JP2004296179A - Manufacturing method of lithium secondary battery - Google Patents

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優子 石田
Yukio Hirayama
征雄 平山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a lithium secondary battery superior in high temperature cycle characteristics. <P>SOLUTION: An AC current having a frequency of 100 MHz or less is impressed at less than 25°C between a positive electrode and a negative electrode of a lithium secondary battery assembly which comprises the positive electrode having a positive electrode active material which lithium ion is inserted/separated in/from, the negative electrode having a negative electrode active material which lithium ion is inserted/separated in/from, and an electrolyte. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウム二次電池の製造方法に関するものである。詳しくは、優れた高温サイクル特性を有するリチウム二次電池の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
リチウム二次電池は、エネルギー密度及び出力密度等に優れ、小型化・軽量化できるため、ノート型パソコン、携帯電話及びハンディビデオカメラ等の携帯機器の電源として急激な伸びを示している。また、電気自動車や電力のロードレベリング等の電源としても注目されている。
【0003】
リチウム二次電池に用いられる正極は、通常、集電体と、その表面に形成される正極活物質、導電材及び結着剤を含有する正極活物質層とから構成されている。正極活物質としては、リチウム・マンガン複合酸化物、リチウム・コバルト複合酸化物又はリチウム・ニッケル複合酸化物等のリチウムと遷移金属との金属複合酸化物、及びこれらの金属複合酸化物の遷移金属サイトの一部を他の金属で置換した多金属複合酸化物が、高性能の電池特性が得られるため注目されている。これらのリチウム系複合酸化物を用いたリチウム二次電池は、高い電圧を得ることが可能であり、高い出力が得られるという利点を有する。
【0004】
現在、リチウム二次電池の性能を最大限に引き出すため、様々な処理技術が提案されている。例えば、組み立てた二次電池本体に対して、電池本体を常温よりも低い温度に保持された雰囲気に所定時間曝す低温エージング処理;電池本体を常温に保持された雰囲気に所定時間曝す常温エージング処理;電池本体を常温よりも高い温度に保持された雰囲気に所定時間曝す高温エージング処理;電池本体を揺動及び/又は回転させる揺動回転処理;常温に戻すためのバッファ処理;及び電池本体に対して部分充電を行う部分充電処理等の手段のうち、1つ以上又はそれらの任意をの組み合わせた手段を行うことにより、高い充電容量を持ち、サイクル特性に優れた非水二次電池を製造する方法(特許文献1参照):初回充電時の温度を20℃以下とし、またその際の充電電流を1C以下とする条件のうち少なくともいずれか一方により初回充電を行い、負極表面に静電容量0.4mF/cm以下の負極被膜(SEI)を形成させて、不可逆容量を低減させ、サイクル特性を向上させる方法(特許文献2参照):層状岩塩構造リチウム・ニッケル複合酸化物を正極活物質とする正極と負極とを組み付けて形成されるリチウム二次電池に、40℃以上90℃以下の保存温度で保存するエージング処理を行い、初期放電容量、サイクル特性を改善する方法(特許文献3参照)などが提案されている。
【0005】
しかしながら、これらの方法で製造されたリチウム二次電池は、いずれも高温条件での繰り返し充放電特性(高温サイクル特性)が不十分なものである。
【0006】
【特許文献1】
特開平10−289729号公報
【特許文献2】
特開平11−111267号公報
【特許文献3】
特開2000−340262号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は、高温サイクル特性に優れたリチウム二次電池を製造する方法を提供することを課題とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、低温で交流電流処理を行うことにより、高温サイクル特性を向上させることができることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、リチウムイオンを挿入・脱離可能な正極活物質を備えた正極、リチウムイオンを挿入・脱離可能な負極活物質を備えた負極、及び電解液を有するリチウム二次電池組立体の正極と負極間に、25℃未満で、100MHz以下の周波数の交流電流を印加することを特徴とするリチウム二次電池の製造方法、に存する。
【0009】
なお、本明細書において、リチウム二次電池組立体とは、電池としての基本性能である充放電が可能な状態にまで組み立てられたものを指し、ケースに収容されて製品の電池となっているか否かを問わない。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、発明を詳細に説明する。
本発明に係る製造方法では、リチウムイオンを挿入・脱離できる正極活物質、導電材及び結着剤を含むリチウム二次電池正極活物質含有組成物の層を、集電体表面に形成させることにより作製した正極を用いる。
【0011】
リチウムイオンを挿入・脱離できる正極活物質には、リチウム二次電池用に常用されている任意の正極活物質を用いることができるが、リチウム遷移金属複合酸化物を用いるのが好ましい。
リチウム遷移金属複合酸化物としては、リチウム・マンガン複合酸化物、リチウム・コバルト複合酸化物、リチウム・ニッケル複合酸化物、又はこれらの複合酸化物の遷移金属サイトの一部が他の金属で置換された複数の遷移金属から構成される多金属複合酸化物が好ましい。なかでも、リチウム・ニッケル系複合酸化物が、高温サイクル特性に優れる二次電池を与えるので、好ましい。
【0012】
リチウム・ニッケル系複合酸化物としては、基本組成がLiNiO、LiNiO、LiNi又はLiNi等で表されるもの、及びこれらのニッケルの一部を他の元素で置換したものなどが挙げられる。
これらのうち、下記一般式(I)で表されるものが好ましい。
LiNi (I)
(式中、aは0.9以上1.2以下、bは0.3以上1.2以下、b+cは0.9以上1.2以下の数であり、MはBe、B、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Zn及びGaよりなる群から選択される元素を示す。)
【0013】
一般式(I)において、aが1.2を超え、かつb+cが0.9未満になると結晶のニッケルサイトをリチウムが多く交換するため、電池容量が低下する。また、aが0.9未満であり、かつb+cが1.2を超えると、電池の充放電に関与できるリチウムが減少するため、電池容量が低下する。したがって、aの下限としては0.95が好ましく、上限としては1.1、特に1.05が好ましい。また、b+cの下限としては0.95が好ましく、上限としては1.1、特に1.05が好ましい。bの下限としては0.3が好ましく、上限としては1.1、特に1.05が好ましい。なお、Mは必須成分ではないのでcは0であってもよく、上限としては0.8、特に0.7が好ましい。
【0014】
Mは、Be、B、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Zn及びGaよりなる群から選ばれた元素であり、特にB、Al、Cr、Mn及びCoよりなる群から選ばれたものが、サイクル寿命が長い二次電池を与えるので好ましい。これらのうち、Al、Co、Al及びCo、又はCo及びMnが好ましく、特にCoが好ましい。
【0015】
リチウムマンガン系複合酸化物としては、基本組成がLiMn及びLiMnO等で表されるもの、並びにこれらのマンガンの一部をBe、B、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Ni、Fe、Co、Cu、Zn、Zr及びGaよりなる群から選択される元素で置換したものが挙げられる。中でもスピネル型構造を有するものが好ましい。
【0016】
リチウム遷移金属複合酸化物としては、通常SEM観察により測定した平均一次粒子径が0.01μm以上30μm以下のものを用いる。平均一次粒子径の下限としては0.02μm、特に0.1μmが好ましく、上限としては5μm、特に2μmが好ましい。
また、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置により測定したリチウム遷移金属複合酸化物の平均二次粒子径(平均粒子径)は、通常は1μm以上50μm以下である。平均二次粒子径が1μm未満では、導電性が低下するため電池性能が劣ることがあり、50μmを超えると、塗布特性が劣ることがある。平均二次粒子径の下限としては4μmが好ましく、上限としては40μm、特に30μmが好ましい。
【0017】
更に、BET式粉体比表面積測定装置を用い、ASTM D3037に準拠したBET法(窒素表面積法)により測定したリチウム遷移金属複合酸化物の比表面積は、通常は0.1m/g以上10.0m/g以下である。比表面積が、0.1m/g未満では、粒子径1μm以下の微細な細孔が少なくなるため、二次電池の高温サイクル特性が劣ることがある。また、比表面積が、10.0m/gを超えると、粒子径1μm以下の微細な細孔が多くなるので二次電池の高温サイクル特性は良好となるが、導電性の低下や電池容量の低下が起こることがある。比表面積の下限としては0.3m/gが好ましく、上限としては5.0m/g、特に2.0m/gが好ましい。
【0018】
導電材としては、リチウム二次電池に用いられることが知られているいずれのものも用いることができる。例えば、カーボンブラック及び黒鉛等が挙げられる。
