JP2002246026A - 非水電解液二次電池 - Google Patents

非水電解液二次電池

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JP2002246026A
JP2002246026A JP2001046514A JP2001046514A JP2002246026A JP 2002246026 A JP2002246026 A JP 2002246026A JP 2001046514 A JP2001046514 A JP 2001046514A JP 2001046514 A JP2001046514 A JP 2001046514A JP 2002246026 A JP2002246026 A JP 2002246026A
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positive electrode
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electrolyte secondary
active material
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Hiroshi Nakajima
中島  宏
Seiji Yoshimura
精司 吉村
Maruo Jinno
丸男 神野
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Sanyo Electric Co Ltd
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Sanyo Electric Co Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属酸化物からなる正極1と、電気化学的に
リチウムを吸蔵放出可能な炭素材料からなる負極2と、
非水電解液とを備える非水電解液二次電池において、充
放電特性を高める。 【解決手段】 正極1の活物質として、LiCo1-a
a2(0.003≦a≦0.015)を用いることを
特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、非水電解液二次電
池に関し、さらに詳しくは、正極活物質が改善された非
水電解液二次電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、電子技術の急速な発展により、携
帯電話、カムコーダなどの電子・通信機器の高性能化、
小型化が進んでおり、これら電子・通信機器に搭載され
る二次電池に対しても、小型化と高エネルギー密度化等
が強く要望されている。エネルギー密度の高い二次電池
として、正極に金属酸化物、負極に炭素材料を使用した
円筒型や角型のリチウムイオン電池が知られているが、
高いエネルギー密度を維持しつつ、さらなる小型化及び
薄型化に対応するために、コイン型のリチウム二次電池
の開発が進められている。
【0003】従来、コイン型リチウム二次電池では、正
極活物質として、遷移金属の酸化物や硫化物、例えば二
酸化マンガン(MnO2)、二硫化モリブデン(Mo
2)などを用い、負極活物質として、リチウム金属や
リチウム合金を用いたものが提案されている。しかし、
これら活物質を用いた電池では、充放電を繰り返すこと
により、リチウム金属やリチウム合金の表面に荒れが生
じ、十分なサイクル特性を得ることができないという問
題がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来のスパイラル構造
を持つ円筒型や角型のリチウムイオン電池では、極板厚
みを薄くして、極板長さを長くすることにより、極板厚
み方向での電荷移動抵抗や拡散抵抗を比較的容易に小さ
くできる。一方、コイン型二次電池において、上述の充
放電サイクルでの不都合を解決するべく、円筒型や角型
のリチウムイオン電池と同様に正極に金属酸化物、負極
に炭素材料を使用した場合、コイン型二次電池では電池
の構造上、極板面積が限られているため、極板の厚みを
ある程度厚くする必要がある。その結果、電極内の電荷
移動抵抗や拡散抵抗が大きくなり、充放電特性が低下す
る問題が起こる。
【0005】本発明の目的は、電極内の電荷移動抵抗や
拡散抵抗が小さく、充放電特性に優れた非水電解液二次
電池を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の非水電解液二次
電池は、金属酸化物からなる正極と、電気化学的にリチ
ウムを吸蔵放出可能な炭素材料からなる負極と、非水電
解液とを備え、正極の活物質がLiCo1-aTia
2(0.003≦a≦0.015)であることを特徴と
している。
【0007】本発明に従い、正極活物質としてLiCo
1-aTia2(0.003≦a≦0.015)を用いる
ことにより、Tiを置換しないLiCoO2に比べて、
サイクル特性と負荷特性を向上させることができる。T
i置換量が0.003より小さいと、結晶構造が安定化
しないためにサイクル特性が向上せず、かつ、正極活物
質の抵抗が大きく下がらないために負荷特性が向上しな
い。Tiの置換量が0.015より大きいと、充放電容
