JPH11233116A - Electrode structure for lithium secondary battery, method for manufacturing the same, and lithium secondary battery - Google Patents
Electrode structure for lithium secondary battery, method for manufacturing the same, and lithium secondary batteryInfo
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- JPH11233116A JPH11233116A JP10048562A JP4856298A JPH11233116A JP H11233116 A JPH11233116 A JP H11233116A JP 10048562 A JP10048562 A JP 10048562A JP 4856298 A JP4856298 A JP 4856298A JP H11233116 A JPH11233116 A JP H11233116A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 容量低下を抑制し、長寿命なリチウム二次電
池を提供する。
【解決手段】 リチウムと合金化しない金属103を集
電体とし、その表面にリチウムと合金化する金属104
を配置したリチウム二次電池用電極構造体からなる負極
102において、充電・放電により起るリチウムと合金
化する金属104の体積変化にともない、集電体として
用いた金属103が変形するようにする。該リチウム二
次電池用電極構造体を負極として用いたリチウム二次電
池。
(57) [Problem] To provide a long-life lithium secondary battery that suppresses capacity reduction. SOLUTION: A metal 103 which is not alloyed with lithium is used as a current collector, and a metal 104 which is alloyed with lithium is provided on the surface of the current collector.
In the negative electrode 102 made of the electrode structure for a lithium secondary battery in which is disposed, the metal 103 used as the current collector is deformed according to the volume change of the metal 104 alloyed with lithium caused by charging and discharging. . A lithium secondary battery using the electrode structure for a lithium secondary battery as a negative electrode.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、リチウム二次電池
用電極構造体、その製造方法及び該構造体を負極に用い
た二次電池に関する。特に、充放電の繰り返しにより発
生する集電体の破断を防ぎ、容量低下を抑えることが可
能なリチウム二次電池に関する。The present invention relates to an electrode structure for a lithium secondary battery, a method for producing the same, and a secondary battery using the structure as a negative electrode. In particular, the present invention relates to a lithium secondary battery capable of preventing a current collector from being broken due to repetition of charge and discharge and suppressing a decrease in capacity.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、二次電池は環境保護の問題や携帯
用機器の普及により、従来にも増して種々検討されてい
る。環境保護の問題に関しては、現行の化石燃料で走る
車から排出される炭酸ガスを、電気自動車に代えること
により、無くそうとする研究が進められている。また、
電力を有効に活用しようという観点から、ロードレベリ
ング用の二次電池についても研究されている。これらの
二次電池に要求される性能として、高容量、軽量、長寿
命、低コストがある。一方、携帯用機器としては、特に
高容量で小形、軽量であることが要求されている。2. Description of the Related Art In recent years, due to the problem of environmental protection and the spread of portable devices, various studies have been made on secondary batteries more than ever. Regarding the problem of environmental protection, research is being conducted to eliminate carbon dioxide emitted from vehicles running on current fossil fuels by replacing them with electric vehicles. Also,
From the viewpoint of effectively utilizing power, secondary batteries for load leveling have also been studied. The performance required for these secondary batteries includes high capacity, light weight, long life, and low cost. On the other hand, portable devices are required to be particularly high-capacity, small, and lightweight.
【0003】これらの特性を満足するものとして、ニッ
ケル・水素二次電池とリチウム二次電池が実用化され、
さらに、より高性能を求めて研究開発が精力的に行われ
ている。ニッケル・水素二次電池は軽量という点ではリ
チウム二次電池に比べて劣るものの、低コストである事
や、製造のしやすさ等から、携帯用機器の電源として、
また、一部ではあるが電気自動車用電源としても実用化
され始めている。To satisfy these characteristics, nickel-hydrogen secondary batteries and lithium secondary batteries have been put into practical use.
Furthermore, research and development are being vigorously pursued for higher performance. Nickel-metal hydride rechargeable batteries are inferior to lithium rechargeable batteries in that they are lightweight, but because of their low cost and ease of manufacture, they can be used as power sources for portable devices.
In addition, it has begun to be practically used as a power source for electric vehicles, though partly.
【0004】一方、リチウム二次電池は当初、金属リチ
ウムを用いていたが、負極でリチウムのデンドライトが
生成しやすく、寿命が短い、ショートしやすい等問題が
あった。この問題点を解決する手段として、負極にカー
ボンを用い、正極にコバルト酸リチウムやニッケル酸リ
チウム等を用いたリチウムイオン二次電池が開発され、
製品化された。この電池は、充放電によりカーボン結晶
の層間にリチウムイオンを出し入れするため、デンドラ
イトは極めて生成しにくく上記のような問題は発生しに
くい。このため、現在、携帯機器用電源として広く使用
されている。On the other hand, lithium secondary batteries initially used metallic lithium. However, there were problems such as that lithium dendrite was easily generated at the negative electrode, the life was short, and short-circuit was easy. As a means for solving this problem, a lithium ion secondary battery using carbon for the negative electrode and lithium cobaltate or lithium nickelate for the positive electrode has been developed,
Commercialized. In this battery, lithium ions are taken in and out between carbon crystal layers by charge / discharge, so that dendrites are extremely unlikely to be generated, and the above-described problems are unlikely to occur. For this reason, it is currently widely used as a power source for portable devices.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】上記のリチウムイオン
二次電池は、金属リチウムを負極活物質に使用するリチ
ウム二次電池に比べて、リチウム二次電池の特徴である
高エネルギ密度を充分には達成していない。これは、金
属リチウムの容量密度が3850mAh/gであるのに
対し、カーボンの容量密度が372mAh/gであるこ
とに起因している。このため、本来のリチウム二次電池
が実用化されているとは言い難い。The above-mentioned lithium ion secondary battery has a sufficiently high energy density, which is a feature of the lithium secondary battery, as compared with a lithium secondary battery using metallic lithium as a negative electrode active material. Not achieved. This is because the capacity density of metallic lithium is 3850 mAh / g, while the capacity density of carbon is 372 mAh / g. For this reason, it cannot be said that the original lithium secondary battery has been put to practical use.
【0006】リチウム金属本来の容量密度に近ずけ、か
つデンドライトの生成を抑制する方法として、リチウム
−アルミニウムなどのリチウム合金を用いる方法が開示
されている。たとえば、特開昭63−13264号公
報、特開平5−47381号公報、特開平5−1901
71号公報がある。しかしながら、負極にリチウム合金
を使用しても、放電を繰り返すうちに、負極が膨張・収
縮を繰り返し、負極にクラックなどが生じ充分な集電性
を維持できなくなる場合があった。A method using a lithium alloy such as lithium-aluminum is disclosed as a method for approaching the intrinsic capacity density of lithium metal and suppressing the generation of dendrite. For example, JP-A-63-13264, JP-A-5-47381, JP-A-5-1901
No. 71 publication. However, even when a lithium alloy is used for the negative electrode, the negative electrode repeatedly expands and contracts during repeated discharges, and cracks and the like may occur in the negative electrode, making it impossible to maintain a sufficient current collecting property.
【0007】また、特開昭63−114057号公報に
は繊維状アルミニウムとリチウムと合金化しない金属繊
維との混合体を基体とした負極が示されている。しか
し、この場合は、充放電に伴う繊維状アルミニウムの膨
張、収縮によりリチウムと合金化しない金属繊維との結
合力の低下やそれとの界面でのクラックの発生が生じ、
充分な集電性を維持できない場合があった。Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-114057 discloses a negative electrode having a base made of a mixture of fibrous aluminum and metal fibers which do not alloy with lithium. However, in this case, due to expansion and contraction of the fibrous aluminum due to charge and discharge, a decrease in the bonding force between lithium and a metal fiber that does not alloy with lithium and generation of cracks at the interface therewith occur.
In some cases, sufficient current collecting properties could not be maintained.
【0008】さらに、特開平5−234585号公報に
はリチウム金属からなる基材の表面に、リチウム金属と
の金属間化合物を生成しにくい金属粉末を一様に付着さ
せデンドライトの析出を少なくし、充電効率を高くし
て、サイクル寿命を向上させる電池が示されている。し
かし、基材であるリチウム金属は充放電により、膨張、
収縮を繰り返し、付着させた粉末の脱落や基材のクラッ
クを生じる結果、上述したように負極の充分な集電性の
維持やデンドライトの析出の制御が充分にできなくなる
場合がある。Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 5-234585 discloses a method of uniformly depositing a metal powder which hardly forms an intermetallic compound with lithium metal on the surface of a substrate made of lithium metal to reduce precipitation of dendrite. A battery is disclosed that increases charging efficiency and improves cycle life. However, lithium metal, which is the base material, expands due to charge and discharge,
As a result of repeated shrinkage, the attached powder may fall off or the substrate may crack, as described above, sufficient current collection of the negative electrode may not be maintained and dendrite deposition may not be sufficiently controlled.
【0009】また、JOURNAL OF APPLI
ED ELECTROCEHMISTRY 22,62
0−627,(1992)には、表面をエッチング処理
したアルミニウム箔を負極に用いたリチウム二次電池の
報告がされている。しかし、充放電サイクルを実用域ま
で繰り返すと、充放電の繰り返しでアルミニウム箔に亀
裂が入り、集電性の低下と共にデンドライトの成長が起
る。したがって、この場合も実用レベルでの長寿命の二
次電池は得られていない。Also, JOURNAL OF APPLI
ED ELECTROCEHMISTRY 22,62
0-627, (1992), report of a lithium secondary battery using an aluminum foil whose surface has been subjected to an etching treatment as a negative electrode. However, when the charge / discharge cycle is repeated up to the practical range, the aluminum foil is cracked by the repetition of charge / discharge, and the current collecting property is reduced and dendrite growth occurs. Therefore, even in this case, a secondary battery having a long life at a practical level has not been obtained.
【0010】これらの欠点の多くを解決した発明が特開
平8−50922号公報で開示されている。これは、負
極がリチウムと合金を作る金属元素とリチウムと合金を
作らない金属元素で構成し、リチウムと合金を作らない
金属を配置した集電部から負極側の出力端子を引き出す
ことにより、上記のような問題点を解決し、長寿命で高
エネルギ密度の電池を達成している。しかしながら、よ
りエネルギ密度を高めるためには、正極、負極、セパレ
ータを効率よく捲回あるいは積層して、ケースに高密度
に充填して電池を作製した場合には、充電によってリチ
ウムと合金を作る金属は体積が膨張し、このため、リチ
ウムと合金を作らない金属を配した集電部に亀裂が発生
し、負極が切断される事になり、負極の集電能が低下す
る場合があった。このため、高エネルギ密度は得られる
ものの、サイクル寿命特性に関しては満足できるもので
はなかった。An invention which solves many of these disadvantages is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-50922. This is because the negative electrode is composed of a metal element that forms an alloy with lithium and a metal element that does not form an alloy with lithium, and the output terminal on the negative electrode side is pulled out from the current collector where the metal that does not form an alloy with lithium is arranged. And a battery having a long life and a high energy density has been achieved. However, in order to further increase the energy density, when a positive electrode, a negative electrode, and a separator are efficiently wound or laminated, and a case is densely filled to produce a battery, a metal that forms an alloy with lithium by charging is used. In this case, the volume expands, and as a result, a crack is generated in a current collecting portion provided with a metal that does not form an alloy with lithium, so that the negative electrode is cut off and the current collecting ability of the negative electrode may be reduced. For this reason, although high energy density can be obtained, cycle life characteristics have not been satisfactory.
【0011】本発明は、上記の問題点を解決し、長寿命
で高容量のリチウム二次電池、及びそのリチウム二次電
池用電極構造体とその製造方法を提供することを目的と
する。An object of the present invention is to solve the above problems and to provide a long-life, high-capacity lithium secondary battery, an electrode structure for the lithium secondary battery, and a method of manufacturing the same.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】即ち、本発明の第一の発
明は、リチウムと合金化しない金属を集電体とし、その
表面にリチウムと合金化する金属を配置したリチウム二
次電池用電極構造体において、充電・放電によるリチウ
ムと合金化する金属の体積変化に伴い、集電体として用
いたリチウムと合金化しない金属が変形することを特徴
とするリチウム二次電池用電極構造体である。That is, a first aspect of the present invention is an electrode for a lithium secondary battery in which a metal that does not alloy with lithium is used as a current collector, and a metal that alloys with lithium is disposed on the surface of the current collector. An electrode structure for a lithium secondary battery, wherein a metal that does not alloy with lithium used as a current collector is deformed in accordance with a change in volume of a metal that alloys with lithium due to charge and discharge. .
【0013】前記リチウムと合金化しない金属の材質が
ニッケル、銅、チタン、鉄、コバルト、クロム、タング
ステン、銀もしくはこれらの組み合わせであるのが好ま
しい。前記リチウムと合金化しない金属が二次元または
三次元的に空孔を有することが好ましい。前記リチウム
と合金化しない金属の空孔率が5〜50%であることが
好ましい。It is preferable that the material of the metal not alloyed with lithium is nickel, copper, titanium, iron, cobalt, chromium, tungsten, silver or a combination thereof. It is preferable that the metal that does not alloy with lithium has pores two-dimensionally or three-dimensionally. It is preferable that the porosity of the metal not alloyed with lithium is 5 to 50%.
【0014】前記リチウムと合金化しない金属がパンチ
ングメタル、フェルト、エキスパンド、発泡体であるこ
とが好ましい。前記リチウムと合金化しない金属に、切
れ目が設けられていることが好ましい。前記リチウムと
合金化しない金属の厚さが8〜15μmであることが好
ましい。It is preferable that the metal not alloyed with lithium is a punched metal, felt, expanded, or foam. It is preferable that a cut is provided in the metal that is not alloyed with lithium. It is preferable that the thickness of the metal that does not alloy with lithium is 8 to 15 μm.
【0015】前記リチウムと合金化する金属がアルミニ
ウム、錫、インジウム、亜鉛、鉛、マグネシウム、カリ
ウム、ナトリウム、カルシウム、ストロンチウム、シリ
コンもしくはこれらの組み合わせであることが好まし
い。前記リチウムと合金化する金属の空孔率が20〜8
0%であることが好ましい。前記リチウムと合金化する
金属の厚さが10〜50μmであることが好ましい。It is preferable that the metal to be alloyed with lithium is aluminum, tin, indium, zinc, lead, magnesium, potassium, sodium, calcium, strontium, silicon or a combination thereof. The porosity of the metal alloyed with lithium is 20 to 8
It is preferably 0%. It is preferable that the thickness of the metal alloyed with lithium is 10 to 50 μm.