結着剤としては、リチウム二次電池に用いられることが知られているいずれのものも用いることができる。例えば、ポリビニリデンフルオライド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリメチルメタクリレート及びポリエチレン等の樹脂;スチレンブタジエンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、エチレンプロピレンゴム、弗素ゴム等のゴム、ポリ酢酸ビニル及びセルロース等の高分子物質などが挙げられる。
【0019】
リチウム二次電池正極活物質含有組成物は、正極活物質を65重量%以上98.9重量%以下、導電材を1重量%以上20重量%以下、結着剤を0.1重量%以上20重量%以下で含有するものが好ましい。
正極活物質が65重量%未満では、電池容量等の電池特性を十分に確保することが困難となる。一方、98.9重量%を超えると、電極としての機械的強度を確保することも良好なサイクル寿命を得ることも困難となる。組成物に含まれる正極活物質の下限としては70重量%、特に80重量%が好ましく、上限としては97重量%、特に95重量%が好ましい。
【0020】
導電材が1重量%未満では良好なサイクル寿命を得ることが困難である。一方、20重量%を超えると体積電池容量が低下する。導電材の下限としては2重量%、特に3重量%が好ましく、上限としては10重量%、特に5重量%が好ましい。
結着剤が0.1重量%未満では、電極としての機械的強度を確保することが困難である。一方、20重量%を超えると、電池容量や導電性等の電池特性を十分に確保することができない。結着剤の下限としては3重量%、特に5重量%が好ましく、上限としては15重量%、特に10重量%が好ましい。
なお、このリチウム二次電池正極活物質含有組成物には、更にLiFePO等のリチウムイオンを吸蔵・放出し得る他の正極活物質を含有させてもよい。
【0021】
正極の作製方法としては、乾式法と湿式法が挙げられる。乾式法の場合、リチウム二次電池正極活物質含有組成物をフィルム状に成形して正極を製造する。湿式の場合、リチウム二次電池正極活物質含有組成物を溶媒に分散させて調製した塗布液を、集電体表面に塗布し乾燥させた後、一軸プレスやロールプレス等による圧密化処理を行うことにより、正極を製造する。
【0022】
塗布液の調製に用いる溶媒としては、エチレンオキシド及びテトラヒドロフラン等のエーテル系溶媒;メチルエチルケトン及びシクロヘキサノン等のケトン系溶媒;酢酸メチル及びアクリル酸メチル等のエステル系溶媒;ジエチルトリアミン及びN,N−ジメチルアミノプロピルアミン等のアミン系溶媒;N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド及びジメチルアセトアミド等の非プロトン性極性溶媒;並びに水などが挙げられる。
【0023】
正極の集電体の材質としては、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等が挙げられ、これらのうちアルミニウム、特にアルミニウム箔が好ましい。集電体の厚みは、通常1〜1000μmである。5〜500μm、特に5〜100μmの厚みが好ましい。
リチウム二次電池正極活物質含有組成物層は、厚みが1〜1000μm、特に10〜200μmとなるように形成するのが好ましい。
【0024】
負極としては、リチウムイオンを挿入・脱離できる負極活物質及び結着剤、並びに所望により導電材を含むリチウム二次電池負極活物質含有組成物の層を、常法により、集電体表面に形成させたものを用いる。
負極活物質としては、リチウムイオンを挿入・脱離可能な任意の材料を用いることができる。例えば、リチウム、リチウムアルミニウム合金;黒鉛、石炭系又は石油系コークスの炭化物、石炭系又は石油系ピッチの炭化物、ニードルコークス、ピッチコークス、フェノール樹脂又は結晶セルロース等の炭化物、ファーネスブラック又はアセチレンブラック等のカーボンブラック;SnO、SnO、Sn1−x O(式中、MはHg、P、B、Si、Ge又はSbを表し、xは0<x<1の数を表す。)、Sn(OH)、Sn3−x (OH)(式中、MはMg、P、B、Si、Ge、Sb又はMnを表し、xは0<x<3の数を表す。)、LiSiO、SiO又はLiSnO等の金属酸化物又はLi金属複合酸化物などが挙げられる。
【0025】
結着剤としては、リチウム二次電池に用いられることが知られているいずれのものも用いることができる。例えば、ポリビニリデンフルオライド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリメチルメタクリレート及びポリエチレン等の樹脂;スチレンブタジエンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、エチレンプロピレンゴム、弗素ゴム等のゴム;ポリ酢酸ビニル及びセルロース等の高分子物質などが挙げられる。
導電材としては、リチウム二次電池に用いられることが知られているいずれのものも用いることができる。例えば、カーボンブラック及び黒鉛等が挙げられる。
【0026】
リチウム二次電池負極活物質含有組成物としては、負極活物質を65重量%以上99.9重量%以下、結着剤を0.1重量%以上20重量%以下で含有するものが好ましい。導電材を用いる場合には、0.1重量%以上20重量%以下で用いるのが好ましい。
リチウム二次電池負極活物質含有組成物中の負極活物質が65重量%未満では、電池容量等の電池特性を十分に確保することが困難となる。一方、99.9重量%を超えると、電極としての機械的強度を確保することも良好なサイクル寿命を得ることも困難となる。組成物中に含まれる負極活物質の下限としては70重量%、特に80重量%が好ましく、上限としては97重量%、特に95重量%が好ましい。
【0027】
結着剤が0.1重量%未満では、電極としての機械的強度を確保することが困難である。一方、20重量%を超えると、電池容量や導電性等の電池特性を十分に確保することができない。結着剤の下限としては3重量%、特に5重量%が好ましく、上限としては15重量%、特に10重量%が好ましい。
導電材が、0.1重量%未満では良好なサイクル寿命を得ることが困難になる場合がある。一方、20重量%を超えると体積電池容量が低下する。導電材の下限としては2重量%、特に3重量%が好ましく、上限としては10重量%、特に5重量%が好ましい。
【0028】
負極の作製方法としては、負極活物質を結着剤と共に溶媒に分散させて調製した塗布液を集電体表面に塗布し、乾燥させ、一軸プレスやロールプレス等による圧密化処理を行う方法などが挙げられる。
負極の作製に用いる溶媒としては、エチレンオキシド及びテトラヒドロフラン等のエーテル系溶媒;メチルエチルケトン及びシクロヘキサノン等のケトン系溶媒;酢酸メチル及びアクリル酸メチル等のエステル系溶媒;ジエチルトリアミン及びN,N−ジメチルアミノプロピルアミン等のアミン系溶媒;N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド及びジメチルアセトアミド等の非プロトン性極性溶媒;並びに水などが挙げられる。
【0029】
負極の集電体の材質としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等の箔が挙げられ、これらのうち銅箔が好ましい。
【0030】
電解液に用いる電解質には、リチウム二次電池に用いられることが知られているいずれのものも用いることができる。例えば、有機電解液に用いられる電解質、高分子固体電解質、ゲル状電解質、無機固体電解質等が挙げられる。これらのうち有機電解液に用いられる電解質が好ましい。有機電解液に用いられる電解質としては、LiCl、LiBr、LiClO、LiAsF、LiPF、LiBF、LiB(C、LiCHSO、LiCFSO、LiN(SOCF、LiN(SO、LiN(SOCF及びLiC(SOCF等が挙げられる。
【0031】
電解液に用いる有機溶媒としては、ジエチルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン等のエーテル類;4−メチル−2−ペンタノン等のケトン類;メチルホルメート、メチルアセテート、メチルプロピオネート等の脂肪酸エステル類;ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等のカーボネート類;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等のラクトン類;1,2−ジクロロエタン等のハロゲン化炭化水素類;スルホラン、メチルスルホラン等のスルホラン系化合物類;アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、バレロニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル類;ジエチルアミン、エチレンジアミン、トリエタノールアミン等のアミン類;リン酸トリメチル、リン酸トリエチル等のリン酸エステル類、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド等の非プロトン性極性溶媒などが挙げられる。
【0032】
これらのうち、25℃における比誘電率が20以上の高誘電率溶媒が好ましい。このような溶媒としては、エチレンカーボネート若しくはプロピレンカーボネート、又はこれらの水素原子がハロゲン原子又はアルキル基等で置換された化合物が挙げられる。有機溶媒全体に占める高誘電率溶媒の割合は、通常20重量%以上である。高誘電率溶媒が有機溶媒全体の30重量%以上、特に40重量%以上を占めるようにするのが好ましい。
リチウム二次電池の正極と負極の間には、セパレータを介在させてもよい。セパレータとしては、ポリエチレン及びポリプロピレン等のポリオレフィン;ポリビニリデンフルオライド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、セルロース及びセルロースアセテート等の高分子の微多孔性フィルム;これらの高分子繊維やガラス繊維等の不織布フィルター等が挙げられる。これらのうち、ポリエチレン微多孔性フィルムが好ましい。
【0033】
本発明においては、上述の材料を用いて組み立てたリチウム二次電池組立体、通常は製品の形態のものの正極と負極間に、25℃未満の温度で100MHz以下の周波数の交流電流を印加する。
