JP2000173587A - Non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
Non-aqueous electrolyte secondary batteryInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、非水電解質二次電
池の負極材料の改良、および非水電解質として高耐酸化
性有機溶媒の適用により充放電容量および充放電サイク
ル寿命などの電気化学特性が改善された、携帯情報端
末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、モーター
を動力源とする自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド
電気自動車等に用いられる非水電解質二次電池に関する
ものである。[0001] The present invention relates to an improvement in the negative electrode material of a non-aqueous electrolyte secondary battery, and to the application of a high oxidation resistant organic solvent as a non-aqueous electrolyte to provide electrochemical characteristics such as charge / discharge capacity and charge / discharge cycle life. The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery used for a portable information terminal, a portable electronic device, a small household power storage device, a motorcycle powered by a motor, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, and the like.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、移動体通信機器、携帯電子機器の
主電源として利用されているリチウム二次電池は、起電
力が高く、高エネルギー密度である特長を有している。
負極材料としてリチウム金属を用いたリチウム二次電池
は、エネルギー密度は高いが、充電時に負極にデンドラ
イトが析出し、また、放電時にはこのデンドライトが切
れることにより、バルクの金属リチウム負極表面上から
脱落し、充放電反応に寄与し得ない”死んだ”リチウム
を生成する。さらに、充放電を繰り返すことによりデン
ドライトが成長し、セパレータを突き破って正極側に達
し、内部短絡を起こす恐れがあった。また、析出したデ
ンドライトは比表面積が大きいため反応活性度が高く、
その表面で電解液中の溶媒と反応して電子伝導性に欠い
た固体電解質的な界面皮膜を形成する。そのため電池の
内部抵抗が高くなったり、電子伝導のネットワークから
孤立した粒子が存在するようになり、これらが充放電効
率を低下させる要因となっている。これらの理由で負極
材料としてリチウム金属を用いたリチウム二次電池は、
低い信頼性、および短いサイクル寿命に課題があった。2. Description of the Related Art In recent years, lithium secondary batteries used as main power sources for mobile communication devices and portable electronic devices have the characteristics of high electromotive force and high energy density.
A lithium secondary battery using lithium metal as the negative electrode material has a high energy density, but dendrites are deposited on the negative electrode during charging, and the dendrites are cut off during discharging, and fall off from the surface of the bulk metallic lithium negative electrode. , Producing "dead" lithium that cannot contribute to the charge / discharge reaction. Further, there is a possibility that dendrite grows by repeating charge / discharge, breaks through the separator, reaches the positive electrode side, and causes an internal short circuit. In addition, the precipitated dendrite has a high specific activity because of its large specific surface area,
The surface reacts with the solvent in the electrolytic solution to form a solid electrolyte-like interface film lacking electron conductivity. For this reason, the internal resistance of the battery is increased, and particles isolated from the electron conduction network are present, and these are factors that lower the charge / discharge efficiency. For these reasons, lithium secondary batteries using lithium metal as the negative electrode material are:
There were issues with low reliability and short cycle life.
【0003】このようなデンドライトを抑制するため
に、金属リチウムに代えてリチウム−アルミニウム合金
(Li-Al合金)やウッド合金に代表されるリチウム合金
が負極材料として提案された。このようなリチウムと合
金化が可能な金属およびそれら金属を少なくとも一種含
んだ合金の場合、初期の充放電サイクルの段階において
電気化学的に比較的高容量な負極材料となりうる。しか
しながら、充放電によりリチウムとの合金化とリチウム
の脱離の繰り返しにより、元来の骨格合金の結晶構造を
維持してはいるが、相変化を生じたり、あるいは元素の
骨格合金とは相違する結晶構造に変化してしまう場合が
ある。この場合、活物質であるリチウムのホスト物質で
ある金属又は合金の粒子が膨張 収縮を起こし、充放電
サイクルの進行に伴い、結晶粒にストレスがかかった結
果、クラックが生じ、粒子の微細化、ひいては極板から
の脱落が進む。粒子が微細化することにより粒界抵抗お
よび粒界接触抵抗が増大する。その結果、充放電時の抵
抗分極が増大し、電圧制御した充電時には、充電深度が
浅くなり、充電電気量が少ないものとなる。一方、放電
時には抵抗分極により電圧降下が起こり、放電終止電圧
に早く到達する。したがって、充放電容量・サイクル特
性ともに、優れたものとはなり難い。In order to suppress such dendrite, a lithium alloy represented by a lithium-aluminum alloy (Li-Al alloy) or a wood alloy has been proposed as a negative electrode material instead of metallic lithium. In the case of such a metal that can be alloyed with lithium and an alloy containing at least one of these metals, a negative electrode material having a relatively high capacity electrochemically can be obtained in an initial charge / discharge cycle stage. However, the original crystal structure of the skeletal alloy is maintained by repeating alloying with lithium and elimination of lithium by charge and discharge, but a phase change occurs or differs from the skeletal alloy of the element. It may change to a crystal structure. In this case, particles of the metal or alloy, which is the host material of lithium as the active material, undergo expansion and contraction, and as the charge and discharge cycle progresses, stress is applied to the crystal grains. As a result, falling off from the electrode plate proceeds. As the particles become finer, the grain boundary resistance and the grain boundary contact resistance increase. As a result, resistance polarization at the time of charge / discharge increases, and at the time of voltage-controlled charging, the depth of charge becomes shallow, and the amount of charged electricity is small. On the other hand, during discharge, a voltage drop occurs due to resistance polarization, and the discharge end voltage is quickly reached. Therefore, it is difficult for both the charge and discharge capacity and the cycle characteristics to be excellent.
【0004】現在、リチウム金属に替わる負極材料とし
て、リチウムイオンを吸蔵・放出できる炭素材料を使用
し実用化に至っている。通常、炭素材料負極には金属リ
チウムは析出しないため、デンドライトによる内部短絡
の問題はない。しかし、炭素材料の一つである黒鉛の理
論容量は372mAh/gであり、Li金属単体の理論容量の10
分の1程度と少ない。また、他の化合物活物質材料とし
て、五酸化二ニオブ(Nb2O5)、二硫化チタン(Ti
S2)、二酸化モリブデン(MoO2)、チタン酸リチウム
(Li4/3Ti5/3O4)等が挙げられる。これらの材料は、リ
チウムをイオン化した状態でホスト物質中に保持してい
るために、化学的活性の高い金属リチウムに比して、化
学的に安定で、デンドライトの発生もなく、サイクル特
性が著しく改善され、炭素系材料のものについては、実
用化されている。At present, a carbon material capable of occluding and releasing lithium ions has been used as a negative electrode material in place of lithium metal, and has been put to practical use. Normally, metallic lithium does not precipitate on the carbon material negative electrode, so there is no problem of internal short circuit due to dendrite. However, the theoretical capacity of graphite, one of the carbon materials, is 372 mAh / g, which is 10% of the theoretical capacity of Li metal alone.
It is as small as one-third. Further, as other compound active material materials, diniobium pentoxide (Nb 2 O 5 ), titanium disulfide (Ti
S 2 ), molybdenum dioxide (MoO 2 ), lithium titanate (Li 4/3 Ti 5/3 O 4 ) and the like. These materials are chemically stable, do not generate dendrites, and have remarkable cycling characteristics compared to metallic lithium, which has high chemical activity, because lithium is retained in the host material in an ionized state. It has been improved and carbon-based materials have been put to practical use.
【0005】他の負極材料として、リチウムと化合物を
形成する単体金属材料および単体非金属材料が知られて
いる。例えば、ケイ素(Si)、亜鉛(Zn)のリチウムを
最も含む化合物の組成式は、それぞれLi22Si5、LiZnで
あり、この範囲では金属リチウムは通常析出しないた
め、デンドライトによる内部短絡の問題はない。そし
て、これら化合物と各単体材料との間の電気化学容量
は、それぞれ4199mAh/g、410mAh/gであり、いずれも黒
鉛の理論容量よりも大きい。As other negative electrode materials, a simple metal material and a simple nonmetal material which form a compound with lithium are known. For example, the composition formulas of the compounds containing the most lithium of silicon (Si) and zinc (Zn) are Li 22 Si 5 and LiZn, respectively. In this range, metallic lithium does not usually precipitate, so the problem of internal short circuit due to dendrites is Absent. The electrochemical capacities between these compounds and the individual materials are 4199 mAh / g and 410 mAh / g, respectively, which are both larger than the theoretical capacity of graphite.
【0006】またリチウムと化合物を形成する単体金属
材料および単体非金属材料の他に化合物負極材料とし
て、特開平7−240201号公報には遷移元素からな
る非鉄金属の珪化物が、特開平9−63651号公報に
は4B族元素及びP,Sbの少なくとも一つを含む金属
間化合物からなり、その結晶構造がCaF2型、ZnS型、AlL
iSi型のいずれかからなる負極材料などが提案されてい
る。In addition to a simple metal material and a simple non-metal material forming a compound with lithium, as a compound negative electrode material, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-240201 discloses a non-ferrous metal silicide comprising a transition element. No. 63651 discloses an intermetallic compound containing a Group 4B element and at least one of P and Sb, and has a crystal structure of CaF 2 type, ZnS type, or AlL.
Negative electrode materials made of any of the iSi type have been proposed.
【0007】一方、非水電解質電池に用いられる電解液
の溶媒としては、炭酸プロピレン(PC)、炭酸エチレン(E
C)に代表される環状炭酸エステルや、炭酸ジエチル(DE
C)、炭酸ジメチル(DMC)に代表される鎖状炭酸エステ
ル、γ−ブチロラクトン(GBL)、γ−バレロラクトン(GV
L)に代表される環状カルボン酸エステル、ジメトキシメ
タン(DMM)や1,3-ジメトキシプロパン(DMP)などの鎖状エ
ーテル、テトラヒドロフラン(THF)あるいは1,3-ジオキ
ソラン(DOL)等の環状エステルが多く用いられる。On the other hand, as a solvent of an electrolytic solution used for a non-aqueous electrolyte battery, propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (E
Cyclic carbonate represented by C) or diethyl carbonate (DE
C), a chain carbonate represented by dimethyl carbonate (DMC), γ-butyrolactone (GBL), γ-valerolactone (GV
L) represented by cyclic carboxylic acid esters, chain ethers such as dimethoxymethane (DMM) and 1,3-dimethoxypropane (DMP), and cyclic esters such as tetrahydrofuran (THF) and 1,3-dioxolane (DOL). Often used.