【0016】本発明の第二の発明は、充電・放電による
リチウムと合金化する金属の体積変化に伴い、集電体と
して用いたリチウムと合金化しない金属が変形するリチ
ウム二次電池用電極構造体の製造方法であって、リチウ
ムと合金化しない金属を集電体とし、その表面にリチウ
ムと合金化する金属を配置することを特徴とするリチウ
ム二次電池用電極構造体の製造方法である。According to a second aspect of the present invention, there is provided an electrode structure for a lithium secondary battery in which a metal which is not alloyed with lithium used as a current collector is deformed in accordance with a change in volume of a metal which is alloyed with lithium by charge / discharge. A method for producing an electrode structure for a lithium secondary battery, comprising: using a metal that does not alloy with lithium as a current collector; and disposing a metal that alloys with lithium on the surface of the current collector. .
【0017】前記リチウムと合金化しない金属に対し
て、リチウムと合金化する金属の配置方法が、リチウム
と合金化する金属の粉末をバインダ溶液と混合して、ス
ラリ状として、塗工、充填するのが好ましい。The method of arranging the metal that is to be alloyed with lithium with respect to the metal that is not to be alloyed with lithium is as follows. Is preferred.
【0018】前記リチウムと合金化しない金属にリチウ
ムと合金化する金属を配置する際、バインダとして、ポ
リビニルアルコール、セルロース、ポリテトラフルオロ
エチレン、ポリフッ化ビニリデンの少なくとも一種以上
を用い、リチウムと合金化する金属の粉未をスラリ状と
した後、リチウムと合金化しない金属に塗工するのが好
ましい。When arranging a metal which is to be alloyed with lithium on the metal which is not to be alloyed with lithium, at least one of polyvinyl alcohol, cellulose, polytetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride is used as a binder and alloyed with lithium. After the metal powder is formed into a slurry, it is preferable to apply the metal to a metal that does not alloy with lithium.
【0019】前記バインダとリチウムと合金化する金属
をスラリとする際、導電剤を添加することが好ましい。
前記導電剤がカーボンであることが好ましい。When a metal which is alloyed with the binder and lithium is used as a slurry, a conductive agent is preferably added.
Preferably, the conductive agent is carbon.
【0020】前記リチウムと合金化しない金属に対し
て、リチウムと合金化する金属の配置方法が、リチウム
と合金化する金属を電解メッキ法、無電解メッキ法、レ
ーザメッキ法、スパッタリング法、抵抗加熱蒸着法、電
子ビーム蒸着法、熱CVD法、減圧CVD法、プラズマ
CVD法、レーザCVD法から選ばれた少なくとも一つ
以上の組み合わせであることが好ましい。With respect to the metal not alloying with lithium, the method of arranging the metal alloying with lithium is as follows: the metal alloying with lithium is formed by electrolytic plating, electroless plating, laser plating, sputtering, or resistance heating. It is preferable to use a combination of at least one selected from an evaporation method, an electron beam evaporation method, a thermal CVD method, a reduced pressure CVD method, a plasma CVD method, and a laser CVD method.
【0021】前記シート状のリチウムと合金化しない金
属をリチウムと合金化する金属の表面に配置した後、パ
ンチング状またはエキスパンド状にすることが好まし
い。前記リチウムと合金化しない金属がパンチング状、
エキスパンド状であって、そこヘリチウムと合金化する
金属を配置することが好ましい。It is preferable that the sheet-shaped metal not being alloyed with lithium is disposed on the surface of the metal to be alloyed with lithium and then punched or expanded. The metal not alloyed with lithium is punched,
It is preferable to arrange a metal which is in an expanded state and alloys with helium.
【0022】本発明の第三の発明は、上記のリチウム二
次電池用電極構造体からなることを特徴とするリチウム
二次電池用負極である。According to a third aspect of the present invention, there is provided a negative electrode for a lithium secondary battery, comprising the above electrode structure for a lithium secondary battery.
【0023】本発明の第四の発明は、リチウム二次電池
用正極と、リチウムと合金化しない金属を集電体とし、
その表面にリチウムと合金化する金属を配置してなり、
充電・放電によるリチウムと合金化する金属の体積変化
に伴い、集電体として用いたリチウムと合金化しない金
属が変形するリチウム二次電池用電極構造体からなる負
極をセパレータを介して捲回してなることを特徴とする
リチウム二次電池である。According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a positive electrode for a lithium secondary battery, and a metal which is not alloyed with lithium as a current collector,
A metal alloying with lithium is placed on the surface,
Along with the volume change of the metal alloyed with lithium due to charge / discharge, the negative electrode consisting of the electrode structure for a lithium secondary battery in which the metal that does not alloy with lithium used as the current collector is deformed is wound through a separator. A lithium secondary battery characterized in that:
【0024】前記リチウムと合金化しない金属の材質が
ニッケル、銅、チタン、鉄、コバルト、クロム、タング
ステン、銀もしくはこれらの組み合わせであるのが好ま
しい。It is preferable that the material of the metal not alloyed with lithium is nickel, copper, titanium, iron, cobalt, chromium, tungsten, silver or a combination thereof.
【0025】前記リチウムと合金化しない金属が二次元
または三次元的に空孔を有することが好ましい。前記リ
チウムと合金化しない金属の空孔率が5〜50%である
ことが好ましい。前記リチウムと合金化しない金属がパ
ンチングメタル、フェルト、エキスパンドまたは発泡体
であることが好ましい。It is preferable that the metal not alloyed with lithium has two-dimensional or three-dimensional vacancies. It is preferable that the porosity of the metal not alloyed with lithium is 5 to 50%. Preferably, the metal that does not alloy with lithium is a punched metal, felt, expanded or foamed material.
【0026】前記リチウムと合金化しない金属に、切れ
目が設けられていることが好ましい。前記リチウムと合
金化しない金属の厚さが8〜15μmであることが好ま
しい。前記リチウムと合金化する金属がアルミニウム、
錫、インジウム、亜鉛、鉛、マグネシウム、カリウム、
ナトリウム、カルシウム、ストロンチウム、シリコンも
しくはこれらの組み合わせであることが好ましい。It is preferable that the metal not being alloyed with lithium has a cut. It is preferable that the thickness of the metal that does not alloy with lithium is 8 to 15 μm. The metal alloyed with lithium is aluminum,
Tin, indium, zinc, lead, magnesium, potassium,
Preferably it is sodium, calcium, strontium, silicon or a combination thereof.
【0027】前記リチウムと合金化する金属の空孔率が
20〜80%であることが好ましい。前記リチウムと合
金化する金属の厚さが10〜50μmであることが好ま
しい。前記正極の集電体としてアルミニウムを用いるこ
とが好ましい。The porosity of the metal alloyed with lithium is preferably 20 to 80%. It is preferable that the thickness of the metal alloyed with lithium is 10 to 50 μm. It is preferable to use aluminum as the current collector of the positive electrode.
【0028】前記正極の集電体がシート状、パンチング
メタル、フェルト、エキスパンドまたは発泡体であるこ
とが好ましい。前記正極の集電体として用いるシート、
エキスパンドまたはパンチングメタルの厚さが15〜3
0μmであることが好ましい。前記正極の活物質とし
て、ニッケル酸リチウムもしくはニッケルの一部をマン
ガン、コバルト、マグネシウムで置換した材料を用いる
ことが好ましい。前記正極に対する負極の厚さの割合が
20〜50%であることが好ましい。Preferably, the current collector of the positive electrode is a sheet, punched metal, felt, expanded or foamed material. A sheet used as a current collector for the positive electrode,
Expanded or punched metal thickness 15-3
It is preferably 0 μm. It is preferable to use lithium nickelate or a material in which part of nickel is replaced with manganese, cobalt, or magnesium as the active material of the positive electrode. The ratio of the thickness of the negative electrode to the positive electrode is preferably 20 to 50%.
【0029】また、本発明は、上記のリチウム二次電池
用正極と、リチウムと合金化しない金属を集電体とし、
その表面にリチウムと合金化する金属を配置してなり、
充電・放電によりリチウムと合金化する金属の体積変化
に伴い、集電体として用いたリチウムと合金化しない金
属が変形するリチウム二次電池用電極構造体からなる負
極をセパレータを介して捲回してなる二次電池におい
て、電池ケースの内径の断面積から正極、負極およびセ
パレータの断面積の合計を引いた断面積が負極のリチウ
ムと合金化する金属の断面積の0.3〜1.0倍である
事を特徴とするリチウム二次電池である。前記セパレー
タがフィルム状のポリプロピレンあるいはポリエチレン
からなり、厚さが15〜40μmであることが好まし
い。Further, the present invention provides a positive electrode for a lithium secondary battery as described above and a metal which is not alloyed with lithium as a current collector,
A metal alloying with lithium is placed on the surface,
With the change in volume of the metal that is alloyed with lithium by charging and discharging, the metal that is not alloyed with lithium used as the current collector is deformed. In the secondary battery, the cross-sectional area obtained by subtracting the total cross-sectional area of the positive electrode, the negative electrode, and the separator from the cross-sectional area of the inner diameter of the battery case is 0.3 to 1.0 times the cross-sectional area of the metal alloyed with lithium of the negative electrode. It is a lithium secondary battery characterized by the following. Preferably, the separator is made of a film-like polypropylene or polyethylene, and has a thickness of 15 to 40 μm.
【0030】また、本発明は、上記のリチウム二次電池
用正極と、リチウムと合金化しない金属を集電体とし、
その表面にリチウムと合金化する金属を配置してなり、
充電・放電によりリチウムと合金化する金属の体積変化
に伴い、集電体として用いたリチウムと合金化しない金
属が変形するリチウム二次電池用電極構造体からなる負
極をセパレータを介して捲回してなる二次電池におい
て、セパレータがフィルムと不織布からなることを特徴
とするリチウム二次電池である。前記セパレータがポリ
プロピレンあるいはポリエチレンからなり、厚さが15
〜50μmであることが好ましい。The present invention also provides a positive electrode for a lithium secondary battery as described above, and a metal which is not alloyed with lithium as a current collector.
A metal alloying with lithium is placed on the surface,
With the change in volume of the metal that is alloyed with lithium by charging and discharging, the metal that is not alloyed with lithium used as the current collector is deformed. The separator is a lithium secondary battery, wherein the separator comprises a film and a nonwoven fabric. The separator is made of polypropylene or polyethylene and has a thickness of 15
It is preferably from 50 μm to 50 μm.
【0031】また、本発明は、上記のリチウム二次電池
用正極と、リチウムと合金化しない金属を集電体とし、
その表面にリチウムと合金化する金属を配置してなり、
充電・放電によりリチウムと合金化する金属の体積変化
に伴い、集電体として用いたリチウムと合金化しない金
属が変形するリチウム二次電池用電極構造体からなる負
極をセパレータを介して捲回してなる二次電池におい
て、少なくともセパレータとして不織布を有し、電解液
がゲル状であることを特徴とするリチウム二次電池であ
る。Further, the present invention provides a positive electrode for a lithium secondary battery as described above, and a metal which is not alloyed with lithium as a current collector,
A metal alloying with lithium is placed on the surface,
With the change in volume of the metal that is alloyed with lithium by charging and discharging, the metal that is not alloyed with lithium used as the current collector is deformed. A lithium secondary battery comprising: a non-woven fabric as at least a separator; and an electrolyte in a gel state.
【0032】前記セパレータがポリプロピレンあるいは
ポリエチレンからなり、厚さが15〜40μmであるこ
とが好ましい。前記ゲル化剤として、ポリエチレンオキ
サイド、ポリビニルアルコールまたはポリアクリルアミ
ドを用いることが好ましい。Preferably, the separator is made of polypropylene or polyethylene and has a thickness of 15 to 40 μm. It is preferable to use polyethylene oxide, polyvinyl alcohol or polyacrylamide as the gelling agent.
【0033】[0033]
【発明の実施の形態】本発明者は、上記問題点を解決す
べく検討した結果、リチウムと合金化する金属は、充電
によってリチウムと金属の金属間化合物になり、体積が
膨張することを確認した。膨張の度合いは、用いる金属
の種類や充電のレベルによって異なる。この膨張の度合
いが大きいと、リチウムと合金化しない金属である集電
体に応力がかかり、亀裂が発生し、この集電体が破断す
る場合が起る。場合によっては、複数に破断される事も
ある。本発明は、これらの結果を見出したことに起因し
ている。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION As a result of study to solve the above problems, the present inventor has confirmed that a metal alloyed with lithium becomes an intermetallic compound of lithium and metal upon charging, and that the volume expands. did. The degree of expansion depends on the type of metal used and the level of charge. If the degree of the expansion is large, a stress is applied to the current collector, which is a metal not alloyed with lithium, and a crack is generated, which may cause the current collector to break. In some cases, it may be broken into multiple pieces. The present invention is based on the finding of these results.
【0034】上記問題点を解決し、目的を達成するため
には、リチウム二次電池用電極構造体として、少なくと
も、リチウムと合金化しない金属を集電体とし、その表
面にリチウムと合金化する金属を配置したリチウム二次
電池用電極構造体において、充電・放電によりリチウム
と合金化する金属の体積変化にともない集電体として用
いたリチウムと合金化しない金属が変形することを特徴
とする必要がある。In order to solve the above problems and achieve the object, at least a metal which is not alloyed with lithium is used as a current collector for an electrode structure for a lithium secondary battery, and the surface thereof is alloyed with lithium. In the electrode structure for a lithium secondary battery in which a metal is disposed, it is necessary that the metal that is not alloyed with lithium used as the current collector is deformed due to a change in volume of the metal that is alloyed with lithium by charging and discharging. There is.
【0035】本発明のリチウム二次電池用電極構造体
は、二次電池の負極および正極、リチウム一次電池の負
極および正極にも用いることができるが、例えばリチウ
ム二次電池用負極として用いるのが好ましい。The electrode structure for a lithium secondary battery of the present invention can be used as a negative electrode and a positive electrode of a secondary battery and a negative electrode and a positive electrode of a lithium primary battery. preferable.
