JP6503768B2 - Lithium ion secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、リチウムイオン二次電池に関する。   The present invention relates to a lithium ion secondary battery.

従来、リチウムイオン二次電池としては、リチウムイオンを伝導する固体電解質としてのガラスセラミックスLi1+XTi2SiX3-X12・AlPO4(以下、オハラ電解質という)を正極又は負極に含有するものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この電池では、高温環境下での保存性や充放電サイクル特性を向上することができるとしている。また、電極に混入する固体電解質をLi0.35La0.65TiO3とし、正負極の短絡時の安定性を高めたものが提案されている(例えば、特許文献2参照)。また、正極にリチウムイオンを伝導するガーネット型酸化物を加え、サイクル特性及び熱的安定性を高めたものが提案されている(例えば、特許文献3参照)。 Conventionally, as the lithium ion secondary batteries, glass ceramics Li as a solid electrolyte that conducts lithium ion 1 + X Ti 2 Si X P 3-X O 12 · AlPO 4 ( hereinafter, referred Ohara electrolyte) to the positive or negative electrode What is contained is proposed (for example, refer patent document 1). It is said that this battery can improve the storage stability under high temperature environment and the charge and discharge cycle characteristics. In addition, a solid electrolyte to be mixed in the electrode is Li 0.35 La 0.65 TiO 3 to improve stability at the time of short circuit of positive and negative electrodes (see, for example, Patent Document 2). Moreover, the thing which added the garnet-type oxide which conducts lithium ion to a positive electrode, and improved cycling characteristics and thermal stability is proposed (for example, refer patent document 3).

特開2008−117542号公報JP, 2008-117542, A 特開平10−116632号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-116632 特許第5381640号公報Patent No. 5381640 gazette

ところで、車載用の電源などにおいては、エンジン始動の観点などから、例えば2秒程度の短時間に高出力を発揮できる特性が求められている。しかしながら、特許文献1〜3のものでは、例えば、2秒程度の短時間での出力が小さいことがあり、2秒程度の短時間での出力をより高めることが望まれていた。   By the way, in a vehicle-mounted power supply or the like, from the viewpoint of starting an engine, for example, a characteristic capable of exhibiting a high output in a short time of about 2 seconds is required. However, in the cases of Patent Documents 1 to 3, for example, the output in a short time of about 2 seconds may be small, and it is desired to further increase the output in a short time of about 2 seconds.

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、短時間での出力をより高めることを主目的とする。   The present invention has been made to solve such problems, and has as its main object to further increase the output in a short time.

上述した目的を達成するために、本発明者らは、活物質の他に微粒のガーネット型酸化物を負極に含むものとすると、2秒程度の短時間での出力をより高められることを見いだし、本発明を完成するに至った。   In order to achieve the above-mentioned purpose, the present inventors have found that the output in a short time of about 2 seconds can be further enhanced if, in addition to the active material, fine garnet-type oxide is included in the negative electrode, The present invention has been completed.

即ち、本発明のリチウムイオン二次電池は、
粒子径が3μm以下でリチウムイオンを伝導可能なガーネット型酸化物と、負極活物質と、を含み、前記ガーネット型酸化物の含有量が前記負極活物質に対して10mol%以上45mol%以下の範囲内にある負極と、
正極と、
前記負極と前記正極との間に介在しリチウムイオンを伝導する非水電解液と、
を備えたものである。
That is, the lithium ion secondary battery of the present invention is
The garnet type oxide having a particle diameter of 3 μm or less and capable of conducting lithium ions, and a negative electrode active material, and the content of the garnet type oxide in the range of 10 mol% to 45 mol% with respect to the negative electrode active material With the negative electrode inside,
Positive electrode,
A non-aqueous electrolyte which is interposed between the negative electrode and the positive electrode and which conducts lithium ions;
Is provided.

このリチウムイオン二次電池では、2秒程度の短時間での出力をより高めることができる。こうした効果が得られる理由は、以下のように推察される。すなわち、負極の電極内空隙に微粒のガーネット型酸化物を適量配置することにより、非水電解液とガーネット型酸化物との界面でのイオン伝導がより円滑に行われ、非水電解液のイオン伝導率が向上するためと推察される。さらに、ガーネット型酸化物内をリチウムイオンが伝導することによってイオン伝導率がさらに向上するためと推察される。   In this lithium ion secondary battery, the output in a short time of about 2 seconds can be further enhanced. The reason why such effects can be obtained is presumed as follows. That is, by arranging an appropriate amount of fine garnet-type oxide in the void in the electrode of the negative electrode, ion conduction at the interface between the non-aqueous electrolyte and the garnet-type oxide can be performed more smoothly, and ions of the non-aqueous electrolyte can be obtained. It is presumed that the conductivity is improved. Furthermore, it is presumed that the ion conductivity is further improved by the lithium ion conduction in the garnet-type oxide.

リチウムイオン二次電池10の構造の一例を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory view showing an example of the structure of a lithium ion secondary battery 10;

本発明のリチウムイオン二次電池は、負極と、正極と、負極と正極との間に介在しリチウムイオンを伝導する非水電解液と、を備えたものである。   The lithium ion secondary battery of the present invention comprises a negative electrode, a positive electrode, and a non-aqueous electrolytic solution which is interposed between the negative electrode and the positive electrode and which conducts lithium ions.

本発明のリチウムイオン二次電池の負極は、粒子径が3μm以下でリチウムイオンを伝導可能なガーネット型酸化物と、負極活物質とを含み、ガーネット型酸化物の含有量が負極活物質に対して10mol%以上45mol%以下の範囲内にある。リチウムイオンを伝導可能なガーネット型酸化物は、粒子径が3μm以下であればよいが、2μm以下であることが好ましく、1μm以下であることがより好ましい。粒子径が小さいほど2秒出力を向上させることができる。ここで、粒子径は、レーザー回折式粒度分布測定装置を用い、分散媒としてエタノールを用いて測定し、メディアン径D50として算出したものをいう。リチウムイオンを伝導可能なガーネット型酸化物の含有量は、負極活物質に対して10mol%以上45mol%以下の範囲内にあればよいが、例えば、10mol%以上25mol%以下の範囲内にあるものとしてもよい。ガーネット型酸化物の含有量が10mol%以上45mol%以下の範囲内であれば、2秒出力をより向上させ、放電容量や10秒出力などの低下をより抑制することができ、ガーネット型酸化物の含有量が少ないほど、充放電に寄与する負極活物質の割合を多くできる。なお、2秒程度の短時間での出力(2秒出力)は、以下のように求めた値とする。すなわち、まず、リチウムイオン二次電池を電池容量の50%(SOC=50%)に調整した後に、種々の電流値で電流を流して2秒後の電池電圧を測定する。そして、流した電流と電圧を直線補完し、2秒後の電圧が3.0Vになるときの電流値を求める。その電流と電圧の積を2秒出力として求める。また、10秒出力は、以下のように求めた値とする。すなわち、まず、リチウムイオン二次電池を電池容量の50%(SOC=50%)に調整した後に、種々の電流値で電流を流して10秒後の電池電圧を測定する。そして、流した電流と電圧を直線補完し、10秒後の電圧が3.0Vになるときの電流値を求める。その電流と電圧の積を10秒出力として求める。   The negative electrode of the lithium ion secondary battery of the present invention contains a garnet-type oxide having a particle diameter of 3 μm or less and capable of conducting lithium ions, and a negative electrode active material, and the content of the garnet-type oxide relative to the negative electrode active material In the range of 10 mol% to 45 mol%. The garnet type oxide capable of conducting lithium ions may have a particle diameter of 3 μm or less, preferably 2 μm or less, and more preferably 1 μm or less. As the particle diameter is smaller, the output for 2 seconds can be improved. Here, the particle diameter is measured using a laser diffraction type particle size distribution measuring apparatus, using ethanol as a dispersion medium, and is calculated as a median diameter D50. The content of the garnet-type oxide capable of conducting lithium ions may be in the range of 10 mol% to 45 mol% with respect to the negative electrode active material, but for example, those in the range of 10 mol% to 25 mol% It may be If the content of the garnet-type oxide is in the range of 10 mol% or more and 45 mol% or less, the 2-second output can be further improved, and a decrease in the discharge capacity or the 10-second output can be further suppressed. The proportion of the negative electrode active material that contributes to charge and discharge can be increased as the content of H is smaller. The output in a short time of about 2 seconds (2 seconds output) is a value obtained as follows. That is, first, after adjusting the lithium ion secondary battery to 50% of the battery capacity (SOC = 50%), the current is flowed at various current values, and the battery voltage after 2 seconds is measured. Then, the supplied current and voltage are linearly complemented, and a current value when the voltage after 2 seconds becomes 3.0 V is obtained. The product of the current and voltage is determined as a 2 second output. Also, the 10-second output is a value obtained as follows. That is, first, after adjusting the lithium ion secondary battery to 50% of the battery capacity (SOC = 50%), current is flowed at various current values, and the battery voltage after 10 seconds is measured. Then, the supplied current and voltage are linearly complemented, and a current value when the voltage after 10 seconds becomes 3.0 V is obtained. The product of the current and voltage is determined as a 10 second output.