【0008】非水電解質二次電池に適用する際には、電
気伝導率が高い物が望ましく、そのためには比誘電率が
高く、粘度の低い溶媒が好ましく用いられる。しかしな
がら、比誘電率が高いということは極性が強いことにほ
かならず、すなわち、粘度も高いものとなる。そのため
に上述の電解液のうち、炭酸プロピレン(誘電率ε=6
5)のような高誘電率溶媒と、1,2-ジメトキシエタン(DM
E、ε=7.2)に代表される低誘電率溶媒とを併用して用い
られることが多い。When applied to a non-aqueous electrolyte secondary battery, a material having a high electric conductivity is desirable. For this purpose, a solvent having a high relative dielectric constant and a low viscosity is preferably used. However, a high relative dielectric constant is nothing less than a strong polarity, that is, a high viscosity. For this purpose, propylene carbonate (dielectric constant ε = 6
5) High dielectric constant solvent such as 5) and 1,2-dimethoxyethane (DM
E, ε = 7.2) and is often used in combination with a low dielectric constant solvent represented by E.
【0009】非水電解質電池に用いられる電解液は上述
の溶媒に、1モル濃度程度の支持電解質を溶解したもの
が用いられている。支持電解質としては、過塩素酸リチ
ウム(LiClO4)、ほうふっ化リチウム(LiBF4)、りんふっ
化リチウム(LiPF6)に代表される無機酸アニオンリチウ
ム塩や、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiSO3
CF3)、ビストリフルオロメタンスルホン酸イミドリチウ
ム((CF3SO2)2NLi)等の有機酸アニオンリチウム塩が用
いられている。The electrolyte used for the non-aqueous electrolyte battery is obtained by dissolving a supporting electrolyte having a concentration of about 1 mol in the above-mentioned solvent. As the supporting electrolyte, lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium borofluoride (LiBF 4 ), an inorganic acid anion lithium salt represented by lithium phosphorus fluoride (LiPF 6 ), and lithium trifluoromethane sulfonate (LiSO 3
Organic acid anion lithium salts such as CF 3 ) and lithium bistrifluoromethanesulfonimide ((CF 3 SO 2 ) 2 NLi) are used.
【0010】[0010]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような炭素材料よりも高容量の負極材料には、それぞれ
以下に示すような課題がある。However, the negative electrode materials having higher capacities than the above-mentioned carbon materials have the following problems, respectively.
【0011】リチウムと化合物を形成する単体金属材料
および単体非金属材料の負極材料は共通して、炭素負極
材料にくらべて充放電サイクル特性が悪い。その理由は
定かでないが以下のように考えている。A single metal material and a single nonmetallic negative electrode material which form a compound with lithium commonly have poorer charge / discharge cycle characteristics than a carbon negative electrode material. The reason is not clear, but I think as follows.
【0012】例えばケイ素は、その結晶学的な単位格子
(立方晶、空間群Fd-3m)に8個のケイ素原子を含んで
いる。格子定数a=0.5420nmから換算して、単位格子体積
は0.1592nm3であり、ケイ素原子1個の占める体積は19.
9×10-3nm3である。ケイ素−リチウム二元系の相図から
判断して、室温におけるリチウムとの電気化学的な化合
物形成では、その反応の初期にケイ素と化合物Li12Si7
との2相が共存しているものと考えられる。Li12Si7の
結晶学的な単位格子(斜方晶、空間群Pnma)には56個
のケイ素原子が含まれている。その格子定数a=0.8610n
m、b=1.9737nm、c=1.4341nmから換算して、単位格子体
積は2.4372nm3であり、ケイ素原子1個あたりの体積
(単位格子体積を単位格子中のケイ素原子数で除した
値)は43.5×10 -3nm3である。この値からすると、ケイ
素から化合物Li12Si7になるにあたって、材料の体積が
2.19倍に膨張することになる。ケイ素と化合物Li12Si7
との2相共存状態での反応はケイ素が部分的に化合物Li
12Si7に変化するためにこれらの体積差が大きく、材料
に大きな歪みが生じ、亀裂を生じやすく、微細な粒子に
なりやすいことが考えられる。更に電気化学的なリチウ
ムとの化合物形成反応が進行すると、最終的に最もリチ
ウムを多く含む化合物Li22Si5を生じる。Li22Si5の結晶
学的な単位格子(立方晶、空間群F23)には80個のケ
イ素原子が含まれている。その格子定数a=1.8750nmから
換算して、単位格子体積は6.5918nm3であり、ケイ素原
子1個あたりの体積(単位格子体積を単位格子中のケイ
素原子数で除した値)は82.4×10-3nm3である。この値
は単体ケイ素の4.14倍であり、材料は大きく膨張してい
る。負極材料にとっての放電反応では、化合物からリチ
ウムが減少してゆく反応が起こり、材料は収縮する。こ
のように充電時と放電時の体積差が大きいため、材料に
大きな歪みが生じ、亀裂が発生して粒子が微細化するも
のと考えられる。さらにこの微細化した粒子間に空間が
生じ、電子伝導ネットワークが分断され、電気化学的な
反応に関与できない部分が増加し、充放電容量が低下す
るものと考えられる。For example, silicon has its crystallographic unit cell.
(Cubic, space group Fd-3m) containing 8 silicon atoms
I have. Converted from lattice constant a = 0.5420 nm, unit cell volume
Is 0.1592nmThreeAnd the volume occupied by one silicon atom is 19.
9 × 10-3nmThreeIt is. From the phase diagram of the silicon-lithium binary system
Judging, electrochemical compound with lithium at room temperature
In product formation, silicon and the compound Li12Si7
It is considered that these two phases coexist. Li12Si7of
56 crystallographic unit cells (rhombic, space group Pnma)
Contains a silicon atom. Its lattice constant a = 0.8610n
Converted from m, b = 1.9737 nm, c = 1.4341 nm, unit lattice
Product is 2.4372nmThreeAnd the volume per silicon atom
(The unit cell volume is divided by the number of silicon atoms in the unit cell.
Value) is 43.5 × 10 -3nmThreeIt is. From this value,
Element to compound Li12Si7The volume of the material
It will expand 2.19 times. Silicon and compound Li12Si7
In the coexistence of two phases with
12Si7These volume differences are large due to the
Large strains, cracks easily, and fine particles
It can be easy to become. More electrochemical lithium
When the compound formation reaction with the
Li-rich compoundtwenty twoSiFiveIs generated. Litwenty twoSiFiveCrystal
The unit cell (cubic, space group F23) has 80
Contains an iodine atom. From its lattice constant a = 1.8750 nm
Converted, the unit cell volume is 6.5918 nmThreeAnd the silicon source
Volume per child (unit cell volume is
82.4 × 10)-3nmThreeIt is. This value
Is 4.14 times that of elemental silicon, and the material is greatly expanded.
You. In the discharge reaction for the negative electrode material, the compound
The material shrinks as the reaction decreases. This
Since the volume difference between charging and discharging is large as in
Large strain occurs, cracks occur and particles become finer
it is considered as. In addition, there is a space between these miniaturized particles
The electron conduction network is disrupted and the electrochemical
The part that cannot participate in the reaction increases and the charge / discharge capacity decreases.
It is considered to be.
【0013】また、亜鉛は結晶学的な単位格子(六方
晶、空間群P63/mmc)に2個の亜鉛原子を含んでいる。
格子定数a=0.2665nm、c=0.4947nmから換算して、単位格
子体積は0.030428nm3であり、亜鉛原子1個の占める体
積は15.2×10-3nm3である。亜鉛−リチウム二元系の相
図から判断すると、いくつかの化合物を経て、最終的に
最もリチウムを多く含む化合物LiZnを生じる。LiZnの結
晶学的な単位格子(立方晶、空間群Fd-3m)には8個の
亜鉛原子が含まれている。その格子定数a=0.6209nmから
換算して、単位格子体積は0.2394nm3であり、亜鉛原子
1個あたりの体積(単位格子体積を単位格子中の亜鉛原
子数で除した値)は29.9×10-3nm3である。この値は単
体亜鉛の1.97倍であり、材料は膨張する。[0013] Zinc contains two zinc atoms in a crystallographic unit cell (hexagonal, space group P63 / mmc).
Lattice constant a = 0.2665nm, in terms of c = 0.4947nm, unit cell volume is 0.030428nm 3, the volume occupied by one zinc atom is 15.2 × 10 -3 nm 3. Judging from the phase diagram of the zinc-lithium binary system, a lithium-rich compound LiZn is finally produced through several compounds. The crystallographic unit cell of LiZn (cubic, space group Fd-3m) contains eight zinc atoms. Converted from the lattice constant a = 0.6209 nm, the unit cell volume is 0.2394 nm 3 , and the volume per zinc atom (the value obtained by dividing the unit cell volume by the number of zinc atoms in the unit cell) is 29.9 × 10 -3 nm 3. This value is 1.97 times that of elemental zinc, and the material expands.
【0014】このようにスズも亜鉛もケイ素と同様に充
放電反応による負極材料の体積変化が大きく、また体積
差の大きな2つの相が共存する状態の変化を繰り返すこ
とにより、材料に亀裂を生じ、粒子が微細化するものと
考えられる。微細化した材料は、粒子間に空間が生じ、
電子伝導ネットワークが分断され、電気化学的な反応に
関与できない部分が増加し、充放電容量が低下するもの
と考えられる。As described above, both tin and zinc have a large change in the volume of the negative electrode material due to the charge and discharge reaction, similarly to silicon, and the material repeatedly undergoes a change in a state in which two phases having a large volume difference coexist. It is considered that the particles become finer. Finely divided material creates spaces between particles,
It is considered that the electron conduction network is disconnected, the portion that cannot participate in the electrochemical reaction increases, and the charge / discharge capacity decreases.
【0015】すなわちリチウムと化合物を形成する単体
金属材料および単体非金属材料の負極材料に共通した大
きな体積変化と、これによる組織変化が、炭素負極材料
にくらべて充放電サイクル特性が悪い理由であると推察
している。That is, the large volume change common to the negative electrode materials of a simple metal material and a simple non-metal material forming a compound with lithium, and the structural change due to this, are the reasons why the charge / discharge cycle characteristics are poor as compared with the carbon negative electrode material. I guess.