【0036】また、本発明のリチウム二次電池は、リチ
ウム二次電池用正極とリチウムと合金化しない金属を集
電体とし、その表面にリチウムと合金化する金属を配置
したリチウム二次電池用電極構造体からなる負極をセパ
レータを介して捲回した電池(放電状態)において、電
池缶の横断面積(電池缶内周の断面積)から正極の横断
面積と負極の横断面積とセパレータの横断面積を引いた
横断面積(隙間の横断面積)が負極のリチウムと合金化
する金属の横断面積の0.3〜1.0倍、好ましくは
0.4〜0.8倍である事を特徴とする。この場合の隙
間の横断面積には、捲回時の捲回軸の横断面積が含まれ
る。Further, the lithium secondary battery of the present invention is a lithium secondary battery having a positive electrode for a lithium secondary battery, a current collector made of a metal that does not alloy with lithium, and a metal that is alloyed with lithium disposed on the surface thereof. In a battery (discharged state) in which a negative electrode composed of an electrode structure is wound via a separator, the cross-sectional area of the positive electrode, the cross-sectional area of the negative electrode, and the cross-sectional area of the separator are calculated from the cross-sectional area of the battery can (cross-sectional area of the inner circumference of the battery can). Is 0.3 to 1.0 times, preferably 0.4 to 0.8 times the cross sectional area of the metal alloyed with lithium of the negative electrode. . The cross-sectional area of the gap in this case includes the cross-sectional area of the winding axis at the time of winding.
【0037】また、本発明のリチウム二次電池は、リチ
ウム二次電池用正極とリチウムと合金化しない金属を集
電体とし、その表面にリチウムと合金化する金属を配置
したリチウム二次電池用電極構造体からなる負極をセパ
レータを介して捲回した電池において、セパレータがフ
ィルムと不織布からなることを特徴とする。Further, the lithium secondary battery of the present invention is a lithium secondary battery having a positive electrode for a lithium secondary battery, a current collector made of a metal not alloyed with lithium, and a metal alloyed with lithium disposed on the surface thereof. In a battery in which a negative electrode composed of an electrode structure is wound via a separator, the separator is made of a film and a nonwoven fabric.
【0038】これらの本発明の作用としては、充電・放
電によってリチウムと合金化する金属が膨張する際、リ
チウムと合金化しない金属を集電体として用いた場合
に、集電体に変形を起こさせることにより、リチウム二
次電池用電極構造体からなる負極の亀裂や破断を未然に
防ぐことである。集電体の変形は、集電体の材質や、
形状を選択することによる方法、捲回形電池において
は電池設計を最適化する方法、セパレータとして収縮
可能なものを用いる方法によって適切に生じさせること
ができる。これらを施すことにより、高容量でかつ長寿
命なリチウム二次電池を得る事ができる。The function of the present invention is as follows. When a metal that is alloyed with lithium expands due to charge and discharge, when a metal that is not alloyed with lithium is used as the current collector, the current collector is deformed. By doing so, cracking or breaking of the negative electrode comprising the electrode structure for a lithium secondary battery is to be prevented beforehand. The deformation of the current collector depends on the material of the current collector,
It can be appropriately generated by a method by selecting a shape, a method of optimizing a battery design in a wound type battery, and a method of using a shrinkable separator. By performing these, a lithium secondary battery having high capacity and long life can be obtained.
【0039】集電体の形状や材質を選定する方法として
は二次元的あるいは三次元的に空隙を持たせる事が重要
である。具体的には、集電体がパンチングメタル、フェ
ルト、エキスパンド、発泡体であり、適宜空隙を設ける
ことが望ましい。これらの形状にする事によって、充電
によってリチウムと合金化する金属の体積が膨張するの
に伴って、リチウムと合金化しない金属である集電体も
容易に膨張する。リチウム二次電池用電極構造体からな
る負極の膨張は主に集電体の二次元あるいは三次元的な
空隙方向に向かって膨張し、変形する。このため、比較
的狭い範囲で応力を緩和する事ができ、亀裂や破断する
ことがない。As a method of selecting the shape and material of the current collector, it is important to provide a two-dimensional or three-dimensional space. Specifically, the current collector is a punched metal, felt, expanded, or foamed material, and it is desirable to provide an appropriate gap. With these shapes, the current collector, which is a metal that does not alloy with lithium, easily expands as the volume of the metal that alloys with lithium expands upon charging. The expansion of the negative electrode comprising the electrode structure for a lithium secondary battery expands and deforms mainly in the two-dimensional or three-dimensional void direction of the current collector. Therefore, the stress can be relieved in a relatively narrow range, and there is no crack or breakage.
【0040】集電体の空孔率(集電体内に存在する空孔
の体積比率)は、単位体積あたりの空間の割合を示し、
おおよそ5〜50%、好ましくは20〜40%が望まし
い。この理由としては、5%未満では、リチウムと合金
化する金属やリチウムと合金化しない金属の種類や集電
体の種類によっては充電時に起こるリチウムと金属の合
金化によって起こる膨張を完全に吸収する事ができな
い。50%を越えると、集電性の低下、製造の困難さ等
が課題となる。また、集電体に切れ目を入れることも有
効で、リチウムと合金化する金属の体積膨張による応力
を緩和できる。The porosity of the current collector (volume ratio of vacancies existing in the current collector) indicates the ratio of space per unit volume.
Approximately 5 to 50%, preferably 20 to 40% is desirable. The reason for this is that if it is less than 5%, depending on the type of metal alloyed with lithium, the type of metal not alloyed with lithium, and the type of current collector, the expansion caused by the alloying of lithium and metal during charging is completely absorbed. I can't do things. If it exceeds 50%, problems such as a decrease in current collecting properties and difficulty in production will occur. It is also effective to make a cut in the current collector, and the stress due to the volume expansion of the metal alloyed with lithium can be reduced.
【0041】尚、空孔率は、集電体の重量/集電体の見
かけの体積(集電体の外見上の形状、例えばシートであ
ればシートとしての体積)=見かけの密度、見かけの密
度/集電体の真密度(集電体材料の組成より求めた集電
体材料の実際の密度)=空孔率という式に従って求め
る。The porosity is defined as the weight of the current collector / the apparent volume of the current collector (the external shape of the current collector, for example, the volume of a sheet if it is a sheet) = the apparent density and the apparent density. The density / true density of the current collector (actual density of the current collector material obtained from the composition of the current collector material) = porosity.
【0042】一方、集電体が一般的なシート状を用いる
場合、両側ともにセパレータを介して正極で押えられて
おり、比較的狭い範囲で応力を緩和する事ができない
為、応力が集中したところで亀裂や破断が起ることもあ
る。リチウムと合金化しない金属である集電体とリチウ
ムと合金化する金属の密着が弱い場合には、リチウムと
合金化する金属が集電体から剥離する場合もある。従っ
て、上述したように集電体の材質、形状の選択を行い、
集電体の剥離、亀裂の発生を防ぐ。On the other hand, when the current collector is in the form of a general sheet, both sides are pressed by the positive electrode via the separator, and the stress cannot be relaxed in a relatively narrow range. Cracks and fractures may occur. When the current collector that is a metal that does not alloy with lithium and the metal that forms an alloy with lithium have low adhesion, the metal that forms an alloy with lithium may peel off from the current collector. Therefore, the material and shape of the current collector are selected as described above,
Prevents current collector peeling and cracking.
【0043】集電体の材料として用いるリチウムと合金
化しない集電体の材質として、ニッケル、銅、チタン、
鉄、コバルト、クロム、タングステン、銀もしくはこれ
らの組合わせとし、かつ、リチウムと合金化する金属と
してアルミニウム、錫、インジウム、亜鉛、鉛、マグネ
シウム、カリウム、ナトリウム、カルシウム、ストロン
チウム、シリコンもしくはこれらの組合わせがある。Nickel, copper, titanium, nickel, copper, titanium, and the like, which are not alloyed with lithium used as the material of the current collector.
Aluminum, tin, indium, zinc, lead, magnesium, potassium, sodium, calcium, strontium, silicon or a combination of these as iron, cobalt, chromium, tungsten, silver or a combination thereof and a metal alloying with lithium There is a match.
【0044】一方、前述したようにリチウム二次電池用
正極とリチウムと合金化しない金属を集電体とし、その
表面にリチウムと合金化する金属を配置したリチウム二
次電池用電極構造体からなる負極をセパレー夕を介して
捲回した電池において、電池缶の断面積から正極の断面
積と負極の断面積とセパレータの断面積を引いた断面積
が負極のリチウムと合金化する金属の断面積の0.3〜
1.0倍である事を特徴としたリチウム二次電池の作用
は充電によりリチウムと合金化した金属の体積が膨張し
た場合に、電池ケース内に隙間を設けて、リチウムと合
金化しない金属が変形する事によって応力を緩和させる
事である。On the other hand, as described above, the current collector comprises a positive electrode for a lithium secondary battery and a metal which does not alloy with lithium, and has an electrode structure for a lithium secondary battery in which a metal which alloys with lithium is disposed on the surface thereof. In a battery in which the negative electrode is wound through a separator, the cross-sectional area obtained by subtracting the cross-sectional area of the positive electrode, the cross-sectional area of the negative electrode, and the cross-sectional area of the separator from the cross-sectional area of the battery can is the cross-sectional area of the metal that is alloyed with lithium of the negative electrode. 0.3 ~
The function of the lithium secondary battery, characterized by being 1.0 times, is that when the volume of the metal alloyed with lithium expands due to charging, a gap is provided in the battery case to allow the metal not alloyed with lithium to be formed. It is to relieve stress by deforming.
【0045】捲回した電池では、一般に、捲回群の中央
部に製造面からの制約で隙間ができている。この隙間は
鋼やステンレス等で出来ている2本の軸を中心にして、
セパレータを介して正極と負極を捲回し、電池ケースに
充填する際、この軸を取り除くために発生する。高容量
化のためにはこの隙間を小さくする事が重要な課題とな
っている。実際、体積変化が比較的少ないリチウムイオ
ン電池では、重要な課題である。ところが、負極にリチ
ウムと合金化するする金属を用いた電池では負極の体積
変化が大きいので、捲回群の中央部の隙間や捲回群の外
周とケースの隙間を適正化しないと、集電体であるリチ
ウムと合金化しない金属が変形できずに、応力が部分的
に集中し、亀裂や破断が起ってしまう場合がある。In a wound battery, a gap is generally formed at the center of the wound group due to restrictions from the viewpoint of manufacturing. This gap is centered on two shafts made of steel, stainless steel, etc.
When the positive electrode and the negative electrode are wound through a separator and filled in a battery case, the shaft is removed to remove the shaft. To increase the capacity, it is important to reduce the gap. In fact, this is an important issue for lithium ion batteries that have relatively small volume changes. However, in a battery using a metal that alloys with lithium for the negative electrode, the volume change of the negative electrode is large, so if the gap at the center of the wound group or the gap between the outer periphery of the wound group and the case is not optimized, current collection will occur. In some cases, a metal that is not alloyed with lithium, which is a body, cannot be deformed, and the stress is partially concentrated, resulting in cracking or fracture.
【0046】リチウムと合金化する金属の体積膨張は、
充電によって、リチウムと合金化する金属の種類や充電
量にもよって異なるが、通常の充電状態では、おおよそ
2〜4倍である。このリチウムと合金化する金属は、通
常、数10〜80%近い空孔率を有するため、一部はこ
の孔で膨張を吸収できるが、それにも限界がある。この
ため、捲回群に対する隙間の大きさ(放電時)として、
リチウムと合金化する金属の種類によっても異なるが、
前述したように電池の断面積での比較でリチウムと合金
化する金属の0.3倍から1.0倍が必要となる。この
膨張を緩和するためには、捲回群の中央部の隙間と捲回
群の外周とケースの隙間の面積をほぼ同程度にする事が
最も望ましい。しかし、どちらか一方の隙間を大きくし
ても効果は得られる。この場合には、膨張を緩和するた
めの負極の変形が、部分的に大きくなる。The volume expansion of the metal alloying with lithium is
Depending on the charge, it depends on the type of metal that is alloyed with lithium and the amount of charge, but is approximately 2 to 4 times in a normal charge state. Since the metal alloyed with lithium usually has a porosity of several tens to 80%, some of the pores can absorb the expansion, but there is a limit. Therefore, as the size of the gap with respect to the winding group (at the time of discharge),
Although it depends on the type of metal that is alloyed with lithium,
As described above, 0.3 to 1.0 times the metal alloyed with lithium is required in comparison with the cross-sectional area of the battery. In order to alleviate this expansion, it is most desirable that the area of the gap at the center of the winding group and the area of the gap between the outer periphery of the winding group and the case be substantially the same. However, the effect can be obtained even if one of the gaps is increased. In this case, the deformation of the negative electrode for alleviating the expansion partially increases.
【0047】リチウムと合金化する金属として錫を用い
た場合は、特に大きくリチウムと合金化して、Li22S
n5 が形成されると体積は3.8倍になる。しかし、実
際の充電による合金化の反応では、この領域までリチウ
ムの合金化は進まず、おそらく、Li7 Sn2 あるいは
Li13Sn5 までで合金化は終了し、2.5〜2.9倍
まで膨張する。実際にメッキ法により得た層は、約50
%の空孔率を有しているが、この孔で吸収できる膨張
は、おおむね膨張分の約70%であり、これ以外の膨張
に対する吸収は錫の層以外に求めなければならない。そ
のためには上記のような隙間が必要になる。When tin is used as the metal to be alloyed with lithium, it is particularly greatly alloyed with lithium to form Li 22 S
When n 5 is formed, the volume becomes 3.8 times. However, in the alloying reaction by actual charging, the alloying of lithium does not proceed up to this region, and the alloying probably ends at Li 7 Sn 2 or Li 13 Sn 5 , and is 2.5 to 2.9 times. Inflates to The layer actually obtained by plating is about 50
% Porosity, but the expansion that can be absorbed by these pores is approximately 70% of the expansion, and absorption for other expansions must be determined for other layers than the tin layer. For that purpose, the above gap is required.