この処理を行うことにより、電池のサイクル特性、特に高温サイクル特性が大きく向上する。その理由は不明であるが、電解液が電極活物質含有組成物層の細孔内部にまで浸透し、細孔壁の濡れ性が大きく改善されることによるものと考えられる。すなわち、交流電流の印加は低温で行われるので、活物質そのものの細孔も含めて電極活物質含有組成物層の細孔に存在する気体は体積が収縮している。この状態において、交流電流の印加により電解液が振動すると、電解液は細孔の奥深くまで浸透して、そこに存在していた気体を置換し、かつ細孔壁を濡らすので、高温での電池の使用時における電解液の浸透をより容易にするものと考えられる。
【0034】
本発明におけるリチウム二次電池組立体に対する交流電流の印加は、リチウム二次電池を組み立てた後、任意の時点で行うことができる。
リチウム二次電池には、通常、出荷前に充放電を行うコンディショニング処理や一定期間、電池を特定の温度におくエージング処理などが施され、また一定の電流を断続的に印加するパルス印加試験等が行われることもある。
【0035】
コンディショニング処理は、通常2.5V以上4.5V以下で充放電することにより行う。コンディショニング処理における充放電電圧の下限としては、2.8V、特に3Vが好ましく、上限としては4.3V、特に4.2Vが好ましい。このとき、0.01以上3C以下の定電流で2回以上10回以下の充放電を繰り返すのが好ましい。電流値の下限としては0.1C、特に0.2Cが好ましく、上限としては2C、特に1Cが好ましい。また、繰り返しの回数の下限としては、3回、上限としては5回、特に3回が好ましい。なお、充放電を繰り返す場合、電圧及び電流はそれぞれ異なっていてもよい。
【0036】
充放電は、0℃以上60℃以下で行うのが好ましい。充放電を行う温度の下限としては10℃、特に15℃が好ましく、上限としては40℃、特に35℃が好ましい。
コンディショニングとしては、初期充放電ではCCCV(定電流定電圧)法又はCC(低電流)法が、2回目以降の充放電では1C−CCCV法、3C−CCCV法、0.2C−CC法又は1C−CC法等が好ましい。
【0037】
本発明の好ましい一態様では、コンディショニング処理で初めにSOC(State of Charge:充電深度)10%に到達した後に交流電流処理を行う。1回充放電した後、OCV(Open Circuit Voltage)がSOC10%以上の電圧で交流電流処理を行うのが好ましい。SOCが10%未満では電池抵抗が高いことが多く、交流を印加した場合、電池にかかる負荷が高くなることがある。したがって、初期充放電容量を確認するため、1C以下の低電流で上限と下限との電圧間で充放電した後、SOCが10〜100%の間になるように充電してから、交流電流処理を行うのが好ましい。
【0038】
エージング処理では、コンディショニング処理を行った電池を充放電せずに静置してもよいし、コンディショニング処理後の電圧を保つように電池を充電し続けてもよい。
エージング処理は、通常−10℃以上70℃以下で行う。エージング処理を行う温度の下限としては0℃、特に15℃、上限としては50℃、特に30℃が好ましい。
また、エージング処理を行う期間は、通常1時間〜1月間である。下限としては2時間、特に6時間、更に12時間が好ましく、上限としては1週間、特に3日間が好ましい。
【0039】
パルス印加試験は、通常2.5V以上4.5V以下の電圧で行う。パルス印加試験での電圧の下限としては3V、特に3.5Vが好ましく、上限としては4.3V、特に4.1Vが好ましい。このときの電流値は、0.01以上20C以下である。この電流値の下限としては0.1C、特に0.2Cが好ましく、上限としては10C、特に5Cが好ましい。また、パルス印加試験は、通常−40〜60℃で行う。温度の下限としては−30℃、特に−20℃が好ましく、上限としては50℃、特に40℃が好ましい。
【0040】
交流電流処理は、これらの処理の任意の時点で行うことができる。また、交流電流処理は複数回行ってもよい。
交流電流処理を行う好ましい時点としては、コンディショニングの終了後、エージングの終了後、パルス印加試験の前及び後などが挙げられる。もちろんこれらの処理の間に行ってもよい。
【0041】
交流電流の印加は25℃未満で行う。温度は電解液が凍結しない限度で低いほど好ましく、0℃以下、特に−10℃以下で行うのが好ましい。しかし、低温にするほど費用がかさむので、通常は−40℃よりも低温にするのは有利でないと考えられる。一般的には−40℃〜−10℃、特に−35℃〜−15℃で行うのが好ましい。
【0042】
交流電流の周波数は、電解液に対する作用からして高い方が好ましいが、通常の交流発生装置で得られる範囲である100MHz以下で十分である。また、下限は1Hzを下回るのは有利ではなく、1mHz未満では処理に長期間を要し、実用的ではない。
なお、交流電流の印加は一定の周波数で行ってもよく、また、周波数を掃引して行ってもよい。交流電流の振幅は、通常は±500mV以下である。±150mV以下、特に±20mV以下で行うのが好ましい。
【0043】
交流電流処理には、公知の交流発生制御装置を用いることができる。例えば、市販されている交流インピーダンス装置が挙げられる。
【0044】
【実施例】
本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り以下の実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
平均二次粒子径9μm、BET法による比表面積0.7m/gの層状リチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム複合酸化物(Li1.05Ni0.80Co0.15Al0.05)を正極活物質、アセチレンブラック(デンカブラック、電気化学工業社製)を導電材、ポリテトラフルオロエチレン粉末を結着剤とし、正極活物質、導電材、結着剤がそれぞれ75/20/5重量%となるように混合して作製したシートを、直径12mmの円形に打ち抜き、これをアルミのエキスパンドメタルに圧着して正極とした。
【0045】
また、平均粒子径8〜12μmの黒鉛粉末92.5重量部とポリビニリデンフルオライド(PVDF#1300、呉羽化学工業社製)7.5重量部とを、N−メチルピロリドンに分散させて調製したスラリーを、厚さ20μmの銅箔の片面に塗布し、乾燥させた後、直径12mmの円形に打ち抜き、プレスしたものを負極とした。
【0046】
正極と負極のA/Cバランスが1.2となるように、活物質量を調整した。
正極缶の中に正極を載置し、その上に厚さ25μmの多孔性ポリエチレンフィルムをセパレータとして載置し、ポリプロピレン製ガスケットで押さえ、その上に負極を載置し、更に厚み調整用のスペーサーを載置した。これに、エチレンカーボネート3重量部とジエチルカーボネート7重量部との混合溶媒にLiPFを1モル/リットルとなるように溶解させた電解液を加えて十分に滲み込ませた後、負極缶を載置し、封口することによりコインセルを作製した。
【0047】
初期コンディショニング処理として、0.2C電流値のCC法により、上限電圧4.1V、下限電圧3.0Vの充放電を2サイクル行った。電池を1時間緩和した後、1/(3C)電流値でDOD(放電深度)40%まで充電を行い、1時間静置した。
得られたコインセルを−30℃の低温雰囲気下で約1時間静置した後、交流インピーダンス装置(SI1287型Electrochemical Interface、1255B型Frequency Response Analyzer;ソーラトロン社製)を用いて、定電圧、振幅10mVで、周波数1mHz〜100MHzの間を対数軸で等間隔に49等分して選択した50点の周波数で1回ずつ掃引することにより、交流電流処理を行った。交流電流処理を行う直前のOCVは3786mVであった。この交流電流処理には、約1時間を要した。交流電流処理の後、コインセルを常温に戻した。
【0048】
交流電流処理を行ったコインセルを、60℃で定電流2C、充電上限電圧4.1V、放電下限電圧3.0Vの充放電を100サイクル繰り返した。100サイクル後の放電容量をQ100とし、最大放電容量QMAXを示したサイクルをX回目としたときの高温サイクル容量維持率を式(2)により算出したところ、80%であった。
100/QMAX×(100−X)/100 (2)
【0049】
(実施例2)
実施例1において、初期コンディショニング処理の後、25℃で1/3C、1C、3Cで10秒間の充電と放電とを1回ずつ行い、更に−30℃で1/8C、1/2C、1C、2Cで10秒間、放電を1回ずつ行うパルス印加試験を行った後に交流電流処理を行った以外は実施例1と同様に行った。高温サイクル容量維持率は80%であった。なお、交流電流処理直前のOCVは3729mVであった。
【0050】
(実施例3)
実施例2において、エチレンカーボネート3重量部、ジメチルカーボネート3重量部及びエチルメチルカーボネート4重量部の混合溶媒にLiPFを1モル/リットルとなるように溶解させた電解液を用いてコインセル作製し、かつ、高温サイクル試験の定電流を1Cとした以外は実施例2と同様に行った。高温サイクル容量維持率は85%であった。なお、交流電流処理直前のOCVは3761mVであった。交流処理に要した時間は約1時間であった。
【0051】
(実施例4)
実施例3において、コインセルに初期コンディショニング処理及びパルス印加試験を行った後、振幅10mVで周波数10mHz〜100MHzの間を対数軸で等間隔に70等分して選択した71点の周波数で1回ずつ掃引することにより交流電流処理を行った以外は実施例3と同様に行った。高温サイクル容量維持率は85%であった。なお、交流電流処理に要した時間は約10分であった。
【0052】
(実施例5)
実施例4において、パルス印加試験を行わなかった以外は実施例4と同様に行った。高温サイクル容量維持率は85%以上であった。なお、交流電流処理に要した時間は約10分であった。
【0053】
(実施例6)
実施例1において、正極活物質に平均2次粒子径13μm、比表面積0.5m/gのスピネル化合物であるリチウムマンガンアルミニウム複合酸化物(Li1.04Mn1.80Al0.20)を用い、かつエチレンカーボネート3重量部、ジメチルカーボネート3重量部及びエチルメチルカーボネート4重量部の混合溶媒にLiPFを1モル/リットルとなるように溶解させた電解液を用いた以外は、実施例1と同様にしてコインセルを作製した。これに実施例2と同様にして初期コンディショニング処理、パルス印加試験及び交流電流処理を行った。ただし、高温サイクル試験は1Cの定電流とした。高温サイクル容量維持率は79%であった。なお、交流電流処理直前のOCVは4154mVであり、交流処理に要した時間は約1時間であった。
【0054】
(実施例7)