【0016】一方、上述の単体材料と異なり、遷移元素
からなる非鉄金属の珪化物や4B族元素及びP,Sbの
少なくとも一つを含む金属間化合物からなり、その結晶
構造がCaF2型、ZnS型、AlLiSi型のいずれかからなる負
極材料などは、サイクル寿命特性の改善された負極材料
としてそれぞれ特開平7−240201号公報、特開平
9−63651号公報に提案されている。On the other hand, unlike the above-mentioned simple material, it is composed of a silicide of a non-ferrous metal comprising a transition element or an intermetallic compound containing at least one of a Group 4B element and P or Sb, and its crystal structure is CaF 2 type, ZnS A negative electrode material of any one of the negative electrode type and the AlLiSi type has been proposed as a negative electrode material having improved cycle life characteristics in JP-A-7-240201 and JP-A-9-63651, respectively.
【0017】特開平7−240201号公報に示された
遷移元素からなる非鉄金属の珪化物負極材料を用いた電
池は実施例と比較例に示された1サイクル目、50サイ
クル目、100サイクル目の電池容量から、リチウム金
属負極材料と比較して充放電サイクル特性は改善されて
いるが、天然黒鉛負極材料と比較して電池容量は最大で
も12%程度しか増加していない。よって、その明細書に
は明言されていないが、遷移元素からなる非鉄金属の珪
化物負極材料は黒鉛負極材料に比べて大幅な容量増加は
実施されていないと思われる。Batteries using a non-ferrous metal silicide negative electrode material comprising a transition element disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-240201 were used in the first cycle, the 50th cycle, and the 100th cycle shown in Examples and Comparative Examples. From the battery capacity, the charge-discharge cycle characteristics are improved as compared with the lithium metal anode material, but the battery capacity is increased by only about 12% at the maximum as compared with the natural graphite anode material. Therefore, although not explicitly stated in the specification, it is considered that the non-ferrous metal silicide negative electrode material composed of a transition element has not been significantly increased in capacity as compared with the graphite negative electrode material.
【0018】また、特開平9−63651号公報に示さ
れた材料は、その実施例と比較例にLi-Pb合金負極材料
よりも充放電サイクル特性が改善されており、かつ黒鉛
負極材料よりも高容量であることが示されている。しか
し、10〜20サイクルまでの充放電サイクルで放電容
量の減少が著しく、最も良好と思われるMg2Snにおいて
も約20サイクル後には初期容量の70%程度に減少して
いる。Further, the materials disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-63651 have improved charge-discharge cycle characteristics as compared with the Li-Pb alloy negative electrode material in Examples and Comparative Examples, and have a higher performance than the graphite negative electrode material. It has been shown to be of high capacity. However, the discharge capacity is remarkably reduced in the charge / discharge cycles of 10 to 20 cycles, and even for Mg 2 Sn which is considered to be the best, the capacity is reduced to about 70% of the initial capacity after about 20 cycles.
【0019】また、金属リチウムを負極として用いた場
合には、負極に接触する電解液は極めて強い還元雰囲気
にさらされることになり、電解液は金属リチウムと反応
し、還元分解しやすい。さらに、Li-Al合金等の内、リ
チウムが主体となっている合金を負極に用いた場合にで
は、負極の電極電位としては金属リチウムとほぼ等し
く、電解液の還元分解は、ほぼ同様におこる上、前述の
ように負極活物質が、充放電の繰り返しによって微細化
し、極板から脱落していく。また、合金組成でリチウム
以外の金属が主体としてなっている場合には、負極の電
極電位が金属リチウムあるいはリチウム合金に比して、
貴となり、先に述べた還元分解がおこる電解液の使用も
可能となる。しかしながら、これらの合金についてはリ
チウムと合金化する際に、リチウムを主体としてなる合
金より堅く、脆いものとなり、合金の微紛化は著しく、
極板からの脱落は避けられない。When metallic lithium is used as the negative electrode, the electrolytic solution in contact with the negative electrode is exposed to an extremely strong reducing atmosphere, and the electrolytic solution reacts with the metallic lithium and easily undergoes reductive decomposition. Furthermore, among the Li-Al alloys and the like, when an alloy mainly composed of lithium is used for the negative electrode, the electrode potential of the negative electrode is almost equal to that of metallic lithium, and the reductive decomposition of the electrolytic solution occurs almost in the same manner. As described above, as described above, the negative electrode active material is miniaturized by repeated charging and discharging, and falls off from the electrode plate. Further, when a metal other than lithium is mainly used in the alloy composition, the electrode potential of the negative electrode is lower than that of metallic lithium or a lithium alloy,
It is possible to use an electrolyte solution that is noble and undergoes the reductive decomposition described above. However, when these alloys are alloyed with lithium, they become harder and more brittle than alloys mainly composed of lithium, and the alloys are extremely finely divided.
Drops from the plates are inevitable.
【0020】さらに金属リチウムおよびリチウム合金を
負極とした系に、炭酸エチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジ
エチル、炭酸エチルメチル、炭酸プロピレン、γ−ブチ
ロラクトン、γ−バレロラクトンといった溶媒を用いた
場合には、充電状態の電池を高温で保存した場合に電解
液が分解し、ガスが発生したり、あるいは繰り返し充放
電を行った場合には、負極の充放電反応と平行して、電
解液のガス化反応がおこり、充放電効率を低下せしめ、
結果としてサイクル特性が低下するといった課題があ
る。Further, when a solvent such as ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, propylene carbonate, γ-butyrolactone, or γ-valerolactone is used in a system using metal lithium and a lithium alloy as a negative electrode, the charge is reduced. When the battery in the state is stored at a high temperature, the electrolytic solution is decomposed and gas is generated, or when the battery is repeatedly charged and discharged, the gasification reaction of the electrolytic solution is performed in parallel with the charge and discharge reaction of the negative electrode. Cause the charge and discharge efficiency to decrease,
As a result, there is a problem that the cycle characteristics deteriorate.
【0021】一方、黒鉛系炭素材料を負極材料に用いた
場合に、炭酸プロピレンを用いた電解液を適用すると、
電解液の分解が金属リチウム上よりも貴な電位で起こ
り、その結果、リチウムイオンが黒鉛の層間にインター
カレートせず、電池として動作しない。そこで、現在市
販されている黒鉛系の負極材料を用いたリチウム二次電
池では炭酸エチレンを含有した電解液が多用されてい
る。しかしながら、炭酸エチレンは融点が37℃と室温よ
り高く、そのために低温下では電解液のリチウムイオン
伝導度が急激に低下し、充放電特性が低下する。On the other hand, when a graphite-based carbon material is used for the negative electrode material and an electrolyte using propylene carbonate is applied,
Decomposition of the electrolyte occurs at a more noble potential than on metallic lithium, so that lithium ions do not intercalate between graphite layers and do not operate as a battery. Therefore, currently available lithium secondary batteries using a graphite-based negative electrode material often use an electrolyte containing ethylene carbonate. However, ethylene carbonate has a melting point of 37 ° C., which is higher than room temperature. Therefore, at low temperatures, the lithium ion conductivity of the electrolytic solution rapidly decreases, and the charge / discharge characteristics deteriorate.
【0022】また、二硫化チタン等の無機化合物材料を
負極活物質として用いた場合には、そのインターカレー
ション・デインターカレーションは金属リチウムやリチ
ウム合金に比して十分貴な電位で起こる。そのために、
電解液と接触しても還元分解が起こることはない上、黒
鉛系材料で適用できなかった炭酸プロピレンのように電
解液が分解によりリチウムの挿入・脱離が阻害されるこ
ともなく、用いる電解液の選択の幅は拡大される。しか
しながら、これら無機化合物材料負極の電位が貴なた
め、電池電圧は低いものとなり、高エネルギー密度化に
は不利なものとなる。When an inorganic compound material such as titanium disulfide is used as the negative electrode active material, the intercalation and deintercalation occur at a potential sufficiently higher than that of metallic lithium or a lithium alloy. for that reason,
The electrolyte does not undergo reductive decomposition even when it comes into contact with the electrolytic solution, and the electrolytic solution does not disturb the insertion / desorption of lithium, unlike propylene carbonate, which could not be used with graphite-based materials, The range of choice of liquid is expanded. However, since the potential of these inorganic compound material negative electrodes is noble, the battery voltage is low, which is disadvantageous for increasing the energy density.
【0023】また、支持電解質については、過塩素酸リ
チウム、ほうふっ化リチウム、りんふっ化リチウムはい
ずれも熱安定性に課題を有していると同時に、含ふっ素
無機アニオン塩は(一例としてりんふっ化リチウムの場
合を(化1)〜(化3)に示した)電解液中に僅かに含
まれる水と反応し、分解するといった課題を有する。As for the supporting electrolyte, lithium perchlorate, lithium borofluoride and lithium phosphorus fluoride all have a problem in thermal stability, and at the same time, the fluorine-containing inorganic anion salt (for example, phosphorus In the case of lithium fluoride, it has a problem that it reacts with water slightly contained in the electrolytic solution (shown in Chemical Formulas 1 to 3) and decomposes.
【0024】[0024]
【化1】 Embedded image
【0025】[0025]
【化2】 Embedded image
【0026】[0026]
【化3】 Embedded image
【0027】また、非水電解質にリチウムイオン導電性
ガラス状固体電解質を用い,全固体電池とする場合に
は、電極中でのイオン伝導性を確保・維持するために電
極中に該固体電解質粉末を混合する必要がある。このよ
うにした電極は堅く脆いものであり、電極材料の充放電
に伴う膨張・収縮を吸収することができず、電極全体が
膨張する一方で、弾性がないために収縮が起こらない。
そのために粒子間の接合不良が起こり、充放電に寄与し
ない電極材料粒子が増大し、その結果、電池特性が低下
するといった課題がある。When a lithium ion conductive glassy solid electrolyte is used as the non-aqueous electrolyte to form an all-solid battery, the solid electrolyte powder is added to the electrode in order to secure and maintain the ion conductivity in the electrode. Need to be mixed. Such an electrode is hard and brittle, cannot absorb the expansion and contraction caused by the charge and discharge of the electrode material, and does not shrink due to lack of elasticity while the entire electrode expands.
As a result, there is a problem that poor bonding between particles occurs, the number of electrode material particles that do not contribute to charge and discharge increases, and as a result, battery characteristics deteriorate.
