JP2001202999A - Charge and discharge method for nonaqueous electrolytic secondary battery - Google Patents
Charge and discharge method for nonaqueous electrolytic 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、特に、その負極材料にリチウム含有複合窒化物を用
いるリチウム二次電池の充放電方法に関するものであ
る。The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery, and more particularly to a method for charging and discharging a lithium secondary battery using a lithium-containing composite nitride as a negative electrode material.
【0002】[0002]
【従来の技術】当初、非水電解質二次電池用の負極材料
として高容量であるリチウム金属を用いる検討が盛んに
行われたが、充電時に負極にデンドライト状の析出が起
こり、充放電を繰り返すと、その析出物がセパレータを
突き破って正極側に達し内部短絡を起こすおそれがあっ
た。このような理由も含めて負極材料としてリチウム金
属を用いた非水電解質二次電池は、低い信頼性、および
短いサイクル寿命と言う観点から実用化が困難であっ
た。一方、非水電解質二次電池として、炭素材料を負極
材料、リチウム含有複合酸化物を正極材料とするリチウ
ムイオン二次電池が開発された。これは水溶液系の二次
電池に比べて電圧およびエネルギー密度が高く、かつ低
温特性が優れており、負極にリチウム金属を用いていな
いことからサイクル安定性にも優れており、急速に実用
化された。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
が、炭素材料の一つである黒鉛の理論容量は372mA
h/gであり、リチウム金属単体の理論容量の10分の
1程度と少ない。2. Description of the Related Art Initially, the use of high-capacity lithium metal as a negative electrode material for non-aqueous electrolyte secondary batteries was actively studied. However, dendrite-like precipitation occurred on the negative electrode during charging, and charging and discharging were repeated. In such a case, there is a possibility that the precipitates may break through the separator and reach the positive electrode side to cause an internal short circuit. For these reasons, it has been difficult to commercialize a non-aqueous electrolyte secondary battery using lithium metal as a negative electrode material from the viewpoint of low reliability and short cycle life. On the other hand, a lithium ion secondary battery using a carbon material as a negative electrode material and a lithium-containing composite oxide as a positive electrode material has been developed as a nonaqueous electrolyte secondary battery. This has a higher voltage and energy density than a secondary battery of an aqueous solution type, has excellent low-temperature characteristics, and has excellent cycle stability because no lithium metal is used for the negative electrode. Was. Normally, since metallic lithium does not precipitate on the carbon material negative electrode, there is no problem of internal short circuit due to dendrite. However, the theoretical capacity of graphite, one of the carbon materials, is 372 mA.
h / g, which is as small as about 1/10 of the theoretical capacity of lithium metal alone.
【0003】他の負極材料として、リチウムを含む窒化
物が高容量材料として知られている。リチウム含有複合
窒化物を電池の負極材料として用いる技術は比較的新し
く、例えば、電気化学素子の電極材料として用いるリチ
ウムニトリド金属化合物(リチウム含有複合窒化物と同
意)が特開平7−78609号公報に開示されている。
リチウム含有複合窒化物の中でもリチウムと遷移金属の
複合窒化物、一般式Li(3.0-x)-yMxN(MはCo、M
n、Ni、及びCuからなる群より選ばれた少なくとも
一種の遷移金属)で表される化合物は、電位的に金属リ
チウムを析出しないため、デンドライトによる内部短絡
の問題はなく、特に、上述のx値が0.1〜0.6あた
りの化合物はその可逆容量が500〜800mAh/g
であり、いずれも黒鉛の理論容量よりも大きい有望な負
極材料である。As another negative electrode material, a nitride containing lithium is known as a high capacity material. The technology of using a lithium-containing composite nitride as a negative electrode material of a battery is relatively new. For example, a lithium nitride metal compound (same as lithium-containing composite nitride) used as an electrode material of an electrochemical element is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-78609. Is disclosed.
Among the lithium-containing composite nitrides, a composite nitride of lithium and a transition metal, a general formula Li (3.0-x) -y M x N (M is Co, M
The compound represented by at least one transition metal selected from the group consisting of n, Ni, and Cu) does not deposit metallic lithium in potential, and therefore does not have a problem of internal short circuit due to dendrites. A compound having a value of about 0.1 to 0.6 has a reversible capacity of 500 to 800 mAh / g.
All are promising negative electrode materials larger than the theoretical capacity of graphite.
【0004】しかしながら、上記のようなリチウム含有
複合窒化物を負極材料として電池に用いる場合には、以
下に示すような問題があった。すなわち、リチウム含有
複合窒化物は、炭素負極材料にくらべて充放電サイクル
特性が不十分なことである。その理由は、充放電可逆容
量が大きい分、充放電における膨張・収縮による体積変
化が大きくなるためであると推測される。充電時と放電
時の体積差が大きい場合、大きなひずみが生じ、亀裂が
発生して窒化物粒子そのものが微細化したり、膨張・収
縮で極板内の導電剤との絡みを含めた電子伝導ネットワ
ークが緩んだり分断されたりして、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。However, when the lithium-containing composite nitride as described above is used as a negative electrode material in a battery, there are the following problems. That is, the lithium-containing composite nitride has insufficient charge / discharge cycle characteristics as compared with the carbon anode material. It is presumed that the reason for this is that the volume change due to expansion and contraction in charge and discharge increases as the reversible charge and discharge capacity increases. When the volume difference between charge and discharge is large, large strain is generated, cracks are generated and the nitride particles themselves are fined, and electronic conduction network including entanglement with the conductive agent in the electrode plate due to expansion and contraction Is considered to be loosened or divided, so that the portion that cannot participate in the electrochemical reaction increases, and the charge / discharge capacity decreases.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、高容量で充
放電サイクル特性に優れた負極材料であるリチウム含有
複合窒化物を用いる場合の上記従来の課題を解決し、サ
イクル特性および信頼性に優れた、高エネルギー密度の
非水電解質二次電池を与える方法を提供することを目的
とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned conventional problems in the case of using a lithium-containing composite nitride which is a negative electrode material having a high capacity and excellent charge-discharge cycle characteristics. An object of the present invention is to provide a method for providing an excellent non-aqueous electrolyte secondary battery having a high energy density.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は、リチウムの吸蔵・放出が可能な正極
と、一般式Li(3.0-x)-yMxN(MはCo、Mn、Ni
及びCuからなる群より選ばれた少なくとも一種の遷移
金属、0.2≦x≦0.6)で表されるリチウム含有複
合窒化物からなる負極を具備する非水電解質二次電池
を、充放電に伴い変化するLi含量の変化を表す変数y
を−x<y<2.0−xの範囲に規制して充放電するこ
とを特徴とする。In order to solve the above problems, the present invention provides a positive electrode capable of inserting and extracting lithium and a general formula Li (3.0-x) -y M x N (M is Co , Mn, Ni
And a nonaqueous electrolyte secondary battery including a negative electrode made of a lithium-containing composite nitride represented by at least one transition metal selected from the group consisting of Y representing the change in Li content that changes with
Is regulated in the range of -x <y <2.0-x to perform charging and discharging.