リチウムイオンを伝導可能なガーネット型酸化物は、特に限定されるものではないが、少なくともZrを含有していることが好ましく、それに加えてNb及びTaの少なくとも一方を含有していることがより好ましく、それに加えてLaを含有していることが更に好ましい。こうすれば、リチウムイオンの伝導性をより高めることができる。このリチウムイオンを伝導するガーネット型酸化物は、組成式Li5+XLa3(ZrX,A2-X)O12(式中、AはSc,Ti,V,Y,Nb,Hf,Ta,Al,Si,Ga及びGeからなる群より選ばれた1種類以上の元素、Xは1.4≦X<2)で表されるものとしてもよい。ここで用いるガーネット型酸化物は、Xが1.4≦X<2を満たすため、公知のガーネット型酸化物Li7La3Zr212(つまりX=2)と比べて、リチウムイオン伝導度が高くなり且つ活性化エネルギーも小さくなる。例えば、AがNbの場合、伝導度が2.5×10-4Scm-1以上、活性化エネルギーが0.34eV以下になる。したがって、この酸化物を含むリチウムイオン二次電池によれば、リチウムイオンが伝導しやすく、抵抗が低くなり、電池の出力が向上する。また、活性化エネルギーが小さい、つまり温度に対する伝導度の変化の割合が小さいため、電池の出力が安定する。また、Xが1.6≦X≦1.95を満たせば、伝導度がより高く、活性化エネルギーがより低くなるため、より好ましい。更に、Xが1.65≦X≦1.9を満たせば、伝導度がほぼ極大、活性化エネルギーがほぼ極小となるため、一層好ましい。なお、Aとしては、NbやNbとイオン半径が同等のTaが好ましい。 The garnet-type oxide capable of conducting lithium ions is not particularly limited, but preferably contains at least Zr, and more preferably further contains at least one of Nb and Ta. More preferably, it contains La in addition to that. This can further enhance the lithium ion conductivity. The garnet-type oxide which conducts this lithium ion has a composition formula Li 5 + X La 3 (Zr x , A 2-x ) O 12 (wherein, A is Sc, Ti, V, Y, Nb, Hf, Ta And one or more elements selected from the group consisting of Al, Si, Ga and Ge, and X may be represented by 1.4 ≦ X <2). The garnet-type oxide used here has lithium ion conductivity compared to the known garnet-type oxide Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (that is, X = 2) because X satisfies 1.4 ≦ X <2. And the activation energy also decreases. For example, when A is Nb, the conductivity is 2.5 × 10 −4 Scm −1 or more, and the activation energy is 0.34 eV or less. Therefore, according to the lithium ion secondary battery containing this oxide, lithium ions are easily conducted, the resistance is lowered, and the output of the battery is improved. In addition, since the activation energy is small, that is, the rate of change of conductivity to temperature is small, the output of the battery is stabilized. In addition, it is more preferable that X satisfies 1.6 ≦ X ≦ 1.95 because the conductivity is higher and the activation energy is lower. Furthermore, if X satisfies 1.65 ≦ X ≦ 1.9, it is more preferable because the conductivity is almost maximum and the activation energy is almost minimum. As A, Nb or Ta having an ion radius equal to that of Nb is preferable.

リチウムイオンを伝導可能なガーネット型酸化物は、組成式Li7La3Zr212のZrサイトがZrとはイオン半径の異なる元素で置換され、XRDにおける(220)回折の強度を1に規格化したときの(024)回折の規格化後の強度が9.2以上であるものとしてもよい。(024)回折の規格化後の強度が9.2を超えると、LiO4(I)の四面体の酸素イオンが形成する三角形が正三角形に近づき、その三角形の面積が大きくなるため、公知のガーネット型酸化物Li7La3Zr212(つまりX=2)と比べて、伝導度が高くなり且つ活性化エネルギーも小さくなる。例えば、AがNbの場合、伝導度が2.5×10-4Scm-1以上、活性化エネルギーが0.34eV以下になる。したがって、この酸化物をリチウムイオン二次電池に用いた場合、リチウムイオンが伝導しやすくなるため、電池の出力が向上する。また、活性化エネルギーが小さい、つまり温度に対する伝導度の変化の割合が小さいため、電池の出力が安定する。また、(024)回折の規格化後の強度が10.0以上であれば、伝導度がより高く、活性化エネルギーがより低くなるため、より好ましい。更に、(024)回折の規格化後の強度が10.2以上であれば、伝導度がほぼ極大、活性化エネルギーがほぼ極小となるため、一層好ましい。なお、Zrとはイオン半径の異なる元素としては、Sc,Ti,V,Y,Nb,Hf,Ta,Al,Si,Ga及びGeからなる群より選ばれた1種類以上の元素が挙げられ、このうち、NbやNbとイオン半径が同等のTaが好ましい。 In the garnet-type oxide capable of conducting lithium ions, the Zr site of the composition formula Li 7 La 3 Zr 2 O 12 is substituted by an element having a different ion radius from Zr, and the intensity of (220) diffraction in XRD is standardized to 1. The intensity after normalization of (024) diffraction may be 9.2 or more. (024) When the intensity after normalization of diffraction exceeds 9.2, the triangle formed by the oxygen ion of the tetrahedron of LiO 4 (I) approaches an equilateral triangle, and the area of the triangle becomes large. Compared with the garnet-type oxide Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (that is, X = 2), the conductivity is higher and the activation energy is also smaller. For example, when A is Nb, the conductivity is 2.5 × 10 −4 Scm −1 or more, and the activation energy is 0.34 eV or less. Therefore, when this oxide is used in a lithium ion secondary battery, lithium ions are easily conducted, and the output of the battery is improved. In addition, since the activation energy is small, that is, the rate of change of conductivity to temperature is small, the output of the battery is stabilized. If the intensity after normalization of (024) diffraction is 10.0 or more, the conductivity is higher and the activation energy is lower, which is more preferable. Furthermore, if the intensity after normalization of (024) diffraction is 10.2 or more, the conductivity is almost maximized and the activation energy is substantially minimized, which is more preferable. As the element having a different ion radius from Zr, one or more elements selected from the group consisting of Sc, Ti, V, Y, Nb, Hf, Ta, Al, Si, Ga and Ge can be mentioned. Among these, Nb and Ta having the same ion radius as Nb are preferable.