【0048】尚、集電体上に設けられる上記リチウムと
合金化する金属からなる層の空孔率は、集電体上に設け
られた層のトップの面と集電体面とで形成されるリチウ
ムと合金化する金属の層の見かけ上の空間において、実
際にこの金属材で占められていない空間(空孔)の割合
であり、具体的には上記層の容積(厚み×面積)をV′
とし、層の構成材(リチウムと合金化する金属材)の夫
々の重量と比重(真密度)をそれぞれwi、diとする
とき、層の金属の占める真の容積V(V=Σ(wi/d
i))となり、このとき空孔率を(V′−V)/V′と
する。(リチウムと合金化する金属の層の重量W=Σw
i(金属材が一種の場合W=w)で、層のかさ密度が
d′=w/Vである)。この空孔率は前述した集電体の
空孔率と実質的には同義であるが、このリチウムと合金
化する金属の層については、複数種の金属元素が用いら
れることも多く、この場合、層を構成する材料の真密度
を厳密には層の材料の組成を考慮して定める必要がある
為、上記のように規定した。The porosity of the layer made of a metal alloyable with lithium provided on the current collector is formed by the top surface of the layer provided on the current collector and the current collector surface. The ratio of the space (vacancies) not actually occupied by the metal material in the apparent space of the metal layer to be alloyed with lithium. Specifically, the volume (thickness × area) of the layer is expressed by V ′
When the weight and specific gravity (true density) of the constituent materials of the layer (metal material alloying with lithium) are wi and di, respectively, the true volume V (V = Σ (wi / d
i)), where the porosity is (V'-V) / V '. (Weight of the layer of metal alloyed with lithium W = Ww
i (W = w in the case of one kind of metal material), and the bulk density of the layer is d ′ = w / V). Although the porosity is substantially the same as the porosity of the above-described current collector, a plurality of types of metal elements are often used for the metal layer that is alloyed with lithium. Since it is necessary to strictly determine the true density of the material forming the layer in consideration of the composition of the material of the layer, the true density is specified as described above.
【0049】実際に、上記の錫メッキ法により作製した
リチウム二次電池用電極構造体からなる負極を用い捲回
群を作製し、この時、捲回群の中央部の隙間を捲回軸の
径を変えることにより変えた。この隙間が、錫のメッキ
層の横断面積の0.2倍の時には充電時に集電体として
用いていた銅のシートが破断した。しかし、0.3倍と
した場合には負極が若干の変形はしたものの、破断はし
なかった。この隙間は大きい程、錫の膨張を吸収しやす
いが、容量が低下するので、おのずと限界があり、有効
な上限はおのずと決まる。Actually, a wound group was prepared using a negative electrode comprising an electrode structure for a lithium secondary battery prepared by the above-described tin plating method. At this time, a gap at the center of the wound group was formed by the winding shaft. It was changed by changing the diameter. When this gap was 0.2 times the cross-sectional area of the tin plating layer, the copper sheet used as the current collector during charging was broken. However, when 0.3 times, the negative electrode slightly deformed, but did not break. The larger the gap, the easier it is to absorb the expansion of tin, but the capacity is reduced, so there is naturally a limit, and the effective upper limit is naturally determined.
【0050】本発明のリチウム二次電池は、リチウム二
次電池用正極とリチウムと合金化しない金属を集電体と
し、その表面にリチウムと合金化する金属を配置したリ
チウム二次電池用電極構造体からなる負極をセパレータ
を介して捲回した電池において、セパレータがフィルム
と不織布からなることを特徴としており、この作用は、
充電時に起るリチウムと合金化した金属の膨張によって
起るリチウムと合金化しない金属の応力を不織布によっ
て、緩和することができる。The lithium secondary battery of the present invention has an electrode structure for a lithium secondary battery in which a positive electrode for a lithium secondary battery and a metal that does not alloy with lithium are used as a current collector, and a metal that alloys with lithium is disposed on the surface of the current collector. In a battery in which a negative electrode made of a body is wound with a separator interposed therebetween, the separator is characterized by being made of a film and a nonwoven fabric.
The nonwoven fabric can relieve the stress of the metal that does not alloy with lithium, which is caused by the expansion of the metal alloyed with lithium that occurs during charging.
【0051】リチウム二次電池では、リチウムイオン二
次電池も含めて、通常、厚さ数10μmの微孔を有した
フィルム状のセパレータが用いられている。これは、リ
チウム二次電池の負極で生成しやすいリチウム金属のデ
ンドライトによるショートを防止するために用いられて
いる。また、このフィルムは製造途中で混入した微少な
異物等によるショートも防いでいる。しかし、このフィ
ルム状セパレータでは充電した際の、リチウムと合金化
する金属の膨張によるリチウムと合金化しない金属の応
力を緩和出来るだけの柔軟性がない。In lithium secondary batteries, including lithium ion secondary batteries, a film-like separator having micropores with a thickness of several tens of μm is generally used. This is used to prevent a short circuit due to dendrite of lithium metal, which is easily generated at the negative electrode of a lithium secondary battery. In addition, this film also prevents short-circuiting due to minute foreign matters and the like mixed during the production. However, this film-shaped separator does not have enough flexibility to relieve the stress of the metal that does not alloy with lithium due to the expansion of the metal that alloys with lithium when charged.
【0052】一方、不織布は、短繊維を集めて一定の厚
さに抄いたものであり、フィルム状のセパレータに比べ
て、厚み方向に対する柔軟性が高く、上記の膨張による
変形を吸収するには非常に適している。しかし、この不
織布は短繊維間の隙間の目が大きく、上述のフィルム状
セパレータのようにデンドライトによるショート防止や
混入した異物によるショートを防止できない。このた
め、フィルム状セパレータとともに用いるのが望まし
い。On the other hand, the non-woven fabric is made by collecting short fibers to a certain thickness and has a higher flexibility in the thickness direction than a film-like separator. Very suitable. However, this nonwoven fabric has large gaps between short fibers, and cannot prevent short-circuiting due to dendrite or short-circuiting due to contaminating foreign substances as in the above-described film-like separator. For this reason, it is desirable to use together with a film-like separator.
【0053】一方、ポリマー電池と呼ばれる電解質にゲ
ルを用いた電池では、ゲル状の電解質がフィルム状セパ
レータのような働きをし、デンドライトによるショート
防止や混入した異物によるショート防止をする。このた
め、ゲル電解質を用いた電池では不織布のみの使用でも
全く問題ない。このように、セパレータとして不織布を
併用する事により、充電時にリチウムと合金化する金属
が膨張して、リチウムと合金化しない金属にかかる応力
を緩和する事が出来る。On the other hand, in a battery using a gel as an electrolyte, which is called a polymer battery, the gel electrolyte acts like a film separator and prevents short-circuiting due to dendrites and short-circuiting due to contaminants. For this reason, in a battery using a gel electrolyte, there is no problem even if only a nonwoven fabric is used. As described above, by using a nonwoven fabric as the separator, the metal that is alloyed with lithium expands during charging, and the stress applied to the metal that is not alloyed with lithium can be reduced.
【0054】以上述べたように、リチウムと合金化する
金属とリチウムと合金化しない金属を組み合わせて負極
とする事により、高容量化が達成でき、且つ、充電時に
リチウムと合金化する金属が膨張する際、リチウムと合
金化しない金属、いわゆる集電体に適宜変形を起こさ
せ、集電体の応力を緩和させることにより、長寿命を達
成している。As described above, by forming a negative electrode by combining a metal alloying with lithium and a metal not alloying with lithium, a high capacity can be achieved, and the metal alloying with lithium at the time of charging expands. In this case, a metal that is not alloyed with lithium, that is, a current collector, is appropriately deformed to reduce stress of the current collector, thereby achieving a long life.
【0055】以下、本発明の実施態様例を、図1を参照
して説明する。図1は、本発明の二次電池に用いたリチ
ウム二次電池用電極構造体からなる負極の断面を示す概
略図である。一例として、パンチングメタルを用いた負
極を示した。図1(a)は平面図、(b)はAA線断面
図である。101は空隙部(開孔部)であり、102は
リチウムと合金化しない金属103(負極集電体)の上
にリチウムと合金化する金属104(負極活物質)を配
した負極を示している。この図において破線10は組み
立て後で充電前の状態であり、実線20は充電後の負極
が変形した後を示している。集電体は穴が小さくなるよ
うに、膨張、変形する。エキスパンド発泡体を用いた場
合も同様である。シート状の集電体を用いた場合には、
主に捲回する長手方向に伸びる。実際の電池ではタイト
に捲回あるいは積層されているため、伸びる事はほとん
ど不可能に近く、応力を緩和できず、亀裂、破断、ある
いは集電体からリチウムと合金化する金属の剥離が起
る。An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic view showing a cross section of a negative electrode comprising an electrode structure for a lithium secondary battery used in a secondary battery of the present invention. As an example, a negative electrode using a punching metal is shown. FIG. 1A is a plan view, and FIG. 1B is a sectional view taken along line AA. Reference numeral 101 denotes a void portion (opening portion), and reference numeral 102 denotes a negative electrode in which a metal 103 (anode active material) that is alloyed with lithium is disposed on a metal 103 (a negative electrode current collector) that is not alloyed with lithium. . In this figure, a broken line 10 shows a state after assembling and before charging, and a solid line 20 shows a state after the negative electrode after charging is deformed. The current collector expands and deforms so that the hole becomes smaller. The same applies when an expanded foam is used. When a sheet-shaped current collector is used,
It extends mainly in the longitudinal direction of the winding. In an actual battery, because it is tightly wound or laminated, it is almost impossible to stretch, it cannot relax the stress, and cracks, breaks, or peeling of the metal alloying with lithium from the current collector occurs .
【0056】負極の作製方法の具体例を示す。 (1)リチウムと合金を作る金属元索のイオン化傾向
が、リチウムと合金を作らない金属元素より高い場合に
は、リチウムと合金を作る金属元素からなる部材をリチ
ウムと合金を作らない金属元素の塩の溶液に浸す事によ
って、リチウムと合金を作る金属元素の一部をリチウム
と合金を作らない金属元素で置換する事ができる。置換
量は、溶液に浸す時間、溶液中の塩の濃度、溶液の温度
によって制御する事が出来る。すなわち、溶液に浸す時
間を長くすれば、置換量が多くなり、溶液中の塩の濃度
を上げるか、溶液の温度を上げれば置換反応の速度を速
める事になる。A specific example of a method for manufacturing a negative electrode will be described. (1) When the ionization tendency of the metal element that forms an alloy with lithium has a higher ionization tendency than the metal element that does not form an alloy with lithium, a member made of the metal element that forms an alloy with lithium is replaced with a metal element that does not form an alloy with lithium. By dipping in a salt solution, a part of the metal element that forms an alloy with lithium can be replaced with a metal element that does not form an alloy with lithium. The replacement amount can be controlled by the time of immersion in the solution, the concentration of the salt in the solution, and the temperature of the solution. That is, the longer the time of immersion in the solution, the greater the amount of substitution, and the higher the concentration of the salt in the solution or the higher the temperature of the solution, the faster the speed of the substitution reaction.
【0057】(2)他の方法としては、リチウムと合金
を作る金属元素を含有する層を電解メッキ、無電解メッ
キ、レーザメッキ、スパッタリング、抵抗加熱蒸着、電
子ビーム蒸着、クラスタイオンビーム蒸着、熱CVD
(Chemical VaporDepositio
n)、減圧CVD、プラズマCVD、レーザCVDなど
により、集電体上に被覆させる方法が使用できる。ま
た、スクリーン印刷などの方法で、リチウムと合金を作
る金属元素を含有するインクあるいはペーストのコーテ
ィング手法も用いる事が出来る。(2) Other methods include electrolytic plating, electroless plating, laser plating, sputtering, resistance heating vapor deposition, electron beam vapor deposition, cluster ion beam vapor deposition, and thermal plating of a layer containing a metal element forming an alloy with lithium. CVD
(Chemical Vapor Deposition
n), a method of coating on a current collector by low pressure CVD, plasma CVD, laser CVD, or the like can be used. In addition, a method of coating an ink or paste containing a metal element that forms an alloy with lithium by a method such as screen printing can also be used.
【0058】(3)他に、リチウムと合金を作らない金
属元素からなる基材を集電体としてそのまま用い、その
上にリチウムと合金を作る金属元素からなる層を、スパ
ッタリング、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、クラスタ
イオンビーム蒸着、熱CVD(Chemicalapo
r Deposition)、減圧CVD、プラズマC
VD、レーザCVDなどにより、集電体上に被覆させる
方法が使用できる。また、スクリーン印刷などの方法で
リチウムと合金を作らない金属元素を含有するインクあ
るいはペーストのコーティング手法も用いる事が出来
る。(3) In addition, a base made of a metal element that does not form an alloy with lithium is used as a current collector as it is, and a layer made of a metal element that forms an alloy with lithium is formed thereon by sputtering, resistance heating evaporation, Electron beam evaporation, cluster ion beam evaporation, thermal CVD (Chemicalapo)
r Deposition), low pressure CVD, plasma C
A method of coating on a current collector by VD, laser CVD, or the like can be used. Further, an ink or paste coating method containing a metal element that does not form an alloy with lithium by a method such as screen printing can also be used.
【0059】上記の(1)、(2)、(3)に共通する
事であるが、リチウムと合金化しない金属(集電体の材
料)としてパンチングメタルや.エキスパンドを用いる
場合には、はじめからリチウムと合金化しない金属(集
電体の材料)をパンチング状、エキスパンド状にしてお
き、上記のような方法で、リチウムと合金を作る金属を
配してもよく、逆に、シート状の集電体に上記のような
方法でリチウムと合金を作る金属を配した後、打ち抜い
てパンチング状としたり、スリットを入れ引っ張って、
エキスパンド状にしてもよい。In common with the above (1), (2) and (3), as a metal (a material of the current collector) which does not alloy with lithium, a punching metal or a. In the case of using an expand, a metal that does not alloy with lithium (a material of the current collector) is punched or expanded from the beginning, and even if a metal that forms an alloy with lithium is disposed in the above-described manner. Well, conversely, after arranging a metal that forms an alloy with lithium on the sheet-shaped current collector in the above manner, punching out or punching, slitting and pulling,
It may be expanded.
【0060】本発明におけるリチウム二次電池用電極構
造体からなる負極の集電体であるリチウムと合金化しな
い金属は、充放電時の電極反応で消費する電流を効率よ
く供給するあるいは発生する電流を集電する役目を担っ
ている。したがって、負極の集電体を形成する材料とし
ては、電導度が高く、かつ、電池反応に不活性な材質が
望ましい。好ましい材質としては、ニッケル、チタニウ
ム、銅、アルミニウム、ステンレススチール、白金、パ
ラジウム、金、亜鉛、各種合金、及び上記材料の二種以
上の複合金属が挙げられる。The metal which is not alloyed with lithium, which is the current collector of the negative electrode comprising the electrode structure for a lithium secondary battery in the present invention, efficiently supplies or consumes the current consumed in the electrode reaction during charging and discharging. Is responsible for collecting power. Therefore, as a material for forming the current collector of the negative electrode, a material having high conductivity and inert to a battery reaction is desirable. Preferred materials include nickel, titanium, copper, aluminum, stainless steel, platinum, palladium, gold, zinc, various alloys, and two or more composite metals of the above materials.
