JP2004363076A - Battery - Google Patents

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Akira Yamamoto
鑑 山本
Karin Tsuda
果林 津田
Hiroyuki Akashi
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a battery of which energy density is high and charge and discharge characteristics are excellent. <P>SOLUTION: A positive electrode 21 and a negative electrode 22 are wound via a separator 23 which is impregnated with an electrolyte. Li metal deposits on the negative electrode 22 during the charging, capacity of the negative electrode 22 includes capacitive component by absorption or coming out of Li and capacitive component by the deposition or dissolution of Li, and the capacity of the negative electrode 22 is expressed by sum of them. By solid<SP>7</SP>Li multinuclide nuclear magnetic resonance spectral analysis of the negative electrode 22 using LiCL as the standard substance in completely charged state and completely discharged state, a resonance line Ri which is attributed to Li ions in a region from -10 ppm to 200 ppm in relation to resonance lines Rs of the standard substance is obtained, wherein a ratio of an area of the resonance line Ri attributed to the Li ions to an area of the resonance line Rs of the standard substance in the completely discharged state is 3% or more of a ratio of an area of the resonance line Ri attributed to the Li ions to an area of the resonance line Rs of the standard substance in the completely charged state. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、正極および負極と共に電解質を備え、負極の容量が、軽金属の吸蔵および離脱による容量成分と、軽金属の析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表される電池に関する。   The present invention relates to a battery provided with an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, wherein the capacity of the negative electrode includes a capacity component due to occlusion and desorption of the light metal and a capacity component due to precipitation and dissolution of the light metal, and is represented by the sum thereof.

近年、携帯電話、PDA(Personal Digital Assistant;個人用携帯型情報端末機器)、カムコーダー、あるいはノート型コンピュータに代表される携帯型電子機器の発達は目覚しく、それらの小型化および軽量化と共に、それらの駆動電源である電池、特に二次電池の高容量化、高エネルギー密度化が強く望まれている。   In recent years, portable electronic devices represented by mobile phones, PDAs (Personal Digital Assistants), camcorders, and notebook computers have been remarkably developed. There is a strong demand for higher capacity and higher energy density of batteries as driving power supplies, particularly secondary batteries.

高エネルギー密度を得ることができる二次電池としては、例えば、負極に炭素材料などのリチウム(Li)を吸蔵および離脱することが可能な材料を用いたリチウムイオン二次電池がある。リチウムイオン二次電池では、負極材料中に吸蔵されたリチウムが必ずイオン状態であるように設計されるため、エネルギー密度は負極材料中に吸蔵することが可能なリチウムイオン数に大きく依存する。よって、リチウムイオン二次電池では、リチウムイオンの吸蔵量を高めることによりエネルギー密度を更に向上させることができるものと考えられる。しかし、現在リチウムイオンを最も効率的に吸蔵および離脱することが可能な材料とされている黒鉛の吸蔵量は、1g当たりの電気量換算で372mAhが理論的に限界であり、最近では、ほぼその限界値まで達しつつある。   As a secondary battery capable of obtaining a high energy density, for example, there is a lithium ion secondary battery in which a material such as a carbon material capable of inserting and extracting lithium (Li) is used for a negative electrode. In a lithium ion secondary battery, since the lithium stored in the negative electrode material is designed to be in an ion state, the energy density largely depends on the number of lithium ions that can be stored in the negative electrode material. Therefore, it is considered that the energy density of the lithium ion secondary battery can be further improved by increasing the amount of lithium ions absorbed. However, the storage amount of graphite, which is currently the most efficient material for storing and releasing lithium ions, is theoretically limited to 372 mAh in terms of electricity per gram. It is reaching the limit.

高エネルギー密度を得ることができる二次電池としては、また、負極にリチウム金属を用い、負極反応にリチウム金属の析出および溶解反応を利用したリチウム金属二次電池がある。リチウム金属は、理論電気化学当量が2054mAh/cm3 と大きく、リチウムイオン二次電池で用いられる黒鉛の2.5倍にも相当するエネルギー密度を有することから、リチウム金属二次電池はリチウムイオン二次電池を上回る高いエネルギー密度を実現させる潜在能力を秘めている。 As a secondary battery capable of obtaining a high energy density, a lithium metal secondary battery using lithium metal for a negative electrode and utilizing precipitation and dissolution of lithium metal for a negative electrode reaction is known. Since lithium metal has a large theoretical electrochemical equivalent of 2054 mAh / cm 3 and an energy density equivalent to 2.5 times that of graphite used in lithium ion secondary batteries, lithium metal secondary batteries use lithium ion secondary batteries. It has the potential to achieve higher energy density than secondary batteries.