【0007】本発明は、高容量のリチウム含有複合窒化
物の充放電に伴う体積変化に注目し、その遷移金属の含
有量を上記のように制御することによってその体積変化
を抑制し、サイクル特性を改善するものである。さら
に、充放電に伴ってリチウム含有複合窒化物中のLi量
は変化するが、この時のLi量の変化範囲に制限を設け
ることでサイクル劣化領域を回避し、サイクル劣化を抑
制しようというものである。すなわち、適切な組成のリ
チウム含有複合窒化物を負極材料として用いてその体積
変化を最小限にとどめ、かつLiの変化範囲を正・負極
の充填容量バランス等の設計条件や充放電条件で制御
し、サイクル劣化領域を回避するのである。The present invention focuses on the volume change of a high-capacity lithium-containing composite nitride due to charging and discharging, and controls the transition metal content as described above to suppress the volume change, thereby improving the cycle characteristics. Is to improve. Furthermore, the amount of Li in the lithium-containing composite nitride changes with charge and discharge, but by limiting the change range of the amount of Li at this time, it is intended to avoid the cycle deterioration region and suppress the cycle deterioration. is there. In other words, using a lithium-containing composite nitride of an appropriate composition as the negative electrode material, the volume change is minimized, and the change range of Li is controlled by design conditions such as the positive and negative electrode filling capacity balance and charge / discharge conditions. That is, the cycle degradation region is avoided.
【0008】[0008]
【発明の実施の形態】本発明は、負極材料としてリチウ
ム含有複合窒化物、一般式Li(3.0-x)-yMxN(MはC
o、Mn、Ni及びCuの群から選ばれた少なくとも一
種の遷移金属)で表される化合物を用い、このリチウム
含有複合窒化物において、上記式中において遷移金属の
含有量に相当するx値を0.2≦x≦0.6とする。か
つリチウム含有複合窒化物を電池の負極材料として使用
する際のリチウム含有複合窒化物中の充放電に伴うLi
の変化量を−x<y<2.0−xの範囲に限定する。な
お、y値の規制は、方法論的には充填容量バランス等の
設計条件や充放電条件を設定することでなされる。この
リチウム含有複合窒化物は、窒化リチウムLi3Nに遷
移金属原子を固溶させた化合物である。x値は合成した
時点で決定される。実験的に検討した結果、置換できる
量はx≦0.6の範囲(0.6<xとなるように合成し
ても未反応の遷移金属が残存する)であるが、特に電池
の電極材料として機能するのは0.1≦x≦0.6の範
囲である。なお、x<0.1では材料そのものの電気伝
導性はほとんどなく絶縁体に近いため、電極として機能
しない。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention relates to a lithium-containing composite nitride having a general formula Li (3.0-x) -y M x N (M is C
o, Mn, Ni and at least one transition metal selected from the group consisting of Ni and Cu). In this lithium-containing composite nitride, the x value corresponding to the content of the transition metal in the above formula is defined as It is assumed that 0.2 ≦ x ≦ 0.6. And Li associated with charge and discharge in lithium-containing composite nitride when lithium-containing composite nitride is used as a negative electrode material of a battery
Is limited to the range of -x <y <2.0-x. Note that the regulation of the y value is methodologically performed by setting design conditions such as the filling capacity balance and charge / discharge conditions. The lithium-containing composite nitride is a compound in which a transition metal atom is dissolved in lithium nitride Li 3 N. The x value is determined at the time of synthesis. As a result of an experimental study, the amount that can be replaced is in the range of x ≦ 0.6 (the unreacted transition metal remains even when synthesized so that 0.6 <x). The function as is in the range of 0.1 ≦ x ≦ 0.6. When x <0.1, the material itself has almost no electric conductivity and is close to an insulator, and thus does not function as an electrode.
【0009】充放電に伴う体積変化に関して、これらリ
チウム含有複合窒化物は、最初の放電で非晶質化し、そ
の後の充放電において二度と結晶質に戻ることがないの
で、格子定数の変化から現象をとらえることはできな
い。しかし、リチウム含有複合窒化物からなる負極の充
放電に伴う極板厚み変化を追跡すると、上記x値がx<
0.2で合成された電極材料を含む場合に変化率が大き
い結果が得られている。このような材料は、基本的に置
換した遷移金属が充放電時のLiの吸蔵・放出に対応し
てその価数を変えるため結晶の歪みを緩和すると考えら
れる。ところが、x<0.2の領域では、遷移金属の絶
対量が不足することから、価数変化による結晶の歪みの
緩和作用が弱まるため、結晶の膨張・収縮が促進される
ものと推測される。すなわち、本発明の0.2≦x≦
0.6の領域では、遷移金属の価数変化が結晶歪みを緩
和するため、膨張・収縮が抑制されるものと推測され
る。従って、体積変化の観点からは、上述の一般式にお
けるx値が0.2≦x≦0.6の範囲のリチウム含有複
合窒化物を用いることがサイクル特性改良のために有効
である。[0009] Regarding the volume change due to charge and discharge, these lithium-containing composite nitrides become amorphous in the first discharge and do not return to crystalline again in the subsequent charge and discharge. It cannot be caught. However, when the change in the electrode plate thickness accompanying the charge and discharge of the negative electrode composed of the lithium-containing composite nitride is traced, the above-mentioned x value is x <
When the electrode material synthesized in 0.2 is included, a result with a large change rate is obtained. It is considered that such a material basically reduces the crystal distortion because the substituted transition metal changes its valence in response to insertion and extraction of Li during charge and discharge. However, in the region of x <0.2, since the absolute amount of the transition metal is insufficient, the effect of alleviating the strain of the crystal due to the change in valence is weakened, and it is presumed that the expansion and contraction of the crystal is promoted. . That is, 0.2 ≦ x ≦
In the region of 0.6, it is presumed that the valence change of the transition metal relaxes the crystal distortion, so that expansion and contraction are suppressed. Therefore, from the viewpoint of a change in volume, it is effective to use a lithium-containing composite nitride in which the x value in the above-mentioned general formula is in the range of 0.2 ≦ x ≦ 0.6 to improve cycle characteristics.
