成形体の密度が、0.9g/cm3以上である。 The negative electrode material according to this embodiment contains Si-containing particles and graphite particles. The ratio of the average particle diameter D50 of the graphite particles to the average particle diameter D50 of the Si-containing particles is 1 to 8. The mass ratio of the Si-containing particles to the total of the Si-containing particles and the graphite particles is 10% by mass to 60% by mass. When 1 g of the Si-containing particles is uniaxially pressed at 25°C and 60 MPa to form a tablet having a diameter of 20 mm, the density of the resulting compact is 0.9 g/ cm3 or more.
図1は、本実施形態に係る負極材料の一例が負極に用いられている場合を、模式的に示す図である。図1に示す例では、負極材料10は、黒鉛粒子12とSi含有粒子14とを含んでいる。図1に示す例では黒鉛粒子12とSi含有粒子14とは混合されている。負極材料10は、負極集電体62上に充填されて配置されている。 Figure 1 is a schematic diagram showing an example of the negative electrode material according to this embodiment used in a negative electrode. In the example shown in Figure 1, the negative electrode material 10 contains graphite particles 12 and Si-containing particles 14. In the example shown in Figure 1, the graphite particles 12 and the Si-containing particles 14 are mixed together. The negative electrode material 10 is filled and disposed on the negative electrode current collector 62.
黒鉛粒子12を構成する黒鉛は、天然黒鉛であっても人造黒鉛であってもよく、黒鉛が非晶質な炭素材料で被覆された形態の非晶質炭素被覆黒鉛であってもよい。 The graphite that makes up the graphite particles 12 may be natural graphite or artificial graphite, or it may be amorphous carbon-coated graphite, in which graphite is coated with an amorphous carbon material.
図1に示す例では、Si含有粒子14としては、Si-C複合材料の粒子が用いられている。Si含有粒子14は、炭素ドメイン14aと、Si含有ドメイン14bとを有している。複数のSi含有ドメイン14bが炭素ドメイン14a中に分散しており、よって、炭素ドメイン14aは、マトリックスを構成している。 In the example shown in Figure 1, particles of Si-C composite material are used as the Si-containing particles 14. The Si-containing particles 14 have carbon domains 14a and Si-containing domains 14b. Multiple Si-containing domains 14b are dispersed within the carbon domains 14a, and therefore the carbon domains 14a form a matrix.
炭素ドメイン14aは、例えば、炭素前駆体(例、石油ピッチ、石炭ピッチ、フェノール樹脂など)の炭素化物;黒鉛などである。 The carbon domain 14a is, for example, a carbonized product of a carbon precursor (e.g., petroleum pitch, coal pitch, phenolic resin, etc.); graphite, etc.
Si含有ドメイン14bは、Siを含み、例えば、Si、Si酸化物(SiOx)、Si窒化物(SiNx)、Si炭化物(SiCx)等から構成されている。Si含有ドメイン14bは、好ましくは、Si、およびSi酸化物(SiOx)の少なくともいずれかから構成される。Si含有ドメイン14bは、微粒子であってよい。なお、Si含有粒子14中のSi含有ドメイン14bの数は、図示されたものに限られない。 The Si-containing domains 14b contain Si and are composed of, for example, Si, Si oxide (SiO x ), Si nitride (SiN x ), Si carbide (SiC x ), etc. The Si-containing domains 14b are preferably composed of at least one of Si and Si oxide (SiO x ). The Si-containing domains 14b may be fine particles. The number of Si-containing domains 14b in the Si-containing particle 14 is not limited to that shown in the figure.
Si含有ドメイン14bの平均粒子径は、例えば、50nm以下であり、5nm~50nmであってよい。なお、「Si含有ドメイン14bの平均粒子径」は、以下のようにして求めることができる。まず、負極材料10の走査透過型電子顕微鏡(STEM)観察用の試料を作製する。例えば、負極材料10を含む負極活物質層を、FIB(集束イオンビーム)加工して、STEM観察用の試料を作製する。そして、当該試料をEDX元素マッピングにより元素分析した後、BF像(明視野像)およびHAADF像(高角散乱環状暗視野像)を取得する。BF像およびHAADF像により得られるコントラストおよび形状からSi含有ドメイン14bの直径を求めることができる。任意に選ばれる10個以上のSi含有ドメイン14bの直径を求め、その平均値をここでの「Si含有ドメイン14bの平均粒子径」とする。 The average particle diameter of the Si-containing domains 14b is, for example, 50 nm or less, and may be 5 nm to 50 nm. The "average particle diameter of the Si-containing domains 14b" can be determined as follows. First, a sample of the negative electrode material 10 for observation with a scanning transmission electron microscope (STEM) is prepared. For example, a negative electrode active material layer containing the negative electrode material 10 is processed with a focused ion beam (FIB) to prepare a sample for STEM observation. The sample is then subjected to elemental analysis using EDX element mapping, after which a BF image (bright-field image) and a HAADF image (high-angle annular dark-field image) are obtained. The diameter of the Si-containing domains 14b can be determined from the contrast and shape obtained from the BF image and the HAADF image. The diameters of 10 or more arbitrarily selected Si-containing domains 14b are determined, and the average value is defined as the "average particle diameter of the Si-containing domains 14b" herein.
Si含有粒子14中のSi含有量は特に限定されない。二次電池のより高い容量の観点から、Si含有粒子14中のSi含有量は、好ましくは20質量%以上であり、より好ましくは30質量%以上であり、さらに好ましくは40質量%以上である。Si含有粒子14の過度の体積変化の抑制の観点から、Si含有粒子14中のSi含有量は、好ましくは60質量%以下であり、より好ましくは50質量%以下である。また、Si含有粒子14中の酸素(O)含有量は特に限定されないが、好ましくは10質量%以下である。なお、Si含有粒子14中のSi含有量およびO含有量は、高周波誘導結合プラズマ(ICP)発光分光法に基づく分析により、求めることができる。 The Si content in the Si-containing particles 14 is not particularly limited. From the viewpoint of achieving a higher capacity secondary battery, the Si content in the Si-containing particles 14 is preferably 20% by mass or more, more preferably 30% by mass or more, and even more preferably 40% by mass or more. From the viewpoint of suppressing excessive volume change in the Si-containing particles 14, the Si content in the Si-containing particles 14 is preferably 60% by mass or less, more preferably 50% by mass or less. Furthermore, the oxygen (O) content in the Si-containing particles 14 is not particularly limited, but is preferably 10% by mass or less. The Si content and O content in the Si-containing particles 14 can be determined by analysis based on high-frequency inductively coupled plasma (ICP) optical emission spectroscopy.
Si含有粒子14は、例えば、炭素材料の内部にSiを含む微粒子が分散したもの;球状に造粒された多孔質黒鉛の空孔内に、Siを含む微粒子が入り込んだもの;などである。 The Si-containing particles 14 are, for example, particles containing Si dispersed inside a carbon material; particles containing Si embedded in the pores of spherically granulated porous graphite; etc.
Si含有粒子14は、公知方法に従って得ることができる。例えば、Si、Si酸化物等の微粒子と、上記炭素前駆体を混合後、炭素化し、球状化処理して得ることができる。あるいは、球状に造粒された多孔質黒鉛と、Si、Si酸化物等の微粒子を分散媒中で混合し、乾燥して、多孔質黒鉛の空孔内に微粒子を配置して得ることができる。 Si-containing particles 14 can be obtained according to known methods. For example, they can be obtained by mixing fine particles of Si, Si oxide, etc. with the carbon precursor described above, followed by carbonization and spheroidization. Alternatively, they can be obtained by mixing spherically granulated porous graphite with fine particles of Si, Si oxide, etc. in a dispersion medium, drying, and disposing the fine particles in the pores of the porous graphite.
しかしながら、Si含有粒子14は、図示されたものに限られない。Si含有粒子は、炭素粒子の表面にSiを含む微粒子が付着したもの;Siを含む粒子の表面に炭素微粒子が付着したもの等であってもよい。図示例のように、Si-C複合材料において、炭素ドメイン14aがマトリックスとなり、複数のSi含有ドメイン14bが炭素ドメイン14a中に分散している場合には、炭素ドメイン14aが、Si含有ドメイン14bの膨張/収縮による体積変化を緩和できるため、有利である。また、Si含有粒子は、炭素以外の元素と複合化されたものであってもよいし、他の元素と複合化されていない、金属Si粒子、Si酸化物粒子等であってもよい。 However, the Si-containing particles 14 are not limited to those shown in the figure. The Si-containing particles may be carbon particles with Si-containing microparticles attached to the surface; Si-containing particles with carbon microparticles attached to the surface, etc. In a Si-C composite material, as in the example shown, carbon domains 14a form the matrix and multiple Si-containing domains 14b are dispersed within the carbon domains 14a, which is advantageous because the carbon domains 14a can mitigate volume changes due to the expansion/contraction of the Si-containing domains 14b. Furthermore, the Si-containing particles may be composited with elements other than carbon, or may be metal Si particles, Si oxide particles, etc. that are not composited with other elements.