【0061】本発明におけるリチウム二次電池用電極構
造体からなる負極のリチウムと合金を作る金属元素とし
ては、アルミニウム、マグネシウム、カリウム、ナトリ
ウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、シリコ
ン、ゲルマニウム、錫、鉛、インジウム、亜鉛などが使
用でき、特に、アルミニウム、ゲルマニウム、マグネシ
ウム、カルシウム、鉛、錫が好適である。The metal elements forming an alloy with lithium of the negative electrode comprising the electrode structure for a lithium secondary battery according to the present invention include aluminum, magnesium, potassium, sodium, calcium, strontium, barium, silicon, germanium, tin, lead, and the like. Indium, zinc and the like can be used, and aluminum, germanium, magnesium, calcium, lead and tin are particularly preferable.
【0062】図2は、本発明の二次電池の断面を示す概
略図であり、負極201と、正極202、セパレータ2
03、電解質、電池ケース204、及び隙間205から
構成されている。(a)は充電前、(b)は充電後を示
している。負極201が変形部206を生じる事によっ
て、正極202やセパレータ203も変形するが、負極
201に亀裂や切断は起っていない。もちろん、正極2
02やセパレータ203にも亀裂や破断は発生しない。
これは、電池ケースの中に図2のような隙間205を適
正に設けた事による効果である。又、同図に示す構造で
は電池204と電極、セパレータからなる捲回構造の間
に隙間(例えば0.1mm程度)を設けてもよい。FIG. 2 is a schematic view showing a cross section of a secondary battery according to the present invention.
03, an electrolyte, a battery case 204, and a gap 205. (A) shows before charging, and (b) shows after charging. When the negative electrode 201 forms the deformed portion 206, the positive electrode 202 and the separator 203 are also deformed, but no cracks or cuts occur in the negative electrode 201. Of course, positive electrode 2
No cracking or breakage occurs in the separator 02 and the separator 203 as well.
This is an effect of appropriately providing the gap 205 as shown in FIG. 2 in the battery case. Further, in the structure shown in the figure, a gap (for example, about 0.1 mm) may be provided between the battery 204 and a wound structure composed of an electrode and a separator.
【0063】一方、従来の二次電池の一例を図3に示
す。これはシート状の集電体を用い、捲回軸部分の隙間
306を小さくタイトに捲回群をケースに充填し、充放
電を繰り返した後の電池の断面図である。負極301が
応力を緩和できずに破断部305が生じている。同時に
セパレータ303や正極302も破断している。充放電
寿命試験の結果、著しい容量低下が起ったが、原因はこ
の破断であるのは明らかであった。図2では捲回形電池
について述べたが、この手法は角型電池やシート状電池
にも適用が可能である。FIG. 3 shows an example of a conventional secondary battery. This is a cross-sectional view of the battery after using a sheet-shaped current collector, filling the case with the winding group tightly with a small gap 306 at the winding shaft portion, and repeating charging and discharging. The breakage portion 305 occurs because the negative electrode 301 cannot relieve the stress. At the same time, the separator 303 and the positive electrode 302 are also broken. As a result of the charge / discharge life test, a remarkable capacity reduction occurred, but it was clear that the cause was this breakage. Although the wound type battery is described in FIG. 2, this method can be applied to a square battery or a sheet battery.
【0064】次に、本発明のリチウム二次電池の構成・
製造方法について述べる。本発明における正極は、集電
体、正極活物質、導電補助材、結着剤などから構成され
たものである。この正極は、正極活物質、導電補助材、
及び結着剤などを混合したものを、集電体の表面上に成
形して作製される。Next, the structure of the lithium secondary battery of the present invention
The manufacturing method will be described. The positive electrode in the present invention is composed of a current collector, a positive electrode active material, a conductive auxiliary material, a binder, and the like. This positive electrode has a positive electrode active material, a conductive auxiliary material,
And a mixture of a binder and a binder formed on the surface of the current collector.
【0065】正極に使用する導電補助剤としては、黒
鉛、ケッチェンブラックやアセチレンブラックなどのカ
ーボンブラック、ニッケルなどの金属微粉末などが挙げ
られる。正極に使用する結着剤としては、例えば、電解
液が非水溶媒系の場合には、ポリエチレンやポリプロピ
レンなどのポリオレフィン、又はポリフッ化ビリニデン
やテトラフルオロエチレンポリマーのようなフッ素樹
脂、電解液が水溶液系の場合には、ポリビニルアルコー
ル、セルロース、又はポリアミドが挙げられる。Examples of the conductive auxiliary agent used for the positive electrode include graphite, carbon black such as Ketjen black and acetylene black, and fine metal powder such as nickel. As the binder used for the positive electrode, for example, when the electrolytic solution is a non-aqueous solvent system, a polyolefin such as polyethylene or polypropylene, or a fluororesin such as polyvinylidene fluoride or tetrafluoroethylene polymer, or an electrolytic solution in an aqueous solution In the case of a system, polyvinyl alcohol, cellulose, or polyamide is used.
【0066】正極に使用する集電体としては、負極に使
用する集電体と同様な材料及び形状が使用できる。As the current collector used for the positive electrode, the same material and shape as the current collector used for the negative electrode can be used.
【0067】負極活物質が、リチウムであるリチウム電
池では、正極活物質としては、遷移金属酸化物、遷移金
属硫化物、リチウム−遷移金属酸化物、又はリチウム−
遷移金属硫化物が一般に用いられる。遷移金属酸化物や
遷移金属硫化物の遷移金属元素としては、例えば、部分
的にd殻あるいはf殻を有する元素であるところの、S
c、Y、ランタノイド、アクチノイド、Ti、Zr、H
f、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、R
e、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、P
d、Pt、Cu、Ag、Auが挙げられる。特に、第一
遷移系列金属であるTi、V、Cr、Mn、Fe、C
o、Ni、Cuが好適に用いられる。In a lithium battery in which the negative electrode active material is lithium, the positive electrode active material may be a transition metal oxide, a transition metal sulfide, a lithium-transition metal oxide, or a lithium-transition metal oxide.
Transition metal sulfides are commonly used. Examples of the transition metal element of the transition metal oxide or the transition metal sulfide include, for example, S
c, Y, lanthanoid, actinoid, Ti, Zr, H
f, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, R
e, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, P
d, Pt, Cu, Ag, and Au. In particular, the first transition series metals Ti, V, Cr, Mn, Fe, C
o, Ni, and Cu are preferably used.
【0068】本発明における正極の集電体は、充放電時
の電極反応で消費する電流を効率よく供給する、あるい
は発生する電流を集電する役目を担っている。したがっ
て、正極の集電体を形成する材料としては、電導度が高
く、かつ、電池反応に不活性な材質が望ましい。好まし
い材質としては、ニッケル、チタニウム、アルミニウ
ム、ステンレススチール、白金、パラジウム、金、亜
鉛、各種合金、及び上記材料の二種以上の複合金属が挙
げられる。集電体の形状としては、例えば、板状、箔
状、メッシュ状、スポンジ状、繊維状、パンチングメタ
ル、エキスパンドメタルなどの形状が採用できる。The current collector of the positive electrode in the present invention has a role of efficiently supplying a current consumed in an electrode reaction at the time of charging / discharging or collecting current generated. Therefore, as a material for forming the current collector of the positive electrode, a material having high conductivity and inert to a battery reaction is desirable. Preferred materials include nickel, titanium, aluminum, stainless steel, platinum, palladium, gold, zinc, various alloys, and two or more composite metals of the above materials. As the shape of the current collector, for example, a plate shape, a foil shape, a mesh shape, a sponge shape, a fiber shape, a punching metal, an expanded metal, and the like can be adopted.
【0069】本発明におけるセパレータは、負極と正極
の短絡を防ぐ役割がある。また、電解液を保持する役割
を有する場合もある。The separator in the present invention has a role of preventing a short circuit between the negative electrode and the positive electrode. In some cases, it has a role of holding an electrolytic solution.
【0070】セパレータは、リチウムイオンが移動でき
る細孔を有し、かつ、電解液に不溶で安定である必要が
ある。したがって、セパレータとしては、例えば、ガラ
ス、ポリプロピレンやポリエチレンなどのポリオレフィ
ン、フッ素樹脂などの不織布あるいはミクロポア構造の
材料が好適に用いられる。また、微細孔を有する金属酸
化物フィルム、又は、金属酸化物を複合化した樹脂フィ
ルムも使用できる。特に、多層化した構造を有する金属
酸化物フィルムを使用した場合には、デンドライトが貫
通しにくいため、短絡防止に効果がある。難燃材である
フッ素樹脂フィルム、又は、不燃材であるガラス、若し
くは金属酸化物フィルムを用いた場合には、より安全性
を高めることができる。不織布もフィルムと同じ材質で
問題無い。The separator must have pores through which lithium ions can move, and must be insoluble and stable in the electrolytic solution. Therefore, as the separator, for example, a nonwoven fabric such as glass, polyolefin such as polypropylene or polyethylene, or a fluororesin or a material having a micropore structure is preferably used. Further, a metal oxide film having fine pores or a resin film in which a metal oxide is compounded can be used. In particular, when a metal oxide film having a multilayered structure is used, the dendrite hardly penetrates, which is effective in preventing a short circuit. When a fluororesin film which is a flame retardant material, or a glass or metal oxide film which is a nonflammable material is used, safety can be further improved. The nonwoven fabric is the same material as the film and has no problem.
【0071】本発明における電解質の使用法としては、
次の3通りが挙げられる。 (1)そのままの状態で用いる方法。 (2)溶媒に溶解した溶液として用いる方法。 (3)溶液にポリマーなどのゲル化剤を添加することに
よって,固定化したものとして用いる方法。The use of the electrolyte in the present invention is as follows.
There are the following three cases. (1) A method used as it is. (2) A method of using as a solution dissolved in a solvent. (3) A method in which a gelling agent such as a polymer is added to a solution so that the solution is immobilized.
【0072】一般的には、溶媒に電解質を溶かした電解
液を.多孔性のセパレータに保液させて使用する。電解
質の導電率は、25℃における値として、好ましくはl
×10-3S/cm以上、より好ましくは5×10-3S/
cm以上であることが必要である。負極活物質がリチウ
ムであるリチウム電池では、以下に示す電解質とその溶
媒が、好適に用いられる。Generally, an electrolytic solution obtained by dissolving an electrolyte in a solvent is used. The liquid is retained on a porous separator before use. The conductivity of the electrolyte is preferably 1 at 25 ° C.
× 10 -3 S / cm or more, more preferably 5 × 10 -3 S /
cm or more. In a lithium battery in which the negative electrode active material is lithium, the following electrolyte and its solvent are suitably used.
【0073】電解質としては、例えば、H2 SO4 、H
Cl、HNO3 などの酸、リチウムイオン(Li+ )と
ルイス酸イオン(BF4 -、PF6 -、AsF6 -、Cl
O4 -、CF3 SO3 -、BPh4 -(Ph:フェニル基)か
ら成る塩、およびこれらの混合塩が挙げられる。また、
ナトリウムイオン、カリウムイオン、テトラアルキルア
ンモニウムイオンなどの陽イオンとルイス酸イオンから
なる塩も使用できる。上記塩は、減圧下で加熱したりし
て、十分な脱水と脱酸素を行つておくことが望ましい。As the electrolyte, for example, H 2 SO 4 , H
Acids such as Cl and HNO 3 , lithium ions (Li + ) and Lewis acid ions (BF 4 − , PF 6 − , AsF 6 − , Cl)
Salts composed of O 4 − , CF 3 SO 3 − , BPh 4 − (Ph: phenyl group), and mixed salts thereof are exemplified. Also,
Salts composed of cations such as sodium ion, potassium ion, tetraalkylammonium ion and Lewis acid ions can also be used. It is desirable that the salt is sufficiently dehydrated and deoxygenated by heating under reduced pressure.
【0074】電解質の溶媒としては、例えば、アセトニ
トリル、ベンゾニトリル、プロピレンカーボネート、エ
チレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチル
カーボネート、ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフ
ラン、ニトロベンゼン、ジクロロエタン、ジエトキシエ
タン、1,2−ジメトキシエタン、クロロベンゼン、γ
−ブチロラクトン、ジオキソラン、スルホラン、ニトロ
メタン、ジメチルサルファイド、ジメチルサルオキシ
ド、ジメトキシエタン、ギ酸メチル、3−メチル−2−
オキダゾリジノン、2−メチルテトラヒドロフラン、3
−プロピルシドノン、二酸化イオウ、塩化ホスホリル、
塩化チオニル、塩化スルフリル、又はこれらの混合液が
使用できる。Examples of the solvent for the electrolyte include acetonitrile, benzonitrile, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dimethylformamide, tetrahydrofuran, nitrobenzene, dichloroethane, diethoxyethane, 1,2-dimethoxyethane, chlorobenzene, and the like. γ
-Butyrolactone, dioxolane, sulfolane, nitromethane, dimethylsulfide, dimethylsulfoxide, dimethoxyethane, methyl formate, 3-methyl-2-
Oxidazolidinone, 2-methyltetrahydrofuran, 3
-Propylsydnone, sulfur dioxide, phosphoryl chloride,
Thionyl chloride, sulfuryl chloride, or a mixture thereof can be used.
【0075】上記溶媒は、例えば、活性アルミナ、モレ
キュラーシープ、五酸化リン、塩化カルシウムなどで脱
水するか、溶媒によっては、不活性ガス中でアルカリ金
属共存下で蒸留して不純物除去と脱水をも行うのがよ
い。The solvent may be dehydrated with, for example, activated alumina, molecular sieve, phosphorus pentoxide, calcium chloride, or the like, or may be distilled in an inert gas in the presence of an alkali metal to remove impurities and dehydrate. Good to do.
【0076】セパレータとして不織布のみを用いるため
には、ゲル化することが好ましい。ゲル化剤としては電
解液の溶媒を吸収して膨潤するようなポリマーを用いる
のが望ましい。このようなポリマーとしては、ポリエチ
レンオキサイド、ポリビニルアルコール、ポリアクリル
アミドなどが用いられる。なお、ゲル化することにより
漏液も防止できる。In order to use only the nonwoven fabric as the separator, it is preferable to gel. As the gelling agent, it is desirable to use a polymer that absorbs the solvent of the electrolytic solution and swells. As such a polymer, polyethylene oxide, polyvinyl alcohol, polyacrylamide and the like are used. The gelation can also prevent liquid leakage.