ここで、リチウムイオンを伝導可能なガーネット型酸化物は、主としてガーネット型の構造を有していればよく、例えば、他の構造が一部含まれていたり、例えばX線回折のピーク位置がシフトしているなどガーネットからみて歪んだ構造を含むものとしてもよい。また、組成式で示しているが、リチウムイオンを伝導可能なガーネット型酸化物には他の元素や構造などが一部含まれていてもよい。   Here, the garnet-type oxide capable of conducting lithium ions only needs to have a garnet-type structure, for example, some of the other structures are included, or the peak position of X-ray diffraction is shifted, for example. It may be a structure including a distorted structure as seen from the garnet. Although shown by the composition formula, the garnet-type oxide capable of conducting lithium ions may partially contain other elements, structures, and the like.

負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵放出可能な材料であればよく、例えばリチウム合金、金属酸化物、金属硫化物、リチウムを吸蔵放出する炭素質物質などが挙げられる。リチウム合金としては、例えば、アルミニウムやシリコン、スズ、マグネシウム、インジウム、カルシウムなどとリチウムとの合金が挙げられる。金属酸化物としては、例えばスズ酸化物、ケイ素酸化物、チタン酸化物、リチウムチタン酸化物、リチウムマンガン酸化物、ニオブ酸化物、タングステン酸化物などが挙げられる。金属硫化物としては、例えばスズ硫化物やチタン硫化物などが挙げられる。リチウムを吸蔵放出する炭素質物質としては、例えば黒鉛、コークス、メソフェーズピッチ系炭素繊維、球状炭素、樹脂焼成炭素などが挙げられる。このうち、負極活物質としては、リチウムチタン酸化物や、リチウムマンガン酸化物、黒鉛などが好ましい。負極活物質は、例えば、粒子径が5.0μm以上20.0μm以下の黒鉛であるものとしてもよいし、粒子径が1.0μm以上25.0μm以下の酸化物系負極活物質であるものとしてもよい。   The negative electrode active material may be any material that can occlude and release lithium ions, and examples thereof include lithium alloys, metal oxides, metal sulfides, and carbonaceous materials that occlude and release lithium. Examples of lithium alloys include alloys of lithium with aluminum, silicon, tin, magnesium, indium, calcium and the like. Examples of the metal oxide include tin oxide, silicon oxide, titanium oxide, lithium titanium oxide, lithium manganese oxide, niobium oxide, tungsten oxide and the like. Examples of the metal sulfide include tin sulfide and titanium sulfide. As a carbonaceous substance which occludes and releases lithium, for example, graphite, coke, mesophase pitch carbon fiber, spherical carbon, resin-calcined carbon and the like can be mentioned. Among them, lithium titanium oxide, lithium manganese oxide, graphite and the like are preferable as the negative electrode active material. The negative electrode active material may be, for example, graphite having a particle diameter of 5.0 μm to 20.0 μm, or an oxide-based negative electrode active material having a particle diameter of 1.0 μm to 25.0 μm. It is also good.

本発明のリチウムイオン二次電池の負極は、例えば上述したリチウムイオンを伝導可能なガーネット型酸化物と上述した負極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の負極材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。導電材は、電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定されず、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など)などの1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。これらの中で、導電材としては、電子伝導性及び塗工性の観点より、カーボンブラック及びアセチレンブラックが好ましい。結着材は、活物質粒子及び導電材粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレンプロピレンジエンモノマー(EPDM)ゴム、スルホン化EPDMゴム、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。   The negative electrode of the lithium ion secondary battery of the present invention is prepared, for example, by mixing the above-mentioned garnet-type oxide capable of conducting lithium ions, the above-mentioned negative electrode active material, the conductive material and the binder and adding an appropriate solvent The negative electrode material may be applied to the surface of the current collector and dried, and compressed as needed to increase the electrode density. The conductive material is not particularly limited as long as it is an electron conductive material that does not adversely affect the battery performance, and, for example, graphite such as natural graphite (flaky graphite, scaly graphite) or artificial graphite, acetylene black, carbon black, ketjen What mixed 1 type or 2 types or more, such as black, carbon whisker, needle coke, carbon fiber, metals (copper, nickel, aluminum, silver, gold etc.), can be used. Among these, carbon black and acetylene black are preferable as the conductive material from the viewpoint of electron conductivity and coatability. The binder plays a role of holding the active material particles and the conductive material particles, and is, for example, a fluorine-containing resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), fluororubber, or polypropylene. A thermoplastic resin such as polyethylene, ethylene propylene diene monomer (EPDM) rubber, sulfonated EPDM rubber, natural butyl rubber (NBR) or the like can be used alone or as a mixture of two or more. In addition, an aqueous dispersion of a cellulose based or styrene butadiene rubber (SBR), which is an aqueous binder, can also be used.

ガーネット型酸化物、負極活物質、導電材、結着材を分散させる溶剤としては、例えばN−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチレントリアミン、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフランなどの有機溶剤を用いることができる。また、水に分散剤、増粘剤等を加え、SBRなどのラテックスで活物質をスラリー化してもよい。増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロースなどの多糖類を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。塗布方法としては、例えば、アプリケータロールなどのローラコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレイド方式、スピンコーティング、バーコータなどが挙げられ、これらのいずれかを用いて任意の厚さ・形状とすることができる。負極の集電体には、銅、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス、Al−Cd合金などのほか、接着性、導電性及び耐還元性向上の目的で、例えば銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものも用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。集電体の形状については、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチ又はエキスパンドされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体などが挙げられる。集電体の厚さは、例えば1〜500μmのものが用いられる。   Examples of solvents for dispersing garnet type oxides, negative electrode active materials, conductive materials, and binders include N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethylenetriamine, N, N. Organic solvents such as dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, tetrahydrofuran etc. can be used. Further, a dispersing agent, a thickener and the like may be added to water, and the active material may be slurried with a latex such as SBR. As the thickener, for example, polysaccharides such as carboxymethylcellulose and methylcellulose can be used alone or as a mixture of two or more. The application method includes, for example, roller coating such as applicator roll, screen coating, doctor blade method, spin coating, bar coater and the like, and any thickness and shape can be made using any of these. In the current collector of the negative electrode, in addition to copper, nickel, stainless steel, titanium, aluminum, calcined carbon, conductive polymer, conductive glass, Al-Cd alloy, etc., adhesion, conductivity and reduction resistance are improved. For the purpose, for example, one obtained by treating the surface of copper or the like with carbon, nickel, titanium, silver or the like can also be used. For these, it is also possible to oxidize the surface. The shape of the current collector may, for example, be a foil, a film, a sheet, a net, a punched or expanded one, a lath body, a porous body, a foam, a formed body of a fiber group, and the like. The thickness of the current collector is, for example, 1 to 500 μm.