本実施形態においては、1gのSi含有粒子14を、25℃、60MPaで一軸方向に加圧して直径20mmのタブレット状に成形した場合に、得られる成形体の密度が、0.9g/cm3以上である。この成形体の密度の値が大きいほど、粒子の充填性が高いことを意味する。従来使用されているSi含有粒子1gを、同様に成形した場合には、通常、成形体の密度は、0.9/cm3未満となる。したがって、本実施形態では、従来使用されているSi含有粒子よりも、充填性が高められたSi含有粒子14を用いる。このような充填性が高められたSi含有粒子14を、黒鉛粒子12と共に特定の含有割合で使用し、Si含有粒子14と黒鉛粒子12との平均粒子径(D50)の比を特定範囲に制御することにより、二次電池に充放電を繰り返した際の容量劣化を抑制することができる。 In this embodiment, when 1 g of Si-containing particles 14 is uniaxially pressed at 25°C under 60 MPa to form a tablet having a diameter of 20 mm, the density of the resulting compact is 0.9 g/ cm³ or more. The higher the density value of this compact, the higher the particle packing. When 1 g of conventionally used Si-containing particles is similarly molded, the density of the compact is usually less than 0.9 g/ cm³ . Therefore, in this embodiment, Si-containing particles 14 having a packing property higher than that of conventionally used Si-containing particles are used. By using such Si-containing particles 14 having a packing property higher than that of conventionally used Si-containing particles in a specific content ratio together with graphite particles 12 and controlling the ratio of the average particle diameters (D50) of the Si-containing particles 14 and the graphite particles 12 within a specific range, it is possible to suppress capacity degradation during repeated charge and discharge of the secondary battery.
当該成形体の密度は、好ましくは0.95g/cm3以上であり、より好ましくは1.0g/cm3以上である。一方、成形体の密度の上限は、2.3g/cm3以下、2.0g/cm3以下、1.8g/cm3以下、または1.5g/cm3以下であってよい。 The density of the molded body is preferably 0.95 g/cm or more , more preferably 1.0 g/cm or more . On the other hand, the upper limit of the density of the molded body may be 2.3 g/cm or less, 2.0 g/cm or less, 1.8 g/cm or less , or 1.5 g/cm or less .
なお、当該成形体の密度は、25℃の温度環境下で、直径20mmの型に、Si含有粒子14を1g測り取り、そこへ、一軸方向(すなわち、径方向とは垂直な方向)にプレス圧を60MPaになるまで印加してタブレット状の成形体を得、この成形体のかさ密度を測定することで、求めることができる。成形体の密度は、例えば、自動粉体抵抗測定システム(例、日東精工アナリテック社製「MCP-PD600」)と、直径20mmのプローブ(型に相当)を用いることにより、容易に測定することができる。 The density of the compact can be determined by weighing out 1 g of Si-containing particles 14 into a 20 mm diameter mold in a 25°C environment, applying a pressure of 60 MPa in one axial direction (i.e., perpendicular to the radial direction) to obtain a tablet-shaped compact, and measuring the bulk density of this compact. The density of the compact can be easily measured, for example, using an automatic powder resistivity measurement system (e.g., the "MCP-PD600" manufactured by Nitto Seiko Analytech Co., Ltd.) and a 20 mm diameter probe (equivalent to the mold).
なお、成形体の密度は、Si含有粒子14の円形度に影響を受ける。Si含有粒子14の円形度を高くすると、成形体の密度が大きくなる傾向がある。よって、Si含有粒子14の円形度を、0.85~1(特に0.90~1)にすると、成形体の密度が0.9g/cm3以上になりやすい。なお、本明細書において「円形度」とは、粒子投影像の周長に対する、粒子の投影面積と同じ面積を有する真円の周長の比を指す(すなわち、円形度=粒子の投影面積と同じ面積を有する真円の周長/粒子投影像の周長)。よって、円形度が1に近いほど、粒子投影像が真円に近いことを意味し、粒子は真球に近くなる。円形度は、例えば、市販の静的自動画像分析装置を用いて、100個以上の粒子に対して円形度を求め、その平均値を算出することにより、求めることができる。 The density of the compact is affected by the circularity of the Si-containing particles 14. Increasing the circularity of the Si-containing particles 14 tends to increase the density of the compact. Therefore, when the circularity of the Si-containing particles 14 is set to 0.85 to 1 (particularly 0.90 to 1), the density of the compact is likely to be 0.9 g/cm 3 or higher. In this specification, "circularity" refers to the ratio of the perimeter of a perfect circle having the same area as the projected area of the particle to the perimeter of the projected image of the particle (i.e., circularity = perimeter of a perfect circle having the same area as the projected area of the particle / perimeter of the projected image of the particle). Therefore, the closer the circularity is to 1, the closer the projected image of the particle is to a perfect circle, and the closer the particle is to a perfect sphere. The circularity can be determined, for example, by measuring the circularity of 100 or more particles using a commercially available static automatic image analyzer and calculating the average value.
さらに、Si含有粒子14の粒子径も、成形体の密度に影響を与える。Si含有粒子14の平均粒子径を、2μm~10μm(特に、5μm~10μm)にすると、成形体の密度が0.9g/cm3以上になりやすい。Si含有粒子14の真密度も、成形体の密度に影響を与える。よって、Si含有粒子14の組成(構成元素の含有割合)を調整することで、成形体の密度を微調整することができる。 Furthermore, the particle size of the Si-containing particles 14 also affects the density of the compact. When the average particle size of the Si-containing particles 14 is set to 2 μm to 10 μm (particularly, 5 μm to 10 μm), the density of the compact is likely to be 0.9 g/cm 3 or higher. The true density of the Si-containing particles 14 also affects the density of the compact. Therefore, by adjusting the composition of the Si-containing particles 14 (the content ratio of the constituent elements), the density of the compact can be finely adjusted.
黒鉛粒子12の円形度は、特に限定されない。黒鉛粒子12としては、球状化黒鉛粒子が好ましく、よって、黒鉛粒子12の円形度は、好ましくは0.85~1であり、より好ましくは0.88~1であり、さらに好ましくは0.90~1である。 The circularity of the graphite particles 12 is not particularly limited. Spheroidized graphite particles are preferred as the graphite particles 12, and therefore the circularity of the graphite particles 12 is preferably 0.85 to 1, more preferably 0.88 to 1, and even more preferably 0.90 to 1.
Si含有粒子14の平均粒子径(D50)に対する黒鉛粒子12の平均粒子径(D50)の比(黒鉛含有粒子のD50/Si含有粒子のD50)は、1~8である。当該比(黒鉛含有粒子のD50/Si含有粒子のD50)が1未満だと、二次電池の充放電時のSi含有粒子14の膨張/収縮によって充填性が低下して、二次電池のサイクル特性向上効果が得られなくなる。一方、当該比(黒鉛含有粒子のD50/Si含有粒子のD50)が8を超えると、黒鉛粒子12の分散性が低下して、Si含有粒子14の凝集が発生し、これにより充填性が低下する。その結果、二次電池のサイクル特性向上効果が得られなくなる。当該比(黒鉛含有粒子のD50/Si含有粒子のD50)は、好ましくは1.0~5.0であり、より好ましくは1.2~3.0であり、さらに好ましくは1.4~2.5である。 The ratio of the average particle diameter (D50) of the graphite particles 12 to the average particle diameter (D50) of the Si-containing particles 14 (D50 of graphite-containing particles/D50 of Si-containing particles) is 1 to 8. If this ratio (D50 of graphite-containing particles/D50 of Si-containing particles) is less than 1, the packing strength decreases due to the expansion/contraction of the Si-containing particles 14 during charging/discharging of the secondary battery, and the effect of improving the cycle characteristics of the secondary battery cannot be obtained. On the other hand, if this ratio (D50 of graphite-containing particles/D50 of Si-containing particles) exceeds 8, the dispersibility of the graphite particles 12 decreases, causing aggregation of the Si-containing particles 14, which decreases the packing strength. As a result, the effect of improving the cycle characteristics of the secondary battery cannot be obtained. The ratio (D50 of graphite-containing particles/D50 of Si-containing particles) is preferably 1.0 to 5.0, more preferably 1.2 to 3.0, and even more preferably 1.4 to 2.5.
なお、本明細書において「平均粒子径(D50)」とは、メジアン径(D50)を指し、レーザ回折・散乱法に基づく体積基準の粒度分布において、粒径が小さい微粒子側からの累積頻度50体積%に相当する粒径のことをいう。平均粒子径(D50)は、市販のレーザ回折・散乱式の粒度分布測定装置等を用いて求めることができる。 In this specification, "average particle size (D50)" refers to the median size (D50), which is the particle size corresponding to a cumulative frequency of 50 volume percent from the smallest particle size side in a volume-based particle size distribution based on a laser diffraction/scattering method. The average particle size (D50) can be determined using a commercially available laser diffraction/scattering particle size distribution measuring device, etc.
黒鉛粒子12の平均粒子径(D50)は、上記比(黒鉛含有粒子のD50/Si含有粒子のD50)が、1~8である限り、特に限定されない。黒鉛粒子12の平均粒子径(D50)は、好ましくは5μm~25μmであり、より好ましくは10μm~23μmであり、さらに好ましくは12μm~20μmである。 The average particle diameter (D50) of the graphite particles 12 is not particularly limited as long as the above ratio (D50 of graphite-containing particles/D50 of Si-containing particles) is between 1 and 8. The average particle diameter (D50) of the graphite particles 12 is preferably between 5 μm and 25 μm, more preferably between 10 μm and 23 μm, and even more preferably between 12 μm and 20 μm.