【0077】[電池の形状と構造]本発明の二次電池の
具体的な形状としては、例えば、扁平形、円筒形、直方
体形、シート形などがある。又、電池の構造としては、
例えば、単層式、多層式、スパイラル式などがある。そ
の中でも、スパイラル式円筒形の電池は、負極と正極の
間にセパレータを挟んで巻くことによって、電極面積を
大きくすることができ、充放電時に大電流を流すことが
できるという特徴を有する。また、直方体形やシート形
の電池は、複数の電池を収納して構成する機器の収納ス
ペースを有効に利用することができる特徴を有する。[Battery Shape and Structure] Specific shapes of the secondary battery of the present invention include, for example, a flat shape, a cylindrical shape, a rectangular parallelepiped shape, and a sheet shape. The structure of the battery is as follows:
For example, there are a single layer type, a multilayer type, a spiral type, and the like. Among them, the spiral cylindrical battery has a feature that the electrode area can be increased by winding the separator between the negative electrode and the positive electrode with the separator interposed therebetween, and a large current can flow during charging and discharging. In addition, the rectangular or sheet-shaped battery has a feature that the storage space of a device configured to store a plurality of batteries can be effectively used.
【0078】以下では、図4、図5を参照して、電池の
形状と構造についてより詳細な説明を行う。図5は単層
式扁平形(コイン形)電池の断面図であり、図4はスパ
イラル式円筒形電池の断面図を表している。これらのリ
チウム電池の基本的な構成は、負極、正極、電解質・セ
パレータ、電池ハウジング、出力端子を有する。Hereinafter, the shape and structure of the battery will be described in more detail with reference to FIGS. FIG. 5 is a sectional view of a single-layer flat (coin-shaped) battery, and FIG. 4 is a sectional view of a spiral cylindrical battery. The basic configuration of these lithium batteries includes a negative electrode, a positive electrode, an electrolyte / separator, a battery housing, and an output terminal.
【0079】図4および図5において、403と501
は負極、406と502は正極、408と505は負極
端子(負極キャップまたは負極缶)、409と506は
正極端子(正極缶または正極キャップ)、407と50
3はセパレータ・電解液、410と504はガスケッ
ト、401は負極集電体、404は正極集電体、411
は絶縁板、412は負極リード、413は正極リード、
414は安全弁である。In FIGS. 4 and 5, 403 and 501
Are negative electrodes, 406 and 502 are positive electrodes, 408 and 505 are negative electrode terminals (negative electrode cap or negative electrode can), 409 and 506 are positive electrode terminals (positive electrode can or positive electrode cap), 407 and 50
3 is a separator / electrolyte solution, 410 and 504 are gaskets, 401 is a negative electrode current collector, 404 is a positive electrode current collector, 411
Is an insulating plate, 412 is a negative electrode lead, 413 is a positive electrode lead,
414 is a safety valve.
【0080】図5に示す扁平形(コイン形)の二次電池
では、正極材料層を含む正極502と負極材料層を備え
た負極501が少なくとも電解液を保持したセパレータ
503を介して積層されており、この積層体が正極端子
としての正極缶506内に正極側から収容され、負極側
が負極端子としての負極キャップ505により被覆され
ている。そして正極缶内の他の部分にはガスケット50
4が配置されている。In the flat (coin-shaped) secondary battery shown in FIG. 5, a positive electrode 502 including a positive electrode material layer and a negative electrode 501 including a negative electrode material layer are laminated via a separator 503 holding at least an electrolytic solution. The laminate is accommodated from the positive electrode side in a positive electrode can 506 as a positive electrode terminal, and the negative electrode side is covered with a negative electrode cap 505 as a negative electrode terminal. A gasket 50 is placed on the other part of the positive electrode can.
4 are arranged.
【0081】図4に示すスパイラル式円筒形の二次電池
では、正極集電体404上に形成された正極活物質層4
05を有する正極406と、負極集電体401上に形成
された負極活物質層402を有した負極403が、少な
くとも電解液を保持したセパレータ407を介して対向
し、多重に巻回された円筒状構造の積層体を形成してい
る。当該円筒状構造の積層体が、負極端子としての負極
缶408内に収容されている。また、当該負極缶408
の開口部側には正極端子としての正極キャップ409が
設けられており、負極缶内の他の部分においてガスケッ
ト410が配置されている。円筒状構造の電極の積層体
は絶縁板411を介して正極キャップ側と隔てられてい
る。正極406については正極リード413を介して正
極キャップ409に接続されている。又負極403につ
いては負極リード412を介して負極缶408と接続さ
れている。正極キャップ側には電池内部の内圧を調整す
るための安全弁414が設けられている。In the spiral cylindrical secondary battery shown in FIG. 4, the positive electrode active material layer 4 formed on the positive electrode current collector 404
A positive electrode 406 having a negative electrode 05 and a negative electrode 403 having a negative electrode active material layer 402 formed on a negative electrode current collector 401 are opposed to each other via a separator 407 holding at least an electrolytic solution, and are wrapped in multiple layers. To form a layered structure. The laminate having the cylindrical structure is accommodated in a negative electrode can 408 serving as a negative electrode terminal. Also, the negative electrode can 408
Is provided with a positive electrode cap 409 as a positive electrode terminal, and a gasket 410 is disposed at another portion in the negative electrode can. The stacked body of the electrodes having the cylindrical structure is separated from the positive electrode cap side via the insulating plate 411. The positive electrode 406 is connected to a positive electrode cap 409 via a positive electrode lead 413. The negative electrode 403 is connected to a negative electrode can 408 via a negative electrode lead 412. A safety valve 414 for adjusting the internal pressure inside the battery is provided on the positive electrode cap side.
【0082】以下では、図4や図5に示した電池の組み
立て方法の一例を説明する。 (1)負極(403、501)と正極(406、50
2)の間に、セパレータ(407、503)を挟んで、
負極缶(408)または正極缶(506)に組み込む。 (2)電解質を注入した後、正極キャップ(409)ま
たは負極キャップ(505)とガスケット(410、5
04)を組み立てる。 (3)上記(2)を、かしめることによつて、電池は完
成する。Hereinafter, an example of a method of assembling the battery shown in FIGS. 4 and 5 will be described. (1) Negative electrode (403, 501) and positive electrode (406, 50)
Between 2), sandwich the separators (407, 503),
It is incorporated in the negative electrode can (408) or the positive electrode can (506). (2) After injecting the electrolyte, the positive electrode cap (409) or the negative electrode cap (505) and the gasket (410, 5
04) is assembled. (3) The battery is completed by caulking the above (2).
【0083】なお、上述したリチウム電池の材料調製、
および電池の組立は、水分が十分除去された乾燥空気
中、又は乾燥不活性ガス中で行うのが望ましい。It should be noted that the above-described lithium battery material preparation,
It is desirable that the battery be assembled in dry air from which moisture has been sufficiently removed or in a dry inert gas.
【0084】本発明におけるガスケット(410、50
4)の材料としては、例えば、フッ素樹脂、ポリアミド
樹脂、ポリスルフォン樹脂、ポリプロピレン等各種樹脂
が使用できる。電池の封口方法としては、図4と図5の
ようにガスケットを用いた「かしめ」以外にも、ガラス
封管、接着剤、溶接、半田付けなどの方法が用いられ
る。また、図4の絶緑板の材料としては、各種有機樹脂
材料やセラミックスが用いられる。The gasket (410, 50) of the present invention
As the material of 4), for example, various resins such as a fluorine resin, a polyamide resin, a polysulfone resin, and polypropylene can be used. As a method for sealing the battery, a method such as a glass tube, an adhesive, welding, soldering, or the like is used in addition to “caulking” using a gasket as shown in FIGS. Various organic resin materials and ceramics are used as the material of the green plate of FIG.
【0085】本発明における電池の負極缶(408)、
及び負極キヤップ(505)の材料としては、ステンレ
ススチールが好適に用いられる。特に、チタンクラッド
ステンレス板や銅クラッドステンレス板、ニッケルメッ
キ鋼板などが多用される。逆に電池缶が正極(50
6)、及びキャップが正極(409)となる場合には、
電池ケース(ハウジング)の材質としては、ステンレス
スチール以外にも亜鉛やアルミニウムなどの金属、ポリ
プロピレンなどのプラスチック、又は、金属若しくはガ
ラス繊維とプラスチックの複合材が挙げられる。The negative electrode can (408) of the battery according to the present invention,
As a material of the negative electrode cap (505), stainless steel is preferably used. In particular, a titanium clad stainless steel plate, a copper clad stainless steel plate, a nickel plated steel plate and the like are frequently used. Conversely, the battery can is
6) and when the cap becomes the positive electrode (409),
Examples of the material of the battery case (housing) include metals such as zinc and aluminum, plastics such as polypropylene, and composite materials of metal or glass fiber and plastic, in addition to stainless steel.
【0086】本発明の電池には、電池の内圧が高まった
時の安全対策として、安全弁414が備えられている。
安全弁としては、例えば、ゴム、スプリング、金属ボー
ル,破裂箔などが使用できる。The battery of the present invention is provided with a safety valve 414 as a safety measure when the internal pressure of the battery increases.
As the safety valve, for example, rubber, spring, metal ball, rupture foil and the like can be used.
【0087】[0087]
【実施例】以下、実施例に基ずき本発明を詳細に説明す
る。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はない。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in detail based on embodiments. Note that the present invention is not limited to these examples.
【0088】実施例1 図4に示した断面構造のAAサイズ(14Φ×50)の
リチウム二次電池を作製した。まず.負極の作製から説
明する。負極のリチウムと合金化しない金属からなる集
電体は、厚さ14μmの銅シートに直径1.2mmの穴
をあけ、その空孔率(開孔率)を5%、10%、30
%、50%、60%とした。Example 1 AA size (14Φ × 50) lithium secondary battery having the sectional structure shown in FIG. 4 was manufactured. First. A description will be made from the preparation of the negative electrode. A current collector made of a metal that does not alloy with lithium of the negative electrode has a hole of 1.2 mm in diameter in a copper sheet having a thickness of 14 μm, and its porosity (porosity) is 5%, 10%, 30%
%, 50%, and 60%.
【0089】一方、リチウムと合金化する金属として錫
を用いた。上記のように準備した集電体に錫メッキを施
した。メッキ浴は20℃の硫酸錫lNの水溶液、対極は
錫を用い、電流密度10mA/cm2 で30分間通電
し、錫を析出させた。析出量は25mg/cm2 であつ
た。厚みは両側共に30+/−3μmであった。この析
出層の密度は4.lg/cm3 であり、約50%の空孔
率を持っている。電流密度は見かけの電流密度であり、
パンチングメタルやエキスパンドの空孔も面積として含
まれる。したがって、メッキされた錫の重量はどの集電
体の場合でも同じであり、空孔率が大きいほどメッキさ
れる厚みは厚くなった。On the other hand, tin was used as a metal to be alloyed with lithium. The current collector prepared as described above was plated with tin. An aqueous solution of tin sulfate 1N at 20 ° C. was used as a plating bath, and tin was used as a counter electrode. Electric current was applied at a current density of 10 mA / cm 2 for 30 minutes to precipitate tin. The deposition amount was 25 mg / cm 2 . The thickness was 30 +/− 3 μm on both sides. The density of this deposited layer is 4. lg / cm 3 and a porosity of about 50%. The current density is the apparent current density,
Holes of punched metal and expanded are also included as areas. Therefore, the weight of plated tin was the same for all current collectors, and the greater the porosity, the thicker the plated thickness.
【0090】正極活物質としては、電解二酸化マンガン
と炭酸リチウムを1:0.4の比率で混合した後、80
0℃で加熱してリチウム−マンガン酸化物を調整した。
調整したリチウム−マンガン酸化物にアセチレンブラッ
クの炭素粉3重量%(3wt%)とポリフッ化ビニリデ
ン粉5wt%を混合し、N−メチル−2−ピロリドンを
添加してペースト状に調整した後、アルミニウム箔に乾
燥塗布して正極を成形した。As the positive electrode active material, electrolytic manganese dioxide and lithium carbonate were mixed at a ratio of 1: 0.4.
Heating at 0 ° C. prepared the lithium-manganese oxide.
3% by weight (3% by weight) of acetylene black carbon powder and 5% by weight of polyvinylidene fluoride powder are mixed with the adjusted lithium-manganese oxide, and N-methyl-2-pyrrolidone is added to adjust the mixture into a paste. The positive electrode was formed by dry coating on a foil.
【0091】セパレータは厚さ25μmのポリプロピレ
ン製の微細孔フィルムを用いた。電解液には、十分に水
分を除去したエチレンカーボネート(EC)とジメチル
カーボネート(DMC)の等量混合溶媒に、4フッ化硼
酸リチウム塩をlM(mol/1)溶解したものを用い
た。As the separator, a polypropylene microporous film having a thickness of 25 μm was used. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving 1 M (mol / 1) of lithium tetrafluoroborate in a mixed solvent of equivalent amounts of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) from which water had been sufficiently removed was used.
【0092】組み立ては乾燥窒素雰囲気で行い、正極と
負極の間にセパレータを介して捲回した。捲回軸径は
2.5mmとした。負極の厚みが異なるため、捲回は捲
回群の直径が13.7mmにし、捲回方向の長さはそれ
ぞれ異なっている。電池ケースは鉄にニッケルメッキし
たものを用いた。蓋は安全弁を備えた鉄にニッケルメッ
キを施したものを用いた。パッキンはフッ素樹脂を用い
た。The assembly was performed in a dry nitrogen atmosphere, and wound between a positive electrode and a negative electrode with a separator interposed therebetween. The diameter of the wound shaft was 2.5 mm. Since the thickness of the negative electrode is different, the diameter of the winding group is 13.7 mm, and the lengths in the winding direction are different. The battery case used was nickel-plated iron. The lid used was nickel-plated iron with a safety valve. The packing used was a fluororesin.
【0093】実施例2 集電体は銅シートにスリットを入れて、長径1.5m
m、短径1.0mmのダイヤモンド型のエキスパンド状
とした。空孔率は同様に5%、10%、30%、50
%、60%とした。その他、負極、正極、組み立て方法
等は実施例1と同様である。Example 2 A current collector was prepared by cutting a copper sheet into slits and having a long diameter of 1.5 m.
m, a diamond-shaped expanded shape having a short diameter of 1.0 mm. The porosity is also 5%, 10%, 30%, 50%
% And 60%. In addition, the negative electrode, the positive electrode, the assembling method, and the like are the same as those in the first embodiment.
【0094】実施例3 三次元の集電体(不織布)は銅の太さが平均10μm、
長さが平均0.5mmの短繊維を800℃の水素雰囲気
中で焼結する事によって得た。焼結体の空孔率は50%
であった。その他、負極、正極、組み立て方法等は実施
例1と同様である。Example 3 A three-dimensional current collector (nonwoven fabric) had an average thickness of copper of 10 μm.