実施例1において、正極活物質に平均2次粒子径15μm、比表面積0.5m/gのスピネル化合物であるリチウムマンガンアルミニウム複合酸化物(Li1.04Mn1.80Al0.20)を用い、かつエチレンカーボネート3重量部、ジメチルカーボネート3重量部及びエチルメチルカーボネート4重量部の混合溶媒にLiPFを1モル/リットルとなるように溶解させた電解液を用いた以外は実施例1と同様にしてコインセルを作製した。これに実施例6と同様にして初期コンディショニング処理、パルス印加試験及び交流電流処理を行った。高温サイクル容量維持率は82%であった。なお、交流電流処理直前のOCVは4150mVであり、交流処理に要した時間は約1時間であった。
【0055】
(比較例1)
実施例1において、初期コンディショニング処理の後、交流電流処理を行わずに実施例1と同様にして高温サイクル試験を行った。高温サイクル容量維持率は71%であった。
【0056】
(比較例2)
実施例2において、パルス印加試験の後、交流電流処理を行わずに高温サイクル試験を行った。高温サイクル容量維持率は69%であった。
【0057】
(比較例3)
実施例2において、パルス印加試験の後、25℃で、振幅10mV、周波数10mHz〜100MHzの間を対数軸で等間隔に70等分して選択した71点で周波数を1回ずつ掃引する交流電流処理を行った以外は、実施例2と同様に行った。高温サイクル容量維持率は75%であった。なお、この交流電流処理には約10分を要した。
【0058】
(比較例4)
実施例2において、パルス印加試験を行った後、25℃で1日静置し、交流電流処理を行わずに高温サイクル試験を行った。高温サイクル容量維持率は54%であった。
【0059】
(比較例5)
実施例2において、パルス印加試験を行った後、−30℃で1日静置し、交流電流処理を行わずに高温サイクル試験を行った。高温サイクル容量維持率は70%であった。
【0060】
(比較例6)
実施例1において、初期コンディショニング処理として0.2C−CCCV充電、0.2C放電、及び0.2C充放電を各1回行い、かつ実施例2と同様にしてパルス印加試験を行った後、交流電流処理を行わずに高温サイクル試験を行った。高温サイクル容量維持率は75%であった。
【0061】
(比較例7)
実施例3において、初期コンディショニング処理を行った後、パルス印加試験及び交流電流処理を行わずに高温サイクル試験を行った。高温サイクル容量維持率は79%であった。
【0062】
(比較例8)
実施例6において、交流電流処理を行わずに高温サイクル試験を行った。高温サイクル容量維持率は66%であった。
【0063】
(比較例9)
実施例7において、交流電流処理を行わずに高温サイクル試験を行った。高温サイクル容量維持率は78%であった。
【0064】
【発明の効果】
本発明に係るリチウム二次電池の製造方法を用いれば、高温サイクル特性に優れたリチウム二次電池を作製することができる。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a lithium secondary battery. More specifically, the present invention relates to a method for manufacturing a lithium secondary battery having excellent high-temperature cycle characteristics.
[0002]
[Prior art]
Lithium secondary batteries are excellent in energy density and output density, and can be reduced in size and weight. Therefore, lithium secondary batteries have shown rapid growth as power supplies for portable devices such as notebook computers, mobile phones, and handy video cameras. In addition, it has attracted attention as a power source for electric vehicles and load leveling of electric power.
[0003]
A positive electrode used in a lithium secondary battery generally includes a current collector and a positive electrode active material layer formed on the surface thereof and containing a positive electrode active material, a conductive material, and a binder. As the positive electrode active material, a metal composite oxide of lithium and a transition metal, such as a lithium-manganese composite oxide, a lithium-cobalt composite oxide, or a lithium-nickel composite oxide, and a transition metal site of these metal composite oxides Polymetal composite oxides in which a part of the metal oxide is replaced with another metal have been attracting attention because high performance battery characteristics can be obtained. A lithium secondary battery using these lithium-based composite oxides has an advantage that a high voltage can be obtained and a high output can be obtained.
[0004]
At present, various processing techniques have been proposed to maximize the performance of lithium secondary batteries. For example, for the assembled secondary battery body, a low-temperature aging process of exposing the battery body to an atmosphere maintained at a temperature lower than room temperature for a predetermined time; a room-temperature aging process of exposing the battery body to an atmosphere maintained at room temperature for a predetermined time; A high-temperature aging process for exposing the battery body to an atmosphere maintained at a temperature higher than room temperature for a predetermined time; a rocking rotation process for rocking and / or rotating the battery body; a buffering process for returning the battery body to room temperature; A method of manufacturing a non-aqueous secondary battery having a high charge capacity and excellent cycle characteristics by performing one or more or any combination thereof among means such as a partial charge process for performing a partial charge. (See Patent Document 1): The temperature at the time of the first charge is set to 20 ° C. or less, and the charge current at that time is set to 1 C or less. Subjected to the electrodeposition, electrostatic capacitance 0.4mF / cm on the surface of the negative electrode2A method of forming the following negative electrode coating (SEI) to reduce irreversible capacity and improve cycle characteristics (see Patent Document 2): a positive electrode and a negative electrode using a layered rock salt structure lithium / nickel composite oxide as a positive electrode active material A method of improving the initial discharge capacity and cycle characteristics by performing an aging treatment of storing at a storage temperature of 40 ° C. or more and 90 ° C. or less on a lithium secondary battery formed by assembling (see Patent Document 3) has been proposed. I have.