Si含有粒子14の平均粒子径(D50)は、上記比(黒鉛含有粒子のD50/Si含有粒子のD50)が、1~8である限り、特に限定されない。Si含有粒子14の平均粒子径(D50)は、好ましくは2μm~10μmであり、より好ましくは4μm~10μmであり、さらに好ましくは6μm~9μmである。 The average particle diameter (D50) of the Si-containing particles 14 is not particularly limited as long as the above ratio (D50 of graphite-containing particles/D50 of Si-containing particles) is between 1 and 8. The average particle diameter (D50) of the Si-containing particles 14 is preferably between 2 μm and 10 μm, more preferably between 4 μm and 10 μm, and even more preferably between 6 μm and 9 μm.
Si含有粒子14と黒鉛粒子12の合計に対するSi含有粒子14の質量割合は、10質量%~60質量%である。Si含有粒子14の質量割合が10質量%未満だと、二次電池の高容量化が不十分となる。Si含有粒子14の質量割合が60質量%を超えると、Si含有粒子14の体積変化の影響が大きくなって、二次電池に充放電を繰り返した際の容量劣化抑制効果が不十分となる。Si含有粒子14の質量割合は、好ましくは15質量%~55質量%であり、より好ましくは20質量%~50質量%である。 The mass ratio of the Si-containing particles 14 to the total of the Si-containing particles 14 and the graphite particles 12 is 10% to 60% by mass. If the mass ratio of the Si-containing particles 14 is less than 10% by mass, the capacity of the secondary battery will not be sufficiently increased. If the mass ratio of the Si-containing particles 14 exceeds 60% by mass, the effect of volume change of the Si-containing particles 14 will be greater, and the effect of suppressing capacity degradation when the secondary battery is repeatedly charged and discharged will be insufficient. The mass ratio of the Si-containing particles 14 is preferably 15% to 55% by mass, and more preferably 20% to 50% by mass.
負極材料10は、公知方法に従い、Si含有粒子14と黒鉛粒子12とを混合することによって得ることができる。 The negative electrode material 10 can be obtained by mixing Si-containing particles 14 and graphite particles 12 according to known methods.
負極材料10は、バインダ、導電材等の二次電池の負極に用いられる材料をさらに含有していてもよい。 The negative electrode material 10 may further contain materials used in the negative electrodes of secondary batteries, such as binders and conductive materials.
本実施形態に係る負極材料10によれば、二次電池に充放電を繰り返した際の容量劣化を抑制可能である。すなわち、本実施形態に係る負極材料10を用いて負極を作製し、この負極を用いて二次電池を作製した場合には、二次電池は、充放電を繰り返した際の容量劣化耐性に優れ、よってサイクル特性に優れる。また、本実施形態に係る負極材料10は、Siを含有しているため、二次電池を高容量化することができる。さらに、本実施形態に係る負極材料10は、充填性の高いSi含有粒子14を含むため、負極活物質層の充填性を高めることができ、二次電池のエネルギー密度を高めることができる。 The negative electrode material 10 according to this embodiment can suppress capacity degradation during repeated charge and discharge of a secondary battery. That is, when a negative electrode is fabricated using the negative electrode material 10 according to this embodiment and a secondary battery is fabricated using this negative electrode, the secondary battery has excellent resistance to capacity degradation during repeated charge and discharge, and therefore excellent cycle characteristics. Furthermore, because the negative electrode material 10 according to this embodiment contains Si, the capacity of the secondary battery can be increased. Furthermore, because the negative electrode material 10 according to this embodiment contains Si-containing particles 14 with high packing properties, the packing property of the negative electrode active material layer can be improved, and the energy density of the secondary battery can be increased.
そこで、別の側面から、本実施形態に係る負極は、負極集電体と、当該負極集電体に支持された負極活物質層と、を備える。当該負極活物質層は、上述の実施形態に係る負極材料を含有する。このような負極によれば、二次電池に、充放電を繰り返した際の優れた容量劣化耐性を付与することができる。また、このような負極によれば、二次電池を高容量化することができる。さらに、このような負極によれば、二次電池のエネルギー密度を高めることができる。 From another perspective, the negative electrode according to this embodiment includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer supported on the negative electrode current collector. The negative electrode active material layer contains the negative electrode material according to the above-described embodiment. Such a negative electrode can provide the secondary battery with excellent resistance to capacity degradation during repeated charge and discharge. Furthermore, such a negative electrode can increase the capacity of the secondary battery. Furthermore, such a negative electrode can increase the energy density of the secondary battery.
本実施形態に係る負極を、図2を参照しながら具体的に説明する。図2は、本実施形態に係る負極60の一例を模式的に示す断面図であり、厚み方向および幅方向に沿った断面図である。図2に示されている本実施形態に係る負極60は、リチウムイオン二次電池の負極である。 The negative electrode according to this embodiment will be described in detail with reference to Figure 2. Figure 2 is a cross-sectional view schematically illustrating an example of a negative electrode 60 according to this embodiment, taken along the thickness and width directions. The negative electrode 60 according to this embodiment shown in Figure 2 is a negative electrode for a lithium-ion secondary battery.
図示されるように、負極60は、負極集電体62と、負極集電体62に支持された負極活物質層64と、を備える。言い換えると、負極60は、負極集電体62と、負極集電体62上に設けられた負極活物質層64とを備える。負極活物質層64は、負極集電体62の片面上のみに設けられていてもよいし、図示例のように負極集電体62の両面上に設けられていてもよい。負極活物質層64は、負極集電体62の両面上に設けられていることが好ましい。 As shown in the figure, the negative electrode 60 includes a negative electrode current collector 62 and a negative electrode active material layer 64 supported by the negative electrode current collector 62. In other words, the negative electrode 60 includes a negative electrode current collector 62 and a negative electrode active material layer 64 provided on the negative electrode current collector 62. The negative electrode active material layer 64 may be provided on only one side of the negative electrode current collector 62, or, as shown in the example, may be provided on both sides of the negative electrode current collector 62. It is preferable that the negative electrode active material layer 64 be provided on both sides of the negative electrode current collector 62.
図示例のように、負極60の幅方向の一方の端部に、負極活物質層64が設けられていない負極活物質層非形成部分62aが設けられていてもよい。負極活物質層非形成部分62aでは、負極集電体62が露出しており、負極活物質層非形成部分62aは集電部として機能することができる。しかしながら、負極60から集電するための構成はこれに限られない。 As shown in the illustrated example, one end of the negative electrode 60 in the width direction may have a negative electrode active material layer non-forming portion 62a where the negative electrode active material layer 64 is not provided. In the negative electrode active material layer non-forming portion 62a, the negative electrode current collector 62 is exposed, and the negative electrode active material layer non-forming portion 62a can function as a current collector. However, the configuration for collecting current from the negative electrode 60 is not limited to this.
負極集電体62の形状は、図示例では、箔状(またはシート状)であるが、これに限定されない。負極集電体62は、棒状、板状、メッシュ状等の種々の形態であってよい。負極集電体62の材質としては、従来のリチウムイオン二次電池と同様に、導電性の良好な金属(例えば、銅、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等)を用いることができ、なかでも、銅が好ましい。負極集電体62としては、銅箔が特に好ましい。 In the illustrated example, the shape of the negative electrode current collector 62 is foil (or sheet), but is not limited to this. The negative electrode current collector 62 may be in various forms, such as a rod, plate, or mesh. As with conventional lithium-ion secondary batteries, the material for the negative electrode current collector 62 can be a metal with good conductivity (e.g., copper, nickel, titanium, stainless steel, etc.), with copper being preferred. Copper foil is particularly preferred for the negative electrode current collector 62.
負極集電体62の寸法は特に限定されず、電池設計に応じて適宜決定すればよい。負極集電体62として銅箔を用いる場合には、その厚みは、特に限定されないが、例えば5μm以上35μm以下であり、好ましくは6μm以上20μm以下である。 The dimensions of the negative electrode current collector 62 are not particularly limited and may be determined appropriately depending on the battery design. When copper foil is used as the negative electrode current collector 62, its thickness is not particularly limited, but is, for example, 5 μm to 35 μm, and preferably 6 μm to 20 μm.
負極活物質層64は、負極活物質を含有し、この負極活物質として、上述の実施形態に係る負極材料10が用いられている。よって、負極活物質層64は、上述の実施形態に係る負極材料10を含む。 The negative electrode active material layer 64 contains a negative electrode active material, and the negative electrode material 10 according to the above-described embodiment is used as this negative electrode active material. Therefore, the negative electrode active material layer 64 contains the negative electrode material 10 according to the above-described embodiment.
負極活物質層64は、負極活物質以外の成分を含有していてもよく、例としては、バインダ、導電材等が挙げられる。バインダとしては、例えばスチレンブタジエンラバー(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリアクリル酸(PAA)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等を使用し得る。CMCは、増粘剤としても機能する。導電材の例としては、カーボンナノチューブ(CNT)等が挙げられる。導電材としてCNTを用いる場合には、負極活物質層64は、CNTの分散剤を含有していてもよい。 The negative electrode active material layer 64 may contain components other than the negative electrode active material, such as a binder and a conductive material. Examples of binders that can be used include styrene butadiene rubber (SBR), carboxymethyl cellulose (CMC), polyacrylic acid (PAA), and polyvinylidene fluoride (PVDF). CMC also functions as a thickener. Examples of conductive materials include carbon nanotubes (CNT). When CNT is used as the conductive material, the negative electrode active material layer 64 may contain a dispersant for the CNT.