【0010】さらに、x値が0.2≦x≦0.6の範囲
で合成したこれらリチウム含有複合窒化物の充放電に伴
うLiの変化量とサイクル劣化について検討を加えた。
充電方向では、x値に関係なくリチウム含有複合窒化物
Li(3.0-x)-yMxN中の総Li量が3.0以上、すなわ
ち、3.0≦(3.0−x)−yの領域を使う充放電を
行うと著しいサイクル劣化を示した。検討の結果、この
原因はLiの析出であることがわかった。従って、
(3.0−x)−y<3.0の領域、すなわち−x<y
の範囲で充放電を行うことが望ましい。次に放電方向で
は、やはりx値に関係なくリチウム含有複合窒化物Li
(3.0-x )-yMxN中の総Li量が1.0以下、すなわち
(3.0−x)−y≦1.0の領域を使う充放電を行う
と著しいサイクル劣化を示した。検討の結果、この原因
は、リチウム含有複合窒化物Li(3.0-x)-yMxNの組成
崩壊であることが判明した。特に、この場合は窒化物が
分解して窒素ガスが発生することもわかった。従って、
1.0<(3.0−x)−yの領域、すなわちy<2.
0−xの範囲で充放電を行うことが望ましい。以上のよ
うに、−x<yでかつy<2.0−xの領域、すなわ
ち、電池の電極材料として使用する際の充放電に伴うL
iの変化量に相当するyが−x<y<2.0−xの範囲
であることが望ましい。[0010] Further, the amount of change in Li and the cycle deterioration due to charge and discharge of these lithium-containing composite nitrides synthesized in the range of x ≦ 0.2 ≦ x ≦ 0.6 were examined.
In the charging direction, the total amount of Li in the lithium-containing composite nitride Li (3.0-x) -y M x N is 3.0 or more, that is, 3.0 ≦ (3.0-x) − regardless of the x value. When charge / discharge using the y region was performed, remarkable cycle deterioration was shown. As a result of the examination, it was found that the cause was Li deposition. Therefore,
The region of (3.0-x) -y <3.0, that is, -x <y
It is desirable to perform charge / discharge in the range described above. Next, in the discharge direction, the lithium-containing composite nitride Li
(3.0-x) the total amount of Li in the -y M x N is 1.0 or less, that showed (3.0-x) performed when significant cycle deterioration of charge and discharge using the region of -y ≦ 1.0 . As a result of the investigation, it was found that the cause was a compositional collapse of the lithium-containing composite nitride Li (3.0-x) -y M x N. In particular, it was also found that in this case, the nitride was decomposed to generate nitrogen gas. Therefore,
1.0 <(3.0-x) -y region, that is, y <2.
It is desirable to perform charging and discharging in the range of 0-x. As described above, the region where -x <y and y <2.0-x, that is, L due to charging and discharging when used as an electrode material of a battery.
It is desirable that y corresponding to the change amount of i be in the range of -x <y <2.0-x.
【0011】本発明のさらに好ましい実施の形態を以下
に説明する。負極のリチウム含有複合窒化物は、水分と
の反応性が高く、水分で劣化するため、電極作製過程に
おけるペースト化等に用いる溶剤は高度に脱水されたも
のを用いることが望ましい。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・放出できる正極材料や負極材料に導電剤、ポリマー
材料等を含む合剤層を集電体の表面に塗着して作製する
ことができる。A further preferred embodiment of the present invention will be described below. Since the lithium-containing composite nitride of the negative electrode has high reactivity with moisture and is deteriorated by moisture, it is preferable to use a highly dehydrated solvent for forming a paste in the electrode manufacturing process. The positive electrode and the negative electrode used in the present invention are obtained by applying a mixture layer containing a conductive agent and a polymer material to a surface of a current collector on a positive electrode material or a negative electrode material capable of electrochemically and reversibly inserting and releasing lithium ions. Can be manufactured.
【0012】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、膨張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、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
材料などを単独また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、負極材料に対して1〜5
0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。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。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。The conductive agent for the 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.), artificial graphite, expanded graphite, carbon blacks such as acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black, carbon fibers, Conductive fibers such as metal fibers, metal powders such as copper and nickel, and organic conductive materials such as polyphenylene derivatives can be included 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 to be added is not particularly limited.
It is preferably 0% by weight, and particularly preferably 1 to 30% by weight.
Further, 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. The current collector for the negative electrode used in the present invention may be any electronic conductor that does not cause a chemical change in the configured 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. 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 a thickness of 1 to 500 μm is used.
【0013】本発明に用いられる正極材料には、リチウ
ム含有遷移金属酸化物を用いることができる。例えば、
LixCoO2、LixNiO2、LixMnO2、LixC
oyNi1-yO2、LixCoyM1-yOz、LixNi1-yMy
Oz、LixMn2O4、LixMn2-yMyO4(M=Na、
Mg、Sc、Y、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Z
n、Al、Cr、Pb、Sb、Bのうち少なくとも一
種、x=0〜1.2、y=0〜0.9、z=2.0〜
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。なお、リチ
ウム含有遷移金属化合物のような通常充電から(Liの
放出方向から)開始する正極材料を用いる場合は、本発
明の窒化物材料が通常放電から開始する負極材料なの
で、状態を一致させるために正負極のいずれか一方から
あらかじめLiを抜く化成処理が必要である。また、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
正極材料を用いることも可能である。二酸化マンガン、
五酸化バナジウムなどの通常放電から開始する正極材料
の場合は、化成処理を施す必要がなく、製造上は有利で
ある。また、複数の異なった正極材料を混合して用いる
ことも可能である。正極材料の粒子の平均粒径は、特に
限定はされないが、1〜30μmであることが好まし
い。As the positive electrode material used in the present invention, a lithium-containing transition metal oxide can be used. For example,
Li x CoO 2 , Li x NiO 2 , Li x MnO 2 , Li x C
o y Ni 1-y O 2 , Li x Co y M 1-y O z , Li x Ni 1- y My
O z , Li x Mn 2 O 4 , Li x Mn 2- y My O 4 (M = Na,
Mg, Sc, Y, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Z
at least one of n, Al, Cr, Pb, Sb and B, x = 0 to 1.2, y = 0 to 0.9, z = 2.0 to
2.3). Here, the above-mentioned x value is a value before the start of charge / discharge, and increases / decreases due to charge / discharge. When a positive electrode material such as a lithium-containing transition metal compound that starts from normal charging (from the direction of Li release) is used, since the nitride material of the present invention is a negative electrode material that normally starts from discharging, In addition, a chemical conversion treatment for removing Li in advance from one of the positive and negative electrodes is required. It is also possible to use other positive electrode materials such as transition metal chalcogenides, lithium compounds of vanadium oxides, lithium compounds of niobium oxides, conjugated polymers using organic conductive substances, and Chevrel phase compounds. Manganese dioxide,
In the case of a positive electrode material such as vanadium pentoxide starting from normal discharge, it is not necessary to perform a chemical conversion treatment, which is advantageous in production. It is also possible to use a mixture of a plurality of different positive electrode materials. The average particle size of the particles of the positive electrode material is not particularly limited, but is preferably 1 to 30 μm.