これまでにも、多くの研究者等によりリチウム金属二次電池の実用化に関する研究開発がなされてきた(例えば、非特許文献1参照。)。しかし、リチウム金属二次電池は、充放電を繰り返した際の放電容量の劣化が大きく、その実用化は現状では非常に困難である。この容量劣化は、リチウム金属二次電池が負極においてリチウム金属の析出・溶解反応を利用していることに基づいており、充放電に伴い、析出したリチウム金属が電極から脱落したり、電解質と反応することにより失活してしまうことが原因と考えられる。   Until now, many researchers have conducted research and development on the practical use of lithium metal secondary batteries (for example, see Non-Patent Document 1). However, a lithium metal secondary battery has a large deterioration in discharge capacity when charging and discharging are repeated, and its practical application is very difficult at present. This capacity deterioration is based on the fact that lithium metal secondary batteries use the deposition and dissolution reaction of lithium metal at the negative electrode.The lithium metal deposited falls off the electrode or reacts with the electrolyte during charging and discharging. This is considered to be caused by deactivation due to this.

そこで本出願人は、負極の容量がリチウムの吸蔵および離脱による容量成分と、リチウム金属の析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表される二次電池を新たに開発した(例えば、特許文献1参照。)。これは、負極にリチウムイオンを吸蔵および離脱することが可能な炭素材料を用い、充電の途中において炭素材料の表面にリチウム金属を析出させるようにしたものである。この二次電池によれば、高エネルギー密度を達成しつつ、充放電サイクル特性を向上させることが期待できる。
ジャンポール・ガバノ(Jean-Paul Gabano)編,「リチウム・バッテリーズ(Lithium Batteries )」,ロンドン,ニューヨーク,アカデミック・プレス(Academic Press),1983年 国際公開第01/22519号パンフレット 特許第3287376号公報 特許第3291750号公報 特開平8−64207号公報 特開平9−7598号公報 特許第3106129号公報 特許第3363959号公報 特開平10−199527号公報 特開平10−208741号公報 特開2001−6667号公報 特開2001−6677号公報
Therefore, the present applicant has newly developed a secondary battery in which the capacity of the negative electrode includes a capacity component due to insertion and extraction of lithium and a capacity component due to precipitation and dissolution of lithium metal, and is represented by the sum of the two (for example, And Patent Document 1.). In this technology, a carbon material capable of inserting and extracting lithium ions is used for a negative electrode, and lithium metal is deposited on the surface of the carbon material during charging. According to this secondary battery, it is expected that charge / discharge cycle characteristics are improved while achieving high energy density.
Edited by Jean-Paul Gabano, "Lithium Batteries", London, New York, Academic Press, 1983 International Publication No. 01/22519 pamphlet Japanese Patent No. 3287376 Japanese Patent No. 3291750 JP-A-8-64207 JP-A-9-7598 Japanese Patent No. 3106129 Japanese Patent No. 3363959 JP-A-10-199527 JP-A-10-208741 JP 2001-6667A JP 2001-6677 A

しかしながら、この二次電池もリチウム金属二次電池と同様にリチウムの析出・溶解反応を利用しているので、リチウム金属の電極からの脱落や電解質との反応を完全に抑制することは極めて難しく、充放電サイクル寿命が短いという問題があった。また、この二次電池では、負極の初回充放電効率よりも正極の初回充放電効率の方が高く、負極の初回充放電効率によって放電容量が規制されるので、このようにリチウムが失活すると、十分なエネルギー密度が得られないという問題があった。   However, since this secondary battery also utilizes the precipitation and dissolution reaction of lithium, like the lithium metal secondary battery, it is extremely difficult to completely prevent the lithium metal from dropping from the electrode and the reaction with the electrolyte, There is a problem that the charge / discharge cycle life is short. In addition, in this secondary battery, the initial charge / discharge efficiency of the positive electrode is higher than the initial charge / discharge efficiency of the negative electrode, and the discharge capacity is regulated by the initial charge / discharge efficiency of the negative electrode. However, there is a problem that a sufficient energy density cannot be obtained.