量が低下すると共に、活物質の焼成の際に不純物ができ
やすくなる。Tiの置換量を0.006〜0.012に
すると、これらの効果がさらに顕著になるため充放電特
性をさらに向上させることができる。
【0008】正極活物質の平均粒径を2〜30μmにす
ることにより、正極活物質が十分に使用されるため、充
放電特性がさらに向上する。粒径が2μmより小さい
と、正極活物質が電解液に溶解され易くなりサイクル特
性が低下する。30μmより大きいと、電解液と接する
面積が低下し、サイクル特性が低下する。正極活物質の
粒径を5〜15μmにすると、これらの効果がさらに顕
著になるため充放電特性がさらに向上する。
【0009】非水電解液にジメチルカーボネート(DM
C)を含有させると、ジメチルカーボネート自身が高い
電気伝導度を有すると共に、正極活物質のLiCo1-a
Tia2の表面に緻密な被膜を形成するため充放電特性
が向上する。また、ジメチルカーボネートの体積含有量
を10〜90%にすると、上記効果がさらに顕著になる
ために充放電特性がさらに向上し、ジメチルカーボネー
トの体積含有量を30〜70%にすると、上記効果がよ
りさらに顕著になるために充放電特性がよりさらに向上
する。
【0010】また、非水電解液にジメチルカーボネート
とエチルメチルカーボネート(EMC)を含有させる
と、正極活物質のLiCo1-aTia2の表面により緻
密な被膜を形成するため充放電特性がよりさらに向上す
る。
【0011】正極厚みは0.1〜1.2mmであること
が好ましい。このような厚みとすることにより、正極活
物質が十分に使用されるため充放電特性がさらに向上す
る。正極厚みが0.1mmより薄いと、容量が小さすぎ
ると共に、電極が薄く耐久性が低くなる。1.2mmよ
り厚いと、電極の耐久性は上がるものの厚み方向の拡散
抵抗や電荷移動抵抗が大きすぎて、充放電特性が低下す
る。正極厚みをさらに0.3〜0.8mmとすることに
より、上記効果がさらに顕著になるため充放電特性がさ
らに向上する。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明に従う一実施例の非水電解
液二次電池は、図1に示すように、密閉された正極ケー
ス4及び負極ケース5の内部に、正極1と負極2とをセ
パレータ3を介して対向させ、その周囲に絶縁パッキン
グ6が設けられた状態で収容されている。
【0013】正極1は、正極活物質のLiCo1-aTia
2(0.003≦a≦0.015)と、導電剤、結着
剤とを混合したものから形成されている。負極2は、電
気化学的にリチウムを吸蔵放出可能な炭素系材料からな
る負極活物質と、導電剤、結着剤とを混合したものから
形成されている。負極には、強度を上げると共に導電性
を上げるため、導電性のスポンジ状保持体等が用いられ
ていることが好ましい。このような導電性スポンジ状保
持体は、正極において用いられてもよい。
【0014】負極活物質としては、Liを電気化学的に
吸蔵放出できる黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛)、コーク
ス、有機物焼成体などの炭素材料が例示される。正極及
び負極に用いる導電剤としては、天然黒鉛(鱗片状黒
鉛、土状黒鉛など)、人工黒鉛、カーボンブラック、ア
セチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維など
の炭素材料が例示される。
【0015】正極及び負極に用いる結着剤としては、ポ
リテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポ
リビニルピロリドン、ポリビニルクロリド、ポリエチレ
ン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンタ
ポリマー、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチル
セルロース、フッ素ゴム、ポリアミド酸が例示される。
【0016】正極に用いる導電剤としては、黒鉛とアセ
チレンブラックの併用が好ましく、黒鉛とアセチレンブ
ラックとの割合は重量比で3/7〜7/3であることが
特に好ましい。正極と負極の活物質量は、正極の容量が
負極の容量の0.90〜1.20倍であることが好まし
く、0.95〜1.10倍であることがさらに好まし
い。
【0017】正極に用いる結着剤としては、ポリフッ化
ビニリデンが好ましく、添加量は1〜10重量%が好ま
しく、3〜6重量%がより好ましい。正極にスポンジ状
保持体を用いる場合は、気孔率が約8〜95%、厚み
0.3〜2.0mmの多孔性導電材料が好ましく、その主
材料はアルミニウムやステンレス鋼がより好ましい。負
極にスポンジ状保持体を用いる場合は、気孔率が約8〜
95%、厚み0.3〜2.0mmの多孔性導電材料が好ま
しく、その主材料はニッケルスポンジがより好ましい。
【0018】セパレータ3は、ポリプロピレン製不織布
や、微多孔性ポリプロピレンフィルム、微多孔性ポリプ
ロピレン不織布などの電解液吸収性の材料が例示され
る。セパレータ3に含浸される非水電解液の溶媒として
は、ジメチルカーボネートが含まれていることが好まし