【0014】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、アルミニウム等の金属粉
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ま
た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が
特に好ましい。導電剤の添加量は、特に限定されない
が、正極材料に対して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。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 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 aluminum, conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate, conductive metal oxides such as titanium oxide, and organic conductive materials such as polyphenylene derivatives alone. Alternatively, they can be included as a mixture thereof. Among these conductive agents, artificial graphite and acetylene black are particularly preferred. The addition 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 based on the positive electrode material. For carbon and graphite, 2 to 15% by weight is particularly preferred. The positive electrode current collector 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,
Those having a thickness of 1 to 500 μm are used.
【0015】正・負極の電極の結着剤としては、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、ポリフッ化ビニリデン、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、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、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、ポリクロロト
リフルオロエチレン、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、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または
混合物として用いることができる。As the binder for the positive and negative electrodes, for example,
For example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoro
Ethylene, polyvinylidene fluoride, styrene butadiene
Rubber, tetrafluoroethylene-hexafluoroethyl
Len copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoro
Propylene copolymer, tetrafluoroethylene-per
Fluoroalkyl vinyl ether copolymer, vinyl fluoride
Riden-hexafluoropropylene copolymer, vinyl fluoride
Nilidene-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethyl
Len-tetrafluoroethylene copolymer, polychloroto
Trifluoroethylene, vinylidene fluoride-pentafluor
Propylene copolymer, propylene-tetrafluoroe
Tylene copolymer, ethylene-chlorotrifluoroethylene
Copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropyl
Len-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride
Den-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafur
Oroethylene copolymer, ethylene-acrylic acid copolymer
Or (Na+) Ion crosslinked product, ethylene-
Methacrylic acid copolymer or (Na+) Io
Crosslinked product, ethylene-methyl acrylate copolymer or
(Na+) Ion crosslinked product, ethylene-methac
Methyl acrylate copolymer or (Na +) Io
These materials can be used alone or
It can be used as a mixture.
【0016】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に対向して負極合剤面が存在して
いることが好ましい。本発明の非水電解質は、溶媒と、
その溶媒に溶解するリチウム塩とから構成される。例え
ば、エチレンカーボネ−ト、プロピレンカ−ボネ−ト、
ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの環
状カーボネート類、ジメチルカーボネート、ジエチルカ
ーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカ
ーボネートなどの鎖状カーボネート類、ギ酸メチル、酢
酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルな
どの脂肪族カルボン酸エステル類、γ−ブチロラクトン
等のγ−ラクトン類、1,2−ジメトキシエタン、1,
2−ジエトキシエタン、エトキシメトキシエタン等の鎖
状エーテル類、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラ
ヒドロフラン等の環状エーテル類、ジメチルスルホキシ
ド、1,3−ジオキソラン、ホルムアミド、アセトアミ
ド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニト
リル、プロピルニトリル、ニトロメタン、エチルモノグ
ライム、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジ
オキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、
1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、3−メチル
−2−オキサゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導
体、テトラヒドロフラン誘導体、エチルエーテル、1,
3−プロパンサルトン、アニソール、ジメチルスルホキ
シド、N−メチルピロリドンなどの非プロトン性有機溶
媒を挙げることができ、これらの一種または二種以上を
混合して使用することができる。なかでも環状カーボネ
ートと鎖状カーボネートとの混合系または環状カーボネ
ートと鎖状カーボネート及び脂肪族カルボン酸エステル
との混合系が好ましい。The structure of the negative electrode plate and the positive electrode plate in the present invention is as follows.
It is preferable that at least the negative electrode mixture surface is opposed to the positive electrode mixture surface. The non-aqueous electrolyte of the present invention, a solvent,
And a lithium salt dissolved in the solvent. For example, ethylene carbonate, propylene carbonate,
Cyclic carbonates such as butylene carbonate and vinylene carbonate, chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate and dipropyl carbonate; aliphatic carboxylic acids such as methyl formate, methyl acetate, methyl propionate, methyl propionate and ethyl propionate Esters, γ-lactones such as γ-butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, 1,
Chain ethers such as 2-diethoxyethane and ethoxymethoxyethane, cyclic ethers such as tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolan, formamide, acetamide, dimethylformamide, dioxolan, acetonitrile, propyl nitrile , Nitromethane, ethyl monoglyme, phosphate triester, trimethoxymethane, dioxolane derivative, sulfolane, methyl sulfolane,
1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, 3-methyl-2-oxazolidinone, propylene carbonate derivative, tetrahydrofuran derivative, ethyl ether, 1,
Examples include aprotic organic solvents such as 3-propanesultone, anisole, dimethylsulfoxide, and N-methylpyrrolidone, and one or more of these can be used in combination. Among them, a mixed system of a cyclic carbonate and a chain carbonate or a mixed system of a cyclic carbonate, a chain carbonate and an aliphatic carboxylic acid ester is preferable.