【0028】[0028]
【課題を解決するための手段】本発明は、固相Aからな
る核粒子の周囲の全面または一部を、固相Bによって被
覆した複合粒子で、前記固相Aはケイ素、亜鉛の少なく
とも一種を構成元素として含み、前記固相Bは固相Aの
構成元素であるケイ素、亜鉛のいずれかと、前記構成元
素を除いて、周期表の2族元素、遷移元素、12族元
素、13族元素、ならびに炭素を除く14族元素からな
る群から選ばれた少なくとも一種の元素との固溶体また
は金属間化合物である材料を用いることで固相Aにより
高容量、かつ固相Bが固相Aの充放電でおきる膨張・収
縮を抑える役割を担うことで充放電サイクル特性の優れ
た負極材料を用い、非水電解質に第1の成分として少な
くとも硫化リチウムを含み、第2の成分として硫化けい
素、硫化りんおよび硫化ほう素からなる群より選ばれる
一つまたはそれ以上の化合物と、第3の成分としてりん
酸リチウム、硫酸リチウム、ほう酸リチウム、けい酸リ
チウムからなる群より選ばれる一つまたはそれ以上の化
合物の複数の化合物より合成されるリチウムイオン導電
性ガラス状固体電解質を用いた場合に、高温保存時にガ
ス発生が極めて少なく、また、くり返し充放電に際して
も、負極の充放電効率が低下しないことを見出したこと
に基づき、広い温度範囲で使用でき、高エネルギー密度
かつ電池の繰り返し使用による放電容量の低下が少な
く、かつ高率充放電特性に優れた新規な非水電解質二次
電池を提供することを目的とする。According to the present invention, there is provided a composite particle wherein the whole or a part of the periphery of a core particle comprising a solid phase A is coated with a solid phase B, wherein the solid phase A is at least one of silicon and zinc. Is a constituent element of the periodic table, and the solid phase B is any of silicon and zinc as constituent elements of the solid phase A and, except for the constituent elements, a Group 2 element, a transition element, a Group 12 element, and a Group 13 element of the periodic table. , And a material that is a solid solution or an intermetallic compound with at least one element selected from the group consisting of Group 14 elements excluding carbon, so that the solid phase A has a higher capacity and A non-aqueous electrolyte contains at least lithium sulfide as the first component, and silicon sulfide and sulfide as the second component, using a negative electrode material with excellent charge-discharge cycle characteristics by playing a role in suppressing expansion and contraction caused by discharge. Phosphorus and sulfur One or more compounds selected from the group consisting of boron hydride and one or more compounds selected from the group consisting of lithium phosphate, lithium sulfate, lithium borate and lithium silicate as the third component When using a lithium ion conductive glassy solid electrolyte synthesized from a plurality of compounds, it was found that gas generation was extremely low during high-temperature storage, and that the charge and discharge efficiency of the negative electrode did not decrease during repeated charge and discharge. The object of the present invention is to provide a novel non-aqueous electrolyte secondary battery that can be used in a wide temperature range, has a high energy density, has a small decrease in discharge capacity due to repeated use of the battery, and has excellent high-rate charge / discharge characteristics. And
【0029】本発明の負極材料で固相Aは高容量のケイ
素、亜鉛の少なくともいずれかを構成元素として含むこ
とから主として充放電容量の高容量化に寄与しているも
のと考えられる。また固相Aからなる核粒子の周囲の全
面または一部を被覆している固相Bは充放電サイクル特
性の改善に寄与しているものと考えている。また、該負
極材料の固相Bにはリチウムはほとんど吸蔵されず、固
相Aにのみ吸蔵される。そのために該負極材料で電解質
と接触するのは活性なリチウムを含まない固相Bのみで
あり、したがって、この相と電解質が接触した場合でも
電解質の分解は起こりにくいと考えている。Since the solid phase A of the negative electrode material of the present invention contains at least one of silicon and zinc having a high capacity as a constituent element, it is considered that the solid phase A mainly contributes to an increase in the charge / discharge capacity. Further, it is considered that the solid phase B which covers the whole or a part of the periphery of the core particles composed of the solid phase A contributes to the improvement of the charge / discharge cycle characteristics. Further, lithium is hardly absorbed in the solid phase B of the negative electrode material, but is absorbed only in the solid phase A. Therefore, only the solid phase B containing no active lithium contacts the electrolyte in the negative electrode material. Therefore, it is considered that decomposition of the electrolyte is unlikely to occur even when the phase contacts the electrolyte.
【0030】一方、本発明に用いたリチウムイオン導電
性ガラス状固体電解質はガラス転移温度が300℃以上、
結晶化温度が400℃以上と極めて熱的安定性が高いため
に、高温保存時におけるガス発生、特性劣化が極めて小
さな物となると考えられる。さらに、該固体電解質はガ
ラス状であるがゆえに、リチウムイオンの伝導経路は、
結晶質固体電解質と異なり、異方性があり、固体電解質
粉末のどの面でも導電性を得ることが可能である。した
がって、粉末状の電極材料を混合した場合に、接触面は
自由にできるという利点を有する。On the other hand, the lithium ion conductive glassy solid electrolyte used in the present invention has a glass transition temperature of 300 ° C. or more,
Since the crystallization temperature is extremely high at 400 ° C. or higher, it is considered that gas generation and characteristic deterioration during high-temperature storage are extremely small. Furthermore, since the solid electrolyte is glassy, the conduction path of lithium ions is:
Unlike a crystalline solid electrolyte, it has anisotropy and can obtain conductivity on any surface of the solid electrolyte powder. Therefore, there is an advantage that the contact surface can be freely formed when the powdered electrode material is mixed.
【0031】また、該固体電解質は第3成分のオキソ酸
塩を添加することにより、無添加のものに比べて耐酸化
分解電圧が著しく高いものとなり、ほぼ10Vを有す
る。これは無添加の場合、ガラス骨格が-Si-S-Si-のみ
からなるのに対し、オキソ酸塩を添加することにより局
所的にSi-S結合より強固なSi-O結合を有する-Si-O-Si-
骨格が混在するようになるためと考えている。従って、
該固体電解質を用いた場合には正極材料は4V以上の高
電圧を発生させる材料でも使用可能である。The addition of the oxoacid salt of the third component makes the solid electrolyte extremely high in oxidation-resistant decomposition voltage as compared with the non-added one, and has a voltage of about 10 V. This is because, in the case of no addition, the glass skeleton consists of only -Si-S-Si-, whereas the addition of an oxoacid salt locally has a stronger Si-O bond than the Si-S bond. -O-Si-
We believe that the skeleton will be mixed. Therefore,
When the solid electrolyte is used, the positive electrode material may be a material that generates a high voltage of 4 V or more.
【0032】また、オキソ酸塩を添加しない場合には金
属リチウムと接触した場合には接合界面のインピーダン
スが経時的に高くなるといった課題があるが、オキソ酸
塩を添加することにより、金属リチウムと接触した場合
でも界面インピーダンスの増大は抑制されることから金
属リチウムとの接触に対する安定性も向上するといった
好ましい作用も有する。In addition, when the oxo acid salt is not added, there is a problem that the impedance at the junction interface increases with time when the oxo acid salt is brought into contact with the metal lithium. Since the increase in the interface impedance is suppressed even in the case of contact, there is also a favorable effect that stability against contact with metallic lithium is also improved.
【0033】上記負極材料と該固体電解質を組み合わせ
ることにより、広い温度範囲での信頼性を確保し、サイ
クル特性に優れた、高容量の電池を提供することができ
るものである。By combining the above-described negative electrode material and the solid electrolyte, reliability in a wide temperature range can be ensured, and a high-capacity battery excellent in cycle characteristics can be provided.
【0034】[0034]
【発明の実施の形態】本発明に用いられる正極及び負極
は、リチウムイオンを電気化学的かつ可逆的に挿入・放
出できる正極活物質や負極材料に導電剤、結着剤等を含
む合剤層を集電体の表面に塗着して作製されたものであ
る。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A positive electrode and a negative electrode used in the present invention are a mixture layer containing a conductive agent, a binder and the like in a positive electrode active material or a negative electrode material capable of electrochemically and reversibly inserting and releasing lithium ions. Is applied to the surface of the current collector.
【0035】本発明で用いられる負極材料は、固相Aか
らなる核粒子の周囲の全面または一部を、固相Bによっ
て被覆した複合粒子で、前記固相Aはケイ素、亜鉛の少
なくとも一種を構成元素として含み、前記固相Bは固相
Aの構成元素であるケイ素、亜鉛のいずれかと、前記構
成元素を除いて、周期表の2族元素、遷移元素、12
族、13族元素、ならびに炭素を除く14族元素からな
る群から選ばれた少なくとも一種の元素との固溶体、ま
たは金属間化合物である材料(以下、"複合粒子"と呼
ぶ)である。The negative electrode material used in the present invention is a composite particle in which the whole or a part of the periphery of the core particle composed of the solid phase A is coated with the solid phase B, and the solid phase A contains at least one of silicon and zinc. The solid phase B includes any of silicon and zinc as the constituent elements of the solid phase A, and, except for the constituent elements, a group 2 element of the periodic table, a transition element,
A solid solution with at least one element selected from the group consisting of Group 13 elements, Group 13 elements, and Group 14 elements excluding carbon, or a material that is an intermetallic compound (hereinafter, referred to as “composite particles”).
【0036】本発明に用いられる複合粒子の製造方法の
一つとしては、複合粒子を構成する各元素の仕込み組成
分の溶融物を、乾式噴霧法、湿式噴霧法、ロール急冷法
及び回転電極法などで急冷、凝固させ、その凝固物を、
仕込み組成から決まる固溶体または金属間化合物の固相
線温度より低い温度で熱処理するという方法がある。溶
融物の急冷凝固により、核粒子として固相A粒子、そし
てその固相A粒子の周囲の全面または一部を被覆する固
相Bを析出させ、その後の熱処理により、各固相A,B
の均一性を高めることを目的にしているが、熱処理をし
ない場合でも、請求項1記載の複合粒子を得ることがで
きる。また上記冷却方法以外の方法においても十分に冷
却可能な方法であれば用いることができる。As one of the methods for producing composite particles used in the present invention, a melt of the charged composition of each element constituting the composite particles is prepared by a dry spray method, a wet spray method, a roll quenching method and a rotating electrode method. Rapid cooling and solidification by such as
There is a method of performing heat treatment at a temperature lower than the solidus temperature of the solid solution or the intermetallic compound determined by the charged composition. By rapid solidification of the melt, solid phase A particles as core particles and solid phase B covering the entire surface or a part of the periphery of the solid phase A particles are precipitated.