く、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネ
ートとエチルメチルカーボネートとの混合系電解液を用
いることが特に好ましい。ある程度の量であれば、プロ
ピレンカーボネート(PC)、γ―ブチロラクトン(γ
―GBL)等の環状エステルと、ジメチルカーボネート
(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチル
メチルカーボネート(EMC)、メチルアセテート(M
A)等の鎖状エステルと、テトラヒドロフラン(TH
F)等の環状エーテルと、1,2−ジメトキシエタン
(DME)等の鎖状エーテルとを混合して用いてもよ
い。
【0019】非水電解液の溶質としては、六フッ化リン
酸リチウム(LiPF6)、LiBF4、LiSbF6
LiAsF6、LiClO4等の無機酸の塩、LiN(C
3SO22、LiN(C25SO22、LiC(CF3
SO23等の有機酸の塩が例示される。非水電解液の溶
質としては、六フッ化リン酸リチウムが特に好ましく、
その量として0.6〜1.6モル/リットルが好まし
く、0.8〜1.2モル/リットルがさらに好ましい。
【0020】正極ケース4及び負極ケース5は、ステン
レス鋼などをプレス加工することによって、有底円筒状
に作製される。正極ケース4の内底面には、正極1と正
極ケース4との導電性を高めるために黒鉛の粉と水ガラ
スを混合した導電塗料等を塗布したり、ステンレス鋼、
アルミニウム、チタンなどから作製されたメッシュ状の
正極集電体を用いることが好ましい。負極ケース5の内
底面には、負極2と負極ケース5との導電性を高めるた
めに黒鉛の粉と水ガラスを混合した導電塗料等を塗布し
たり、ステンレス鋼、銅、チタンなどから作製されたメ
ッシュ状の負極集電体を用いることが好ましい。
【0021】
【実施例】本発明電池と比較電池を以下のようにして作
製し、各電池の充放電特性を測定した。 [実験1] <実施例1>炭酸リチウム(Li2CO3)と炭酸コバルト
(CoCO3)と塩化チタン(TiCl2)とをモル比
0.5:0.997:0.003で混合し、その混合物
を空気中において900℃で焼成してLiCo0.997
0.0032を作製し、その焼成物をジェットミルで平均
粒径が10μmになるまで粉砕した。これを正極活物質
として使用し、黒鉛とアセチレンブラックとを重量比
1:1で混合したものを導電剤として使用し、ポリフッ
化ビニリデンを結着剤として使用し、正極活物質と導電
剤と結着剤とを重量比87:8:5で混練して正極合剤
を調製した。この正極合剤を加圧成形することにより、
直径20mm、厚み0.6mm、充填密度2.8g・c
-3の正極を作製した。
【0022】負極は、人造黒鉛に増粘剤としてカルボキ
シメチルセルロースの水性ディスパージョンを2重量%
混練し、結着剤としてスチレンブタジエンラテックス水
溶液を1重量%混練してスラリー状とした負極合剤を、
ニッケルスポンジに充填、乾燥した後、圧延し打ち抜い
て、直径20mm、厚み0.9mmに作製した。負極合
剤の充填率及び密度は、負極合剤充填前のニッケルスポ
ンジの厚み、合剤充填量、圧延条件を変化させることに
よって調整することができるが、本実験では厚み3.0
mmのニッケルスポンジを用い、合剤密度を1.2g・
cm-3に調整した。
【0023】セパレータは、ポリプロピレンからなる微
多孔性フィルムを直径21mmに打ち抜いたものを用い
た。負極ケース内に負極、セパレータ及び正極を図1の
ように重ね、絶縁パッキングを装着した後、エチレンカ
ーボネートとジメチルカーボネートとエチルメチルカー
ボネートとを体積比30:50:20で混合し、六フッ
化リン酸リチウムを1.1モル/リットル溶解させた非
水電解液を注入し、正極ケースを被せてカシメ封口し、
本発明電池A1を作製した。
【0024】<実施例2〜5>炭酸リチウムと炭酸コバ
ルトと塩化チタンとのモル比を、0.5:0.994:
0.006、0.5:0.991:0.009、0.
5:0.988:0.012、0.5:0.985:
0.015に変えて、正極活物質LiCo0.994Ti
0.0062、LiCo0.991Ti0.0092、LiCo0.988
Ti0.0122、LiCo0.985Ti0.0152を作製した
以外は、本発明電池A1と全て同じ条件で本発明電池A
2、A3、A4、及びA5を作製した。
【0025】<比較例1及び2>炭酸リチウムと炭酸コ
バルトと塩化チタンとのモル比を、0.5:0.99
9:0.001、0.5:0.980:0.020に変
えて、正極活物質LiCo 0.999Ti0.0012、LiC
0.980Ti0.0202を作製した以外は、本発明電池A
1と全て同じ条件で比較電池X1及びX2を作製した。
【0026】<評価試験>上記方法により作製された本
発明電池A1〜A5及び比較電池X1〜X2の電池につ
いて、電池の充放電特性を評価した。
【0027】充放電特性の測定は、25℃で3mA及び
10mAの定電流で、上限電圧が4.2Vで、下限電圧
が3.0Vの条件で行い、各電池の3mAのときの放電
容量、及び、負荷特性(=(10mAのときの放電容
量)÷(3mAのときの放電容量))を調べた。
【0028】その結果を図2に示す。図2より、Tiド
ープ量が0.003以上の場合では負荷特性が高く、0.