【0017】これらの溶媒に溶解するリチウム塩として
は、例えばLiClO4、LiBF4、LiPF6、Li
AlCl4、LiSbF6、LiSCN、LiCl、Li
CF3SO3、LiCF3CO2、Li(CF3SO2)2、
LiAsF6、LiN(CF3SO2)2、LiB10C
l10、低級脂肪族カルボン酸リチウム、LiCl、Li
Br、LiI、クロロボランリチウム、四フェニルホウ
酸リチウム、イミド類等を挙げることができ、これらを
使用する電解液等に単独または二種以上を組み合わせて
使用することができるが、特にLiPF6を含ませるこ
とがより好ましい。本発明における特に好ましい非水電
解質は、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネ
ートを少なくとも含み、支持塩としてLiPF6を含む
電解液である。これら電解質を電池内に添加する量は、
特に限定されないが、正極材料や負極材料の量あるいは
電池のサイズによって必要量を用いることができる。支
持電解質の非水溶媒に対する溶解量は、特に限定されな
いが、0.2〜2mol/lが好ましい。特に、0.5
〜1.5mol/lとすることがより好ましい。さら
に、放電や充放電特性を改良する目的で、他の化合物を
電解質に添加することも有効である。例えば、トリエチ
ルフォスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテ
ル、エチレンジアミン、n−グライム、ピリジン、ヘキ
サリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、クラウン
エーテル類、第四級アンモニウム塩、エチレングリコー
ルジアルキルエーテル等を挙げることができる。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。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。Examples of the lithium salt dissolved in these solvents include LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiPF
AlCl 4 , LiSbF 6 , LiSCN, LiCl, Li
CF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 ,
LiAsF 6 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiB 10 C
l 10 , lithium lower aliphatic carboxylate, LiCl, Li
Br, LiI, chloroborane lithium, there may be mentioned lithium tetraphenylborate, and imides like, can be used alone or in combination of two or more in the electrolyte solution or the like to use them, in particular free of LiPF 6 More preferably. A particularly preferred non-aqueous electrolyte in the present invention is an electrolyte containing at least ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate, and containing LiPF 6 as a supporting salt. The amount of these electrolytes added in the battery is
Although not particularly limited, a necessary amount can be used depending on the amounts of the positive electrode material and the negative electrode material or the size of the battery. The amount of the supporting electrolyte dissolved in the nonaqueous solvent is not particularly limited, but is preferably 0.2 to 2 mol / l. In particular, 0.5
More preferably, it is set to と す る 1.5 mol / l. It is also effective to add another compound to the electrolyte for the purpose of improving the discharge and charge / discharge characteristics. For example, triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, pyridine, hexaphosphoric triamide, nitrobenzene derivative, crown ethers, quaternary ammonium salt, ethylene glycol dialkyl ether and the like can be mentioned. 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. In addition, the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention can be used for portable information terminals, portable electronic devices, home small power storage devices, motorcycles, electric vehicles, hybrid electric vehicles, and the like, but is not particularly limited thereto. Not necessarily.
【0018】[0018]
【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.
【0019】《実施例1》 負極材料の合成方法 窒化リチウムと遷移金属の粉末を所定量混合し、磁製坩
堝に入れ、窒素雰囲気中700℃で8時間加熱するとリ
チウム含有複合窒化物が得られる。遷移金属が窒化リチ
ウム中に固溶した目的の化合物は凝固物として得られる
ので、その凝固物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。本実施例では、
遷移金属としてCoを用い、比較サンプルとして上記x
値を0.1、0.2、0.3、0.4、0.5および
0.6とした6種類のリチウム含有複合窒化物をそれぞ
れ合成した。Example 1 Method for Synthesizing Negative Electrode Material A predetermined amount of lithium nitride and a transition metal powder were mixed, placed in a porcelain crucible, and heated at 700 ° C. for 8 hours in a nitrogen atmosphere to obtain a lithium-containing composite nitride. . Since the target compound in which the transition metal was dissolved in lithium nitride was obtained as a solidified product, the solidified product was pulverized with a ball mill and classified with a sieve to obtain particles having a size of 45 μm or less. In this embodiment,
Co was used as a transition metal, and the above x was used as a comparative sample.
Six types of lithium-containing composite nitrides having values of 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 and 0.6 were synthesized, respectively.
【0020】図1は本発明による非水電解質二次電池の
サイクル特性を比較検討するためのテストセルとして作
製したボタン形電池の断面図である。図1において、1
はステンレス鋼製の封口板であり、その内面にはニッケ
ル網2を抵抗溶接により固定してある。リチウム含有複
合窒化物を含む負極3は銅箔4上に形成してあり、銅箔
4とニッケル網2を圧着することで集電する構造となっ
ている。LiCoO2を正極材料として用いた正極6
は、アルミ箔7上に形成した後に円盤状に打ち抜いた電
極である。ステンレス綱製の正極ケース8は、内面にス
テンレス綱網9が抵抗溶接により固定されている。正極
6はアルミ箔7と一体に成形され、アルミ箔7をステン
レス網9を圧着することで集電させる構造としている。
正極6上にポリエチレンからなる多孔質セパレータ5を
のせ、有機電解液を注液した後、ガスケット10を介し
て封口板1を組合せ、正極ケース8の開口縁を内側に折
り曲げ、かしめることによって、電池内容物を密閉、封
止した。有機電解液は、炭酸エチレン炭酸ジエチルの体
積比1:1の混合溶媒に、LiPF6を1モル/リット
ル溶解したものである.FIG. 1 is a cross-sectional view of a button-type battery manufactured as a test cell for comparing and examining the cycle characteristics of the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention. In FIG. 1, 1
Is a sealing plate made of stainless steel, and a nickel mesh 2 is fixed to the inner surface thereof by resistance welding. The negative electrode 3 including the lithium-containing composite nitride is formed on the copper foil 4, and has a structure in which current is collected by pressing the copper foil 4 and the nickel mesh 2. Positive electrode 6 using LiCoO 2 as positive electrode material
Is an electrode formed on the aluminum foil 7 and punched out in a disk shape. The positive electrode case 8 made of stainless steel has a stainless steel net 9 fixed to the inner surface by resistance welding. The positive electrode 6 is formed integrally with the aluminum foil 7, and has a structure in which the aluminum foil 7 is collected by pressing a stainless steel mesh 9.
After placing a porous separator 5 made of polyethylene on the positive electrode 6 and injecting an organic electrolyte, the sealing plate 1 is combined via a gasket 10, and the opening edge of the positive electrode case 8 is bent inward and caulked. The battery contents were hermetically sealed. The organic electrolytic solution is obtained by dissolving 1 mol / liter of LiPF 6 in a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate at a volume ratio of 1: 1.