It was obtained by sintering short fibers having an average length of 0.5 mm in a hydrogen atmosphere at 800 ° C. The porosity of the sintered body is 50%
Met. In addition, the negative electrode, the positive electrode, the assembling method, and the like are the same as those in the first embodiment.
【0095】実施例4 集電体に厚さ14μmの銅シートを用い、実施例1と同
様に錫をメッキし負極を得た。実施例1の正極と組み合
わせて、捲回軸の太さを3.0mm、4.0mm、5.
0mmとし、電池を捲回した。この捲回軸の横断面積
は、それぞれ錫メッキ層の横断面積の約30%、60
%、100%に相当する。捲回軸径を変えると捲回群の
直径が変化するので、負極、正極およびセパレー夕を適
宜切断し、捲回群の直径を13.7mmとした。その
他、電解液、電池ケース、上蓋は実施例1と同じとし
た。Example 4 Using a 14 μm thick copper sheet as a current collector, tin was plated in the same manner as in Example 1 to obtain a negative electrode. Combined with the positive electrode of Example 1, the thickness of the wound shaft was 3.0 mm, 4.0 mm, and 5.0.
0 mm, and the battery was wound. The cross-sectional area of the winding shaft is about 30% of the cross-sectional area of the tin plating layer,
%, 100%. Since changing the diameter of the winding shaft changes the diameter of the winding group, the negative electrode, the positive electrode, and the separator were appropriately cut, and the diameter of the winding group was set to 13.7 mm. In addition, the electrolyte, the battery case, and the upper lid were the same as in Example 1.
【0096】実施例5 集電体に厚さ14μmの銅シートを用い、実施例1と同
様に錫をメッキし負極を得た。この負極を実施例1の正
極と組み合わせて捲回した。捲回軸の直径は2.5mm
とした。捲回群径を13.8mmにするために、本実施
例の正極、負極、セパレータは適宜切断した。セパレー
タはポリプロピレン性の不織布と微細孔フィルムをサン
ドイッチし、50μmの厚みに調整したものを用いた。Example 5 A 14 μm thick copper sheet was used as a current collector, and tin was plated in the same manner as in Example 1 to obtain a negative electrode. This negative electrode was wound in combination with the positive electrode of Example 1. The diameter of the winding shaft is 2.5mm
And In order to make the wound group diameter 13.8 mm, the positive electrode, the negative electrode, and the separator of this example were appropriately cut. As the separator, a polypropylene nonwoven fabric and a microporous film were sandwiched and adjusted to a thickness of 50 μm.
【0097】比較例1 負極のリチウムと合金化しない集電体は、厚さ14μm
の銅シートを用い、実施例1と同様に錫メッキをして、
負極とした。その他、正極、セパレータ、電解液、電池
ケース、上蓋は実施例1と同様である。Comparative Example 1 A current collector not alloyed with lithium of the negative electrode was 14 μm thick.
Using a copper sheet, tin-plated as in Example 1,
A negative electrode was used. In addition, the positive electrode, the separator, the electrolyte, the battery case, and the upper lid are the same as those in the first embodiment.
【0098】これらの作製したリチウム二次電池の評価
を以下の条件で行った。サイクル試験は、正極活物質重
量から計算される電気容量を基準に0.5CmA(容量
/時間の0.5倍の電流)で充放電を行った。充電は2
時間、カットオフ電圧4.5Vとし、充電休止時間は3
0分とした。放電のカットオフ電圧は2.5Vとした。
充電のカットオフ電圧は電解液中の溶媒の分解を進行さ
せないように決めた。電池の充放電には、北斗電工社製
HJ−106Mを使用した。電池容量は充放電3回目の
放電容量とし、サイクル寿命(充放電寿命)は充電電位
が4.5Vに達したサイクル数とした。The lithium secondary batteries thus manufactured were evaluated under the following conditions. In the cycle test, charge and discharge were performed at 0.5 CmA (0.5 times the capacity / time) based on the electric capacity calculated from the weight of the positive electrode active material. Charge 2
Time, cut-off voltage is 4.5V, and charging pause time is 3
0 minutes. The discharge cutoff voltage was 2.5V.
The charge cutoff voltage was determined so that the decomposition of the solvent in the electrolyte did not proceed. For charging and discharging of the battery, HJ-106M manufactured by Hokuto Denko was used. The battery capacity was defined as the third discharge capacity of charge and discharge, and the cycle life (charge and discharge life) was defined as the number of cycles at which the charge potential reached 4.5 V.
【0099】本発明のリチウム二次電池用電極構造体か
らなる負極を用いて作製した実施例のリチウム二次電池
と比較例1の電池容量とサイクル寿命の結果を、比較例
を100(%)として、表1に示した。The results of the battery capacity and the cycle life of the lithium secondary battery of the example and the comparative example 1 which were produced using the negative electrode comprising the electrode structure for a lithium secondary battery of the present invention were compared with 100% of the comparative example. As shown in Table 1.
【0100】[0100]
【表1】 [Table 1]
【0101】表1から、空孔を有する集電体を用いた全
ての実施例の負極は厚みが厚くなり、所定の寸法の径の
電池缶に入れたために、正極の長さが短くなり、正極容
量が減少し、電池容量は少なくなっている。実施例1の
場合、集電体の空孔が5%あると、メッキ厚さは約5%
厚さが増える。しかし、負極の厚さは正極の厚さの約3
0%であるため、容量に対する影響はこの場合、−1.
2%で、98.8%であった。一方、寿命は、1100
%と延びていた。以下、実施例1以外も同様な傾向であ
った。比較例1が寿命になったところで解体したとこ
ろ、5個所に亀裂が入り、そのうち、2個所は完全に破
断していた。実施例の電池は、全て、比較例1に比べて
容量が若干低下するものの、サイクル寿命は著しく向上
させる事が出来た。From Table 1, it can be seen that the negative electrodes of all the examples using the current collector having pores have a large thickness, and since the negative electrodes are placed in a battery can having a predetermined size, the length of the positive electrodes is short. Positive electrode capacity has decreased and battery capacity has decreased. In the case of the first embodiment, if the current collector has 5% of holes, the plating thickness is about 5%.
The thickness increases. However, the thickness of the negative electrode is about 3 times the thickness of the positive electrode.
Since it is 0%, the effect on capacity is -1.
At 2%, it was 98.8%. On the other hand, the life is 1100
%. Hereinafter, the same tendency was also observed in Examples other than Example 1. When the comparative example 1 was disassembled at the end of its life, it was cracked at five places, and two of them were completely broken. In all of the batteries of Examples, although the capacity was slightly lower than that of Comparative Example 1, the cycle life was able to be significantly improved.
【0102】捲回軸の径を変えて、捲回軸径に対する錫
メッキ層の横断面積を変えた電池の試験結果を、表2に
示す。比較例1の捲回軸径に対する錫メッキ層の横断面
積の比率は20%である。Table 2 shows the test results of the batteries in which the diameter of the winding shaft was changed and the cross-sectional area of the tin plating layer with respect to the winding shaft diameter was changed. In Comparative Example 1, the ratio of the cross-sectional area of the tin plating layer to the diameter of the wound shaft was 20%.
【0103】[0103]
【表2】 [Table 2]
【0104】実施例4Aは容量が2%低下して、比較例
1の98%となったが、寿命は850%と、長寿命を達
成する事が出来た。実施例4B、実施例4Cの場合も同
様であった。しかし、捲回軸径が必要以上に大きくて
も、より長寿命にはならず、容量が低下するというデメ
リットが目立つ。寿命終了後の電池を解体したところ、
比較例1は亀裂や破断が見られたが、実施例4Aなどに
は亀裂は見られず.捲回群の一部に、図2(b)に示し
たような変形が見られた。このような変形が起つても、
電池特性には影響ないようである。In Example 4A, the capacity was reduced by 2% to 98% of Comparative Example 1, but the life was 850%, which was a long life. The same was true for Examples 4B and 4C. However, even if the diameter of the wound shaft is larger than necessary, the disadvantage that the life is not extended and the capacity is reduced is conspicuous. After dismantling the battery after the end of its life,
In Comparative Example 1, cracks and breaks were found, but no cracks were seen in Example 4A and the like. A deformation as shown in FIG. 2B was observed in a part of the wound group. Even if such deformation occurs,
It does not seem to affect battery characteristics.
【0105】セパレータとしてフイルムと不織布を用い
た電池の結果を表3に示す。実施例5の電池の容量はセ
パレータが厚くなったため、電池容量が10%減少し、
比較例1の90%であった。充放電寿命は950%と大
幅に増加した。実施例5の電池を解体したところ、負
極、正極、セパータに若干の変形は見られたものの、実
施例4Aの電池より変形よりは少なかった。Table 3 shows the results of the battery using the film and the nonwoven fabric as the separator. The capacity of the battery of Example 5 was reduced by 10% because the separator was thickened.
90% of Comparative Example 1. The charge / discharge life was greatly increased to 950%. When the battery of Example 5 was disassembled, slight deformation was observed in the negative electrode, the positive electrode, and the separator, but the deformation was smaller than that of the battery of Example 4A.
【0106】[0106]
【表3】 [Table 3]
【0107】[0107]
【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、リ
チウムと合金化しない金属にリチウムと合金化する金属
を配したリチウム二次電池用電極構造体からなる負極に
おいて、充放電によつて、負極のリチウムと合金化しな
い金属が伸びや変形する事によって、リチウムと合金化
する金属の膨張による歪みを緩和し、負極のリチウムと
合金化しない金属の亀裂や破断を防ぎ、長寿命であると
同時に高容量なリチウム二次電池を提供する事が出来
る。As described above, according to the present invention, in a negative electrode comprising a lithium secondary battery electrode structure in which a metal not alloying with lithium and a metal alloying with lithium are arranged, a negative electrode is formed. Therefore, the metal that does not alloy with lithium in the negative electrode elongates or deforms, thereby relaxing the strain caused by the expansion of the metal that forms alloy with lithium, preventing the metal that does not alloy with lithium in the negative electrode from cracking or breaking, and providing a long life. At the same time, a high capacity lithium secondary battery can be provided.
【図1】本発明の二次電池に用いたリチウム二次電池用
電極構造体からなる負極を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic view showing a negative electrode comprising an electrode structure for a lithium secondary battery used in a secondary battery of the present invention.
【図2】本発明の二次電池の一実施態様の横断面を示す
概略図である。FIG. 2 is a schematic view showing a cross section of one embodiment of the secondary battery of the present invention.
【図3】従来の二次電池の横断面を示す概略図である。FIG. 3 is a schematic view showing a cross section of a conventional secondary battery.
【図4】円筒形電池の縦断面の概略図である。FIG. 4 is a schematic view of a vertical section of a cylindrical battery.
【図5】偏平形電池の縦断面の概略図である。FIG. 5 is a schematic view of a longitudinal section of a flat battery.
10 組み立て後で、充電前の状態(破線) 20 充電後の状態(実線) 101 空隙部(開孔部) 102、201、301、403、501 負極 103 リチウムと合金化しない金属 104 リチウムと合金化する金属 202、302、406、502 正極 203、303 セパレータ 204、304 電池ケース 205 隙間 401 負極集電体 402 負極活物質層 404 正極集電体 405 正極活物質層 407、503 セパレータ・電解液 408 負極缶(負極端子) 409 正極キャップ(正極端子) 410、504 ガスケット 411 絶緑板 412 負極リード 413 正極リード 414 安全弁 505 負極キャップ(負極端子) 506 正極缶(正極端子) 10 After assembly, before charging (broken line) 20 After charging (solid line) 101 Void (opening) 102, 201, 301, 403, 501 Negative electrode 103 Metal not alloyed with lithium 104 Alloyed with lithium Metal 202, 302, 406, 502 Positive electrode 203, 303 Separator 204, 304 Battery case 205 Gap 401 Negative current collector 402 Negative active material layer 404 Positive current collector 405 Positive active material layer 407, 503 Separator / electrolyte 408 Negative electrode Can (negative electrode terminal) 409 Positive electrode cap (positive electrode terminal) 410, 504 Gasket 411 Green plate 412 negative electrode lead 413 positive electrode lead 414 Safety valve 505 Negative cap (negative electrode terminal) 506 Positive electrode can (positive terminal)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01M 4/66 H01M 4/66 A 4/80 4/80 C 10/40 10/40 B ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI H01M 4/66 H01M 4/66 A 4/80 4/80 C 10/40 10/40 B
Claims (41)
し、その表面にリチウムと合金化する金属を配置したリ
チウム二次電池用電極構造体において、充電・放電によ
るリチウムと合金化する金属の体積変化に伴い、集電体
として用いたリチウムと合金化しない金属が変形するこ
とを特徴とするリチウム二次電池用電極構造体。An electrode structure for a lithium secondary battery in which a metal that does not alloy with lithium is used as a current collector and a metal that forms an alloy with lithium is disposed on the surface of the current collector. An electrode structure for a lithium secondary battery, wherein a metal that does not alloy with lithium used as a current collector is deformed with a change in volume.
がニッケル、銅、チタン、鉄、コバルト、クロム、タン
グステン、銀もしくはこれらの組み合わせであることを
特徴とする請求項1記載のリチウム二次電池用電極構造
体。2. The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the material of the metal that does not alloy with lithium is nickel, copper, titanium, iron, cobalt, chromium, tungsten, silver, or a combination thereof. Electrode structure.
元または三次元的に空孔を有することを特徴とする請求
項1または2に記載のリチウム二次電池用電極構造体。3. The electrode structure for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the metal that is not alloyed with lithium has holes two-dimensionally or three-dimensionally.
率が5〜50%であることを特徴とする請求項3記載の
リチウム二次電池用電極構造体。4. The electrode structure for a lithium secondary battery according to claim 3, wherein the porosity of the metal not alloyed with lithium is 5 to 50%.
チングメタル、フェルト、エキスパンドまたは発泡体で
あることを特徴とする請求項3または4に記載のリチウ
ム二次電池用電極構造体。5. The electrode structure for a lithium secondary battery according to claim 3, wherein the metal that does not alloy with lithium is a punched metal, felt, expanded or foamed material.
れ目が設けられていることを特徴とする請求項1または
2に記載のリチウム二次電池用電極構造体。6. The electrode structure for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein a cut is provided in the metal that is not alloyed with lithium.