The purpose of the present invention is to increase the uniformity of the composite particles, but the composite particles according to claim 1 can be obtained even without heat treatment. In addition, any method other than the above-mentioned cooling method can be used as long as it can sufficiently cool.
【0037】その他の製造方法としては、固相Aの粉末
の表面に、固相Bを形成するのに必要な固相Aに含まれ
る元素以外の元素からなる付着層を形成させ、それを、
仕込み組成から決まる固溶体または金属間化合物の固相
線温度より低い温度で熱処理するという方法がある。こ
の熱処理により、固相A中の成分元素が付着層に拡散し
て、被覆層として固相Bが形成される。この付着層の形
成方法としては、メッキ法またはメカニカルアロイング
法などによって行うことができる。その他、付着層を形
成可能な方法であれば用いることができる。メカニカル
アロイング法においては熱処理を必要としなくてもよ
い。As another manufacturing method, an adhesion layer made of an element other than the elements contained in the solid phase A necessary for forming the solid phase B is formed on the surface of the powder of the solid phase A.
There is a method of performing heat treatment at a temperature lower than the solidus temperature of the solid solution or the intermetallic compound determined by the charged composition. By this heat treatment, the component elements in the solid phase A diffuse into the adhesion layer, and the solid phase B is formed as a coating layer. The adhesion layer can be formed by a plating method or a mechanical alloying method. In addition, any method capable of forming an adhesion layer can be used. In the mechanical alloying method, heat treatment may not be required.
【0038】本発明の請求項1に記載の発明は、上述で
得た材料を負極に用い、電解質として高耐酸化性有機溶
媒にリチウムイオン導電性ガラス状固体電解質を用いた
ことを特徴としたものである。The invention according to claim 1 of the present invention is characterized in that the material obtained as described above is used for a negative electrode, and a lithium ion conductive glassy solid electrolyte is used as a high oxidation resistant organic solvent as an electrolyte. Things.
【0039】前記複合粒子は、高容量で、繰り返し充放
電による放電容量の低下が少なく、かつ高率充放電特性
が優れたもので、該負極とリチウムの吸蔵・放出が可能
な正極と、電解質にリチウムイオン導電性ガラス状固体
電解質を用いることで高容量・高エネルギー密度で、か
つ広い温度範囲で高い信頼性を有する電池を達成するも
のである。The composite particles are high in capacity, have a small decrease in discharge capacity due to repeated charge / discharge, and have excellent high rate charge / discharge characteristics. The negative electrode is composed of a positive electrode capable of inserting and extracting lithium and an electrolyte. By using a lithium-ion conductive glassy solid electrolyte for a battery, a battery having high capacity, high energy density, and high reliability in a wide temperature range is achieved.
【0040】請求項2に記載の発明は、請求項1記載の
リチウムイオン導電性ガラス状固体電解質が、第1の成
分として少なくとも硫化リチウムを含み、第2の成分と
して硫化けい素、硫化りんおよび硫化ほう素からなる群
より選ばれる一つまたはそれ以上の化合物と、第3の成
分としてりん酸リチウム、硫酸リチウム、ほう酸リチウ
ム、けい酸リチウムからなる群より選ばれる一つまたは
それ以上の化合物の複数の化合物より合成されるリチウ
ムイオン導電性ガラス状固体電解質としたものである。According to a second aspect of the present invention, the lithium ion conductive glassy solid electrolyte according to the first aspect contains at least lithium sulfide as a first component, and silicon sulfide, phosphorus sulfide and One or more compounds selected from the group consisting of boron sulfide and one or more compounds selected from the group consisting of lithium phosphate, lithium sulfate, lithium borate and lithium silicate as the third component This is a lithium ion conductive glassy solid electrolyte synthesized from a plurality of compounds.
【0041】リチウムイオン導電性ガラス状固体電解質
を用いて、全固体電池を構成する際には、電極中に該固
体電解質を分散させ、イオン伝導経路の確保・維持を図
る必要がある。When a lithium ion conductive glassy solid electrolyte is used to form an all-solid battery, it is necessary to disperse the solid electrolyte in the electrodes to secure and maintain an ion conduction path.
【0042】この際に、混合するリチウムイオン導電性
ガラス状固体電解質としては粒径が小さいほどよく、
0.02〜30μmが好ましい。さらに好ましくは、
0.02〜10μmである。また、電極材料との混合比
は、特に限定されないが、電極材料に対して、好ましく
は5〜80重量%、特に好ましくは、5〜30重量%で
ある。At this time, as the lithium ion conductive glassy solid electrolyte to be mixed, the smaller the particle size, the better.
0.02 to 30 μm is preferred. More preferably,
0.02 to 10 μm. The mixing ratio with the electrode material is not particularly limited, but is preferably 5 to 80% by weight, particularly preferably 5 to 30% by weight, based on the electrode material.
【0043】さらに、本発明に用いられる該固体電解質
をシート化する際に用いられる結着剤としては、熱可塑
性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれであってもよい。本発明
に於いて好ましい結着剤は、例えば、ポリエチレン、ポ
リプロピレン、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)、テトラフルオロエチレ
ン−ヘキサフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロ
エチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FE
P)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキル
ビニルエーテル共重合体(PFA)、フッ化ビニリデン−
ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン
−クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン−テ
トラフルオロエチレン共重合体(ETFE樹脂)、ポリクロ
ロトリフルオロエチレン(PCTFE)、フッ化ビニリデン
−ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレン−テ
トラフルオロエチレン共重合体、エチレン−クロロトリ
フルオロエチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ビニリデ
ン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレ
ン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロメチルビ
ニルエーテル−テトラフルオロエチレン共重合体、エチ
レン−アクリル酸共重合体または前記材料の(Na+)イ
オン架橋体、エチレン−メタクリル酸共重合体または前
記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−アクリル酸
メチル共重合体または前記材料の(Na+)イオン架橋
体、エチレン−メタクリル酸メチル共重合体または前記
材料の(Na+)イオン架橋体を挙げる事ができる。特
に、この中で最も好ましいのはポリフッ化ビニリデン
(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)であ
る。Further, the binder used in forming the solid electrolyte sheet used in the present invention may be either a thermoplastic resin or a thermosetting resin. Preferred binders in the present invention are, for example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE),
Polyvinylidene fluoride (PVDF), tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FE
P), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), vinylidene fluoride
Hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE resin), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymer Copolymer, propylene-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluoromethylvinyl ether-tetrafluoro Ethylene copolymer, ethylene-acrylic acid copolymer or (Na + ) ion crosslinked product of the above material, ethylene-methacrylic acid copolymer or (Na + ) ion crosslinked product of the above material, ethylene-methyl acrylate copolymer Coalescing or said Fee (Na +) ion crosslinked body, an ethylene - can be exemplified (Na +) ion crosslinked product of methyl methacrylate copolymer or. Particularly, among these, polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE) are most preferable.
【0044】本発明に用いられる負極用導電剤は、電子
伝導性材料であれば何でもよい。例えば、天然黒鉛(鱗
片状黒鉛など)、人造黒鉛などのグラファイト類、アセ
チレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラ
ック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマル
ブラック等のカ−ボンブラック類、炭素繊維、金属繊維
などの導電性繊維類、フッ化カーボン、銅、ニッケル等
の金属粉末類およびポリフェニレン誘導体などの有機導
電性材料などを単独又はこれらの混合物として含ませる
ことができる。これらの導電剤のなかで、人造黒鉛、ア
セチレンブラック、炭素繊維が特に好ましい。導電剤の
添加量は、特に限定されないが、1〜50重量%が好ま
しく、特に1〜30重量%が好ましい。また、本発明の
負極材料はそれ自身電子伝導性を有するため、導電剤を
添加しなくても電池として機能させることは可能であ
る。The conductive agent for a negative electrode used in the present invention may be any material as long as it is an electron conductive material. For example, graphites such as natural graphite (flaky graphite, etc.) and artificial graphite, carbon blacks such as acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black, carbon fiber, metal fiber, etc. Conductive fibers, metal powders such as carbon fluoride, copper and nickel, and organic conductive materials such as polyphenylene derivatives, and the like, alone or as a mixture thereof. Among these conductive agents, artificial graphite, acetylene black and carbon fiber are particularly preferred. The amount of the conductive agent is not particularly limited, but is preferably 1 to 50% by weight, and particularly preferably 1 to 30% by weight. In addition, since the negative electrode material of the present invention itself has electronic conductivity, it is possible to function as a battery without adding a conductive agent.
【0045】本発明に用いられる負極用結着剤として
は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれであってもよ
い。本発明において好ましい結着剤は、例えば、ポリエ
チレン、ポリプロピレン、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)、スチレンブ
タジエンゴム、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオ
ロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレ
ン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PF
A)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共
重合体、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレ
ン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合
体(ETFE樹脂)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PC
TFE)、フッ化ビニリデン−ペンタフルオロプロピレン
共重合体、プロピレン−テトラフルオロエチレン共重合
体、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体
(ECTFE)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピ
レン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリ
デン−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフル
オロエチレン共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体
または前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−メ
タクリル酸共重合体または前記材料の(Na+)イオン架
橋体、エチレン−アクリル酸メチル共重合体または前記
材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−メタクリル酸
メチル共重合体または前記材料の(Na+)イオン架橋体
を挙げる事ができ、これらの材料を単独又は混合物とし
て用いることができる。また、これらの材料の中でより
好ましい材料は、スチレンブタジエンゴム、ポリフッ化
ビニリデン、エチレン−アクリル酸共重合体または前記
材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−メタクリル酸
共重合体または前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチ
レン−アクリル酸メチル共重合体または前記材料の(Na
+)イオン架橋体、エチレン−メタクリル酸メチル共重
合体または前記材料の(Na+)イオン架橋体である。The binder for the negative electrode used in the present invention may be either a thermoplastic resin or a thermosetting resin. Preferred binders in the present invention include, for example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene butadiene rubber, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene Ethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PF
A), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE resin), polychlorotrifluoroethylene (PC
TFE), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymer, propylene-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer , Vinylidene fluoride-perfluoromethylvinyl ether-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-acrylic acid copolymer or (Na + ) ion cross-linked product of the above material, ethylene-methacrylic acid copolymer or (Na + ) Ion crosslinked product, ethylene-methyl acrylate copolymer or (Na + ) ion crosslinked product of the above material, ethylene-methyl methacrylate copolymer or (Na + ) ion crosslinked product of the above material, and the like. These materials can be used alone or as a mixture. Further, among these materials, more preferred materials are styrene-butadiene rubber, polyvinylidene fluoride, ethylene-acrylic acid copolymer or (Na + ) ion crosslinked product of the above-mentioned material, ethylene-methacrylic acid copolymer or the above-mentioned material. (Na + ) ion crosslinked product, ethylene-methyl acrylate copolymer or (Na + ) ion
+ ) Ion crosslinked product, ethylene-methyl methacrylate copolymer or (Na + ) ion crosslinked product of the above-mentioned material.