負極活物質層64中の(すなわち、負極活物質層64の全質量に対する)負極活物質の含有量は、90質量%以上が好ましく、95質量%以上がより好ましい。負極活物質層中のバインダの含有量は、0.1質量%以上8質量%以下が好ましく、0.5質量%以上5質量%以下がより好ましい。負極活物質層64中の導電材の含有量は、0.01質量%以上3質量%以下が好ましく、0.05質量%以上1質量%以下がより好ましい。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer 64 (i.e., relative to the total mass of the negative electrode active material layer 64) is preferably 90% by mass or more, and more preferably 95% by mass or more. The content of the binder in the negative electrode active material layer is preferably 0.1% by mass or more and 8% by mass or less, and more preferably 0.5% by mass or more and 5% by mass or less. The content of the conductive material in the negative electrode active material layer 64 is preferably 0.01% by mass or more and 3% by mass or less, and more preferably 0.05% by mass or more and 1% by mass or less.
負極活物質層64の厚みは、特に限定されないが、例えば、10μm以上400μm以下であり、好ましくは20μm以上300μm以下である。 The thickness of the negative electrode active material layer 64 is not particularly limited, but is, for example, 10 μm or more and 400 μm or less, and preferably 20 μm or more and 300 μm or less.
負極活物質層64の密度は、特に限定されないが、例えば、0.9g/cm3以上であり、好ましくは1.1g/cm3以上であり、より好ましくは1.2g/cm3以上である。一方、負極活物質層64の密度は、例えば、2.3g/cm3以下であり、2.0g/cm3以下であってよい。 The density of the negative electrode active material layer 64 is not particularly limited, but is, for example, 0.9 g/cm or more , preferably 1.1 g/cm or more , and more preferably 1.2 g/cm or more . On the other hand, the density of the negative electrode active material layer 64 is, for example, 2.3 g/cm or less, and may be 2.0 g/cm or less.
負極60は、負極集電体62および負極活物質層64以外の部材を備えていてもよい。例えば、負極活物質層非形成部分62a上に、負極活物質層64と隣接する絶縁層(図示せず)が設けられていてもよい。当該絶縁層は、例えば、絶縁性の無機フィラー等を含有する。 The negative electrode 60 may include components other than the negative electrode current collector 62 and the negative electrode active material layer 64. For example, an insulating layer (not shown) adjacent to the negative electrode active material layer 64 may be provided on the negative electrode active material layer non-forming portion 62a. The insulating layer may contain, for example, an insulating inorganic filler.
負極60は、負極集電体62に、上述の実施形態に係る負極材料を含有する負極ペーストを塗工する工程(以下、「塗工工程」ともいう)と、当該塗工された負極ペーストを乾燥して、負極活物質層64を形成する工程(以下、「乾燥工程」ともいう)と、当該負極活物質層64をプレスする工程(以下、プレス工程ともいう)と、を備える製造方法によって、好適に製造することができる。 The negative electrode 60 can be suitably manufactured by a manufacturing method including the steps of applying a negative electrode paste containing the negative electrode material according to the above-described embodiment to the negative electrode current collector 62 (hereinafter also referred to as the "coating step"), drying the applied negative electrode paste to form the negative electrode active material layer 64 (hereinafter also referred to as the "drying step"), and pressing the negative electrode active material layer 64 (hereinafter also referred to as the pressing step).
塗工工程は、上述の実施形態に係る負極材料を用いる以外は、公知方法に従い行うことができる。具体的に、例えば、上述の実施形態に係る負極材料、および任意成分(例、バインダ、導電材等)を、公知の混合装置、撹拌装置等を用いて、分散媒(例、水)と混合することにより負極ペーストを調製する。 The coating process can be carried out according to known methods, except for using the negative electrode material according to the above-described embodiment. Specifically, for example, the negative electrode material according to the above-described embodiment and optional components (e.g., binder, conductive material, etc.) are mixed with a dispersion medium (e.g., water) using a known mixer, stirrer, etc. to prepare a negative electrode paste.
なお、本明細書において「ペースト」とは、固形分の一部またはすべてが分散媒に分散した混合物のことをいい、いわゆる「スラリー」、「インク」等を包含する。 In this specification, "paste" refers to a mixture in which some or all of the solids are dispersed in a dispersion medium, and includes so-called "slurry," "ink," etc.
当該負極ペーストを、グラビアコーター、コンマコーター、スリットコーター、ダイコーター等の塗工装置を用いて、負極集電体62上に塗工することで、塗工工程を行うことができる。 The coating process can be carried out by applying the negative electrode paste onto the negative electrode current collector 62 using a coating device such as a gravure coater, comma coater, slit coater, or die coater.
乾燥工程は、公知方法に従い行うことができる。具体的に例えば、負極ペーストが塗工された負極集電体62から、乾燥炉等の乾燥装置を用いて上記分散媒を除去することによって、負極活物質層64を形成する。これにより、乾燥工程を行うことができる。乾燥温度および乾燥時間は、負極ペーストの固形分濃度に応じて適宜決定すればよく、特に限定されない。乾燥温度は、例えば60℃以上200℃以下であり、好ましくは70℃以上150℃以下である。乾燥時間は、例えば10秒以上30分以下であり、好ましくは30秒以上10分以下である。 The drying process can be carried out using known methods. Specifically, for example, the dispersion medium is removed from the negative electrode current collector 62 coated with the negative electrode paste using a drying device such as a drying oven, thereby forming the negative electrode active material layer 64. This completes the drying process. The drying temperature and drying time can be determined appropriately depending on the solids concentration of the negative electrode paste, and are not particularly limited. The drying temperature is, for example, 60°C or higher and 200°C or lower, and preferably 70°C or higher and 150°C or lower. The drying time is, for example, 10 seconds or higher and 30 minutes or lower, and preferably 30 seconds or higher and 10 minutes or lower.
プレス工程は、公知方法に従い行うことができる。具体的に、上記形成した負極活物質層64に対して、ローラープレス等を用いて圧力を印加することにより、プレス工程を行うことができる。プレス工程によって、負極材料10に含まる黒鉛粒子12およびSi含有粒子14を密に充填することができる。これにより、負極60が得られる。 The pressing step can be carried out according to known methods. Specifically, the pressing step can be carried out by applying pressure to the formed negative electrode active material layer 64 using a roller press or the like. The pressing step allows the graphite particles 12 and Si-containing particles 14 contained in the negative electrode material 10 to be densely packed. This results in the negative electrode 60.
負極60は、公知方法に従い、二次電池に使用することができる。二次電池は、典型的には、正極と、負極と、電解質とを備え、負極は、上記の負極60である。以下、負極60を用いた二次電池の構成例について、図3および図4を用いて詳細に説明する。構成例は、扁平形状の捲回電極体と扁平形状の電池ケースとを有する扁平角型のリチウムイオン二次電池である。 The negative electrode 60 can be used in a secondary battery according to known methods. A secondary battery typically includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, with the negative electrode being the above-described negative electrode 60. Below, an example of the configuration of a secondary battery using the negative electrode 60 will be described in detail using Figures 3 and 4. The example configuration is a flat prismatic lithium-ion secondary battery having a flat wound electrode body and a flat battery case.
図3に示すリチウムイオン二次電池100は、扁平形状の捲回電極体20と非水電解液(図示せず)とが扁平な角形の電池ケース(即ち外装容器)30に収容されることにより構築される密閉型のリチウムイオン二次電池100である。電池ケース30には外部接続用の正極端子42および負極端子44と、電池ケース30の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように設定された薄肉の安全弁36が設けられている。また、電池ケース30には、非水電解液を注入するための注入口(図示せず)が設けられている。正極端子42は、正極集電板42aと電気的に接続されている。負極端子44は、負極集電板44aと電気的に接続されている。電池ケース30の材質としては、例えば、アルミニウム等の軽量で熱伝導性の良い金属材料が用いられる。 The lithium-ion secondary battery 100 shown in FIG. 3 is a sealed lithium-ion secondary battery constructed by housing a flat wound electrode assembly 20 and a nonaqueous electrolyte (not shown) in a flat, rectangular battery case (i.e., outer container) 30. The battery case 30 is provided with a positive terminal 42 and a negative terminal 44 for external connection, as well as a thin-walled safety valve 36 designed to release internal pressure if the internal pressure of the battery case 30 rises above a predetermined level. The battery case 30 also has an inlet (not shown) for injecting the nonaqueous electrolyte. The positive terminal 42 is electrically connected to the positive current collector plate 42a. The negative terminal 44 is electrically connected to the negative current collector plate 44a. The battery case 30 is made of a lightweight metal material with good thermal conductivity, such as aluminum.