本発明のリチウムイオン二次電池の正極は、例えば正極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の正極材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。正極活物質としては、遷移金属元素を含む硫化物や、リチウムと遷移金属元素とを含む酸化物などを用いることができる。具体的には、TiS2、TiS3、MoS3、FeS2などの遷移金属硫化物、Li(1-x)MnO2(0<x<1など、以下同じ)、Li(1-x)Mn24などのリチウムマンガン複合酸化物、Li(1-x)CoO2などのリチウムコバルト複合酸化物、Li(1-x)NiO2などのリチウムニッケル複合酸化物、LiV23などのリチウムバナジウム複合酸化物、V25などの遷移金属酸化物などを用いることができる。これらのうち、リチウムの遷移金属複合酸化物、例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiV23などが好ましい。また、正極に用いられる導電材、結着材、溶剤などは、それぞれ負極で例示したものを用いることができる。集電体としては、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどのほか、接着性、導電性及び耐酸化性向上の目的で、アルミニウムや銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものを用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。集電体の形状は、負極と同様のものを用いることができる。 The positive electrode of the lithium ion secondary battery of the present invention is, for example, a mixture of a positive electrode active material, a conductive material and a binder, and an appropriate solvent added thereto to form a paste-like positive electrode material on the surface of the current collector. It may be applied and dried, and compressed to increase the electrode density if necessary. As the positive electrode active material, a sulfide containing a transition metal element, an oxide containing lithium and a transition metal element, or the like can be used. Specifically, transition metal sulfides such as TiS 2 , TiS 3 , MoS 3 , FeS 2 , Li (1-x) MnO 2 (0 <x <1, etc., the same applies hereinafter), Li (1-x) Mn Lithium manganese complex oxide such as 2 O 4 , lithium cobalt complex oxide such as Li (1-x) CoO 2 , lithium nickel complex oxide such as Li (1-x) NiO 2 , lithium such as LiV 2 O 3 Vanadium complex oxides, transition metal oxides such as V 2 O 5 and the like can be used. Among these, lithium transition metal complex oxides such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiV 2 O 3 and the like are preferable. In addition, as the conductive material, the binder, the solvent, and the like used for the positive electrode, those exemplified for the negative electrode can be used. As the current collector, aluminum, titanium, stainless steel, nickel, iron, calcined carbon, conductive polymer, conductive glass, etc., aluminum, copper, etc. for the purpose of improving adhesion, conductivity and oxidation resistance The surface of the above may be treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like. For these, it is also possible to oxidize the surface. The shape of the current collector can be the same as that of the negative electrode.

本発明のリチウムイオン二次電池の非水電解液は、非水系溶媒と支持塩とを含むものとしてもよい。非水系溶媒としては、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、フラン類、スルホラン類及びジオキソラン類などが挙げられ、これらを単独又は混合して用いることができる。具体的には、カーボネート類としてエチレンカーボネートやプロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネートなどの環状カーボネート類や、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチル−n−ブチルカーボネート、メチル−t−ブチルカーボネート、ジ−i−プロピルカーボネート、t−ブチル−i−プロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート類、γ−ブチルラクトン、γ−バレロラクトンなどの環状エステル類、ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酪酸メチルなどの鎖状エステル類、ジメトキシエタン、エトキシメトキシエタン、ジエトキシエタンなどのエーテル類、アセトニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル類、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、などのフラン類、スルホラン、テトラメチルスルホランなどのスルホラン類、1,3−ジオキソラン、メチルジオキソランなどのジオキソラン類などが挙げられる。このうち、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類との組み合わせが好ましい。この組み合わせによると、充放電の繰り返しでの電池特性を表すサイクル特性が優れているばかりでなく、電解液の粘度、得られる電池の電気容量、電池出力などをバランスの取れたものとすることができる。   The non-aqueous electrolyte solution of the lithium ion secondary battery of the present invention may contain a non-aqueous solvent and a support salt. As the non-aqueous solvent, carbonates, esters, ethers, nitriles, furans, sulfolanes and dioxolanes can be mentioned, and these can be used alone or in combination. Specifically, as carbonates, cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, vinylene carbonate, butylene carbonate, chloroethylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl-n-butyl carbonate, methyl-t -Linear carbonates such as -butyl carbonate, di-i-propyl carbonate, t-butyl-i-propyl carbonate, cyclic esters such as γ-butyl lactone and γ-valerolactone, methyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, Chain esters such as methyl butyrate; ethers such as dimethoxyethane, ethoxymethoxyethane and diethoxyethane; nitriles such as acetonitrile and benzonitrile; Examples include furans such as orchid, methyltetrahydrofuran and the like, sulfolanes such as sulfolane and tetramethyl sulfolane, and dioxolanes such as 1,3-dioxolane and methyldioxolane. Among these, a combination of cyclic carbonates and linear carbonates is preferred. According to this combination, not only the cycle characteristics representing the battery characteristics in repetition of charge and discharge are excellent, but also the viscosity of the electrolytic solution, the electric capacity of the obtained battery, the battery output and the like can be balanced. it can.

支持塩は、例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO22、LiC(CF3SO23、LiSbF6、LiSiF6、LiAlF4、LiSCN、LiClO4、LiCl、LiF、LiBr、LiI、LiAlCl4などが挙げられる。このうち、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4などの無機塩、及びLiCF3SO3、LiN(CF3SO22、LiC(CF3SO23などの有機塩からなる群より選ばれる1種又は2種以上の塩を組み合わせて用いることが電気特性の点から見て好ましい。この支持塩は、非水電解液中の濃度が0.1mol/L以上5mol/L以下であることが好ましく、0.5mol/L以上2mol/L以下であることがより好ましい。支持塩の濃度が0.1mol/L以上では、十分な電流密度を得ることができ、5mol/L以下では、電解液をより安定させることができる。また、この非水電解液には、リン系、ハロゲン系などの難燃剤を添加してもよい。 The supporting salt is, for example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiSbF 6 , LiSiF 6 , LiSiF 6 , LiAlF 4 , LiSCN, LiClO 4 LiCl, LiF, LiBr, LiI, LiAlCl 4 and the like. Among them, inorganic salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 and LiClO 4 , and organic salts such as LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 and LiC (CF 3 SO 2 ) 3 It is preferred from the viewpoint of the electrical properties to use one or more selected salts in combination. The concentration of the supporting salt in the non-aqueous electrolytic solution is preferably 0.1 mol / L to 5 mol / L, and more preferably 0.5 mol / L to 2 mol / L. When the concentration of the supporting salt is 0.1 mol / L or more, a sufficient current density can be obtained, and when the concentration is 5 mol / L or less, the electrolytic solution can be made more stable. In addition, a phosphorus-based or halogen-based flame retardant may be added to this non-aqueous electrolytic solution.

本発明のリチウムイオン二次電池は、負極と正極との間にセパレータを備えていてもよい。セパレータとしては、リチウムイオン二次電池の使用範囲に耐えうる組成であれば特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン製不織布やポリフェニレンスルフィド製不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の薄い微多孔膜が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数を組み合わせて用いてもよい。   The lithium ion secondary battery of the present invention may include a separator between the negative electrode and the positive electrode. The separator is not particularly limited as long as it has a composition that can withstand the use range of the lithium ion secondary battery, but, for example, a polymeric nonwoven fabric such as a polypropylene non-woven fabric or a polyphenylene sulfide non-woven fabric, or an olefin resin such as polyethylene or polypropylene A microporous membrane is mentioned. These may be used alone or in combination of two or more.