【0046】本発明に用いられる負極用集電体として
は、構成された電池において化学変化を起こさない電子
伝導体であれば何でもよい。例えば、材料としてステン
レス鋼、ニッケル、銅、チタン、炭素、導電性樹脂など
の他に、銅やステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル
あるいはチタンを処理させたものなどが用いられる。特
に、銅あるいは銅合金が好ましい。これらの材料の表面
を酸化して用いることもできる。また、表面処理により
集電体表面に凹凸を付けることが望ましい。形状は、フ
ォイルの他、フィルム、シート、ネット、パンチングさ
れたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体
などが用いられる。厚みは、特に限定されないが、1〜
500μmのものが用いられる。As the current collector for the negative electrode used in the present invention, any collector may be used as long as it does not cause a chemical change in the constructed battery. For example, in addition to stainless steel, nickel, copper, titanium, carbon, conductive resin, and the like, a material obtained by treating the surface of copper or stainless steel with carbon, nickel, or titanium is used. Particularly, copper or a copper alloy is preferable. The surface of these materials can be oxidized and used. In addition, it is desirable to make the current collector surface uneven by surface treatment. As the shape, in addition to a foil, a film, a sheet, a net, a punched material, a lath body, a porous body, a foamed body, a molded body of a fiber group, and the like are used. The thickness is not particularly limited, but 1 to
Those having a size of 500 μm are used.
【0047】本発明に用いられる正極材料には、リチウ
ム含有の化合物を用いることができる。例えば、LixCoO
2 、LixNiO2、LixMnO2 、LixCoyNi1-yO2、LixCoyM1-yOz、Lix
Ni1- yMyOz、LixMn2O4 、LixMn2-yMyO4 (M=Na、Mg、Sc、Y、Mn、
Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Cr、Pb、Sb、Bのうち少なくとも一
種)、(ここで0<x≦1.2、0≦y≦0.9、2.0≦z≦2.3)が
あげられる。ここで、上記のx値は、充放電開始前の値
であり、充放電により増減する。ただし、遷移金属カル
コゲン化物、バナジウム酸化物のリチウム化合物、ニオ
ブ酸化物のリチウム化合物、有機導電性物質を用いた共
役系ポリマー、シェブレル相化合物等の他の正極活物質
を用いることも可能である。また、複数の異なった正極
活物質を混合して用いることも可能である。正極活物質
粒子の平均粒径は、特に限定はされないが、1〜30μ
mであることが好ましい。As the positive electrode material used in the present invention, a lithium-containing compound can be used. For example, Li x CoO
2 , Li x NiO 2 , Li x MnO 2 , Li x Co y Ni 1-y O 2 , Li x Co y M 1-y O z , Li x
Ni 1- y M y O z , Li x Mn 2 O 4 , Li x Mn 2-y M y O 4 (M = Na, Mg, Sc, Y, Mn,
Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, Cr, Pb, Sb, and at least one of B), (where 0 <x ≦ 1.2, 0 ≦ y ≦ 0.9, 2.0 ≦ z ≦ 2.3). Here, the above-mentioned x value is a value before the start of charge / discharge, and increases / decreases due to charge / discharge. However, other positive electrode active materials such as a transition metal chalcogenide, a lithium compound of vanadium oxide, a lithium compound of niobium oxide, a conjugated polymer using an organic conductive material, and a Chevrel phase compound can also be used. It is also possible to use a mixture of a plurality of different positive electrode active materials. The average particle size of the positive electrode active material particles is not particularly limited, but 1 to 30 μm.
m is preferable.
【0048】本発明で使用される正極用導電剤は、用い
る正極材料の充放電電位において、化学変化を起こさな
い電子伝導性材料であれば何でもよい。例えば、天然黒
鉛(鱗片状黒鉛など)、人造黒鉛などのグラファイト
類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャン
ネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、
サーマルブラック等のカ−ボンブラック類、炭素繊維、
金属繊維などの導電性繊維類、フッ化カーボン、銅、ニ
ッケル、アルミニウム、銀等の金属粉末類、酸化亜鉛、
チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー類、酸化チタ
ンなどの導電性金属酸化物あるいはポリフェニレン誘導
体などの有機導電性材料などを単独又はこれらの混合物
として含ませることができる。これらの導電剤のなか
で、人造黒鉛、アセチレンブラック、ニッケル粉末が特
に好ましい。導電剤の添加量は、特に限定されないが、
1〜50重量%が好ましく、特に1〜30重量%が好ま
しい。カーボンやグラファイトでは、2〜15重量%が
特に好ましい。The conductive agent for the positive electrode used in the present invention may be any electronic conductive material which does not cause a chemical change at the charge / discharge potential of the positive electrode material used. For example, graphites such as natural graphite (flaky graphite, etc.), artificial graphite, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black,
Carbon blacks such as thermal black, carbon fiber,
Conductive fibers such as metal fibers, metal powders such as carbon fluoride, copper, nickel, aluminum and silver, zinc oxide,
A conductive whisker such as potassium titanate, a conductive metal oxide such as titanium oxide, an organic conductive material such as a polyphenylene derivative, or the like can be included alone or as a mixture thereof. Among these conductive agents, artificial graphite, acetylene black and nickel powder are particularly preferred. The amount of the conductive agent is not particularly limited,
It is preferably from 1 to 50% by weight, particularly preferably from 1 to 30% by weight. For carbon and graphite, 2 to 15% by weight is particularly preferred.
【0049】本発明に用いられる正極用結着剤として
は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれであってもよ
い。本発明に於いて好ましい結着剤は、例えば、ポリエ
チレン、ポリプロピレン、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)、テトラフル
オロエチレン−ヘキサフルオロエチレン共重合体、テト
ラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合
体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロア
ルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、フッ化ビニリ
デン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニ
リデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレ
ン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE樹脂)、ポ
リクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、フッ化ビニ
リデン−ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレ
ン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−クロ
ロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ビ
ニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロ
エチレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロメ
チルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン共重合
体、エチレン−アクリル酸共重合体または前記材料の
(Na+)イオン架橋体、エチレン−メタクリル酸共重合
体または前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−
アクリル酸メチル共重合体または前記材料の(Na+)イ
オン架橋体、エチレン−メタクリル酸メチル共重合体ま
たは前記材料の(Na+)イオン架橋体を挙げる事ができ
る。特に、この中で最も好ましいのはポリフッ化ビニリ
デン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)で
ある。The binder for the positive electrode used in the present invention may be either a thermoplastic resin or a thermosetting resin. Preferred binders in the present invention include, for example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene Copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinyl ether copolymer (PFA), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene Copolymer (ETFE resin), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymer, propylene-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer ECTFE), vinylidene fluoride - hexafluoropropylene - tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride - perfluoromethyl vinyl ether - tetrafluoroethylene copolymer, ethylene - acrylic acid copolymer or (Na +) ions A crosslinked product, an ethylene-methacrylic acid copolymer or a (Na + ) ion crosslinked product of the above material, ethylene-
Examples thereof include a methyl acrylate copolymer or a (Na + ) ion crosslinked product of the above material, an ethylene-methyl methacrylate copolymer or a (Na + ) ion crosslinked product of the above material. Particularly, among these, polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE) are most preferable.
【0050】本発明に用いられる正極用集電体として
は、用いる正極材料の充放電電位において化学変化を起
こさない電子伝導体であれば何でもよい。例えば、材料
としてステンレス鋼、アルミニウム、チタン、炭素、導
電性樹脂などの他に、アルミニウムやステンレス鋼の表
面にカーボン、あるいはチタンを処理させたものが用い
られる。特に、アルミニウムあるいはアルミニウム合金
が好ましい。これらの材料の表面を酸化して用いること
もできる。また、表面処理により集電体表面に凹凸を付
けることが望ましい。形状は、フォイルの他、フィル
ム、シート、ネット、パンチされたもの、ラス体、多孔
質体、発泡体、繊維群、不織布体の成形体などが用いら
れる。厚みは、特に限定されないが、1〜500μmの
ものが用いられる。The current collector for the positive electrode used in the present invention may be any electronic conductor that does not cause a chemical change in the charge and discharge potential of the positive electrode material used. For example, in addition to stainless steel, aluminum, titanium, carbon, conductive resin, and the like, a material obtained by treating the surface of aluminum or stainless steel with carbon or titanium is used. Particularly, aluminum or an aluminum alloy is preferable. The surface of these materials can be oxidized and used. In addition, it is desirable to make the current collector surface uneven by surface treatment. As the shape, in addition to a foil, a film, a sheet, a net, a punched material, a lath body, a porous body, a foamed body, a fiber group, a molded body of a nonwoven fabric body, or the like is used. The thickness is not particularly limited, but a thickness of 1 to 500 μm is used.
【0051】電極合剤には、導電剤や結着剤の他、フィ
ラー、分散剤、イオン導伝剤、圧力増強剤及びその他の
各種添加剤を用いることができる。フィラーは、構成さ
れた電池において、化学変化を起こさない繊維状材料で
あれば何でも用いることができる。通常、ポリプロピレ
ン、ポリエチレンなどのオレフィン系ポリマー、ガラ
ス、炭素などの繊維が用いられる。フィラーの添加量は
特に限定されないが、0〜30重量%が好ましい。In the electrode mixture, a filler, a dispersant, an ion conductor, a pressure enhancer and other various additives can be used in addition to the conductive agent and the binder. As the filler, any fibrous material that does not cause a chemical change in the configured battery can be used. Usually, fibers such as olefin-based polymers such as polypropylene and polyethylene, glass, and carbon are used. The amount of the filler added is not particularly limited, but is preferably 0 to 30% by weight.