[0005]
However, all of the lithium secondary batteries manufactured by these methods have insufficient repetitive charge / discharge characteristics (high-temperature cycle characteristics) under high-temperature conditions.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-10-289729
[Patent Document 2]
JP-A-11-111267
[Patent Document 3]
JP 2000-340262 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a lithium secondary battery having excellent high-temperature cycle characteristics.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies to solve the above problems, and as a result, have found that high-temperature cycle characteristics can be improved by performing alternating current processing at a low temperature, and have completed the present invention.
That is, the present invention provides a lithium secondary battery assembly including a positive electrode including a positive electrode active material capable of inserting and removing lithium ions, a negative electrode including a negative electrode active material capable of inserting and removing lithium ions, and an electrolyte. A method for producing a lithium secondary battery, characterized in that an alternating current having a frequency of less than 25 ° C and a frequency of 100 MHz or less is applied between a three-dimensional positive electrode and a three-dimensional negative electrode.
[0009]
In this specification, a lithium secondary battery assembly refers to an assembly assembled to a state where charging and discharging, which is the basic performance of a battery, is possible, and is a product battery housed in a case? Whether or not.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
In the production method according to the present invention, a layer of a positive electrode active material-containing composition for a lithium secondary battery including a positive electrode active material capable of inserting and removing lithium ions, a conductive material and a binder is formed on the surface of the current collector. Is used.
[0011]
As the positive electrode active material into which lithium ions can be inserted and desorbed, any positive electrode active material commonly used for lithium secondary batteries can be used, but a lithium transition metal composite oxide is preferably used.
As the lithium transition metal composite oxide, lithium-manganese composite oxide, lithium-cobalt composite oxide, lithium-nickel composite oxide, or part of the transition metal site of these composite oxides is substituted with another metal. And a multimetal composite oxide composed of a plurality of transition metals. Among them, a lithium / nickel-based composite oxide is preferable because it gives a secondary battery having excellent high-temperature cycle characteristics.
[0012]
The basic composition of the lithium-nickel composite oxide is LiNiO2, Li2NiO2, LiNi2O4Or Li2Ni2O4And those obtained by partially replacing nickel with another element.
Of these, those represented by the following general formula (I) are preferred.
LiaNibMcO2            (I)
(Where a is a number from 0.9 to 1.2, b is a number from 0.3 to 1.2, b + c is a number from 0.9 to 1.2, and M is Be, B, Mg, Al , Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, and Ga.)
[0013]
In the general formula (I), when a exceeds 1.2 and b + c is less than 0.9, a large amount of lithium replaces nickel sites in the crystal, so that the battery capacity decreases. On the other hand, if a is less than 0.9 and b + c exceeds 1.2, the amount of lithium that can participate in charge and discharge of the battery decreases, and the battery capacity decreases. Therefore, the lower limit of a is preferably 0.95, and the upper limit is 1.1, particularly preferably 1.05. The lower limit of b + c is preferably 0.95, and the upper limit is preferably 1.1, particularly preferably 1.05. The lower limit of b is preferably 0.3, and the upper limit is preferably 1.1, particularly preferably 1.05. Since M is not an essential component, c may be 0, and the upper limit is preferably 0.8, particularly preferably 0.7.
[0014]
M is an element selected from the group consisting of Be, B, Mg, Al, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Zn and Ga, and in particular, B, Al, Cr, Those selected from the group consisting of Mn and Co are preferable because they give a secondary battery having a long cycle life. Of these, Al, Co, Al and Co, or Co and Mn are preferable, and Co is particularly preferable.
[0015]
As a lithium manganese-based composite oxide, the basic composition is LiMn.2O4And LiMnO2And a part of these manganese from the group consisting of Be, B, Mg, Al, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Ni, Fe, Co, Cu, Zn, Zr and Ga Examples include those substituted with the selected element. Among them, those having a spinel structure are preferable.
[0016]
As the lithium transition metal composite oxide, one having an average primary particle size of usually 0.01 μm or more and 30 μm or less as measured by SEM observation is used. The lower limit of the average primary particle size is preferably 0.02 μm, particularly 0.1 μm, and the upper limit is preferably 5 μm, particularly preferably 2 μm.
The average secondary particle diameter (average particle diameter) of the lithium transition metal composite oxide measured by a laser diffraction / scattering particle size distribution analyzer is usually 1 μm or more and 50 μm or less. If the average secondary particle size is less than 1 μm, the conductivity may be deteriorated due to reduced conductivity, and if it exceeds 50 μm, the coating properties may be poor. The lower limit of the average secondary particle diameter is preferably 4 μm, and the upper limit is preferably 40 μm, particularly preferably 30 μm.
[0017]
Further, the specific surface area of the lithium transition metal composite oxide measured by a BET method (nitrogen surface area method) based on ASTM D3037 using a BET type powder specific surface area measuring device is usually 0.1 m2/ G or more 10.0m2/ G or less. Specific surface area is 0.1m2If it is less than / g, the number of fine pores having a particle diameter of 1 μm or less is reduced, so that the high-temperature cycle characteristics of the secondary battery may be inferior. The specific surface area is 10.0 m2If it exceeds / g, the number of fine pores having a particle diameter of 1 μm or less increases, so that the high-temperature cycle characteristics of the secondary battery are improved, but the conductivity and the battery capacity may decrease. 0.3m as the lower limit of the specific surface area2/ G is preferred, and the upper limit is 5.0 m2/ G, especially 2.0 m2/ G is preferred.
[0018]
As the conductive material, any material known to be used for a lithium secondary battery can be used. Examples include carbon black and graphite.
As the binder, any of those known to be used in lithium secondary batteries can be used. For example, resins such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polymethyl methacrylate, and polyethylene; rubbers such as styrene butadiene rubber, acrylonitrile butadiene rubber, ethylene propylene rubber, and fluorine rubber; and high molecular substances such as polyvinyl acetate and cellulose. Is mentioned.
[0019]
The composition for a positive electrode active material for a lithium secondary battery contains 65% to 98.9% by weight of a positive electrode active material, 1% to 20% by weight of a conductive material, and 0.1% to 20% by weight of a binder. It is preferable that the content is less than or equal to% by weight.
When the amount of the positive electrode active material is less than 65% by weight, it is difficult to sufficiently secure battery characteristics such as battery capacity. On the other hand, if it exceeds 98.9% by weight, it is difficult to secure mechanical strength as an electrode and to obtain a good cycle life. The lower limit of the positive electrode active material contained in the composition is preferably 70% by weight, particularly preferably 80% by weight, and the upper limit is preferably 97% by weight, particularly preferably 95% by weight.
[0020]
If the conductive material is less than 1% by weight, it is difficult to obtain a good cycle life. On the other hand, if it exceeds 20% by weight, the volume battery capacity decreases. The lower limit of the conductive material is preferably 2% by weight, particularly 3% by weight, and the upper limit is preferably 10% by weight, particularly preferably 5% by weight.
When the amount of the binder is less than 0.1% by weight, it is difficult to secure mechanical strength as an electrode. On the other hand, if it exceeds 20% by weight, battery characteristics such as battery capacity and conductivity cannot be sufficiently ensured. The lower limit of the binder is preferably 3% by weight, particularly 5% by weight, and the upper limit is preferably 15% by weight, particularly preferably 10% by weight.
The composition containing a positive electrode active material for a lithium secondary battery further includes LiFePO4.4And other positive electrode active materials capable of inserting and extracting lithium ions.