本発明のリチウムイオン二次電池の形状は、特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型などが挙げられる。また、こうしたリチウムイオン二次電池を複数直列に接続して電気自動車等に用いる大型のものなどに適用してもよい。図1は、本発明のリチウムイオン二次電池10の一例を示す模式図である。このリチウムイオン二次電池10は、集電体11に正極合材12を形成した正極シート13と、集電体14の表面に負極合材17を形成した負極シート18と、正極シート13と負極シート18との間に設けられたセパレータ19と、正極シート13と負極シート18との間を満たす非水電解液20と、を備えたものである。このリチウムイオン二次電池10では、正極シート13と負極シート18との間にセパレータ19を挟み、これらを捲回して円筒ケース22に挿入し、正極シート13に接続された正極端子24と負極シートに接続された負極端子26とを配設して形成されている。このリチウムイオン二次電池10では、負極合材は、負極活物質17aと粒子径が3μm以下でリチウムイオンを伝導可能なガーネット型酸化物17bとを含み、ガーネット型酸化物17bの含有量が負極活物質17aに対して10mol%以上45mol%以下の範囲内にある。   The shape of the lithium ion secondary battery of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include coin type, button type, sheet type, laminated type, cylindrical type, flat type, and square type. In addition, a plurality of such lithium ion secondary batteries may be connected in series to apply to a large battery used in an electric car or the like. FIG. 1 is a schematic view showing an example of a lithium ion secondary battery 10 of the present invention. The lithium ion secondary battery 10 includes a positive electrode sheet 13 having a positive electrode mixture 12 formed on a current collector 11, a negative electrode sheet 18 having a negative electrode mixture 17 formed on the surface of a current collector 14, a positive electrode sheet 13 and a negative electrode. A separator 19 provided between the sheet 18 and the non-aqueous electrolytic solution 20 that fills the space between the positive electrode sheet 13 and the negative electrode sheet 18 is provided. In this lithium ion secondary battery 10, the separator 19 is sandwiched between the positive electrode sheet 13 and the negative electrode sheet 18, and these are wound and inserted into the cylindrical case 22, and the positive electrode terminal 24 and the negative electrode sheet connected to the positive electrode sheet 13 And the negative electrode terminal 26 connected to each other. In the lithium ion secondary battery 10, the negative electrode mixture includes the negative electrode active material 17a and the garnet type oxide 17b having a particle diameter of 3 μm or less and capable of conducting lithium ions, and the content of the garnet type oxide 17b is negative. It exists in the range of 10 mol% or more and 45 mol% or less with respect to the active material 17a.

以上詳述した本実施形態のリチウムイオン二次電池では、2秒出力を高めることができる。また、放電容量の低下や、10秒出力の低下を抑制することができる。そして、例えば、0℃を下回る低温領域においてもこうした効果が得られる。こうした効果が得られる理由は、以下のように推察される。例えば、非水電解液はリチウムイオン輸率が0.3程度と低いことに加え、特に多孔体電極内ではリチウムイオンや支持塩を構成するアニオンやカチオンの移動が電極組成物に阻害されることで、リチウムイオン伝導率が低くなることがある。特に、0℃以下などの低温では入出力特性への負極のイオン伝導率の影響が極めて大きくなる。そこで、負極の電極内空隙に微粒のガーネット型酸化物を適量配置すると、非水電解液とガーネット型酸化物との界面でのイオン伝導が円滑に行われ、非水電解液のイオン伝導率が向上すると考えられる。さらに、微粒のガーネット型酸化物内をリチウムイオンが伝導することによってイオン伝導率がさらに向上すると考えられる。   The lithium ion secondary battery of the present embodiment described in detail above can increase the output for 2 seconds. In addition, it is possible to suppress a decrease in discharge capacity and a decrease in output for 10 seconds. And, for example, such effects can be obtained even in a low temperature range below 0 ° C. The reason why such effects can be obtained is presumed as follows. For example, in addition to the lithium ion transport number of the non-aqueous electrolyte being as low as about 0.3, in the porous electrode, in particular, migration of lithium ions and anions and cations constituting the support salt is inhibited by the electrode composition In some cases, lithium ion conductivity may be low. In particular, at low temperatures such as 0 ° C. or less, the influence of the ion conductivity of the negative electrode on the input / output characteristics becomes extremely large. Therefore, when an appropriate amount of fine garnet-type oxide is disposed in the void in the electrode of the negative electrode, ion conduction is smoothly performed at the interface between the non-aqueous electrolyte and the garnet-type oxide, and the ion conductivity of the non-aqueous electrolyte is increased. It is considered to improve. Furthermore, it is thought that the ion conductivity is further improved by conducting lithium ions in the fine garnet-type oxide.

また、リチウムイオンを伝導するガーネット型酸化物は、電位窓が広く、低温や高温でも安定で、リチウムイオン伝導度が高く、このガーネット型酸化物がリチウムイオン二次電池内に存在することから、熱的安定性を高めたり、サイクル特性を高めたりすることができると考えられる。例えば、電位窓が広いため、過充電及び過放電などの環境下にさらされても、電池性能へ悪影響を与えにくいと考えられる。また、例えば、このガーネット型酸化物を電極に含ませたものとすると、活物質の表面の一部を覆うことにより非水電解液−活物質間の副反応などを抑制することができると考えられる。また、ガーネット型酸化物は、高いリチウム伝導度を有しており、電池の出力特性低下などの懸念が少ない。また、大気中でも安定であるから、大気中の水分と反応したり吸収したりしにくい。また、0V〜9.5Vの広い電位窓を有するため、充放電を行っても電池内で安定に存在できる。即ち、低電位の負極に混入又は接触可能である。また、過放電が起きて負極の電位が上がりすぎたりしてもガーネット型酸化物は安定であるため、電極に悪影響を与えにくい。   In addition, garnet-type oxides that conduct lithium ions have a wide potential window, are stable even at low temperatures and high temperatures, have high lithium ion conductivity, and the garnet-type oxides are present in lithium ion secondary batteries, It is believed that thermal stability can be enhanced and cycle characteristics can be enhanced. For example, since the potential window is wide, it is considered that the battery performance is unlikely to be adversely affected even when exposed to environments such as overcharge and overdischarge. Also, for example, when the garnet-type oxide is contained in the electrode, it is considered that by covering a part of the surface of the active material, it is possible to suppress the side reaction between the non-aqueous electrolyte and the active material. Be In addition, garnet-type oxides have high lithium conductivity, and there are few concerns such as deterioration of output characteristics of the battery. In addition, since it is stable in the atmosphere, it does not easily react with or absorb water in the atmosphere. Moreover, since it has a wide electric potential window of 0V-9.5V, even if it charges / discharges, it can exist stably in a battery. That is, it can be mixed or brought into contact with the low potential negative electrode. In addition, even if the overdischarge occurs and the potential of the negative electrode rises too much, the garnet-type oxide is stable, and thus the electrode is hardly adversely affected.

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。   It is needless to say that the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment at all, and can be implemented in various modes within the technical scope of the present invention.

以下には、本発明のリチウムイオン二次電池を具体的に作製した例について、実験例として説明する。なお、実験例1〜5,12〜15が本発明の実施例に相当し、実験例6〜11,16〜19が比較例に相当する。本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではない。   Below, the example which produced specifically the lithium ion secondary battery of this invention is demonstrated as an experimental example. Experimental examples 1 to 5 and 12 to 15 correspond to examples of the present invention, and experimental examples 6 to 11 and 16 to 19 correspond to comparative examples. The present invention is not limited to the following examples.