すなわち、電池内部、具体的には、正極,負極あるいは電解質などに、充放電に寄与できるリチウム量よりも多くのリチウムを補填することにより、容量のストックを作っておけば上記問題を解決でき、更にそのリチウム量を最適化すれば特性をより向上させることができるものと考えられる。なお、リチウム量は核磁気共鳴分光測定(NMR)により規定することができる。従来より、リチウムイオン二次電池においてもリチウムを補填することや(例えば、特許文献2および3参照。)、あるいは、負極材料をNMRにより規定することが行われている(例えば、特許文献4ないし11参照。)。   In other words, the above problem can be solved by making a capacity stock by supplementing the inside of the battery, specifically, the positive electrode, the negative electrode or the electrolyte with more lithium than can contribute to charging and discharging, It is considered that the characteristics can be further improved by optimizing the amount of lithium. The amount of lithium can be determined by nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR). Conventionally, lithium has been supplemented in a lithium ion secondary battery (for example, see Patent Literatures 2 and 3), or an anode material has been defined by NMR (for example, Patent Literatures 4 to 4). 11).

しかし、リチウムイオン二次電池では、容量のストックを作ることは難しい。なぜなら、リチウム金属が析出しない系で充放電を行うことを基本としているため、過剰のリチウムが導入されリチウム金属が析出すると、充放電サイクル特性が劣化したり、安全性が低下してしまうからである。負極にリチウムを吸蔵させた特許文献4でもリチウムの吸蔵量は負極の初回充電時の不可逆容量低下を抑えたり、過放電時に負極の電位上昇を抑える程度である。このように従来よりリチウムイオン二次電池において行われているリチウムの導入は、充放電サイクル特性を改善することを目的としたものではない。   However, it is difficult to make a capacity stock with a lithium ion secondary battery. This is because charging and discharging are basically performed in a system in which lithium metal does not precipitate, so if excessive lithium is introduced and lithium metal precipitates, the charge / discharge cycle characteristics deteriorate or the safety decreases. is there. Even in Patent Document 4 in which lithium is occluded in the negative electrode, the amount of occluded lithium is sufficient to suppress a decrease in irreversible capacity at the time of initial charging of the negative electrode or to suppress a rise in potential of the negative electrode during overdischarge. As described above, the introduction of lithium, which has been conventionally performed in a lithium ion secondary battery, is not intended to improve charge / discharge cycle characteristics.

本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その目的は、高いエネルギー密度を得ることができ、かつ充放電サイクル特性に優れた電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a battery capable of obtaining a high energy density and having excellent charge / discharge cycle characteristics.

本発明による第1の電池は、正極および負極と共に電解質を備え、負極の容量が、軽金属の吸蔵および離脱による容量成分と、軽金属の析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表されるものであって、負極は、完全充電状態および完全放電状態において塩化リチウム(LiCl)を基準物質として用いた固体 7Li多核種核磁気共鳴分光分析により、基準物質の共鳴線に対して−10ppm〜200ppmの範囲に他の共鳴線が得られ、完全放電状態における基準物質の共鳴線に対する他の共鳴線の面積比が、完全充電状態における基準物質の共鳴線に対する他の共鳴線の面積比の3%以上のものである。 A first battery according to the present invention includes an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, and the capacity of the negative electrode includes a capacity component due to occlusion and desorption of the light metal and a capacity component due to precipitation and dissolution of the light metal, and is represented by the sum thereof. In the fully charged state and the completely discharged state, the negative electrode was determined to be -10 ppm with respect to the resonance line of the reference material by solid-state 7 Li multinuclear nuclear magnetic resonance spectroscopy using lithium chloride (LiCl) as the reference material. Another resonance line is obtained in the range of 200 ppm, and the area ratio of the other resonance line to the resonance line of the reference material in the fully discharged state is equal to the area ratio of the other resonance line to the resonance line of the reference material in the fully charged state. 3% or more.

本発明による第2の電池は、正極および負極と共に電解質を備え、負極の容量が、軽金属の吸蔵および離脱による容量成分と、軽金属の析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表されるものであって、負極は、組み立て時に金属状態の軽金属を有するものである。   A second battery according to the present invention includes an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, and the capacity of the negative electrode includes a capacity component due to occlusion and desorption of light metal and a capacity component due to deposition and dissolution of light metal, and is represented by the sum thereof. The negative electrode has a light metal in a metal state at the time of assembly.