【0021】本実施例では、正極材料としてリチウムコ
バルト複合酸化物(LiCoO2)を用いたが、負極の
リチウム含有複合窒化物が合成時には充電状態のいわゆ
るLiの吸蔵状態であり、また正極のLiCoO2も初
期状態が放電状態のいわゆるLi吸蔵状態であるため、
このままで電池を構成することはできない。正・負極い
ずれかの電極材料からLiを脱離させて、Li放出状態
にして電池を組み合わせる必要がある。そこで、ここで
は正極のLiCoO2からあらかじめLiを酸処理で抜
き取った正極材料、組成式Li0.5CoO2相当品を電池
作製時に用いた。正極にはLi0.5CoO2相当品、負極
材料には上述の遷移金属にCoを用いた6種類の組成の
窒化物を用いて、それぞれ図1に示したボタン形電池を
作製し、その電池特性を比較した。In this embodiment, the lithium-cobalt composite oxide (LiCoO 2 ) is used as the positive electrode material. However, the lithium-containing composite nitride of the negative electrode is in a so-called Li occlusion state in a charged state at the time of synthesis, and the LiCoO 2 of the positive electrode 2 also has a so-called Li occlusion state in which the initial state is a discharge state,
A battery cannot be configured as it is. It is necessary to desorb Li from either the positive or negative electrode material and combine the batteries in a Li-released state. Therefore, here, a positive electrode material obtained by extracting Li from the LiCoO 2 of the positive electrode by acid treatment in advance, and a product equivalent to the composition formula Li 0.5 CoO 2 were used at the time of manufacturing the battery. Button-type batteries as shown in FIG. 1 were manufactured using Li 0.5 CoO 2 equivalent material for the positive electrode and six types of nitrides using Co for the transition metal described above for the negative electrode material. Were compared.
【0022】図2は6種類のx値を有するリチウム含有
複合窒化物をそれぞれ用いた上述のボタン形電池のサイ
クル特性を比較したものである。例えば、図2中のx=
0.4、すなわちLi2.6Co0.4N組成のリチウム含有
複合窒化物を用いた電池(正極にLiを脱離したLi
0.5CoO2を使用)では、正極材料は約0.30g充填
してあり、42mAhの初期容量が得られている。ま
た、このときの負極材料であるリチウム含有複合窒化物
の充填量は約0.06gであった。なお、充放電は5m
Aの定電流で充電および放電の終止電圧をそれぞれ4.
1Vおよび2.0Vとして行った。また、サイクルは、
50サイクルまで確認した。この電池の場合、50サイ
クル目の容量が38mAhであったので、サイクル劣化
率は0.190%/サイクルとなる。なお、ここで用い
たサイクル劣化率は、初期容量42mAhから50サイ
クル目の容量38mAhを引いた容量低下量を初期容量
の42mAhとサイクル数50で割った値を百分率で表
したもので、いわゆる1サイクル当たりの初期容量を基
準とした容量低下率である。FIG. 2 shows a comparison of the cycle characteristics of the above-mentioned button type batteries using lithium-containing composite nitrides having six kinds of x values. For example, x =
0.4, that is, a battery using a lithium-containing composite nitride having a composition of Li 2.6 Co 0.4 N (Li with Li desorbed on the positive electrode)
0.5 CoO 2 ), the cathode material is filled with about 0.30 g, and an initial capacity of 42 mAh is obtained. At this time, the filling amount of the lithium-containing composite nitride as the negative electrode material was about 0.06 g. The charge / discharge is 5m
3. A constant current of A is used to set end voltages of charging and discharging.
The test was performed at 1 V and 2.0 V. Also, the cycle is
Confirmed up to 50 cycles. In the case of this battery, the capacity at the 50th cycle was 38 mAh, so the cycle deterioration rate was 0.190% / cycle. The cycle deterioration rate used here is expressed as a percentage obtained by dividing the capacity reduction amount obtained by subtracting the capacity of the 50th cycle 38 mAh from the initial capacity 42 mAh by the initial capacity 42 mAh and the number of cycles 50, and is expressed as a percentage. The capacity reduction rate is based on the initial capacity per cycle.
【0023】図2から明らかに0.2≦x≦0.6の範
囲でサイクル可逆性が優れていることがわかる。なお、
この時のサイクル劣化率はx=0.1、0.2、0.
3、0.4、0.5、及び0.6のリチウム含有複合窒
化物を用いた電池でそれぞれ0.538%、0.252
%、0.224%、0.190%、0.178%及び
0.202%であった。FIG. 2 clearly shows that cycle reversibility is excellent in the range of 0.2 ≦ x ≦ 0.6. In addition,
The cycle deterioration rate at this time is x = 0.1, 0.2, 0.
0.538%, 0.252% in the batteries using lithium-containing composite nitrides of 3, 0.4, 0.5, and 0.6, respectively.
%, 0.224%, 0.190%, 0.178% and 0.202%.
【0024】《実施例2》実施例1と同様のボタン形電
池で、負極にはx=0.4、すなわちLi2.6Co0.4N
組成のリチウム含有複合窒化物を用いた電池を作製し
た。本実施例では、充電方向の深さ限界を確認するため
に、正極にはLi脱離量を少なくしたLi 0.7CoO2を
用いた。なお、正・負極の充填量は、実施例1と同じで
それぞれ約0.3g、0.06gとした。この電池構成
の場合、正極が放電側に寄っているので、放電深度は浅
くなり、放電方向のサイクル可逆性はむしろ良化する。
しかし、充電時には正極はLi0.5CoO2まで充電でき
るので、未脱離で生じた余剰の0.2Li分が負極に上
乗せされるため、充電後のリチウム含有複合窒化物の含
有Li量は、初期状態のLi2.6Co0.4Nより大きな値
とすることができる。そこで、充電深さを種々変えて、
充放電サイクルを比較した。<< Embodiment 2 >> A button-shaped electronic device similar to Embodiment 1
In the pond, the anode has x = 0.4, that is, Li2.6Co0.4N
Battery using lithium-containing composite nitride of composition
Was. In this embodiment, in order to confirm the depth limit in the charging direction,
In the positive electrode, Li with a reduced Li desorption amount is used. 0.7CoOTwoTo
Using. The filling amounts of the positive and negative electrodes were the same as in Example 1.
They were about 0.3 g and 0.06 g, respectively. This battery configuration
In the case of, the depth of discharge is shallow because the positive electrode is closer to the discharge side.
The cycle reversibility in the discharge direction is rather improved.
However, during charging, the positive electrode is Li0.5CoOTwoCan charge up to
As a result, the excess 0.2Li generated due to non-desorption is transferred to the negative electrode.
The lithium-containing composite nitride after charging.