[0021]
Examples of a method for manufacturing the positive electrode include a dry method and a wet method. In the case of the dry method, the positive electrode is manufactured by forming the positive electrode active material-containing composition for a lithium secondary battery into a film. In the case of the wet method, a coating solution prepared by dispersing the lithium secondary battery positive electrode active material-containing composition in a solvent is applied to the surface of the current collector and dried, and then subjected to a consolidation treatment by a uniaxial press or a roll press. Thereby, a positive electrode is manufactured.
[0022]
Solvents used for preparing the coating solution include ether solvents such as ethylene oxide and tetrahydrofuran; ketone solvents such as methyl ethyl ketone and cyclohexanone; ester solvents such as methyl acetate and methyl acrylate; diethyltriamine and N, N-dimethylaminopropyl Amine solvents such as amines; aprotic polar solvents such as N-methylpyrrolidone, dimethylformamide and dimethylacetamide; and water.
[0023]
Examples of the material of the current collector of the positive electrode include aluminum, stainless steel, nickel-plated steel, and the like. Of these, aluminum, particularly aluminum foil, is preferable. The thickness of the current collector is usually 1 to 1000 μm. A thickness of 5 to 500 μm, especially 5 to 100 μm is preferred.
The lithium secondary battery positive electrode active material-containing composition layer is preferably formed to have a thickness of 1 to 1000 μm, particularly 10 to 200 μm.
[0024]
As the negative electrode, a layer of a negative electrode active material containing a negative electrode active material capable of inserting and removing lithium ions and a binder, and if necessary, a conductive material, and a layer of a negative electrode active material-containing composition for a lithium secondary battery are formed on the current collector surface by a conventional method. The one formed is used.
As the negative electrode active material, any material capable of inserting and removing lithium ions can be used. For example, lithium, lithium aluminum alloy; graphite, coal-based or petroleum-based coke carbide, coal-based or petroleum-based pitch carbide, needle coke, pitch coke, carbide such as phenolic resin or crystalline cellulose, furnace black or acetylene black, etc. Carbon black; SnO, SnO2, Sn1-xM1 xO (where M1Represents Hg, P, B, Si, Ge or Sb, and x represents a number satisfying 0 <x <1. ), Sn3O2(OH)2, Sn3-xM2 xO2(OH)2(Where M2Represents Mg, P, B, Si, Ge, Sb or Mn, and x represents a number satisfying 0 <x <3. ), LiSiO2, SiO2Or LiSnO2And a metal oxide such as Li metal composite oxide.
[0025]
As the binder, any of those known to be used in lithium secondary batteries can be used. For example, resins such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polymethyl methacrylate, and polyethylene; rubbers such as styrene butadiene rubber, acrylonitrile butadiene rubber, ethylene propylene rubber, and fluorine rubber; and high molecular substances such as polyvinyl acetate and cellulose. Is mentioned.
As the conductive material, any material known to be used for a lithium secondary battery can be used. Examples include carbon black and graphite.
[0026]
The lithium secondary battery negative electrode active material-containing composition preferably contains the negative electrode active material in an amount of 65% by weight or more and 99.9% by weight or less and the binder in an amount of 0.1% by weight or more and 20% by weight or less. When a conductive material is used, it is preferably used in an amount of 0.1% by weight or more and 20% by weight or less.
If the negative electrode active material in the composition for a negative electrode active material for a lithium secondary battery is less than 65% by weight, it is difficult to sufficiently secure battery characteristics such as battery capacity. On the other hand, if it exceeds 99.9% by weight, it is difficult to secure mechanical strength as an electrode and to obtain a good cycle life. The lower limit of the negative electrode active material contained in the composition is preferably 70% by weight, particularly preferably 80% by weight, and the upper limit is preferably 97% by weight, particularly preferably 95% by weight.
[0027]
When the amount of the binder is less than 0.1% by weight, it is difficult to secure mechanical strength as an electrode. On the other hand, if it exceeds 20% by weight, battery characteristics such as battery capacity and conductivity cannot be sufficiently ensured. The lower limit of the binder is preferably 3% by weight, particularly 5% by weight, and the upper limit is preferably 15% by weight, particularly preferably 10% by weight.
If the conductive material is less than 0.1% by weight, it may be difficult to obtain a good cycle life. On the other hand, if it exceeds 20% by weight, the volume battery capacity decreases. The lower limit of the conductive material is preferably 2% by weight, particularly 3% by weight, and the upper limit is preferably 10% by weight, particularly preferably 5% by weight.
[0028]
Examples of the method for producing the negative electrode include a method in which a coating solution prepared by dispersing a negative electrode active material in a solvent together with a binder is applied to the surface of the current collector, dried, and subjected to a consolidation treatment using a uniaxial press or a roll press. Is mentioned.
Examples of the solvent used for producing the negative electrode include ether solvents such as ethylene oxide and tetrahydrofuran; ketone solvents such as methyl ethyl ketone and cyclohexanone; ester solvents such as methyl acetate and methyl acrylate; diethyltriamine and N, N-dimethylaminopropylamine And aprotic polar solvents such as N-methylpyrrolidone, dimethylformamide and dimethylacetamide; and water.
[0029]
Examples of the material of the current collector of the negative electrode include foils of copper, nickel, stainless steel, nickel-plated steel, and the like, and among these, copper foil is preferable.
[0030]
As the electrolyte used for the electrolytic solution, any of those known to be used for lithium secondary batteries can be used. For example, an electrolyte used for an organic electrolyte, a solid polymer electrolyte, a gel electrolyte, an inorganic solid electrolyte, and the like can be mentioned. Of these, the electrolyte used for the organic electrolyte is preferable. Examples of the electrolyte used for the organic electrolyte include LiCl, LiBr, and LiClO.4, LiAsF6, LiPF6, LiBF4, LiB (C6H5)4, LiCH3SO3, LiCF3SO3, LiN (SO2CF3)2, LiN (SO2C2F5)2, LiN (SO3CF3)2And LiC (SO2CF3)3And the like.
[0031]
Examples of the organic solvent used for the electrolyte include diethyl ether, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,3-dioxolan, and 4-methyl- Ethers such as 1,3-dioxolane; ketones such as 4-methyl-2-pentanone; fatty acid esters such as methyl formate, methyl acetate and methyl propionate; dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, ethylene Carbonates such as carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate and vinylene carbonate; lactones such as γ-butyrolactone and γ-valerolactone; halogenated hydrocarbons such as 1,2-dichloroethane; sulfolane, methylsulfolane Sulfolane compounds such as acetonitrile, propionitrile, butyronitrile, valeronitrile, benzonitrile and the like; amines such as diethylamine, ethylenediamine and triethanolamine; phosphates such as trimethyl phosphate and triethyl phosphate , N, N-dimethylformamide, N-methylpyrrolidone, dimethylsulfoxide, and other aprotic polar solvents.
[0032]
Among these, a high dielectric constant solvent having a relative dielectric constant of 20 or more at 25 ° C. is preferable. Examples of such a solvent include ethylene carbonate or propylene carbonate, or a compound in which a hydrogen atom thereof is substituted with a halogen atom, an alkyl group, or the like. The proportion of the high dielectric constant solvent in the whole organic solvent is usually 20% by weight or more. It is preferable that the high dielectric constant solvent accounts for 30% by weight or more, especially 40% by weight or more of the whole organic solvent.
A separator may be interposed between the positive electrode and the negative electrode of the lithium secondary battery. As the separator, a polyolefin such as polyethylene and polypropylene; a microporous film of a polymer such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyester, polyamide, polysulfone, polyacrylonitrile, cellulose and cellulose acetate; Non-woven fabric filters such as glass fiber are exemplified. Of these, polyethylene microporous films are preferred.
[0033]
In the present invention, an alternating current having a frequency of 100 MHz or less at a temperature of less than 25 ° C. is applied between a positive electrode and a negative electrode of a lithium secondary battery assembly, usually in the form of a product, assembled using the above-described materials.