本発明による第3の電池は、正極および負極と共に電解質を備え、負極の容量が、軽金属の吸蔵および離脱による容量成分と、軽金属の析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表されるものであって、負極は、組み立て時にイオン状態の軽金属が吸蔵されているものである。   A third battery according to the present invention includes an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, and the capacity of the negative electrode includes a capacity component due to occlusion and desorption of light metal, and a capacity component due to deposition and dissolution of light metal, and is represented by the sum thereof. In the negative electrode, an ionic light metal is occluded during assembly.

本発明による第4の電池は、正極および負極と共に電解質を備え、負極の容量が、軽金属の吸蔵および離脱による容量成分と、軽金属の析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表されるものであって、電解質は、正極で酸化分解する軽金属塩を含むものである。   A fourth battery according to the present invention includes an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, and the capacity of the negative electrode includes a capacity component due to occlusion and desorption of light metal, and a capacity component due to precipitation and dissolution of light metal, and is represented by the sum thereof. Wherein the electrolyte contains a light metal salt that is oxidatively decomposed at the positive electrode.

本発明による第5の電池は、正極および負極と共に電解質を備え、負極の容量が、軽金属の吸蔵および離脱による容量成分と、軽金属の析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表されるものであって、組み立て時に、不可逆的に軽金属を放出する物質を電池内に有するものである。   A fifth battery according to the present invention includes an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, and the capacity of the negative electrode includes a capacity component due to insertion and detachment of light metal and a capacity component due to precipitation and dissolution of light metal, and is represented by the sum thereof. The battery has a substance that irreversibly releases light metal during assembly in the battery.

本発明による第6の電池は、正極および負極と共に電解質を備え、負極の容量が、軽金属の吸蔵および離脱による容量成分と、軽金属の析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表されるものであって、初回完全充電時の負極の容量は、組み立て時の正極の理論容量よりも大きいものである。   A sixth battery according to the present invention includes an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, and the capacity of the negative electrode includes a capacity component due to occlusion and desorption of light metal, and a capacity component due to deposition and dissolution of light metal, and is represented by the sum thereof. In this case, the capacity of the negative electrode at the time of the first full charge is larger than the theoretical capacity of the positive electrode at the time of assembly.

本発明の第1の電池によれば、完全充電状態および完全放電状態において塩化リチウムを基準物質として用いた固体 7Li多核種核磁気共鳴分光分析により、基準物質の共鳴線に対して−10ppm〜200ppmの範囲に他の共鳴線が得られ、完全放電状態における基準物質の共鳴線に対する他の共鳴線の面積比が、完全充電状態における基準物質の共鳴線に対する他の共鳴線の面積比の3%以上の負極を用いるようにしたので、また、本発明の第2の電池によれば、負極が組み立て時に金属状態の軽金属を有するようにしたので、更に、本発明の第3の電池によれば、組み立て時の負極にイオン状態の軽金属を吸蔵するようにしたので、加えて、本発明の第4の電池によれば、電解質が正極で酸化分解する軽金属塩を含むようにしたので、加えてまた、本発明の第5の電池によれば、正極が組み立て時に不可逆的に軽金属を放出する物質を有するようにしたので、更にまた、本発明の第6の電池によれば、初回完全充電時の負極の容量が組み立て時の正極の理論容量よりも大きくなるようにしたので、リチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料の初回充放電効率が改善され、放電容量を向上させることができる。また、充電時に析出した軽金属が負極から脱落したり電解質と反応するなどして失活しても、その失活による容量喪失分が補充され、充放電サイクル特性を向上させることが可能となる。更に、過放電になっても負極の電位上昇が抑制されるため、負極集電体の溶解を抑制することもできる。すなわち、耐過放電性を向上させることができる。 According to the first battery of the present invention, in a fully charged state and a completely discharged state, a solid 7 Li multi-nuclide nuclear magnetic resonance spectroscopy using lithium chloride as a reference substance has -10 ppm to the resonance line of the reference substance. Another resonance line is obtained in the range of 200 ppm, and the area ratio of the other resonance line to the resonance line of the reference material in the fully discharged state is 3 times the area ratio of the other resonance line to the resonance line of the reference material in the fully charged state. % Of the negative electrode is used, and according to the second battery of the present invention, the negative electrode has a light metal in a metal state at the time of assembling. For example, since the light metal in the ionic state is stored in the negative electrode during assembly, in addition, according to the fourth battery of the present invention, the electrolyte contains the light metal salt which is oxidatively decomposed at the positive electrode. In addition, according to the fifth battery of the present invention, since the positive electrode has a substance that irreversibly releases a light metal at the time of assembly, furthermore, according to the sixth battery of the present invention, the first complete battery Since the capacity of the negative electrode at the time of charging is made larger than the theoretical capacity of the positive electrode at the time of assembly, the initial charge / discharge efficiency of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium is improved, and the discharge capacity is improved. Can be. Further, even if the light metal precipitated during charging is deactivated by dropping from the negative electrode or reacting with the electrolyte, the loss of capacity due to the deactivation is supplemented, and the charge / discharge cycle characteristics can be improved. Furthermore, even if overdischarge occurs, the increase in the potential of the negative electrode is suppressed, so that the dissolution of the negative electrode current collector can also be suppressed. That is, the overdischarge resistance can be improved.