捲回電極体20は、図3および図4に示すように、正極シート50と、負極シート60とが、2枚の長尺状のセパレータシート70を介して重ね合わされて長手方向に捲回された形態を有する。正極シート50は、長尺状の正極集電体52の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って正極活物質層54が形成された構成を有する。負極シート60は、長尺状の負極集電体62の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って負極活物質層64が形成されている構成を有する。正極活物質層非形成部分52a(すなわち、正極活物質層54が形成されずに正極集電体52が露出した部分)および負極活物質層非形成部分62a(すなわち、負極活物質層64が形成されずに負極集電体62が露出した部分)は、捲回電極体20の捲回軸方向(すなわち、上記長手方向に直交するシート幅方向)の両端から外方にはみ出すように形成されている。正極活物質層非形成部分52aおよび負極活物質層非形成部分62aには、それぞれ正極集電板42aおよび負極集電板44aが接合されている。 As shown in Figures 3 and 4, the wound electrode assembly 20 has a configuration in which a positive electrode sheet 50 and a negative electrode sheet 60 are stacked with two long separator sheets 70 interposed between them and wound in the longitudinal direction. The positive electrode sheet 50 has a configuration in which a positive electrode active material layer 54 is formed along the longitudinal direction on one or both sides (both sides in this case) of a long positive electrode current collector 52. The negative electrode sheet 60 has a configuration in which a negative electrode active material layer 64 is formed along the longitudinal direction on one or both sides (both sides in this case) of a long negative electrode current collector 62. The positive electrode active material layer-free portions 52a (i.e., portions where the positive electrode active material layer 54 is not formed and the positive electrode current collector 52 is exposed) and the negative electrode active material layer-free portions 62a (i.e., portions where the negative electrode active material layer 64 is not formed and the negative electrode current collector 62 is exposed) are formed so as to protrude outward from both ends of the wound electrode body 20 in the winding axis direction (i.e., the sheet width direction perpendicular to the longitudinal direction). The positive electrode active material layer-free portions 52a and the negative electrode active material layer-free portions 62a are joined to the positive electrode current collector 42a and the negative electrode current collector 44a, respectively.
正極シート50を構成する正極集電体52としては、リチウムイオン二次電池に用いられる公知の正極集電体を用いてよく、その例としては、導電性の良好な金属(例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等)製のシートまたは箔が挙げられる。正極集電体52としては、アルミニウム箔が好ましい。 The positive electrode current collector 52 constituting the positive electrode sheet 50 may be a known positive electrode current collector used in lithium-ion secondary batteries, such as a sheet or foil made of a metal with good conductivity (e.g., aluminum, nickel, titanium, stainless steel, etc.). Aluminum foil is preferred as the positive electrode current collector 52.
正極集電体52の寸法は特に限定されず、電池設計に応じて適宜決定すればよい。正極集電体52としてアルミニウム箔を用いる場合には、その厚みは、特に限定されないが、例えば5μm以上35μm以下であり、好ましくは7μm以上20μm以下である。 The dimensions of the positive electrode current collector 52 are not particularly limited and may be determined appropriately depending on the battery design. When aluminum foil is used as the positive electrode current collector 52, its thickness is not particularly limited, but is, for example, 5 μm to 35 μm, and preferably 7 μm to 20 μm.
正極活物質層54は、正極活物質を含有する。正極活物質としては、リチウムイオン二次電池に用いられる公知の組成の正極活物質を用いてよい。具体的に例えば、正極活物質として、リチウム複合酸化物、リチウム遷移金属リン酸化合物等を用いることができる。正極活物質の結晶構造は、特に限定されず、層状構造、スピネル構造、オリビン構造等であってよい。 The positive electrode active material layer 54 contains a positive electrode active material. The positive electrode active material may be a positive electrode active material of a known composition used in lithium-ion secondary batteries. Specific examples of the positive electrode active material include lithium composite oxides and lithium transition metal phosphate compounds. The crystal structure of the positive electrode active material is not particularly limited, and may be a layered structure, spinel structure, olivine structure, or the like.
リチウム複合酸化物としては、遷移金属元素として、Ni、Co、Mnのうちの少なくとも1種を含むリチウム遷移金属複合酸化物が好ましく、その具体例としては、リチウムニッケル系複合酸化物、リチウムコバルト系複合酸化物、リチウムマンガン系複合酸化物、リチウムニッケルマンガン系複合酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン系複合酸化物、リチウムニッケルコバルトアルミニウム系複合酸化物、リチウム鉄ニッケルマンガン系複合酸化物等が挙げられる。 Preferably, the lithium composite oxide is a lithium transition metal composite oxide containing at least one of Ni, Co, and Mn as a transition metal element. Specific examples include lithium nickel composite oxide, lithium cobalt composite oxide, lithium manganese composite oxide, lithium nickel manganese composite oxide, lithium nickel cobalt manganese composite oxide, lithium nickel cobalt aluminum composite oxide, and lithium iron nickel manganese composite oxide.
なお、本明細書において「リチウムニッケルコバルトマンガン系複合酸化物」とは、Li、Ni、Co、Mn、Oを構成元素とする酸化物の他に、それら以外の1種または2種以上の添加的な元素を含んだ酸化物をも包含する用語である。かかる添加的な元素の例としては、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Na、Fe、Zn、Sn等の遷移金属元素や典型金属元素等が挙げられる。また、添加的な元素は、B、C、Si、P等の半金属元素や、S、F、Cl、Br、I等の非金属元素であってもよい。このことは、上記したリチウムニッケル系複合酸化物、リチウムコバルト系複合酸化物、リチウムマンガン系複合酸化物、リチウムニッケルマンガン系複合酸化物、リチウムニッケルコバルトアルミニウム系複合酸化物、リチウム鉄ニッケルマンガン系複合酸化物等についても同様である。 In this specification, the term "lithium nickel cobalt manganese composite oxide" encompasses oxides containing Li, Ni, Co, Mn, and O as constituent elements, as well as oxides containing one or more additional elements. Examples of such additional elements include transition metal elements and typical metal elements such as Mg, Ca, Al, Ti, V, Cr, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Na, Fe, Zn, and Sn. The additional element may also be a metalloid element such as B, C, Si, or P, or a non-metal element such as S, F, Cl, Br, or I. This also applies to the lithium nickel composite oxide, lithium cobalt composite oxide, lithium manganese composite oxide, lithium nickel manganese composite oxide, lithium nickel cobalt aluminum composite oxide, and lithium iron nickel manganese composite oxide.
リチウム遷移金属リン酸化合物としては、例えば、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)、リン酸マンガンリチウム(LiMnPO4)、リン酸マンガン鉄リチウム等が挙げられる。 Examples of lithium transition metal phosphate compounds include lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), lithium manganese phosphate (LiMnPO 4 ), and lithium manganese iron phosphate.
これらの正極活物質は、1種単独で用いてよく、または2種以上を組み合わせて用いてもよい。正極活物質としては、初期抵抗特性等の諸特性に優れることから、リチウムニッケルコバルトマンガン系複合酸化物が特に好ましい。 These positive electrode active materials may be used alone or in combination of two or more. As the positive electrode active material, lithium nickel cobalt manganese composite oxide is particularly preferred due to its excellent properties, such as initial resistance.
正極活物質の平均粒子径(D50)は、特に限定されないが、例えば、0.05μm以上25μm以下であり、好ましくは1μm以上20μm以下であり、より好ましくは3μm以上15μm以下である。 The average particle diameter (D50) of the positive electrode active material is not particularly limited, but is, for example, 0.05 μm or more and 25 μm or less, preferably 1 μm or more and 20 μm or less, and more preferably 3 μm or more and 15 μm or less.
正極活物質層54は、正極活物質以外の成分、例えば、リン酸三リチウム、導電材、バインダ等を含んでいてもよい。導電材としては、例えばアセチレンブラック(AB)等のカーボンブラック;気相法炭素繊維(VGCF)、カーボンナノチューブ(CNT)等の炭素繊維;その他(例、グラファイトなど)の炭素材料を好適に使用し得る。バインダとしては、例えばポリフッ化ビニリデン(PVdF)等を使用し得る。 The positive electrode active material layer 54 may contain components other than the positive electrode active material, such as trilithium phosphate, a conductive material, a binder, etc. Suitable conductive materials include carbon black such as acetylene black (AB); carbon fibers such as vapor-grown carbon fiber (VGCF) and carbon nanotubes (CNT); and other carbon materials (e.g., graphite). Suitable binders include polyvinylidene fluoride (PVdF).
正極活物質層54中の正極活物質の含有量(すなわち、正極活物質層54の全質量に対する正極活物質の含有量)は、特に限定されないが、70質量%以上が好ましく、より好ましくは80質量%以上であり、さらに好ましくは85質量%以上99質量%以下である。正極活物質層54中のリン酸三リチウムの含有量は、特に制限はないが、0.1質量%以上15質量%以下が好ましく、0.2質量%以上10質量%以下がより好ましい。正極活物質層54中の導電材の含有量は、特に制限はないが、0.1質量%以上20質量%以下が好ましく、0.3質量%以上15質量%以下がより好ましい。正極活物質層54中のバインダの含有量は、特に制限はないが、0.4質量%以上15質量%以下が好ましく、0.5質量%以上10質量%以下がより好ましい。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer 54 (i.e., the content of the positive electrode active material relative to the total mass of the positive electrode active material layer 54) is not particularly limited, but is preferably 70% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, and even more preferably 85% by mass or more and 99% by mass or less. The content of trilithium phosphate in the positive electrode active material layer 54 is not particularly limited, but is preferably 0.1% by mass or more and 15% by mass or less, and more preferably 0.2% by mass or more and 10% by mass or less. The content of the conductive material in the positive electrode active material layer 54 is not particularly limited, but is preferably 0.1% by mass or more and 20% by mass or less, and more preferably 0.3% by mass or more and 15% by mass or less. The content of the binder in the positive electrode active material layer 54 is not particularly limited, but is preferably 0.4% by mass or more and 15% by mass or less, and more preferably 0.5% by mass or more and 10% by mass or less.