[実験例1]
(ガーネット型酸化物(固体電解質)の合成、粒径評価)
立方晶のガーネット型酸化物を得るためTa置換体Li6.75La3Zr1.75Ta0.2512を以下の手順で合成した。出発原料としてLi2CO3、La(OH)3、ZrO2、Ta25を用いた。出発原料を化学量論比となるように秤量し、エタノール中にてボールミル処理を行った。出発原料の混合粉末を乾燥後、アルミナるつぼで950℃、10時間空気中にて仮焼成を行った。その後、Li仕込み組成の10atom%に相当するLi2CO3を仮焼粉末に過剰添加し、エタノール中で混合粉末のボールミル処理を施した。得られた粉末を空気中950℃10時間再度加熱し、圧粉成型後1200℃36時間焼成することにより固体電解質を作製した。その後、合成粉末のボールミル処理を施し、粒径制御を行った。粒子径はレーザー回折式粒度分布測定装置(島津社製SALD−2200)を用いてエタノールを分散剤として測定し、メディアン径として算出した。
[Experimental Example 1]
(Synthesis of garnet type oxide (solid electrolyte), particle size evaluation)
In order to obtain a cubic garnet-type oxide, Ta-substituted Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Ta 0.25 O 12 was synthesized by the following procedure. Li 2 CO 3 , La (OH) 3 , ZrO 2 and Ta 2 O 5 were used as starting materials. The starting materials were weighed to a stoichiometric ratio and ball milled in ethanol. After drying the mixed powder of the starting material, calcination was carried out in air at 950 ° C. for 10 hours in an alumina crucible. Thereafter, an excess of Li 2 CO 3 corresponding to 10 atom% of the Li preparation composition was added to the calcined powder, and the mixed powder was subjected to a ball mill treatment in ethanol. The obtained powder was heated again in air at 950 ° C. for 10 hours, compacted, and fired at 1200 ° C. for 36 hours to produce a solid electrolyte. Thereafter, the synthetic powder was subjected to a ball mill treatment to control the particle size. The particle diameter was measured using ethanol as a dispersant using a laser diffraction particle size distribution analyzer (SALD-2200 manufactured by Shimadzu Corporation), and was calculated as a median diameter.

(供試電池の作製)
負極活物質としてリチウムチタン酸化物Li1.33Ti1.674(石原産業製、LT−106、粒径6.9μm)を用い、合材割合を活物質85質量%、導電材としてカーボンブラック10質量%、結着材としてポリフッ化ビニリデン5質量%とした。上記手法で合成した粒径1μmのガーネット型酸化物Li6.75La3Zr1.75Ta0.2512を負極活物質の10mol%加え、分散材としてN−メチル−2−ピロリドンを適量添加、分散することでスラリー状合材とした。このスラリー状合材を10μm厚の銅箔集電体に均一に塗布し、加熱乾燥させて塗布シートを作製した。その後塗布シートをロールプレスに通して高密度化させ、54mm幅×500mm長の形状に切り出して負極電極とした。
(Production of the test battery)
Lithium titanium oxide Li 1.33 Ti 1.67 O 4 (manufactured by Ishihara Sangyo, LT-106, particle diameter 6.9 μm) is used as the negative electrode active material, the mixture ratio is 85% by mass active material, 10% by mass carbon black as conductive material 5% by mass of polyvinylidene fluoride as a binder. By adding 10 mol% of garnet type oxide Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Ta 0.25 O 12 having a particle diameter of 1 μm synthesized by the above method and adding N-methyl-2-pyrrolidone as a dispersing material and dispersing it in a proper amount It was a slurry-like mixture. The slurry-like mixture was uniformly applied to a 10 μm thick copper foil current collector, and dried by heating to prepare a coated sheet. Thereafter, the coated sheet was passed through a roll press to densify it, and cut into a shape of 54 mm wide × 500 mm long to obtain a negative electrode.

正極活物質としてニッケル酸リチウムLiNiO2を用い、活物質を85質量%、導電材としてカーボンブラックを10質量%、結着材としてポリフッ化ビニリデンを5質量%混合し、分散材としてN−メチル−2−ピロリドンを適量添加、分散することでスラリー状合材とした。このスラリー状合材を20μm厚のアルミニウム箔集電体に均一に塗布し、加熱乾燥させて塗布シートを作製した。その後塗布シートをロールプレスに通して高密度化させ、52mm幅×450mm長の形状に切り出して正極電極とした。 Lithium nickel oxide LiNiO 2 is used as the positive electrode active material, 85 mass% of the active material, 10 mass% of carbon black as the conductive material, 5 mass% of polyvinylidene fluoride as the binder, and N-methyl- An appropriate amount of 2-pyrrolidone was added and dispersed to obtain a slurry-like mixture. The slurry-like mixture was uniformly applied to a 20 μm thick aluminum foil current collector, and dried by heating to prepare a coated sheet. Thereafter, the coated sheet was passed through a roll press to densify it, and cut into a 52 mm wide × 450 mm long shape to obtain a positive electrode.

上記の正極シートと負極シートを56mm幅で25μm厚のポリエチレン製セパレータを挟んで捲回し、ロール状電極体を作製した。この電極体を18650型円筒ケースに挿入し、非水電解液を含侵させた後に密閉して円筒型リチウムイオン二次電池を作製した。非水電解液には、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを30:70体積%で混合した混合溶媒にLiPF6を1Mの濃度で溶解したものを用いた。 The positive electrode sheet and the negative electrode sheet described above were wound around a polyethylene separator of 56 mm width and 25 μm thickness to prepare a roll-shaped electrode body. This electrode assembly was inserted into a 18650-type cylindrical case, impregnated with a non-aqueous electrolyte, and then sealed to fabricate a cylindrical lithium ion secondary battery. As the non-aqueous electrolytic solution, one in which LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1 M in a mixed solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at 30:70 volume% was used.

(電池容量、出力評価)
放電容量の評価は、CCCV4.1V充電(電流値100mA、CV時間2時間)/CCCV3.0V放電(電流値100mA、CV時間2時間)で充放電可能な容量を測定したのち、その容量から放電時間率0.1Cと2Cの電流値を算出し、20℃の環境温度下において0.1Cと2Cの電流値における放電容量(mAh)をCC4.1V充電/CC3.0V放電で測定した。
(Battery capacity, output evaluation)
Discharge capacity is evaluated by measuring the chargeable and dischargeable capacity by CCCV4.1V charge (current value 100mA, CV time 2 hours) / CCCV 3.0V discharge (current value 100mA, CV time 2 hours), and then discharging the capacity The current values at time rates of 0.1 C and 2 C were calculated, and the discharge capacity (mAh) at current values of 0.1 C and 2 C was measured at CC 4.1 V charge / CC 3.0 V discharge at an environmental temperature of 20 ° C.

入出力の評価は、20℃および−30℃において電池容量の50%(SOC=50%)に調整した後に、種々の電流値で電流を流し、2秒後と10秒後の電池電圧を測定した。流した電流と電圧を直線補間し、2秒後と10秒後の電圧が3.0Vになる時の電流値を求め、その電流と電圧の積を2秒出力(W)、10秒出力(W)とした。   The input and output were evaluated by adjusting the battery capacity to 50% (SOC = 50%) at 20 ° C and -30 ° C, then applying current at various current values and measuring the battery voltage after 2 seconds and 10 seconds did. The current and voltage are linearly interpolated, and the current value when the voltage after 2 seconds and 10 seconds becomes 3.0 V is determined, and the product of the current and voltage is output for 2 seconds (W), 10 seconds output ( W).