006以上の場合ではさらに負荷特性が高く、また、T
iドープ量が0.015以下の場合では放電容量が大き
く、0.012以下の場合ではさらに放電容量が大きい
ことが分かった。
【0029】[実験2] <実施例6〜9>LiCo0.991Ti0.0092を作製
し、その金属酸化物をジェットミルで平均粒径が2μ
m、5μm、15μm、30μmになるまでそれぞれ粉
砕した以外は、本発明電池A3と全て同じ条件で本発明
電池B1、B2、B3、及びB4を作製した。
【0030】<実施例10及び11>LiCo0.991
0.0092を作製し、その金属酸化物をジェットミルで
平均粒径が1μm、40μmになるまでそれぞれ粉砕し
た以外は、本発明電池A3と全て同じ条件で本発明電池
Y1及びY2を作製した。
【0031】<評価試験>上記方法により作製された本
発明電池A3及びB1〜B4と本発明電池Y1及びY2
を用いて、25℃で10mAの定電流で、上限電圧が
4.2Vで、下限電圧が3.0Vの条件で充放電試験を
行い、各電池の20サイクル後の容量維持率(=(20
サイクル目の放電容量)÷(1サイクル目の放電容量)
×100)を調べた。
【0032】その結果を図3に示す。図3より、正極活
物質の粒径が1〜30μmの場合では充放電サイクル特
性が高く、2〜15μmの場合ではさらに充放電サイク
ル特性が高いことが分かった。
【0033】[実験3] <実施例12〜15>エチレンカーボネート(EC)と
ジメチルカーボネート(DMC)とジエチルカーボネー
ト(DEC)とを、体積比30:5:95、30:1
0:60、30:30:40、30:50:20となる
ようにそれぞれ混合し、これらの混合溶媒に六フッ化リ
ン酸リチウムを1.1モル/リットル溶解させて、非水
電解液を調製し、これらの非水電解液を用いた以外は、
本発明電池A3と全て同じ条件で本発明電池C1〜C4
を作製した。
【0034】<実施例16〜18>エチレンカーボネー
ト(EC)とジメチルカーボネート(DMC)を、体積
比30:70、10:90、5:95となるようにそれ
ぞれ混合し、これらの混合溶媒に六フッ化リン酸リチウ
ムを1.1モル/リットル溶解させて、非水電解液を調
製し、これらの非水電解液を用いた以外は、本発明電池
A3と全て同じ条件で本発明電池C5〜C7を作製し
た。
【0035】<実施例19>エチレンカーボネート(E
C)とエチルメチルカーボネート(EMC)を体積比3
0:70となるように混合し、この混合溶媒に六フッ化
リン酸リチウムを1.1モル/リットル溶解させて、非
水電解液を調製し、これらの非水電解液を用いた以外
は、本発明電池A3と全て同じ条件で本発明電池Z1を
作製した。
【0036】<実施例20>エチレンカーボネート(E
C)とエチルメチルカーボネート(EMC)とジエチル
カーボネート(DEC)とを体積比30:35:35と
なるように混合し、この混合溶媒に六フッ化リン酸リチ
ウムを1.1モル/リットル溶解させて、非水電解液を
調製し、これらの非水電解液を用いた以外は、本発明電
池A3と全て同じ条件で本発明電池Z2を作製した。
【0037】<評価試験>上記方法により作製された本
発明電池A3及びC1〜C7と本発明電池Z1及びZ2
とを用いて、実験2と同じ条件で、各電池の20サイク
ル後の容量維持率を調べた。
【0038】その結果を表1に示す。
【0039】
【表1】
【0040】表1より、電解液にジメチルカーボネート
(DMC)を含有する場合、充放電サイクル特性が高
く、ジメチルカーボネート(DMC)の体積含有量が1
0〜90%の場合、充放電サイクル特性が特に高く、3
0〜70%の場合、さらに充放電サイクル特性が高くな
っている。また、ジメチルカーボネート(DMC)と共
にエチルメチルカーボネート(EMC)を含有する場
合、充放電サイクル特性が極めて高いことが分かる。
【0041】[実験4] <実施例21〜24>正極合剤の厚みを、0.1mm、
0.3mm、0.8mm、1.2mmにそれぞれ加圧成
形した以外は、本発明電池A3と全て同じ条件で本発明
電池D1〜D4を作製した。
【0042】<実施例25及び26>正極合剤の厚み
を、0.05mm、1.4mmにそれぞれ加圧成形した
以外は、本発明電池A3と全て同じ条件で本発明電池U
1及びU2を作製した。
【0043】<評価試験>上記方法により作製された本
発明電池A3及びD1〜D4と本発明電池U1、U2に
ついて、25℃で3mAの定電流で、上限電圧が4.2
V、下限電圧が3.0Vの条件で充放電試験を行い、各
電池の放電容量、充放電効率を調べた。
【0044】その結果を表2に示す。
【0045】
【表2】
【0046】表2より、厚みが1.2mm以下の場合、