が8〜15μmであることを特徴とする請求項1乃至6
のいずれかの項に記載のリチウム二次電池用電極構造
体。7. The method according to claim 1, wherein the thickness of the metal that is not alloyed with lithium is 8 to 15 μm.
The electrode structure for a lithium secondary battery according to any one of the above items.
ニウム、錫、インジウム、亜鉛、鉛、マグネシウム、カ
リウム、ナトリウム、カルシウム、ストロンチウム、シ
リコンもしくはこれらの組み合わせであることを特徴と
する請求項1記載のリチウム二次電池用電極構造体。8. The method according to claim 1, wherein the metal to be alloyed with lithium is aluminum, tin, indium, zinc, lead, magnesium, potassium, sodium, calcium, strontium, silicon or a combination thereof. An electrode structure for a lithium secondary battery.
が20〜80%であることを特徴とする請求項1または
8記載のリチウム二次電池用電極構造体。9. The electrode structure for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the porosity of the metal alloyed with lithium is 20 to 80%.
が10〜50μmであることを特徴とする請求項8また
は9に記載のリチウム二次電池用電極構造体。10. The electrode structure for a lithium secondary battery according to claim 8, wherein the thickness of the metal alloyed with lithium is 10 to 50 μm.
る金属の体積変化に伴い、集電体として用いたリチウム
と合金化しない金属が変形するリチウム二次電池用電極
構造体の製造方法であって、リチウムと合金化しない金
属を集電体とし、その表面にリチウムと合金化する金属
を配置することを特徴とするリチウム二次電池用電極構
造体の製造方法。11. A method for manufacturing an electrode structure for a lithium secondary battery in which a metal that does not alloy with lithium used as a current collector is deformed according to a change in volume of a metal that alloys with lithium due to charge and discharge. A method for producing an electrode structure for a lithium secondary battery, comprising: using a metal that does not alloy with lithium as a current collector; and arranging a metal that alloys with lithium on the surface of the current collector.
して、リチウムと合金化する金属の配置方法が、リチウ
ムと合金化する金属の粉末をバインダ溶液と混合して、
スラリ状として、塗工、充填する請求項11記載のリチ
ウム二次電池用電極構造体の製造方法。12. The method of arranging a metal that is to be alloyed with lithium with respect to a metal that is not to be alloyed with lithium includes mixing a powder of a metal that is alloyed with lithium with a binder solution,
The method for producing an electrode structure for a lithium secondary battery according to claim 11, wherein the slurry is applied and filled as a slurry.
チウムと合金化する金属を配置する際、バインダとし
て、ポリビニルアルコール、セルロース、ポリテトラフ
ルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンの少なくとも一
種以上を用い、リチウムと合金化する金属の粉未をスラ
リ状とした後、リチウムと合金化しない金属に塗工する
ことを特徴とする請求項12記載のリチウム二次電池用
電極構造体の製造方法。13. When arranging a metal that forms an alloy with lithium on a metal that does not form an alloy with lithium, at least one of polyvinyl alcohol, cellulose, polytetrafluoroethylene, and polyvinylidene fluoride is used as a binder. The method for producing an electrode structure for a lithium secondary battery according to claim 12, wherein the powder of the metal to be converted is formed into a slurry, and then applied to a metal that is not alloyed with lithium.
金属をスラリとする際、導電剤を添加することを特徴と
する請求項12または13記載のリチウム二次電池用電
極構造体の製造方法。14. The method for producing an electrode structure for a lithium secondary battery according to claim 12, wherein a conductive agent is added when the metal which is alloyed with the binder and lithium is used as a slurry.
徴とする請求項14記載のリチウム二次電池用電極構造
体の製造方法。15. The method for producing an electrode structure for a lithium secondary battery according to claim 14, wherein the conductive agent is carbon.
して、リチウムと合金化する金属の配置方法が、リチウ
ムと合金化する金属を電解メッキ法、無電解メッキ法、
レーザメッキ法、スパッタリング法、抵抗加熱蒸着法、
電子ビーム蒸着法、熱CVD法、減圧CVD法、プラズ
マCVD法、レーザCVD法から選ばれた少なくとも一
つ以上の組み合わせであることを特徴とする請求項11
記載のリチウム二次電池用電極構造体の製造方法。16. A method for arranging a metal which is alloyed with lithium with respect to a metal which is not alloyed with lithium, comprising:
Laser plating, sputtering, resistance heating evaporation,
12. A combination of at least one selected from an electron beam evaporation method, a thermal CVD method, a low pressure CVD method, a plasma CVD method, and a laser CVD method.
The manufacturing method of the electrode structure for lithium secondary batteries as described in the above.
い金属をリチウムと合金化する金属の表面に配置した
後、パンチング状またはエキスパンド状にすることを特
徴とする請求項11記載のリチウム二次電池用電極構造
体の製造方法。17. The lithium secondary battery according to claim 11, wherein the sheet-shaped metal that is not alloyed with lithium is disposed on the surface of the metal that is alloyed with lithium and then punched or expanded. Of manufacturing an electrode structure for use.
ンチング状、エキスパンド状であって、そこヘリチウム
と合金化する金属を配置することを特徴とする請求項1
1乃至17のいずれかの項に記載のリチウム二次電池用
電極構造体の製造方法。18. The method according to claim 1, wherein the metal not alloying with lithium is in a punching shape or an expanding shape, and a metal alloying with lithium is arranged there.
18. The method for producing an electrode structure for a lithium secondary battery according to any one of items 1 to 17.
載のリチウム二次電池用電極構造体からなることを特徴
とするリチウム二次電池用負極。19. A negative electrode for a lithium secondary battery, comprising the electrode structure for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 10.
と合金化しない金属を集電体とし、その表面にリチウム
と合金化する金属を配置してなり、充電・放電によるリ
チウムと合金化する金属の体積変化に伴い、集電体とし
て用いたリチウムと合金化しない金属が変形するリチウ
ム二次電池用電極構造体からなる負極をセパレータを介
して捲回してなることを特徴とするリチウム二次電池。20. A positive electrode for a lithium secondary battery, a current collector made of a metal that does not alloy with lithium, and a metal that is alloyed with lithium is disposed on the surface of the current collector. A lithium secondary battery comprising a negative electrode comprising an electrode structure for a lithium secondary battery in which a metal that does not alloy with lithium used as a current collector is deformed in accordance with a change in volume of the lithium secondary battery with a separator interposed therebetween. .
質がニッケル、銅、チタン、鉄、コバルト、クロム、タ
ングステン、銀もしくはこれらの組み合わせであること
を特徴とする請求項20記載のリチウム二次電池。21. The lithium secondary battery according to claim 20, wherein the material of the metal not alloyed with lithium is nickel, copper, titanium, iron, cobalt, chromium, tungsten, silver, or a combination thereof. .
次元または三次元的に空孔を有することを特徴とする請
求項20記載のリチウム二次電池。22. The lithium secondary battery according to claim 20, wherein the metal that is not alloyed with lithium has holes two-dimensionally or three-dimensionally.
孔率が5〜50%であることを特徴とする請求項22記
載のリチウム二次電池。23. The lithium secondary battery according to claim 22, wherein the porosity of the metal not alloyed with lithium is 5 to 50%.
ンチングメタル、フェルト、エキスパンドまたは発泡体
であることを特徴とする請求項22または23に記載の
リチウム二次電池。24. The lithium secondary battery according to claim 22, wherein the metal that does not alloy with lithium is a punched metal, felt, expanded, or foam.
切れ目が設けられていることを特徴とする請求項20ま
たは21に記載のリチウム二次電池。25. The metal which does not alloy with lithium,
22. The lithium secondary battery according to claim 20, wherein a cut is provided.
さが8〜15μmであることを特徴とする請求項20乃
至25のいずれかの項に記載のリチウム二次電池。26. The lithium secondary battery according to claim 20, wherein the thickness of the metal that is not alloyed with lithium is 8 to 15 μm.
ミニウム、錫、インジウム、亜鉛、鉛、マグネシウム、
カリウム、ナトリウム、カルシウム、ストロンチウム、
シリコンもしくはこれらの組み合わせであることを特徴
とする請求項20記載のリチウム二次電池。27. The metal alloyed with lithium is aluminum, tin, indium, zinc, lead, magnesium,
Potassium, sodium, calcium, strontium,
21. The lithium secondary battery according to claim 20, wherein the lithium secondary battery is silicon or a combination thereof.
率が20〜80%であることを特徴とする請求項20ま
たは27記載のリチウム二次電池。28. The lithium secondary battery according to claim 20, wherein the porosity of the metal alloyed with lithium is 20 to 80%.
が10〜50μmであることを特徴とする請求項20、
27または28に記載のリチウム二次電池。29. The method according to claim 20, wherein the thickness of the metal alloyed with lithium is 10 to 50 μm.
29. The lithium secondary battery according to 27 or 28.
を用いることを特徴とする請求項20に記載のリチウム
二次電池。30. The lithium secondary battery according to claim 20, wherein aluminum is used as the current collector of the positive electrode.
ングメタル、フェルト、エキスパンドまたは発泡体であ
ることを特徴とする第30項に記載のリチウム二次電
池。31. The lithium secondary battery according to claim 30, wherein the current collector of the positive electrode is a sheet, punched metal, felt, expanded, or foam.
ト、エキスパンドまたはパンチングメタルの厚さが15
〜30μmであることを特徴とする請求項31に記載の
リチウム二次電池。32. A sheet, expanded or punched metal used as a current collector for the positive electrode having a thickness of 15
32. The lithium secondary battery according to claim 31, wherein the thickness of the lithium secondary battery is about 30 m.
リチウムもしくはニッケルの一部をマンガン、コバル
ト、マグネシウムで置換した材料を用いることを特徴と
する請求項20のリチウム二次電池。33. The lithium secondary battery according to claim 20, wherein lithium nickelate or a material in which nickel is partially substituted with manganese, cobalt, or magnesium is used as the positive electrode active material.
20〜50%であることを特徴とする請求項20記載の
リチウム二次電池。34. The lithium secondary battery according to claim 20, wherein the ratio of the thickness of the negative electrode to the positive electrode is 20 to 50%.
と合金化しない金属を集電体とし、その表面にリチウム
と合金化する金属を配置してなり、充電・放電によりリ
チウムと合金化する金属の体積変化に伴い、集電体とし
て用いたリチウムと合金化しない金属が変形するリチウ
ム二次電池用電極構造体からなる負極をセパレータを介
して捲回してなる二次電池において、電池ケースの内径
の断面積から正極、負極およびセパレータの断面積の合
計を引いた断面積が負極のリチウムと合金化する金属の
断面積の0.3〜1.0倍であることを特徴とする請求
項20記載のリチウム二次電池。35. A positive electrode for a lithium secondary battery, a metal which does not alloy with lithium as a current collector, and a metal which alloys with lithium is disposed on the surface thereof, and a metal which alloys with lithium by charging / discharging. With the change in volume, the secondary battery formed by winding a negative electrode composed of an electrode structure for a lithium secondary battery in which a metal that does not alloy with lithium used as a current collector is deformed through a separator, has an inner diameter of a battery case. 21. The cross-sectional area obtained by subtracting the total cross-sectional area of the positive electrode, the negative electrode, and the separator from the cross-sectional area of the negative electrode is 0.3 to 1.0 times the cross-sectional area of the metal alloyed with lithium of the negative electrode. The lithium secondary battery according to the above.
ロピレンあるいはポリエチレンからなり、厚さが15〜
40μmであることを特徴とする請求項35記載のリチ
ウム二次電池。36. The separator is made of film-like polypropylene or polyethylene and has a thickness of 15 to
36. The lithium secondary battery according to claim 35, wherein the thickness is 40 [mu] m.
と合金化しない金属を集電体とし、その表面にリチウム
と合金化する金属を配置してなり、充電・放電によりリ
チウムと合金化する金属の体積変化に伴い、集電体とし
て用いたリチウムと合金化しない金属が変形するリチウ
ム二次電池用電極構造体からなる負極をセパレータを介
して捲回してなる二次電池において、セパレータがフィ
ルムと不織布からなることを特徴とする請求項20記載
のリチウム二次電池。37. A positive electrode for a lithium secondary battery, a metal which does not alloy with lithium as a current collector, and a metal which alloys with lithium is disposed on the surface thereof, and a metal which alloys with lithium by charge / discharge. Along with the change in volume, in a secondary battery obtained by winding a negative electrode composed of an electrode structure for a lithium secondary battery in which a metal that does not alloy with lithium used as a current collector is deformed through a separator, the separator has a film The lithium secondary battery according to claim 20, comprising a nonwoven fabric.
いはポリエチレンからなり、厚さが15〜50μmであ
ることを特徴とする請求項37記載のリチウム二次電
池。38. The lithium secondary battery according to claim 37, wherein the separator is made of polypropylene or polyethylene and has a thickness of 15 to 50 μm.
と合金化しない金属を集電体とし、その表面にリチウム
と合金化する金属を配置してなり、充電・放電によりリ
チウムと合金化する金属の体積変化に伴い、集電体とし
て用いたリチウムと合金化しない金属が変形するリチウ
ム二次電池用電極構造体からなる負極をセパレータを介
して捲回してなる二次電池において、少なくともセパレ
ータとして不織布を有し、電解液がゲル状であることを
特徴とする請求項20記載のリチウム二次電池。39. A positive electrode for a lithium secondary battery, a metal which does not alloy with lithium as a current collector, and a metal which alloys with lithium is disposed on the surface thereof, and a metal which alloys with lithium by charge / discharge. In a secondary battery in which a negative electrode composed of an electrode structure for a lithium secondary battery in which a metal that does not alloy with lithium used as a current collector is deformed due to a change in volume of the current collector, a non-woven fabric is used as a separator at least in a secondary battery. 21. The lithium secondary battery according to claim 20, wherein the electrolyte is a gel.
いはポリエチレンからなり、厚さが15〜40μmであ
ることを特徴とする請求項39記載のリチウム二次電
池。40. The lithium secondary battery according to claim 39, wherein the separator is made of polypropylene or polyethylene and has a thickness of 15 to 40 μm.
キサイド、ポリビニルアルコールまたはポリアクリルア
ミドを用いることを特徴とする請求項39記載のリチウ
ム二次電池。41. The lithium secondary battery according to claim 39, wherein polyethylene oxide, polyvinyl alcohol or polyacrylamide is used as the gelling agent.
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| JP10048562A JPH11233116A (en) | 1998-02-16 | 1998-02-16 | Electrode structure for lithium secondary battery, method for manufacturing the same, and lithium secondary battery |
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