[実験例2]
実験例1の粒径1μmのガーネット型酸化物Li6.75La3Zr1.75Ta0.2512を、負極活物質の45mol%加えた以外は実験例1と同じである。
[Experimental Example 2]
The same as Experimental Example 1 except that garnet-type oxide Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Ta 0.25 O 12 having a particle diameter of 1 μm of Experimental Example 1 was added by 45 mol% of the negative electrode active material.

[実験例3]
実験例1の粒径1μmのガーネット型酸化物Li6.75La3Zr1.75Ta0.2512を、負極活物質の23mol%加えた以外は実験例1と同じである。
[Experimental Example 3]
The same as Experimental Example 1 except that garnet-type oxide Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Ta 0.25 O 12 having a particle diameter of 1 μm of Experimental Example 1 was added at 23 mol% of the negative electrode active material.

[実験例4]
実験例1のガーネット型酸化物Li6.75La3Zr1.75Ta0.2512の粒径を3μmとした以外は実験例1と同じである。
[Experimental Example 4]
The same as Experimental Example 1 except that the grain size of the garnet-type oxide Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Ta 0.25 O 12 of Experimental Example 1 was 3 μm.

[実験例5]
実験例2のガーネット型酸化物Li6.75La3Zr1.75Ta0.2512の粒径を3μmとした以外は実験例2と同じである。
[Experimental Example 5]
The same as Experimental Example 2 except that the grain size of the garnet-type oxide Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Ta 0.25 O 12 of Experimental Example 2 is 3 μm.

[実験例6]
実験例1の負極に固体電解質を添加しなかった以外は実験例1と同じである。
[Experimental Example 6]
The same as Experimental Example 1 except that the solid electrolyte was not added to the negative electrode of Experimental Example 1.

[実験例7]
実験例4の粒径3μmのガーネット型酸化物Li6.75La3Zr1.75Ta0.2512を、負極活物質の5mol%加えた以外は実験例4と同じである。
[Experimental Example 7]
Example 4 is the same as Example 4 except that garnet-type oxide Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Ta 0.25 O 12 having a particle diameter of 3 μm of Example 4 is added to 5 mol% of the negative electrode active material.

[実験例8]
実験例4の粒径3μmのガーネット型酸化物Li6.75La3Zr1.75Ta0.2512を、負極活物質の50mol%加えた以外は実験例4と同じである。
[Experimental Example 8]
Example 4 is the same as Example 4 except that 50 mol% of the negative electrode active material of garnet-type oxide Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Ta 0.25 O 12 with a particle diameter of 3 μm of Example 4 is added.

[実験例9]
実験例7のガーネット型酸化物Li6.75La3Zr1.75Ta0.2512の粒径を7μmとした以外は実験例7と同じである。
[Experimental Example 9]
Example 8 is the same as Example 7 except that the grain size of the garnet-type oxide Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Ta 0.25 O 12 of Example 7 is 7 μm.

[実験例10]
実験例4の粒径3μmのガーネット型酸化物Li6.75La3Zr1.75Ta0.2512を、以下のように合成した粒径3μmのペロブスカイト型固体電解質Li0.35La0.65TiO3とした以外は実験例4と同じである。
[Experimental Example 10]
Experimental Example 4 except that garnet-type oxide Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Ta 0.25 O 12 of Experimental Example 4 was synthesized as follows to use perovskite-type solid electrolyte Li 0.35 La 0.65 TiO 3 of 3 μm Same as 4.

(ペロブスカイト型酸化物(固体電解質)の合成)
Li2CO3、La23、TiO2を所定の重量秤量、混合し、脱炭酸のため650℃で2時間焼成した。得られた粉末のボールミル処理を6時間施し、1200℃で6時間焼成することによりLi0.35La0.65TiO3を得た。その後、合成粉末のボールミル処理を施し、粒径制御を行った。
(Synthesis of Perovskite-type Oxide (Solid Electrolyte))
Li 2 CO 3 , La 2 O 3 and TiO 2 were weighed, mixed and calcined at 650 ° C. for 2 hours for decarboxylation. The powder obtained was subjected to a ball mill treatment for 6 hours, and baked at 1200 ° C. for 6 hours to obtain Li 0.35 La 0.65 TiO 3 . Thereafter, the synthetic powder was subjected to a ball mill treatment to control the particle size.

[実験例11]
実験例4の粒径3μmのガーネット型酸化物Li6.75La3Zr1.75Ta0.2512を、以下のように合成した粒径3μmのガラスセラミックスLi1+x+yAlxTi2-xSiy3-y12 (x=0.05〜0.4、y=0.05〜0.5)とした以外は実験例4と同じである。
[Experimental Example 11]
Glass ceramics 3 μm in particle diameter Li 1 + x + y Al x Ti 2-x Si y synthesized as follows in garnet type oxide Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Ta 0.25 O 12 of 3 μm in grain diameter of Experimental example 4 Example 4 is the same as Example 4 except that P 3 -yO 12 (x = 0.05 to 0.4, y = 0.05 to 0.5).

(リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス(固体電解質)の合成)
原料としてH3PO4、Al(PO3)3、Li2CO3、SiO2、TiO2を使用した。各構成元素を酸化物換算でP25(35mol%)、Al23(8mol%)、Li2O(15mol%)、TiO2(37mol%)、SiO2(5mol%)の組成になるように秤量して均一混合後、白金ポットに入れ、電気炉中1500℃で4時間加熱熔解した。その後、ガラス融液を流水中に滴下させることによりフレーク状のガラスを作製し、このガラスを950℃で12時間の熱処理により結晶化を行うことで目的のガラスセラミックスを得た。
(Synthesis of lithium ion conductive glass ceramics (solid electrolyte))
H 3 PO 4 , Al (PO 3 ) 3 , Li 2 CO 3 , SiO 2 and TiO 2 were used as raw materials. Each constituent element has a composition of P 2 O 5 (35 mol%), Al 2 O 3 (8 mol%), Li 2 O (15 mol%), TiO 2 (37 mol%), SiO 2 (5 mol%) in terms of oxide The mixture was weighed and uniformly mixed, and then placed in a platinum pot and heat-melted in an electric furnace at 1500 ° C. for 4 hours. Thereafter, a glass melt was dropped into flowing water to prepare a flake-like glass, and this glass was crystallized by heat treatment at 950 ° C. for 12 hours to obtain a target glass ceramic.

[実験例1〜11の実験結果]
実験例1〜11の実験結果を、表1に示す。表1に示すとおり、Li1.33Ti1.674負極に粒径3μmのガーネット型酸化物を負極活物質の10〜45mol%の割合で配置させることによりレート特性、長時間の出力特性を低下させることなく、2秒程度の短時間出力を向上させることが可能であることがわかった。また、固体電解質の粒子径を1μm以下とすることにより短時間出力がさらに向上していることがわかった。一方、ガーネット型酸化物に代えてペロブスカイト型酸化物を用いた実験例10やリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを用いた実験例11では、2秒程度の短時間出力を十分に向上できないことがわかった。このことから、固体電解質はガーネット型酸化物である必要があることがわかった。
[Experimental Results of Experimental Examples 1 to 11]
The experimental results of Experimental Examples 1 to 11 are shown in Table 1. As shown in Table 1, reducing the rate characteristics and the long-term output characteristics by arranging a garnet-type oxide with a particle diameter of 3 μm in the Li 1.33 Ti 1.67 O 4 negative electrode in a ratio of 10 to 45 mol% of the negative electrode active material. It turned out that it is possible to improve the output for a short time of about 2 seconds. Moreover, it turned out that the output for a short time is further improved by the particle diameter of a solid electrolyte being 1 micrometer or less. On the other hand, in Experiment Example 10 using a perovskite oxide instead of garnet oxide and Experiment Example 11 using a lithium ion conductive glass ceramic, it was found that the output for a short time of about 2 seconds can not be sufficiently improved. . From this, it was found that the solid electrolyte needs to be a garnet-type oxide.