By performing this process, the cycle characteristics of the battery, particularly the high-temperature cycle characteristics, are greatly improved. Although the reason is unknown, it is considered that the electrolytic solution permeates into the inside of the pores of the electrode active material-containing composition layer, and the wettability of the pore walls is greatly improved. That is, since the application of the alternating current is performed at a low temperature, the volume of the gas existing in the pores of the electrode active material-containing composition layer including the pores of the active material itself is contracted. In this state, when the electrolytic solution vibrates due to the application of an alternating current, the electrolytic solution penetrates deep into the pores, displacing the gas existing there, and wets the pore walls. It is thought that the electrolyte solution can be more easily permeated during use.
[0034]
The application of the alternating current to the lithium secondary battery assembly according to the present invention can be performed at any time after the assembly of the lithium secondary battery.
Lithium rechargeable batteries are usually subjected to conditioning such as charging / discharging before shipment, aging to keep the battery at a specific temperature for a certain period of time, and pulse application tests for applying a constant current intermittently. May be performed.
[0035]
The conditioning process is usually performed by charging and discharging at 2.5 V or more and 4.5 V or less. The lower limit of the charge / discharge voltage in the conditioning treatment is preferably 2.8 V, particularly 3 V, and the upper limit is preferably 4.3 V, particularly 4.2 V. At this time, it is preferable to repeat the charge and discharge two to ten times with a constant current of 0.01 to 3 C. The lower limit of the current value is preferably 0.1 C, particularly 0.2 C, and the upper limit is preferably 2 C, particularly 1 C. Further, the lower limit of the number of repetitions is preferably 3 times, and the upper limit is preferably 5 times, particularly preferably 3 times. When charging and discharging are repeated, the voltage and the current may be different from each other.
[0036]
The charge and discharge are preferably performed at 0 ° C. or more and 60 ° C. or less. The lower limit of the charging / discharging temperature is preferably 10 ° C., particularly 15 ° C., and the upper limit is preferably 40 ° C., particularly preferably 35 ° C.
As the conditioning, the CCCV (constant current / constant voltage) method or the CC (low current) method is used for the initial charge / discharge, and the 1C-CCCV method, 3C-CCCV method, 0.2C-CC method or 1C is used for the second and subsequent charge / discharge. -CC method and the like are preferable.
[0037]
In a preferred aspect of the present invention, the alternating current processing is performed after the SOC (State of Charge) reaches 10% in the conditioning processing. After one charge / discharge, it is preferable to perform an alternating current process at a voltage of OCV (Open Circuit Voltage) of SOC 10% or more. When the SOC is less than 10%, the battery resistance is often high, and when an alternating current is applied, the load on the battery may increase. Therefore, in order to check the initial charge / discharge capacity, after charging / discharging between a voltage between the upper limit and the lower limit at a low current of 1 C or less, the battery is charged so that the SOC becomes 10 to 100%, and then subjected to the AC current processing. Is preferably performed.
[0038]
In the aging process, the battery that has been subjected to the conditioning process may be allowed to stand without being charged or discharged, or the battery may be continuously charged so as to maintain the voltage after the conditioning process.
The aging treatment is usually performed at -10 ° C or more and 70 ° C or less. The lower limit of the aging treatment temperature is preferably 0 ° C., particularly 15 ° C., and the upper limit is preferably 50 ° C., particularly 30 ° C.
The period for performing the aging process is usually from one hour to one month. The lower limit is preferably 2 hours, particularly 6 hours, and more preferably 12 hours, and the upper limit is preferably 1 week, particularly 3 days.
[0039]
The pulse application test is usually performed at a voltage of 2.5 V or more and 4.5 V or less. The lower limit of the voltage in the pulse application test is preferably 3 V, particularly 3.5 V, and the upper limit is preferably 4.3 V, particularly 4.1 V. The current value at this time is 0.01 to 20C. The lower limit of the current value is preferably 0.1 C, particularly 0.2 C, and the upper limit is preferably 10 C, particularly 5 C. The pulse application test is usually performed at -40 to 60C. The lower limit of the temperature is preferably -30 ° C, particularly -20 ° C, and the upper limit is preferably 50 ° C, particularly preferably 40 ° C.
[0040]
The alternating current process can be performed at any point in these processes. Further, the alternating current processing may be performed plural times.
Preferable time points for performing the AC current processing include, for example, after completion of conditioning, after aging, and before and after the pulse application test. Of course, it may be performed during these processes.
[0041]
The application of the alternating current is performed at less than 25 ° C. The temperature is preferably lower as long as the electrolyte does not freeze, and it is preferably performed at 0 ° C. or lower, particularly -10 ° C. or lower. However, it is generally considered unfavorable to lower the temperature below -40 ° C, as lower temperatures are more costly. In general, it is preferably carried out at -40 ° C to -10 ° C, particularly preferably at -35 ° C to -15 ° C.
[0042]
The frequency of the alternating current is preferably higher in view of the action on the electrolytic solution, but it is sufficient that the frequency is 100 MHz or less, which is a range that can be obtained with a normal alternating current generator. If the lower limit is less than 1 Hz, it is not advantageous. If the lower limit is less than 1 mHz, the treatment requires a long time, and is not practical.
The application of the alternating current may be performed at a constant frequency, or may be performed by sweeping the frequency. The amplitude of the alternating current is usually ± 500 mV or less. It is preferably performed at ± 150 mV or less, particularly ± 20 mV or less.
[0043]
A known AC generation control device can be used for the AC current processing. For example, a commercially available AC impedance device can be used.
[0044]
【Example】
The present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples unless it exceeds the gist.
(Example 1)
Average secondary particle diameter 9 μm, specific surface area 0.7 m by BET method2/ G layered lithium-nickel-cobalt-aluminum composite oxide (Li1.05Ni0.80Co0.15Al0.05O2) As a positive electrode active material, acetylene black (Denka Black, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) as a conductive material, and polytetrafluoroethylene powder as a binder, and the positive electrode active material, the conductive material, and the binder are 75/20/5, respectively. The sheet prepared by mixing so as to obtain a weight% was punched out into a circular shape having a diameter of 12 mm, and this was press-bonded to an aluminum expanded metal to obtain a positive electrode.
[0045]
Further, 92.5 parts by weight of graphite powder having an average particle diameter of 8 to 12 μm and 7.5 parts by weight of polyvinylidene fluoride (PVDF # 1300, manufactured by Kureha Chemical Industry Co., Ltd.) were dispersed in N-methylpyrrolidone. The slurry was applied to one side of a copper foil having a thickness of 20 μm, dried, punched out into a circular shape having a diameter of 12 mm, and pressed to obtain a negative electrode.
[0046]
The amount of active material was adjusted so that the A / C balance between the positive electrode and the negative electrode was 1.2.
A positive electrode is placed in a positive electrode can, a porous polyethylene film having a thickness of 25 μm is placed thereon as a separator, pressed with a polypropylene gasket, a negative electrode is placed thereon, and a spacer for thickness adjustment is further placed. Was placed. LiPF was added to a mixed solvent of 3 parts by weight of ethylene carbonate and 7 parts by weight of diethyl carbonate.6Was added and dissolved sufficiently so as to be 1 mol / liter, and the mixture was sufficiently permeated. Then, a negative electrode can was placed and sealed, thereby producing a coin cell.
[0047]
As an initial conditioning process, two cycles of charging and discharging at an upper limit voltage of 4.1 V and a lower limit voltage of 3.0 V were performed by a CC method with a 0.2 C current value. After the battery was relaxed for one hour, it was charged to a DOD (depth of discharge) of 40% at a current value of 1 / (3C) and allowed to stand for one hour.
After the obtained coin cell was allowed to stand in a low-temperature atmosphere of -30 ° C for about 1 hour, a constant voltage and an amplitude of 10 mV were applied using an AC impedance device (SI1287 Electrochemical Interface, 1255B Frequency Response Analyzer; manufactured by Solartron). The alternating current processing was performed by sweeping once at 50 selected frequencies by dividing the frequency between 1 mHz and 100 MHz into 49 equally spaced parts on a logarithmic axis. The OCV immediately before performing the alternating current processing was 3786 mV. This AC current treatment required about one hour. After the AC current treatment, the coin cell was returned to normal temperature.