【0052】本発明における負極板と正極板の構成は、
少なくとも正極合剤面の対向面に負極合剤面が存在して
いることが好ましい。The structure of the negative electrode plate and the positive electrode plate in the present invention is as follows.
It is preferable that the negative electrode mixture surface exists at least on the surface opposite to the positive electrode mixture surface.
【0053】電池の形状はコイン型、ボタン型、シート
型、積層型、円筒型、偏平型、角型、電気自動車等に用
いる大型のものなどいずれにも適用できる。The shape of the battery can be any of a coin type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, a square type, and a large type used for electric vehicles.
【0054】また、本発明の非水電解質二次電池は、携
帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、
自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等に
用いることができるが、特にこれらに限定されるわけで
はない。Further, the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention can be used for a portable information terminal, a portable electronic device, a small household power storage device,
The present invention can be used for a motorcycle, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, and the like, but is not particularly limited thereto.
【0055】[0055]
【実施例】以下、実施例により本発明をさらに詳しく説
明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定される
ものではない。The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to these examples.
【0056】(実施例1) 負極材料の製造方法 (表1)に本実施例で用いた負極材料(材料A〜材料
L)の固相Aと固相Bの成分(単体元素、金属間化合
物、固溶体)、仕込み時の元素比率、溶融温度、および
固相線温度を示す。本実施例で以下に具体的な製造方法
を示す。(Example 1) Method for producing negative electrode material Table 1 shows the components (simple element, intermetallic compound) of solid phase A and solid phase B of the negative electrode material (material A to material L) used in this example. , Solid solution), element ratio at the time of preparation, melting temperature, and solidus temperature. In this embodiment, a specific manufacturing method will be described below.
【0057】負極材料を構成する各元素の粉体またはブ
ロックを、表1に示す仕込み比率で溶解槽に投入し、
(表1)に示す溶融温度で溶解し、その溶融物をロール
急冷法で急冷、凝固させ、凝固物を得た。続いて、その
凝固物を表1に示す仕込み組成から決まる固溶体または
金属間化合物の固相線温度より10℃〜50℃程度低い
温度で不活性雰囲気下で20時間熱処理を行った。この
熱処理品をボールミルで粉砕し、篩で分級することによ
り45μm以下の粒子にした材料A〜材料Lを得た。こ
れらの材料は電子顕微鏡観察結果から固相A粒子の周囲
の全面または一部が固相Bによって被覆さていることが
確認できた。A powder or a block of each element constituting the negative electrode material is charged into a dissolving tank at a charging ratio shown in Table 1,
It was melted at the melting temperature shown in (Table 1), and the melt was quenched and solidified by a roll quenching method to obtain a solidified product. Subsequently, the solidified product was subjected to a heat treatment for 20 hours in an inert atmosphere at a temperature lower by about 10 ° C. to 50 ° C. than the solidus temperature of the solid solution or the intermetallic compound determined by the charged composition shown in Table 1. This heat-treated product was pulverized with a ball mill and classified with a sieve to obtain materials A to L in the form of particles of 45 μm or less. From these electron microscopic observation results, it was confirmed that the entire surface or a part of the periphery of the solid phase A particles was covered with the solid phase B.
【0058】[0058]
【表1】 [Table 1]
【0059】固体電解質および固体電解質シートの製造
法 リチウムイオン導電性ガラス状固体電解質は以下のよう
にして作製した。Method for Producing Solid Electrolyte and Solid Electrolyte Sheet A lithium ion conductive glassy solid electrolyte was produced as follows.
【0060】りん酸リチウム、硫化リチウム、二硫化け
い素をモル比で1:63:36に混合したものをガラス
状カーボンるつぼに入れ、乾燥窒素雰囲気中で1000℃で
2時間溶融し、その融液を双ローラーで急冷し、作製し
た。得られた固体電解質ガラスを粉砕し、固体電解質粉
末とした。同様の方法で他の原料の組み合わせのリチウ
ムイオン導電性ガラス状固体電解質も合成した結果を、
(表2)に示す。なお、表中イオン伝導度は、交流イン
ピーダンス法により測定した結果を、耐酸化分解電圧は
電位走査法により測定した結果を示した。A mixture of lithium phosphate, lithium sulfide and silicon disulfide in a molar ratio of 1:63:36 was put into a glassy carbon crucible and dried at 1000 ° C. in a dry nitrogen atmosphere.
The melt was melted for 2 hours, and the melt was quenched with a twin roller to prepare. The obtained solid electrolyte glass was pulverized to obtain a solid electrolyte powder. The result of synthesizing a lithium ion conductive glassy solid electrolyte of a combination of other raw materials in the same way,
It is shown in (Table 2). In the table, the ionic conductivity shows the result measured by the AC impedance method, and the oxidation-resistant decomposition voltage shows the result measured by the potential scanning method.
【0061】[0061]
【表2】 [Table 2]
【0062】ついで、上記で得られた固体電解質粉末98
重量%にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)2重量%
を加え、乳鉢で十分混合し、弾性体としたものを、ロー
ラーで圧延し、固体電解質シートとした。Next, the solid electrolyte powder 98 obtained above is obtained.
2% by weight of polytetrafluoroethylene (PTFE)
Was added and mixed sufficiently in a mortar to form an elastic body, which was rolled with a roller to obtain a solid electrolyte sheet.
【0063】円筒型電池の製造方法 図1に本発明における円筒型電池の縦断面図を示す。正
極板5及び負極板6が固体電解質シート7を介して複数
回渦巻状に巻回されて電池ケース1内に収納されてい
る。そして、上記正極板5からは正極リード5aが引き
出されて封口板2に接続され、負極板6からは負極リー
ド6aが引き出されて電池ケース1の底部に接続されて
いる。電池ケースやリード板は、電子伝導性をもつ金属
や合金を用いることができる。例えば、鉄、ニッケル、
チタン、クロム、モリブデン、銅、アルミニウムなどの
金属あるいはそれらの合金が用いられる。特に、電池ケ
ースはステンレス鋼板、Al−Mn合金板を加工したも
の、正極リードはアルミニウム、負極リードはニッケル
が最も好ましい。また、電池ケースには、軽量化を図る
ため各種エンジニアリングプラスチックス及びこれと金
属の併用したものを用いることも可能である。8は絶縁
リングで極板群4の上下部にそれぞれ設けられている。
そして、封口板を用いて電池缶を形成する。このとき、
安全弁を封口板として用いることができる。安全弁の
他、従来から知られている種々の安全素子を備えつけて
も良い。例えば、過電流防止素子として、ヒューズ、バ
イメタル、PTC素子などが用いられる。また、安全弁
のほかに電池ケースの内圧上昇の対策として、電池ケー
スに切込を入れる方法、ガスケット亀裂方法あるいは封
口板亀裂方法あるいはリード板との切断方法を利用する
ことができる。また、充電器に過充電や過放電対策を組
み込んだ保護回路を具備させるか、あるいは、独立に接
続させてもよい。キャップ、電池ケース、シート、リー
ド板の溶接法は、公知の方法(例、直流又は交流の電気
溶接、レーザー溶接、超音波溶接)を用いることができ
る。封口用シール剤は、アスファルトなどの従来から知
られている化合物や混合物を用いることができる。FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a cylindrical battery according to the present invention. The positive electrode plate 5 and the negative electrode plate 6 are spirally wound a plurality of times via the solid electrolyte sheet 7 and housed in the battery case 1. Then, a positive electrode lead 5 a is drawn out from the positive electrode plate 5 and connected to the sealing plate 2, and a negative electrode lead 6 a is drawn out from the negative electrode plate 6 and connected to the bottom of the battery case 1. For the battery case and the lead plate, a metal or an alloy having electronic conductivity can be used. For example, iron, nickel,
Metals such as titanium, chromium, molybdenum, copper, and aluminum or alloys thereof are used. In particular, the battery case is preferably made of a stainless steel plate or an Al-Mn alloy plate, and the positive electrode lead is most preferably aluminum and the negative electrode lead is preferably nickel. Further, as the battery case, various types of engineering plastics and a combination thereof with a metal can be used to reduce the weight. Reference numeral 8 denotes an insulating ring provided on the upper and lower portions of the electrode plate group 4, respectively.
Then, a battery can is formed using the sealing plate. At this time,
Safety valves can be used as sealing plates. In addition to the safety valve, various conventionally known safety elements may be provided. For example, a fuse, a bimetal, a PTC element, or the like is used as the overcurrent prevention element. In addition to the safety valve, as a countermeasure against an increase in the internal pressure of the battery case, a method of making a cut in the battery case, a gasket cracking method, a sealing plate cracking method, or a cutting method with a lead plate can be used. Further, the charger may be provided with a protection circuit incorporating measures for overcharging and overdischarging, or may be connected independently. As a method for welding the cap, the battery case, the sheet, and the lead plate, a known method (eg, DC or AC electric welding, laser welding, ultrasonic welding) can be used. A conventionally known compound or mixture such as asphalt can be used as the sealing agent for closing.
【0064】負極板6は、得られた前記負極材料60重
量%に対し、リチウムイオン導電性ガラス状固体電解質
粉末15重量%、導電剤である炭素粉末20重量%と結
着剤のポリフッ化ビニリデン樹脂5重量%を混合し、こ
れらを脱水N−メチルピロリジノンに分散させてスラリ
ーを作製し、銅箔からなる負極集電体上に塗布し、乾燥
後、圧延して作製した。The negative electrode plate 6 is composed of 60% by weight of the obtained negative electrode material, 15% by weight of a lithium ion conductive glassy solid electrolyte powder, 20% by weight of a carbon powder as a conductive agent, and polyvinylidene fluoride as a binder. A resin was mixed with 5% by weight, and these were dispersed in dehydrated N-methylpyrrolidinone to prepare a slurry. The slurry was applied on a negative electrode current collector made of copper foil, dried, and then rolled.
【0065】一方、正極板5は、コバルト酸リチウム粉
末70重量%に対し、リチウムイオン導電性ガラス状固
体電解質粉末15重量%、導電剤の炭素粉末10重量%
と結着剤のポリフッ化ビニリデン樹脂5重量%を混合
し、これらを脱水N−メチルピロリジノンに分散させて
スラリーを作製し、アルミ箔からなる正極集電体上に塗
布し、乾燥後、圧延して作製した。On the other hand, the positive electrode plate 5 was composed of 15% by weight of a lithium ion conductive glassy solid electrolyte powder and 10% by weight of a carbon powder of a conductive agent with respect to 70% by weight of lithium cobalt oxide powder.