正極活物質層54の片面当たりの厚みは、特に限定されないが、通常10μm以上であり、好ましくは20μm以上である。一方、当該厚みは、通常400μm以下であり、好ましくは300μm以下である。 The thickness of each side of the positive electrode active material layer 54 is not particularly limited, but is typically 10 μm or more, and preferably 20 μm or more. On the other hand, this thickness is typically 400 μm or less, and preferably 300 μm or less.
負極シート60としては、負極活物質として上述の負極材料10を用いた負極60が用いられている。 The negative electrode sheet 60 uses the above-mentioned negative electrode material 10 as the negative electrode active material.
セパレータ70としては、例えばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂から構成される多孔性シート(フィルム)が挙げられる。かかる多孔性シートは、単層構造であってもよく、二層以上の積層構造(例えば、PE層の両面にPP層が積層された三層構造)であってもよい。セパレータ70の表面には、耐熱層(HRL)が設けられていてもよい。 The separator 70 may be a porous sheet (film) made of a resin such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyester, cellulose, or polyamide. Such a porous sheet may have a single-layer structure or a laminated structure of two or more layers (for example, a three-layer structure in which PP layers are laminated on both sides of a PE layer). A heat-resistant layer (HRL) may be provided on the surface of the separator 70.
セパレータ70の厚みは特に限定されないが、例えば5μm以上50μm以下であり、好ましくは10μm以上30μm以下である。セパレータ70のガーレー試験法によって得られる透気度は特に限定されないが、好ましくは350秒/100cc以下である。 The thickness of the separator 70 is not particularly limited, but is, for example, 5 μm to 50 μm, and preferably 10 μm to 30 μm. The air permeability of the separator 70 as measured by the Gurley test method is not particularly limited, but is preferably 350 seconds/100 cc or less.
非水電解液は、典型的には、非水溶媒と支持塩(電解質塩)とを含有する。非水溶媒としては、一般的なリチウムイオン二次電池の電解液に用いられる、カーボネート類、エーテル類、エステル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類等の有機溶媒を、特に限定なく用いることができる。なかでも、カーボネート類が好ましく、その具体例として、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、モノフルオロエチレンカーボネート(FEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)、モノフルオロメチルジフルオロメチルカーボネート(F-DMC)、トリフルオロジメチルカーボネート(TFDMC)等が例示される。このような非水溶媒は、1種を単独で、あるいは2種以上を適宜組み合わせて用いることができる。一例として、非水溶媒は、カーボネート類のみからなる。別の例として、非水溶媒は、カーボネート類、および酢酸メチル等のエステル類を含有する。 Non-aqueous electrolytes typically contain a non-aqueous solvent and a supporting salt (electrolyte salt). The non-aqueous solvent can be any organic solvent commonly used in lithium-ion secondary battery electrolytes, including carbonates, ethers, esters, nitriles, sulfones, and lactones. Carbonates are preferred, including ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), monofluoroethylene carbonate (FEC), difluoroethylene carbonate (DFEC), monofluoromethyl difluoromethyl carbonate (F-DMC), and trifluorodimethyl carbonate (TFDMC). These non-aqueous solvents can be used alone or in combination. For example, the non-aqueous solvent may consist solely of carbonates. As another example, the non-aqueous solvent contains carbonates and esters such as methyl acetate.
支持塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)等のリチウム塩(好ましくはLiPF6)を好適に用いることができる。支持塩の濃度は、0.7mol/L以上1.3mol/L以下が好ましい。 As the supporting salt, for example, a lithium salt such as LiPF 6 , LiBF 4 , or lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI) (preferably LiPF 6 ) can be suitably used. The concentration of the supporting salt is preferably 0.7 mol/L or more and 1.3 mol/L or less.
なお、上記非水電解液は、本発明の効果を著しく損なわない限りにおいて、上述した成分以外の成分、例えば、ビニレンカーボネート(VC)、オキサラト錯体等の被膜形成剤;ビフェニル(BP)、シクロヘキシルベンゼン(CHB)等のガス発生剤;増粘剤;等の各種添加剤を含んでいてもよい。 The nonaqueous electrolyte may contain various additives other than those mentioned above, such as film-forming agents such as vinylene carbonate (VC) and oxalate complexes; gas generators such as biphenyl (BP) and cyclohexylbenzene (CHB); and thickeners, as long as the effects of the present invention are not significantly impaired.
リチウムイオン二次電池100は、充放電を繰り返した際の容量劣化が抑制されており、また、高容量である。リチウムイオン二次電池100は、各種用途に利用可能である。好適な用途としては、電気自動車(BEV)、ハイブリッド自動車(HEV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)等の車両に搭載される駆動用電源が挙げられる。また、リチウムイオン二次電池100は、小型電力貯蔵装置等の蓄電池として使用することができる。リチウムイオン二次電池100は、典型的には複数個を直列および/または並列に接続してなる組電池の形態でも使用され得る。 Lithium-ion secondary battery 100 exhibits high capacity and is resistant to capacity degradation during repeated charging and discharging. Lithium-ion secondary battery 100 can be used in a variety of applications. Suitable applications include a driving power source mounted on vehicles such as electric vehicles (BEVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs). Lithium-ion secondary battery 100 can also be used as a storage battery for small-sized power storage devices. Lithium-ion secondary battery 100 can also be used in the form of a battery pack, typically consisting of multiple batteries connected in series and/or parallel.
以上、一例として扁平形状の捲回電極体20を備える角形のリチウムイオン二次電池100について説明した。しかしながら、リチウムイオン二次電池は、積層型電極体(すなわち、複数の正極と、複数の負極とが交互に積層された電極体)を備えるリチウムイオン二次電池として構成することもできる。また、リチウムイオン二次電池は、円筒形リチウムイオン二次電池、ラミネートケース型リチウムイオン二次電池等として構成することもできる。 The above describes, as an example, a rectangular lithium-ion secondary battery 100 equipped with a flat wound electrode assembly 20. However, lithium-ion secondary batteries can also be configured as lithium-ion secondary batteries equipped with a stacked electrode assembly (i.e., an electrode assembly in which multiple positive electrodes and multiple negative electrodes are alternately stacked). Lithium-ion secondary batteries can also be configured as cylindrical lithium-ion secondary batteries, laminated case lithium-ion secondary batteries, etc.
また、公知方法に従い、リチウムイオン二次電池100は、非水電解質の代わりに固体電解質を用いた全固体リチウムイオン二次電池として構成することもできる。 Furthermore, according to known methods, the lithium ion secondary battery 100 can also be configured as an all-solid-state lithium ion secondary battery using a solid electrolyte instead of a nonaqueous electrolyte.
また本実施形態に係る負極60は、リチウムイオン二次電池の負極に適しているが、その他の二次電池の負極として使用することができ、その他の二次電池は、公知方法に従って構成することができる。 Furthermore, although the negative electrode 60 according to this embodiment is suitable as a negative electrode for a lithium-ion secondary battery, it can also be used as a negative electrode for other secondary batteries, and these other secondary batteries can be constructed according to known methods.
以下、本発明に関する実施例を詳細に説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。 The following describes in detail examples of the present invention, but it is not intended that the present invention be limited to those examples.
<負極材料の準備>
〔実施例1〕
平均粒子径(D50)が8μm、Si含有量が40質量%、および円形度が0.98のSi-C複合材料の粒子を、Si含有粒子として用意した。
<Preparation of negative electrode material>
Example 1
Particles of an Si—C composite material having an average particle size (D50) of 8 μm, an Si content of 40 mass %, and a circularity of 0.98 were prepared as Si-containing particles.
このSi含有粒子1gを、25℃、60MPaで一軸方向に加圧して直径20mmのタブレット状に成形した場合の、成形体の密度を後述の方法で測定した。その成形体の密度の値は、1.3g/cm3であった。 1 g of the Si-containing particles was pressed uniaxially at 25°C under 60 MPa to form a tablet having a diameter of 20 mm. The density of the formed body was measured by the method described below. The density of the formed body was 1.3 g/ cm3 .
平均粒子径(D50)が18μmの黒鉛粒子を用意した。黒鉛粒子とSi含有粒子とを、60:40の質量比で混合することで、実施例1の負極材料を得た。 Graphite particles with an average particle diameter (D50) of 18 μm were prepared. The graphite particles and Si-containing particles were mixed in a mass ratio of 60:40 to obtain the negative electrode material of Example 1.
〔実施例2~3および比較例1~3〕
表1に示す平均粒子径(D50)、Si含有量、および円形度を有するSi-C複合材料の粒子を、Si含有粒子として用意した。Si含有粒子1gを、25℃、60MPaで一軸方向に加圧して直径20mmのタブレット状に成形した場合の、成形体の密度を後述の方法で測定した。その成形体の密度を表1に示す。
[Examples 2 to 3 and Comparative Examples 1 to 3]
Particles of Si-C composite material having the average particle size (D50), Si content, and circularity shown in Table 1 were prepared as Si-containing particles. 1 g of the Si-containing particles was pressed uniaxially at 25°C and 60 MPa to form a tablet having a diameter of 20 mm. The density of the formed body was measured by the method described below. The density of the formed body is shown in Table 1.