[0048]
The coin cell subjected to the alternating current treatment was repeatedly charged and discharged at 60 ° C. at a constant current of 2 C, a charge upper limit voltage of 4.1 V, and a discharge lower limit voltage of 3.0 V for 100 cycles. The discharge capacity after 100 cycles is Q100And the maximum discharge capacity QMAXThe high-temperature cycle capacity retention rate when the cycle indicating was the X-th time was calculated by equation (2), and was 80%.
Q100/ QMAX× (100−X) / 100 (2)
[0049]
(Example 2)
In Example 1, after the initial conditioning treatment, charging and discharging were performed once each at ℃ C, 1C, and 3C at 25 ° C. for 10 seconds, and further, at -30 ° C., 1 / C, CC, 1C, The procedure was performed in the same manner as in Example 1 except that a pulse application test in which discharge was performed once at 2 C for 10 seconds was performed, and then an alternating current process was performed. The high-temperature cycle capacity retention was 80%. The OCV immediately before the AC current processing was 3729 mV.
[0050]
(Example 3)
In Example 2, LiPF was used in a mixed solvent of 3 parts by weight of ethylene carbonate, 3 parts by weight of dimethyl carbonate, and 4 parts by weight of ethyl methyl carbonate.6Was prepared in the same manner as in Example 2 except that a coin cell was prepared using an electrolytic solution in which 1 mol / liter was dissolved, and the constant current in the high-temperature cycle test was 1 C. The high-temperature cycle capacity retention was 85%. The OCV immediately before the alternating current processing was 3761 mV. The time required for the AC treatment was about 1 hour.
[0051]
(Example 4)
In Example 3, after performing an initial conditioning process and a pulse application test on a coin cell, the frequency between 10 mHz and 100 MHz with an amplitude of 10 mV is equally divided on a logarithmic axis at equal intervals, and is selected once at a frequency of 71 points. The same operation as in Example 3 was performed except that the alternating current processing was performed by sweeping. The high-temperature cycle capacity retention was 85%. The time required for the AC current processing was about 10 minutes.
[0052]
(Example 5)
Example 4 was performed in the same manner as in Example 4 except that the pulse application test was not performed. The high-temperature cycle capacity retention rate was 85% or more. The time required for the AC current processing was about 10 minutes.
[0053]
(Example 6)
In Example 1, the positive electrode active material had an average secondary particle diameter of 13 μm and a specific surface area of 0.5 m.2/ G of spinel compound lithium manganese aluminum composite oxide (Li1.04Mn1.80Al0.20O4) And using a mixed solvent of 3 parts by weight of ethylene carbonate, 3 parts by weight of dimethyl carbonate and 4 parts by weight of ethyl methyl carbonate in a mixed solvent of LiPF6Was prepared in the same manner as in Example 1 except that an electrolytic solution in which was dissolved so as to be 1 mol / liter was used. An initial conditioning process, a pulse application test, and an AC current process were performed on this in the same manner as in Example 2. However, the high temperature cycle test was performed at a constant current of 1C. The high-temperature cycle capacity retention was 79%. The OCV immediately before the AC current processing was 4154 mV, and the time required for the AC processing was about 1 hour.
[0054]
(Example 7)
In Example 1, the positive electrode active material had an average secondary particle diameter of 15 μm and a specific surface area of 0.5 m.2/ G of spinel compound lithium manganese aluminum composite oxide (Li1.04Mn1.80Al0.20O4) And using a mixed solvent of 3 parts by weight of ethylene carbonate, 3 parts by weight of dimethyl carbonate and 4 parts by weight of ethyl methyl carbonate in a mixed solvent of LiPF6Was prepared in the same manner as in Example 1 except that an electrolytic solution in which was dissolved at 1 mol / liter was used. An initial conditioning process, a pulse application test, and an AC current process were performed on this in the same manner as in Example 6. The high-temperature cycle capacity retention was 82%. The OCV immediately before the AC current processing was 4150 mV, and the time required for the AC processing was about 1 hour.
[0055]
(Comparative Example 1)
In Example 1, after the initial conditioning process, a high-temperature cycle test was performed in the same manner as in Example 1 without performing the alternating current process. The high-temperature cycle capacity retention was 71%.
[0056]
(Comparative Example 2)
In Example 2, after the pulse application test, the high-temperature cycle test was performed without performing the alternating current processing. The high-temperature cycle capacity retention was 69%.
[0057]
(Comparative Example 3)
In the second embodiment, after the pulse application test, an alternating current at 25 ° C. and an amplitude of 10 mV, and a frequency between 10 mHz and 100 MHz, which is equally divided on a logarithmic axis at equal intervals of 70, and the frequency is swept once at 71 points selected each time Except having performed the process, it carried out similarly to Example 2. The high temperature cycle capacity retention was 75%. This AC current processing required about 10 minutes.
[0058]
(Comparative Example 4)
In Example 2, after performing the pulse application test, the sample was allowed to stand at 25 ° C. for one day, and the high-temperature cycle test was performed without performing the AC current treatment. The high-temperature cycle capacity retention was 54%.
[0059]
(Comparative Example 5)
In Example 2, after performing the pulse application test, the sample was allowed to stand at −30 ° C. for one day, and the high-temperature cycle test was performed without performing the alternating current treatment. The high-temperature cycle capacity retention was 70%.
[0060]
(Comparative Example 6)
In Example 1, 0.2C-CCCV charging, 0.2C discharging, and 0.2C charging / discharging were performed once each as an initial conditioning process, and a pulse application test was performed in the same manner as in Example 2; A high temperature cycle test was performed without performing current treatment. The high temperature cycle capacity retention was 75%.
[0061]
(Comparative Example 7)
In Example 3, after performing the initial conditioning process, the high-temperature cycle test was performed without performing the pulse application test and the AC current process. The high-temperature cycle capacity retention was 79%.
[0062]
(Comparative Example 8)
In Example 6, a high-temperature cycle test was performed without performing the alternating current processing. The high-temperature cycle capacity retention was 66%.
[0063]
(Comparative Example 9)
In Example 7, a high-temperature cycle test was performed without performing the alternating current processing. The high-temperature cycle capacity retention was 78%.
[0064]
【The invention's effect】
By using the method for manufacturing a lithium secondary battery according to the present invention, a lithium secondary battery having excellent high-temperature cycle characteristics can be manufactured.

Claims (6)

リチウムイオンを挿入・脱離可能な正極活物質を備えた正極、リチウムイオンを挿入・脱離可能な負極活物質を備えた負極、及び電解液を有するリチウム二次電池組立体の正極と負極間に、25℃未満で、100MHz以下の周波数の交流電流を印加することを特徴とするリチウム二次電池の製造方法。A positive electrode having a positive electrode active material capable of inserting and removing lithium ions, a negative electrode having a negative electrode active material capable of inserting and removing lithium ions, and a positive electrode and a negative electrode of a lithium secondary battery assembly having an electrolyte solution And applying an alternating current having a frequency of 100 MHz or less at a temperature lower than 25 ° C. to the lithium secondary battery. 交流電流の印加を、0℃以下で行うことを特徴とする請求項1記載のリチウム二次電池の製造方法。The method for producing a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the application of the alternating current is performed at 0 ° C or less. 交流電流の印加を、−10℃以下で行うことを特徴とする請求項1記載のリチウム二次電池の製造方法。The method for producing a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the application of the alternating current is performed at -10C or lower. リチウム二次電池組立体が、少なくとも1回の充放電処理を経たものであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のリチウム二次電池の製造方法。4. The method for manufacturing a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the lithium secondary battery assembly has been subjected to at least one charge / discharge treatment. 交流電流を印加したリチウム二次電池組立体に、充放電処理を行うことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のリチウム二次電池の製造方法。The method for manufacturing a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 4, wherein a charging / discharging process is performed on the lithium secondary battery assembly to which an alternating current has been applied. 振幅±500mV以下の交流電流を印加することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のリチウム二次電池の製造方法。The method for manufacturing a lithium secondary battery according to claim 1, wherein an alternating current having an amplitude of ± 500 mV or less is applied.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2012028290A (en) * 2010-07-28 2012-02-09 Nissan Motor Co Ltd Method and device for impregnating electrolyte
JP2013206753A (en) * 2012-03-29 2013-10-07 Hitachi Zosen Corp Manufacturing method of all-solid secondary battery and all-solid secondary battery

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