Figure 0006503768
Figure 0006503768

[実験例12]
実験例1の負極電極に代えて負極活物質に黒鉛を用いた以下の負極電極を用いた以外は実験例1と同じである。
[Experimental Example 12]
The same as Experimental Example 1 except that the following negative electrode using graphite as a negative electrode active material was used in place of the negative electrode of Experimental Example 1.

負極活物質として黒鉛(大阪ガスケミカル株式会社製、粒径10μm)を用い、合材割合を活物質95質量%、結着剤としてポリフッ化ビニリデン5質量%とし、粒径1μmのガーネット型酸化物Li6.75La3Zr1.75Ta0.2512を負極活物質の10mol%加え、分散材としてN−メチル−2−ピロリドンを適量添加、分散することでスラリー状合材とした。このスラリー状合材を10μm厚の銅箔集電体に均一に塗布し、加熱乾燥させて塗布シートを作製した。その後塗布シートをロールプレスに通して高密度化させ、54mm幅×500mm長の形状に切り出して負極電極とした。 A garnet type oxide having a particle diameter of 1 μm, using graphite (manufactured by Osaka Gas Chemical Co., Ltd., particle diameter 10 μm) as the negative electrode active material, and having a mixture ratio of 95 mass% active material Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Ta 0.25 O 12 was added at 10 mol% of the negative electrode active material, and an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone was added as a dispersing agent and dispersed to obtain a slurry-like mixture. The slurry-like mixture was uniformly applied to a 10 μm thick copper foil current collector, and dried by heating to prepare a coated sheet. Thereafter, the coated sheet was passed through a roll press to densify it, and cut into a shape of 54 mm wide × 500 mm long to obtain a negative electrode.

[実験例13]
実験例12の粒径1μmのガーネット型酸化物Li6.75La3Zr1.75Ta0.2512を、負極活物質の45mol%加えた以外は実験例12と同じである。
Experimental Example 13
Example 12 is the same as Example 12 except that garnet-type oxide Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Ta 0.25 O 12 having a particle diameter of 1 μm of Example 12 is added by 45 mol% of the negative electrode active material.

[実験例14]
実験例12のガーネット型酸化物Li6.75La3Zr1.75Ta0.2512の粒径を3μmとした以外は実験例12と同じである。
[Experimental Example 14]
Example 12 is the same as Example 12 except that the grain size of the garnet-type oxide Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Ta 0.25 O 12 in Example 12 is 3 μm.

[実験例15]
実験例13のガーネット型酸化物Li6.75La3Zr1.75Ta0.2512の粒径を3μmとした以外は実験例13と同じである。
[Experimental Example 15]
Example 13 is the same as Example 13 except that the grain size of the garnet-type oxide Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Ta 0.25 O 12 of Example 13 is 3 μm.

[実験例16]
実験例12の負極に固体電解質を添加しなかった以外は実験例12と同じである。
[Experimental Example 16]
Example 12 is the same as Example 12 except that the solid electrolyte was not added to the negative electrode of Example 12.

[実験例17]
実験例14の粒径3μmのガーネット型酸化物Li6.75La3Zr1.75Ta0.2512を、負極活物質の5mol%加えた以外は実験例14と同じである。
[Experimental Example 17]
Example 14 is the same as Example 14 except that garnet-type oxide Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Ta 0.25 O 12 having a particle diameter of 3 μm of Experimental Example 14 is added at 5 mol% of the negative electrode active material.

[実験例18]
実験例14の粒径3μmのガーネット型酸化物Li6.75La3Zr1.75Ta0.2512を、負極活物質の50mol%加えた以外は実験例14と同じである。
[Experimental Example 18]
Example 14 is the same as Example 14 except that 50 mol% of the negative electrode active material of garnet-type oxide Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Ta 0.25 O 12 having a particle diameter of 3 μm of Example 14 is added.

[実験例19]
実験例17のガーネット型酸化物Li6.75La3Zr1.75Ta0.2512の粒径を7μmとした以外は実験例17と同じである。
Experimental Example 19
Example 18 is the same as Example 17 except that the grain size of the garnet-type oxide Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Ta 0.25 O 12 of Example 17 is 7 μm.

[実験例12〜19の実験結果]
実験例12〜19の実験結果を、表2に示す。表2に示す通り、負極活物質は、Li1.33Ti1.674だけでなく黒鉛の場合にも、ガーネット型酸化物を電極に添加することによりレート特性、長時間の出力特性を低下させることなく、短時間出力を向上させることが可能であることがわかった。以上より、負極活物質の種類は特に限定されないことがわかった。
[Experimental Results of Experimental Examples 12 to 19]
The experimental results of Experimental Examples 12 to 19 are shown in Table 2. As shown in Table 2, in the case of not only Li 1.33 Ti 1.67 O 4 but also graphite as the negative electrode active material, the garnet-type oxide is added to the electrode without lowering the rate characteristics and the long-term output characteristics. It turned out that it is possible to improve the output for a short time. As mentioned above, it turned out that the kind of negative electrode active material is not specifically limited.

Figure 0006503768
Figure 0006503768

本発明は、電池産業の分野に利用可能である。   The invention is applicable to the field of battery industry.

10 リチウムイオン二次電池、11,14, 集電体、12 正極合材、13 正極シート、17 負極合材、17a 負極活物質、17b ガーネット型酸化物、18 負極シート、19 セパレータ、20 非水電解液、22 円筒ケース、24 正極端子、26 負極端子。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 lithium ion secondary battery, 11, 14, current collector, 12 positive electrode composite material, 13 positive electrode sheet, 17 negative electrode composite material, 17a negative electrode active material, 17b garnet type oxide, 18 negative electrode sheet, 19 separator, 20 non-aqueous Electrolyte, 22 cylindrical case, 24 positive terminal, 26 negative terminal.

Claims (1)

粒子径がμm以下でリチウムイオンを伝導可能な組成式Li 5+X La 3 (Zr X ,A 2-X )O 12 (式中、AはSc,Ti,V,Y,Nb,Hf,Ta,Al,Si,Ga及びGeからなる群より選ばれた1種類以上の元素、Xは1.4≦X<2)で表されるガーネット型酸化物と、Li 1.33 Ti 1.67 4 及び黒鉛のうちの少なくとも一方である負極活物質と、を含み、前記ガーネット型酸化物の含有量が前記負極活物質に対して10mol%以上45mol%以下の範囲内にある負極と、
正極と、
前記負極と前記正極との間に介在しリチウムイオンを伝導する非水電解液と、
を備えた、リチウムイオン二次電池。
Particle size of 1 [mu] m or less lithium ions can conduction composition formula Li 5 + X La 3 (Zr X, A 2-X) O 12 ( wherein, A represents Sc, Ti, V, Y, Nb, Hf, Garnet-type oxides represented by one or more elements selected from the group consisting of Ta, Al, Si, Ga and Ge, X is 1.4 ≦ X <2) , Li 1.33 Ti 1.67 O 4 and graphite A negative electrode active material which is at least one of the above, and a negative electrode whose content of the garnet-type oxide is in the range of 10 mol% to 45 mol% with respect to the negative electrode active material,
Positive electrode,
A non-aqueous electrolyte which is interposed between the negative electrode and the positive electrode and which conducts lithium ions;
Lithium-ion rechargeable battery equipped with
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