The amount of Li present is Li in the initial state.2.6Co0.4Value greater than N
It can be. Therefore, changing the charging depth variously,
The charge and discharge cycles were compared.
【0025】図3に、見かけ上組成式をLizCo0.4N
(zはリチウム含有複合窒化物中のLi数で、電池構成
時はz=2.6)としたときの、z値で表した充電深さ
と、その充電深さで充放電サイクルを行ったときのサイ
クル劣化率の関係を示す。なお、サイクル劣化率は実施
例1と同様の初期容量と50サイクル目の容量差から求
めた。図3からも明らかなように、z値が3.0を境に
サイクル劣化率が急変することがわかる。サイクル試験
後の電池を分解して調べた結果、劣化率が悪化した3.
0≦zの電池で、リチウムの析出が見られることがわか
った。このリチウム析出がサイクル劣化の原因であると
考えられる。実施例1で規定したサイクル性に優れる
0.2≦x≦0.6の範囲のリチウム含有複合窒化物を
用いてこの充電深度を深くするサイクル試験を行った結
果、サイクル劣化はx値に関係なく、リチウム含有複合
窒化物中のLiの量に依存し、いずれもその充電深度が
組成式で表すところのLi3.0CoxN(0.2≦x≦
0.6)を越えると著しいサイクル劣化を起こすことが
わかった。以上の結果から、一般式Li(3-x)-yMxNで
表されるところのLi量(3.0−x)−yは充電時に
おいて(3.0−x)−y<3.0、すなわち−x<y
であることが望ましい。FIG. 3 shows an apparent composition formula of Li z Co 0.4 N
(Z is the number of Li in the lithium-containing composite nitride, z = 2.6 when the battery is configured), when the charge depth represented by the z value and the charge / discharge cycle is performed at the charge depth 2 shows the relationship between the cycle deterioration rates. The cycle deterioration rate was obtained from the difference between the initial capacity as in Example 1 and the capacity at the 50th cycle. As is apparent from FIG. 3, the cycle deterioration rate changes abruptly when the z value is 3.0. As a result of disassembling and examining the battery after the cycle test, the deterioration rate deteriorated.
It was found that lithium deposition was observed in the battery of 0 ≦ z. This lithium precipitation is considered to be the cause of cycle deterioration. As a result of a cycle test for increasing the depth of charge using a lithium-containing composite nitride in the range of 0.2 ≦ x ≦ 0.6 excellent in the cycleability specified in Example 1, the cycle deterioration was related to the x value. However, it depends on the amount of Li in the lithium-containing composite nitride, and in any case, Li 3.0 Co x N (0.2 ≦ x ≦
It was found that when the ratio exceeded 0.6), significant cycle deterioration occurred. From the above results, the Li amount (3.0-x) -y represented by the general formula Li (3-x) -y M x N during charging is (3.0-x) -y <3. .0, that is, -x <y
It is desirable that
【0026】《実施例3》本実施例でも、実施例1と同
様のボタン形電池で、負極にはx=0.4、すなわちL
i2.6Co0.4N組成のリチウム含有複合窒化物を用いた
電池を作製した。本実施例では、放電方向の深さ限界を
確認するために、正極にはLi0.5CoO2を用い、か
つ、正極の充填量を相対的に増やした電池構成とした。
正極のLi0. 5CoO2充填量および負極のLi2.6Co
0.4N充填量は、それぞれ約0.5gおよび0.06g
とした。この電池構成の場合、充電深度は実施例1の場
合と同じであり、基本的に充電方向のサイクル可逆性に
は問題がない。また、放電方向の深度は放電容量でカッ
トすることで任意に設定できる。特に、正極の充填量を
相対的に増やしているために、正極の放電容量に余裕が
あり、負極を深く放電することが可能である。そこで、
放電深さを種々変えて、充放電サイクルを比較した。<< Embodiment 3 >> In this embodiment, a button-type battery similar to that of Embodiment 1 is used.
A battery using a lithium-containing composite nitride having a composition of i 2.6 Co 0.4 N was manufactured. In this example, in order to confirm the depth limit in the discharge direction, a battery configuration was used in which Li 0.5 CoO 2 was used for the positive electrode and the filling amount of the positive electrode was relatively increased.
Li 0. 5 CoO 2 loading of the positive electrode and the negative electrode of Li 2.6 Co
0.4 N loading is about 0.5 g and 0.06 g respectively
And In the case of this battery configuration, the charging depth is the same as in the first embodiment, and there is basically no problem with the cycle reversibility in the charging direction. Further, the depth in the discharge direction can be arbitrarily set by cutting with the discharge capacity. In particular, since the filling amount of the positive electrode is relatively increased, there is a margin in the discharge capacity of the positive electrode, and it is possible to discharge the negative electrode deeply. Therefore,
Charge / discharge cycles were compared with various discharge depths.
【0027】図4に、見かけ上組成式をLizCo0.4N
(zはリチウム含有複合窒化物中のLi数で、電池構成
時はz=2.6)としたときの、z値で表した放電深さ
と、その放電深さで充放電サイクルを行ったときのサイ
クル劣化率の関係を示す。なお、サイクル劣化率は実施
例1と同様の初期容量と50サイクル目の容量差から求
めた。図4からも明らかなように、z値が1.0を境に
サイクル劣化率が急変することがわかる。また、放電深
度をz≦1.0としてサイクルを行った電池は、サイク
ル試験後に電池が膨れていることがわかった。この電池
を分解して調べた結果、電池内にガスが溜まっているこ
とがわかった。また、このガスを分析したところ、ほと
んどが窒素ガスであることが判明した。FIG. 4 shows the apparent composition formula of Li z Co 0.4 N
(Z is the number of Li in the lithium-containing composite nitride, z = 2.6 when the battery is configured) and the discharge depth expressed by the z value and the charge / discharge cycle at that discharge depth 2 shows the relationship between the cycle deterioration rates. The cycle deterioration rate was obtained from the difference between the initial capacity as in Example 1 and the capacity at the 50th cycle. As is clear from FIG. 4, the cycle deterioration rate changes abruptly when the z value is 1.0. In addition, it was found that the battery that had been cycled with the depth of discharge being z ≦ 1.0 had swollen after the cycle test. As a result of disassembling and examining the battery, it was found that gas had accumulated in the battery. Further, when this gas was analyzed, it was found that most of the gas was nitrogen gas.