And 5% by weight of polyvinylidene fluoride resin as a binder, and these are dispersed in dehydrated N-methylpyrrolidinone to prepare a slurry, applied on a positive electrode current collector made of aluminum foil, dried, and then rolled. Produced.
【0066】以上のようにして、(表3)〜(表14)
に示したように、(表1)の材料A〜Lを負極に、(表
2)の材料a〜lを固体電解質に用いた電池1〜168を
作製した。尚、作製した円筒型電池は直径18mm、高
さ650mmである。これらの電池を100mAの定電
流で、まず4.1Vになるまで充電した後、同じく定電
流100mAで2.0Vになるまで放電する充放電サイ
クルを繰り返した。尚、充放電は100サイクルまで繰
り返し行い、初期の放電容量に対する100サイクル目
の放電容量の比を容量維持率として(表3)〜(表1
4)に示した。As described above, (Table 3) to (Table 14)
As shown in Table 1, batteries 1 to 168 using the materials A to L in Table 1 as negative electrodes and the materials a to l in Table 2 as solid electrolytes were produced. The manufactured cylindrical battery had a diameter of 18 mm and a height of 650 mm. These batteries were charged at a constant current of 100 mA until the voltage reached 4.1 V, and then a charge / discharge cycle of discharging the battery to 2.0 V at a constant current of 100 mA was repeated. The charge / discharge was repeated up to 100 cycles, and the ratio of the discharge capacity at the 100th cycle to the initial discharge capacity was defined as the capacity retention ratio (Table 3) to (Table 1).
4).
【0067】更に、(表3)〜(表14)には、同じ構
成で100mAの定電流で、4.1Vになるまで充電
し、一旦、2.0Vになるまで放電し、初期の電池容量
をチェックした後、再度、同条件で4.1Vまで充電し
た電池を85℃で60日間保存した際の容量維持率として保
存前の放電容量に対する保存後の放電容量の比、ならび
に保存後の電池に穴を空け、流動パラフィン中でガス捕
集を試みたが、いずれの電池からもガスは補集できなか
った。Further, (Table 3) to (Table 14) show that the same configuration was used at a constant current of 100 mA until the battery was charged to 4.1 V and then temporarily discharged to 2.0 V. After checking again, the ratio of the discharge capacity after storage to the discharge capacity before storage as the capacity retention ratio when the battery charged to 4.1 V under the same conditions was stored at 85 ° C. for 60 days, and the battery after storage A gas was collected in liquid paraffin, but gas could not be collected from any of the batteries.
【0068】[0068]
【表3】 [Table 3]
【0069】[0069]
【表4】 [Table 4]
【0070】[0070]
【表5】 [Table 5]
【0071】[0071]
【表6】 [Table 6]
【0072】[0072]
【表7】 [Table 7]
【0073】[0073]
【表8】 [Table 8]
【0074】[0074]
【表9】 [Table 9]
【0075】[0075]
【表10】 [Table 10]
【0076】[0076]
【表11】 [Table 11]
【0077】[0077]
【表12】 [Table 12]
【0078】[0078]
【表13】 [Table 13]
【0079】[0079]
【表14】 [Table 14]
【0080】なお本実施例で用いた負極材料を構成する
元素は、固相AがSiの場合、2族元素としてMg、遷移元
素としてCoおよびNi、12族元素としてZn、13族元素
としてAl、14族元素としてSnを用いたが、これら以外
の各族の元素を用いても同様な効果が得られた。また固
相AがZnの場合、2族元素としてMg、遷移元素としてCu
およびV、12族元素としてCd、13族元素としてAl、
14族元素としてGeを用いたが、これら以外の各族の元
素を用いても同様な効果が得られた。When the solid phase A is Si, the elements constituting the negative electrode material used in this example are Mg as a Group 2 element, Co and Ni as transition elements, Zn as a Group 12 element, and Al as a Group 13 element. Although Sn was used as a group 14 element, similar effects were obtained by using elements of each group other than these. When the solid phase A is Zn, Mg is used as a Group 2 element, and Cu is used as a transition element.
And V, Cd as a Group 12 element, Al as a Group 13 element,
Ge was used as a Group 14 element, but similar effects were obtained by using elements of each group other than these.
【0081】また負極材料構成元素の仕込み比率につい
ては、特に限定されたものではなく、相が2相になり、
1相(固相A)が主にSn,Znを主体とした相で、もう一
つ別の相(固相B)がその周りを一部または全部を被覆
するような状態になればよく、仕込み組成を特に限定す
るものではない。相Bは表1に示した固溶体,金属間化
合物のみからなるだけではなく、それぞれの各固溶体,
金属間化合物を構成している元素やそれ以外の元素が微
量存在している場合も含まれる。Further, the charge ratio of the constituent elements of the negative electrode material is not particularly limited, and the phases become two phases.
One phase (solid phase A) is mainly a phase mainly composed of Sn and Zn, and another phase (solid phase B) may be in a state of covering a part or the whole thereof. The charge composition is not particularly limited. Phase B not only consists of the solid solution and intermetallic compound shown in Table 1, but also each solid solution,
This includes the case where the element constituting the intermetallic compound and other elements are present in trace amounts.
【0082】また、本実施例に用いたリチウムイオン導
電性ガラス状固体電解質の仕込み組成は、特に限定され
たものではなく、得られた物質がガラス状であって、か
つリチウムイオン伝導性を示し、さらに、酸化分解電圧
が5V以上が得られればよく、本実施例におけるリチウム
イオン導電性ガラス状固体電解質は仕込み組成を特に限
定するものではない。The composition of the lithium ion conductive glassy solid electrolyte used in this example is not particularly limited, and the obtained substance is glassy and exhibits lithium ion conductivity. Further, it is only necessary that an oxidative decomposition voltage of 5 V or more can be obtained, and the charged composition of the lithium ion conductive glassy solid electrolyte in this example is not particularly limited.
【0083】[0083]
【発明の効果】以上のように本発明によれば、従来の炭
素材料を負極材料としたものよりも高容量で、かつサイ
クル特性、高率充放電特性および、高温保存特性に優れ
た非水電解質二次電池が得られる。As described above, according to the present invention, a non-aqueous solution having a higher capacity and superior cycle characteristics, high rate charge / discharge characteristics, and high-temperature storage characteristics than those obtained by using a conventional carbon material as a negative electrode material. An electrolyte secondary battery is obtained.
【図1】本実施例における円筒型電池の縦断面図FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a cylindrical battery according to an embodiment.
1 電池ケース 2 封口板 3 絶縁パッキング 4 極板群 5 正極板 5a 正極リード 6 負極板 6a 負極リード 7 固体電解質シート 8 絶縁リング DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Battery case 2 Sealing plate 3 Insulating packing 4 Electrode group 5 Positive electrode plate 5a Positive electrode lead 6 Negative electrode plate 6a Negative electrode lead 7 Solid electrolyte sheet 8 Insulation ring
フロントページの続き (72)発明者 島村 治成 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 新田 芳明 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5H003 AA01 AA03 AA04 BB02 BB05 BC01 BC05 5H014 AA01 BB08 CC01 EE05 EE10 5H017 AA03 AS02 CC01 CC03 CC25 CC28 EE01 EE04 EE05 5H029 AJ00 AJ02 AJ05 AK03 AL11 AM12 BJ02 BJ14 CJ22 DJ04 DJ09 DJ16 Continuing on the front page (72) Inventor: Harushima Shimamura 1006, Kazuma Kadoma, Kadoma, Osaka Prefecture Inside Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (Reference) 5H003 AA01 AA03 AA04 BB02 BB05 BC01 BC05 5H014 AA01 BB08 CC01 EE05 EE10 5H017 AA03 AS02 CC01 CC03 CC25 CC28 EE01 EE04 EE05 5H029 AJ00 AJ02 AJ05 AK03 AL11 AM12 BJ02 DJ14 DJ14
Claims (2)
ムの吸蔵・放出が可能な正極と負極を備えた非水電解質
二次電池において、前記負極は、固相Aからなる核粒子
の周囲の全面または一部を、固相Bによって被覆した複
合粒子で、前記固相Aはケイ素、亜鉛の少なくとも一種
を構成元素として含み、前記固相Bは固相Aの構成元素
であるケイ素、亜鉛のいずれかと、前記構成元素を除い
て、周期表の2族元素、遷移元素、12族、13族元
素、ならびに炭素を除く14族元素からなる群から選ば
れた少なくとも一種の元素との固溶体、または金属間化
合物である材料を用い、非水電解質としてリチウムイオ
ン導電性ガラス状固体電解質を用いたことを特徴とする
非水電解質二次電池。1. A non-aqueous electrolyte secondary battery including a non-aqueous electrolyte, a separator, and a positive electrode and a negative electrode capable of inserting and extracting lithium, wherein the negative electrode is formed on the entire surface around the core particles composed of solid phase A or A part thereof is a composite particle coated with a solid phase B, wherein the solid phase A includes at least one of silicon and zinc as constituent elements, and the solid phase B is any of silicon and zinc which are constituent elements of the solid phase A. A solid solution with at least one element selected from the group consisting of Group 2 elements, transition elements, Group 12 and Group 13 elements, and Group 14 elements excluding carbon except for the above-mentioned constituent elements; A non-aqueous electrolyte secondary battery using a compound material and a lithium ion conductive glassy solid electrolyte as a non-aqueous electrolyte.
ラス状固体電解質が、第1の成分として少なくとも硫化
リチウムを含み、第2の成分として硫化けい素、硫化り
んおよび硫化ほう素からなる群より選ばれる一つまたは
それ以上の化合物と、第3の成分としてりん酸リチウ
ム、硫酸リチウム、ほう酸リチウム、けい酸リチウムか
らなる群より選ばれる一つまたはそれ以上の化合物の複
数の化合物より合成されるリチウムイオン導電性ガラス
状固体電解質であることを特徴とする請求項1記載の非
水電解質二次電池。2. The lithium ion conductive glassy solid electrolyte according to claim 1, which comprises at least lithium sulfide as a first component and silicon sulfide, phosphorus sulfide, and boron sulfide as a second component. It is synthesized from one or more compounds selected and a plurality of compounds of one or more compounds selected from the group consisting of lithium phosphate, lithium sulfate, lithium borate, and lithium silicate as the third component. The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the non-aqueous electrolyte secondary battery is a lithium ion conductive glassy solid electrolyte.
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