また、表1に示す平均粒子径(D50)の黒鉛粒子を用意した。黒鉛粒子とSi含有粒子とを、60:40の質量比で混合することで、実施例2~3および比較例1~3の負極材料を得た。なお、各実施例および各比較例において、Si含有粒子と黒鉛粒子の平均粒子径(D50)、Si含有粒子中のSi含有量、Si含有粒子の円形度は、下記の方法により求めた。 Graphite particles with the average particle size (D50) shown in Table 1 were prepared. Graphite particles and Si-containing particles were mixed in a mass ratio of 60:40 to obtain the negative electrode materials of Examples 2-3 and Comparative Examples 1-3. In each Example and Comparative Example, the average particle size (D50) of the Si-containing particles and graphite particles, the Si content in the Si-containing particles, and the circularity of the Si-containing particles were determined using the following methods.
<Si含有粒子と黒鉛粒子の平均粒子径(D50)測定>
市販のレーザ回折式の粒度分布測定装置を用いて、Si含有粒子および黒鉛粒子の体積基準における粒度分布測定をそれぞれ行い、粒径が小さい微粒子側からの累積頻度50体積%に相当する粒径を、Si含有粒子および黒鉛粒子の平均粒子径(D50)として求めた。
<Measurement of average particle size (D50) of Si-containing particles and graphite particles>
Using a commercially available laser diffraction particle size distribution analyzer, the particle size distribution of the Si-containing particles and the graphite particles was measured on a volume basis, and the particle size corresponding to a cumulative frequency of 50% by volume from the fine particles with smaller particle sizes was determined as the average particle size (D50) of the Si-containing particles and the graphite particles.
<Si含有粒子のSi含有量測定>
市販のICP分析装置を用いて、Si含有粒子中のSi含有量を、質量%として求めた。
<Measurement of Si content in Si-containing particles>
The Si content in the Si-containing particles was determined in mass % using a commercially available ICP analyzer.
<Si含有粒子の円形度測定>
市販の画像式粒度分布測定装置を用いて、Si含有粒子の円形度を、粒子の投影面積と同じ面積を有する真円の周長/粒子投影像の周長として求めた。
<Measurement of circularity of Si-containing particles>
Using a commercially available image particle size distribution analyzer, the circularity of the Si-containing particles was determined as the perimeter of a perfect circle having the same area as the projected area of the particle divided by the perimeter of the projected image of the particle.
<Si含有粒子の成形体の密度測定>
Si含有粒子1gを、粉体測定試料として測り取り、自動粉体抵抗測定システム「MCP-PD600」(日東精工アナリテック社製)のプローブ(直径20mm)にセットした。25℃において、この自動粉体抵抗測定システムを用いて、一軸方向に加圧した時の荷重と変位を測定した。これに基づいて、圧力60MPaにおける、成形体のかさ密度を求めた。
<Measurement of Density of Molded Body of Si-Containing Particles>
1 g of Si-containing particles was weighed as a powder measurement sample and set on the probe (diameter 20 mm) of an automatic powder resistivity measurement system "MCP-PD600" (manufactured by Nitto Seiko Analytech Co., Ltd.). Using this automatic powder resistivity measurement system, the load and displacement when pressed in one axial direction were measured at 25°C. Based on this, the bulk density of the compact at a pressure of 60 MPa was calculated.
<負極および評価用リチウムイオン二次電池の作製>
バインダとして、カルボキシメチルセルロース(CMC)と、ポリアクリル酸(PAA)と、スチレンブタジエンラバー(SBR)とを用意した。また、導電材としての単層カーボンナノチューブ(SWCNT)の分散液を用意した。各実施例および各比較例の負極材料と、CMCと、PAAとを、プラネタリーミキサーを用いてドライブレンドした。得られた混合物と、SWCNT分散液と、分散媒とを、プラネタリーミキサーを用いて混錬した。これに、SBRとさらに分散媒とを加えて均一に混合して、負極ペーストを作製した。なお、負極ペーストにおいて、負極材料:CMC:PAA:SBR:SWCNTの質量比は、100:1:1:1.5:0.1とした。
<Preparation of negative electrode and lithium ion secondary battery for evaluation>
Carboxymethyl cellulose (CMC), polyacrylic acid (PAA), and styrene butadiene rubber (SBR) were prepared as binders. A dispersion of single-walled carbon nanotubes (SWCNT) was also prepared as a conductive material. The negative electrode materials of each example and comparative example, CMC, and PAA were dry-blended using a planetary mixer. The resulting mixture, the SWCNT dispersion, and a dispersion medium were kneaded using a planetary mixer. SBR and the dispersion medium were added to this mixture and mixed uniformly to prepare a negative electrode paste. The mass ratio of the negative electrode material:CMC:PAA:SBR:SWCNT in the negative electrode paste was 100:1:1:1.5:0.1.
作製した負極ペーストを、厚み10μmの銅箔の表面に塗布し、乾燥することにより、負極活物質層を形成した。負極活物質層をロールプレス後、得られたシートを所定の寸法に加工して、負極シートを得た。 The prepared negative electrode paste was applied to the surface of a 10 μm thick copper foil and dried to form a negative electrode active material layer. After the negative electrode active material layer was roll-pressed, the resulting sheet was cut to the specified dimensions to obtain a negative electrode sheet.
正極活物質粉末としてのLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NCM)と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを、NCM:AB:PVdF=100:1:1の質量比でN-メチルピロリドン(NMP)と混合し、正極ペーストを調製した。このペーストを、厚み15μmのアルミニウム箔の表面に塗布し、乾燥することにより、正極活物質層を形成した。正極活物質層をロールプレス後、得られたシートを所定の寸法に加工して、正極シートを得た。 A positive electrode paste was prepared by mixing LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (NCM) as a positive electrode active material powder, acetylene black (AB) as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder with N-methylpyrrolidone (NMP) in a mass ratio of NCM:AB:PVdF = 100:1:1. This paste was applied to the surface of a 15 μm thick aluminum foil and dried to form a positive electrode active material layer. The positive electrode active material layer was then roll-pressed, and the resulting sheet was processed to a predetermined size to obtain a positive electrode sheet.
多孔質ポリオレフィン製のセパレータを用意した。上記作製した負極シートと正極シートのそれぞれにリードを取り付け、セパレータを介して積層して、電極体を作製した。これを非水電解液と共に、アルミラミネートフィルム製のケースに収容した。非水電解液には、エチレンカーボネート(EC)とフルオロエチレンカーボネート(FEC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とジメチルカーボネート(DMC)とを15:5:40:40の体積比で含む混合溶媒に、支持塩としてのLiPF6を1.0mol/Lの濃度で溶解させたものを用いた。その後、ケースを封止して、評価用リチウムイオン二次電池を得た。 A porous polyolefin separator was prepared. Leads were attached to each of the prepared negative electrode sheet and positive electrode sheet, and the sheets were stacked via a separator to prepare an electrode assembly. This was housed in a case made of aluminum laminate film together with a non-aqueous electrolyte. The non-aqueous electrolyte was a mixed solvent containing ethylene carbonate (EC), fluoroethylene carbonate (FEC), ethyl methyl carbonate (EMC), and dimethyl carbonate (DMC) in a volume ratio of 15:5:40:40, with LiPF 6 dissolved as a supporting electrolyte at a concentration of 1.0 mol/L. The case was then sealed to obtain a lithium-ion secondary battery for evaluation.
<サイクル特性評価>
上記作製した各評価リチウムイオン二次電池を25℃の環境下に置いた。各評価用リチウムイオン二次電池を0.4Cの電流値で4.2Vまで定電流充電を行った後、電流値が0.1Cになるまで定電圧充電を行った。次いで、各評価用リチウムイオン二次電池を0.4Cの電流値で2.5Vまで定電流放電した。そして、このときの放電容量を測定して初期容量を求めた。
<Cycle characteristic evaluation>
Each of the lithium-ion secondary batteries for evaluation prepared above was placed in an environment of 25° C. Each of the lithium-ion secondary batteries for evaluation was subjected to constant current charging at a current value of 0.4 C up to 4.2 V, and then constant voltage charging until the current value reached 0.1 C. Next, each of the lithium-ion secondary batteries for evaluation was subjected to constant current discharge at a current value of 0.4 C down to 2.5 V. The discharge capacity at this time was measured to determine the initial capacity.
上記の充放電を1サイクルとする充放電を200サイクル繰り返した。200サイクル後の放電容量を、初期容量と同様の方法で求めた。サイクル特性の指標として、(充放電200サイクル後の放電容量/初期容量)×100より、容量維持率(%)を求めた。結果を表1に示す。 The above charge/discharge cycle was repeated 200 times. The discharge capacity after 200 cycles was determined in the same manner as the initial capacity. As an index of cycle characteristics, the capacity retention rate (%) was calculated by multiplying (discharge capacity after 200 charge/discharge cycles/initial capacity) by 100. The results are shown in Table 1.
表1の結果より、Si含有粒子の平均粒子径(D50)に対する黒鉛粒子の平均粒子径(D50)の比が1~8であり、Si含有粒子と黒鉛粒子の合計に対するSi含有粒子の質量割合が10質量%~60質量%であり、Si含有粒子1gを、25℃、60MPaで一軸方向に加圧して直径20mmのタブレット状に成形した場合に、得られる成形体の密度が、0.9g/cm3以上である場合に、充放電200サイクル後の容量維持率が顕著に高いことがわかる。よって、ここに開示される負極材料によれば、二次電池に充放電を繰り返した際の容量劣化を抑制できることがわかる。 The results in Table 1 show that the capacity retention rate after 200 charge/discharge cycles is significantly high when the ratio of the average particle size (D50) of the graphite particles to the average particle size (D50) of the Si-containing particles is 1 to 8, the mass ratio of the Si-containing particles to the total of the Si-containing particles and the graphite particles is 10% by mass to 60% by mass, and when 1 g of the Si-containing particles is uniaxially pressed at 25°C and 60 MPa to form a tablet having a diameter of 20 mm, the density of the resulting molded body is 0.9 g/cm3 or more. Therefore, it is clear that the negative electrode material disclosed herein can suppress capacity degradation when a secondary battery is repeatedly charged and discharged.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and variations of the specific examples exemplified above.