充放電効率が高く、厚みが0.8mm以下の場合、さら
に充放電効率が高くなることが分かった。また、厚みが
0.1mm以上になると、電極の耐久性が上がると共
に、容量が大きいために時計、電卓、バックアップメモ
リー等と様々な用途に使用できる。また、厚みが0.3
mm以上になると、電極の耐久性がさらに上がると共
に、容量がより大きいために使用用途がさらに広がる。
【0047】尚、実験1〜実験4では正負極の直径を2
0mmに調整したが、正負極の直径が5mm、10m
m、30mmのときにでも同様な効果が得られているこ
とから、電池サイズを変えても充放電特性の高い非水電
解液二次電池を作製することができる。
【0048】
【発明の効果】本発明によれば、電極内の電荷移動抵抗
や拡散抵抗を小さくすることができ、充放電特性をさら
に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例において作製したコイン型リ
チウム二次電池を示す断面図。
【図2】正極活物質であるコバルト酸リチウムにおける
Tiのドープ量とこれを用いたリチウム二次電池におけ
る放電容量及び負荷特性との関係を示す図。
【図3】本発明における正極活物質の粒径と容量維持率
との関係を示す図。
【符号の説明】
1…正極 2…負極 3…セパレータ 4…正極ケース 5…負極ケース 6…絶縁パッキング
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 神野 丸男 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 Fターム(参考) 5H029 AJ02 AJ06 AK02 AK03 AL06 AL07 AM03 AM05 AM07 BJ03 BJ12 HJ04 HJ05 HJ07 5H050 AA02 AA12 BA17 CA08 CB07 CB08 FA02 HA04 HA05 HA07

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属酸化物からなる正極と、電気化学的
    にリチウムを吸蔵放出可能な炭素材料からなる負極と、
    非水電解液とを備え、前記正極の活物質がLiCo1-a
    Tia2(0.003≦a≦0.015)であることを
    特徴とする非水電解液二次電池。
  2. 【請求項2】 前記正極の活物質がLiCo1-aTia
    2(0.006≦a≦0.012)であることを特徴と
    する請求項1に記載の非水電解液二次電池。
  3. 【請求項3】 前記正極の活物質の粒径が2〜30μm
    であることを特徴とする請求項1または2に記載の非水
    電解液二次電池。
  4. 【請求項4】 前記正極の活物質の粒径が5〜15μm
    であることを特徴とする請求項1または2に記載の非水
    電解液二次電池。
  5. 【請求項5】 前記非水電解液がジメチルカーボネート
    を含有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1
    項に記載の非水電解液二次電池。
  6. 【請求項6】 前記非水電解液中のジメチルカーボネー
    トの体積含有量が10〜90%の範囲内であることを特
    徴とする請求項5に記載の非水電解液二次電池。
  7. 【請求項7】 前記非水電解液中のジメチルカーボネー
    トの体積含有量が30〜70%の範囲内であることを特
    徴とする請求項5に記載の非水電解液二次電池。
  8. 【請求項8】 前記非水電解液がジメチルカーボネート
    とエチルメチルカーボネートを含有することを特徴とす
    る請求項5〜7のいずれか1項に記載の非水電解液二次
    電池。
  9. 【請求項9】 前記正極の厚みが0.1〜1.2mmで
    あることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記
    載の非水電解液二次電池。
  10. 【請求項10】 前記正極の厚みが0.3〜0.8mm
    であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に
    記載の非水電解液二次電池。
  11. 【請求項11】 前記非水電解液二次電池がコイン型で
    あることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に
    記載の非水電解液二次電池。
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