【0028】この電池系内での窒素成分は、負極の窒化
物中の窒素の他は考えられないため、このガスは負極材
料のリチウム含有複合窒化物が分解して発生したもので
あると推定される。特に、放電で負極からLiを抜くこ
とはカチオン欠乏状態を作り出していることであり、リ
チウム含有複合窒化物中でカチオン、アニオンの電荷的
なバランスが大きく崩れたこのような状況の場合、アニ
オン成分、すなわち窒素を放出する方向で反応が進むこ
とは論理的である。実施例1で規定したサイクル性に優
れる0.2≦x≦0.6の範囲のリチウム含有複合窒化
物を用いてこの放電深度を深くするサイクル試験を行っ
た結果、サイクル劣化はx値に関係なく、リチウム含有
複合窒化物中のLiの量に依存し、いずれもその放電深
度が組成式で表すところのLi1.0CoxN(0.2≦x
≦0.6)を下回ると著しいサイクル劣化を起こすこと
がわかった。以上の結果から、一般式Li(3-x)-yMxN
で表されるところのLi量(3.0−x)−yは放電時
においては1.0<(3.0−x)−y、すなわちy<
2.0−xであることが望ましい。Since the nitrogen component in this battery system cannot be considered other than nitrogen in the nitride of the negative electrode, it is assumed that this gas was generated by decomposition of the lithium-containing composite nitride of the negative electrode material. Is done. In particular, withdrawing Li from the negative electrode by discharging is creating a cation-deficient state, and in such a situation where the charge balance of cations and anions in the lithium-containing composite nitride is greatly lost, the anion component That is, it is logical that the reaction proceeds in a direction to release nitrogen. As a result of a cycle test in which the depth of discharge was increased using a lithium-containing composite nitride in the range of 0.2 ≦ x ≦ 0.6 excellent in the cycleability specified in Example 1, the cycle deterioration was related to the x value. However, it depends on the amount of Li in the lithium-containing composite nitride, and the discharge depth is Li 1.0 Co x N (0.2 ≦ x
≦ 0.6), significant cycle deterioration was found to occur. From the above results, the general formula Li (3-x) -y M x N
The Li amount (3.0-x) -y represented by is 1.0 <(3.0-x) -y at the time of discharge, that is, y <
2.0-x is desirable.
【0029】上記の実施例では、置換する遷移金属種と
してCoを用いたが、Coの代わりにMn、Niまたは
Cuを用いた場合およびこれらを混合して用いた場合も
同様の現象ならびに同様の効果が得られた。In the above embodiment, Co was used as a transition metal species to be substituted. However, the same phenomenon and similar phenomenon occur when Mn, Ni or Cu is used instead of Co, and when they are used in combination. The effect was obtained.
【0030】[0030]
【発明の効果】以上のように本発明によれば、サイクル
特性および信頼性に優れた、高エネルギー密度の非水電
解質二次電池が得られる。As described above, according to the present invention, a high energy density non-aqueous electrolyte secondary battery having excellent cycle characteristics and reliability can be obtained.
【図1】本発明の一実施例における非水電解質二次電池
の縦断面図である。FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a non-aqueous electrolyte secondary battery in one embodiment of the present invention.
【図2】x値の異なるLi(3-x)-yMxNを負極に用いた
電池のサイクル特性を比較した図である。FIG. 2 is a diagram comparing cycle characteristics of batteries using Li (3-x) -y M x N having different x values for a negative electrode.
【図3】負極に用いたLizCo0.4Nのz値とサイクル
劣化率の関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the z value of Li z Co 0.4 N used for the negative electrode and the cycle deterioration rate.
【図4】他の実施例における負極に用いたLizCo0.4
Nのz値とサイクル劣化率の関係を示す図である。FIG. 4 shows Li z Co 0.4 used for a negative electrode in another example.
It is a figure showing the relation between the z value of N and the cycle deterioration rate.
1 封口板 2 ニッケル網 3 負極 4 銅箔 5 セパレータ 6 正極 7 アルミ箔 8 正極ケース 9 ステンレス網 10 ガスケット DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sealing plate 2 Nickel net 3 Negative electrode 4 Copper foil 5 Separator 6 Positive electrode 7 Aluminum foil 8 Positive electrode case 9 Stainless steel net 10 Gasket
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長谷川 正樹 大阪府守口市松下町1番1号 松下電池工 業株式会社内 (72)発明者 堤 修司 大阪府守口市松下町1番1号 松下電池工 業株式会社内 (72)発明者 櫻井 庸司 東京都千代田区大手町二丁目3番1号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 荒井 創 東京都千代田区大手町二丁目3番1号 日 本電信電話株式会社内 Fターム(参考) 5H003 AA04 BB04 BD03 5H014 AA02 EE10 HH01 5H029 AJ05 AK03 AL01 AM02 AM03 AM04 AM05 AM07 BJ03 CJ16 HJ02 5H030 AA00 AS20 FF51 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Masaki Hasegawa 1-1, Matsushita-cho, Moriguchi-shi, Osaka Matsushita Battery Industry Co., Ltd. (72) Inventor Shuji Tsutsumi 1-1, Matsushita-cho, Moriguchi-shi, Osaka Matsushita Battery (72) Inventor Yoji Sakurai 2-3-1 Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo Nippon Telegraph and Telephone Corporation (72) Inventor Sou Arai 2-3-1 Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo F-term in Nippon Telegraph and Telephone Corporation (reference) 5H003 AA04 BB04 BD03 5H014 AA02 EE10 HH01 5H029 AJ05 AK03 AL01 AM02 AM03 AM04 AM05 AM07 BJ03 CJ16 HJ02 5H030 AA00 AS20 FF51
Claims (1)
一般式Li(3.0-x)- yMxN(MはCo、Mn、Ni及び
Cuからなる群より選ばれた少なくとも一種の遷移金
属、0.2≦x≦0.6)で表されるリチウム含有複合
窒化物からなる負極を具備する非水電解質二次電池を、
充放電に伴い変化するLi含量の変化を表す変数yを−
x<y<2.0−xの範囲に規制して充放電することを
特徴とする非水電解質二次電池の充放電方法。A positive electrode capable of inserting and extracting lithium;
General formula Li (3.0-x) -y M x N (M is at least one transition metal selected from the group consisting of Co, Mn, Ni and Cu, 0.2 ≦ x ≦ 0.6) A non-aqueous electrolyte secondary battery including a negative electrode made of lithium-containing composite nitride,
The variable y representing the change in the Li content that changes with charge and discharge is-
A charging / discharging method for a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein charging / discharging is performed in a range of x <y <2.0-x.
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