すなわち、ここに開示される負極材料、二次電池の負極およびその製造方法は、以下の項[1]~[8]である。
[1]Si含有粒子と、黒鉛粒子と、を含有する負極材料であって、
前記Si含有粒子の平均粒子径(D50)に対する前記黒鉛粒子の平均粒子径(D50)の比が1~8であり、
前記Si含有粒子と前記黒鉛粒子の合計に対する前記Si含有粒子の質量割合が10質量%~60質量%であり、
前記Si含有粒子1gを、25℃、60MPaで一軸方向に加圧して直径20mmのタブレット状に成形した場合に、得られる成形体の密度が、0.9g/cm3以上である、負極材料。
[2]前記Si含有粒子の平均粒子径(D50)が、2μm~10μmであり、かつ前記黒鉛粒子の平均粒子径(D50)が、5μm~25μmである、項[1]に記載の負極材料。
[3]前記Si含有粒子の平均粒子径(D50)に対する前記黒鉛粒子の平均粒子径(D50)の比が1.2~3.0である、項[1]または[2]に記載の負極材料。
[4]前記Si含有粒子と前記黒鉛粒子の合計に対する前記Si含有粒子の質量割合が20質量%~50質量%である、項[1]~[3]のいずれか1項に記載の負極材料。
[5]前記Si含有粒子が、炭素マトリックス中にSi含有ドメインが分散した、Si-C複合材料の粒子である、項[1]~[4]のいずれか1項に記載の負極材料。
[6]前記Si含有粒子中のSi含有量が、20質量%以上60質量%以下である、項[5]に記載の負極材料。
[7]負極集電体と、
前記負極集電体に支持された負極活物質層と、
を備える二次電池の負極であって、
前記負極活物質層が、項[1]~[6]のいずれか1項に記載の負極材料を含有する、二次電池の負極。
[8]負極集電体に、項[1]~[6]のいずれか1項の負極材料を含有する負極ペーストを塗工する工程と、
前記塗工された負極ペーストを乾燥して、負極活物質層を形成する工程と、
前記負極活物質層をプレスする工程と、
を備える、二次電池の負極の製造方法。
That is, the negative electrode material, the negative electrode of a secondary battery, and the method for producing the same disclosed herein are the following items [1] to [8].
[1] A negative electrode material containing Si-containing particles and graphite particles,
a ratio of the average particle size (D50) of the graphite particles to the average particle size (D50) of the Si-containing particles is 1 to 8;
a mass ratio of the Si-containing particles to the total mass of the Si-containing particles and the graphite particles is 10 mass% to 60 mass%;
a negative electrode material, wherein when 1 g of the Si-containing particles is uniaxially pressed at 25°C under 60 MPa to form a tablet having a diameter of 20 mm, the density of the resulting tablet is 0.9 g/ cm3 or more.
[2] The average particle diameter (D50) of the Si-containing particles is 2 μm to 10 μm, and the average particle diameter (D50) of the graphite particles is 5 μm to 25 μm. The negative electrode material according to [1].
[3] The ratio of the average particle diameter (D50) of the graphite particles to the average particle diameter (D50) of the Si-containing particles is 1.2 to 3.0. The negative electrode material according to item [1] or [2].
[4] The mass ratio of the Si-containing particles to the total of the Si-containing particles and the graphite particles is 20% by mass to 50% by mass. [1] The negative electrode material according to any one of [3] to [4].
[5] The negative electrode material according to any one of items [1] to [4], wherein the Si-containing particles are particles of a Si-C composite material in which Si-containing domains are dispersed in a carbon matrix.
[6] The negative electrode material according to item [5], wherein the Si content in the Si-containing particles is 20% by mass or more and 60% by mass or less.
[7] a negative electrode current collector;
a negative electrode active material layer supported on the negative electrode current collector;
A negative electrode of a secondary battery comprising:
The negative electrode active material layer contains the negative electrode material according to any one of items [1] to [6].
[8] A step of applying a negative electrode paste containing the negative electrode material according to any one of items [1] to [6] to a negative electrode current collector;
drying the applied negative electrode paste to form a negative electrode active material layer;
pressing the negative electrode active material layer;
A method for manufacturing a negative electrode of a secondary battery, comprising:
10 負極材料
12 黒鉛粒子
14 Si含有粒子
14a 炭素ドメイン
14b Si含有ドメイン
20 捲回電極体
30 電池ケース
36 安全弁
42 正極端子
42a 正極集電板
44 負極端子
44a 負極集電板
50 正極シート(正極)
52 正極集電体
52a 正極活物質層非形成部分
54 正極活物質層
60 負極シート(負極)
62 負極集電体
62a 負極活物質層非形成部分
64 負極活物質層
70 セパレータシート(セパレータ)
100 リチウムイオン二次電池
10 Negative electrode material 12 Graphite particle 14 Si-containing particle 14a Carbon domain 14b Si-containing domain 20 Wound electrode body 30 Battery case 36 Safety valve 42 Positive electrode terminal 42a Positive electrode current collector plate 44 Negative electrode terminal 44a Negative electrode current collector plate 50 Positive electrode sheet (positive electrode)
52 Positive electrode current collector 52a Positive electrode active material layer non-forming portion 54 Positive electrode active material layer 60 Negative electrode sheet (negative electrode)
62 Negative electrode current collector 62a Negative electrode active material layer non-forming portion 64 Negative electrode active material layer 70 Separator sheet (separator)
100 Lithium-ion secondary battery
Claims (4)
前記Si含有粒子は、炭素マトリックス中にSi含有ドメインが分散した、Si-C複合材料の粒子であり、
前記Si含有ドメインは、SiおよびSi酸化物の少なくともいずれかから構成されており、
前記Si含有ドメインは、微粒子であり、
前記Si含有ドメインの平均粒子径は、5nm~50nmであり、
前記Si含有粒子の円形度は、0.90~1であり、
前記黒鉛粒子の円形度は、0.85~1であり、
前記Si含有粒子中のSi含有量が、40質量%以上50質量%以下であり、
前記Si含有粒子の平均粒子径(D50)に対する前記黒鉛粒子の平均粒子径(D50)の比が1.4~2.5であり、
前記Si含有粒子の平均粒子径(D50)が、6μm~9μmであり、かつ前記黒鉛粒子の平均粒子径(D50)が、12μm~20μmであり、
前記Si含有粒子と前記黒鉛粒子の合計に対する前記Si含有粒子の質量割合が20質量%~50質量%であり、
前記Si含有粒子1gを、25℃、60MPaで一軸方向に加圧して直径20mmのタブレット状に成形した場合に、得られる成形体の密度が、1.0g/cm 3 以上1.5g/cm 3 以下である、負極材料。 A negative electrode material containing Si-containing particles and graphite particles,
the Si-containing particles are particles of a Si-C composite material in which Si-containing domains are dispersed in a carbon matrix;
the Si-containing domain is composed of at least one of Si and a Si oxide;
the Si-containing domains are fine particles,
the average particle size of the Si-containing domains is 5 nm to 50 nm;
the circularity of the Si-containing particles is 0.90 to 1;
The graphite particles have a circularity of 0.85 to 1;
The Si content in the Si-containing particles is 40% by mass or more and 50% by mass or less,
a ratio of the average particle size (D50) of the graphite particles to the average particle size (D50) of the Si-containing particles is 1.4 to 2.5 ;
the Si-containing particles have an average particle size (D50) of 6 μm to 9 μm, and the graphite particles have an average particle size (D50) of 12 μm to 20 μm;
a mass ratio of the Si-containing particles to the total mass of the Si-containing particles and the graphite particles is 20 mass% to 50 mass% ;
a negative electrode material, wherein when 1 g of the Si-containing particles is uniaxially pressed at 25°C under 60 MPa to form a tablet having a diameter of 20 mm, the density of the resulting tablet is 1.0 g/cm3 or more and 1.5 g/cm3 or less .
前記負極集電体に支持された負極活物質層と、
を備える二次電池の負極であって、
前記負極活物質層が、請求項1に記載の負極材料を含有する、二次電池の負極。 a negative electrode current collector;
a negative electrode active material layer supported on the negative electrode current collector;
A negative electrode of a secondary battery comprising:
10. A negative electrode for a secondary battery, wherein the negative electrode active material layer contains the negative electrode material according to claim 1.
前記塗工された負極ペーストを乾燥して、負極活物質層を形成する工程と、
前記負極活物質層をプレスする工程と、
を備える、二次電池の負極の製造方法。 a step of applying a negative electrode paste containing the negative electrode material according to claim 1 to a negative electrode current collector;
drying the applied negative electrode paste to form a negative electrode active material layer;
pressing the negative electrode active material layer;
A method for manufacturing a negative electrode of a secondary battery, comprising:
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