特に、本発明の第1の電池において、正極が軽金属を吸蔵および離脱することが可能な正極合剤層を有し、正極合剤層の厚みAと負極合剤層の厚みBとの比(A/B)を0.92以上とするようにすれば、また、本発明の第2の電池において、負極が組み立て時に有する軽金属の容量を、負極における軽金属の吸蔵および離脱による容量に対して1%以上100%以下の範囲とするようにすれば、更に、本発明の第3の電池において、組み立て時に負極に吸蔵されるイオン状態の軽金属の容量を、負極における軽金属の吸蔵および離脱による容量に対して1%以上100%以下の範囲とするようにすれば、加えて、本発明の第4の電池において、軽金属塩の物質量を、負極の軽金属の吸蔵および離脱による容量に相当する軽金属の物質量以下とするようにすれば、更にまた、本発明の第5の電池において、正極が組み立て時に有する軽金属の容量を、負極における軽金属の吸蔵および離脱による容量に対して1%以上100%以下の範囲とするようにすれば、より優れた充放電サイクル特性を得ることができる。   In particular, in the first battery of the present invention, the positive electrode has a positive electrode mixture layer capable of inserting and extracting light metal, and the ratio of the thickness A of the positive electrode mixture layer to the thickness B of the negative electrode mixture layer ( When A / B) is set to 0.92 or more, in the second battery of the present invention, the capacity of the light metal that the negative electrode has at the time of assembly is 1 to the capacity of the negative electrode due to the light metal occlusion and release. %, The capacity of the ionic light metal occluded in the negative electrode during assembly in the third battery of the present invention is reduced to the capacity of the negative electrode due to occlusion and desorption of the light metal in the negative electrode. In addition, when the content is in the range of 1% or more and 100% or less, in the fourth battery of the present invention, the material amount of the light metal salt is changed so that the amount of light metal corresponding to the capacity of the negative electrode by absorbing and releasing the light metal. Less than substance amount If so, in the fifth battery of the present invention, the capacity of the light metal that the positive electrode has at the time of assembly is in the range of 1% or more and 100% or less with respect to the capacity of the negative electrode due to occlusion and release of the light metal. By doing so, more excellent charge / discharge cycle characteristics can be obtained.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施の形態に係る二次電池の断面構造を表すものである。この二次電池は、いわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶11の内部に、帯状の正極21と帯状の負極22とがセパレータ23を介して巻回された巻回電極体20を有している。電池缶11は、例えばニッケル(Ni)のめっきがされた鉄(Fe)により構成されており、一端部が閉鎖され他端部が開放されている。電池缶11の内部には、液状の電解質である電解液が注入されセパレータ23に含浸されている。また、巻回電極体20を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板12,13がそれぞれ配置されている。   FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a secondary battery according to one embodiment of the present invention. This secondary battery is a so-called cylindrical type. A wound electrode in which a band-shaped positive electrode 21 and a band-shaped negative electrode 22 are wound through a separator 23 inside a substantially hollow cylindrical battery can 11. It has a body 20. The battery can 11 is made of, for example, iron (Fe) plated with nickel (Ni), and has one end closed and the other end open. An electrolyte, which is a liquid electrolyte, is injected into the battery can 11 and impregnated in the separator 23. Further, a pair of insulating plates 12 and 13 are arranged perpendicularly to the winding peripheral surface so as to sandwich the winding electrode body 20.

電池缶11の開放端部には、電池蓋14と、この電池蓋14の内側に設けられた安全弁機構15および熱感抵抗素子(Positive Temperature Coefficient;PTC素子)16とが、ガスケット17を介してかしめられることにより取り付けられており、電池缶11の内部は密閉されている。電池蓋14は、例えば、電池缶11と同様の材料により構成されている。安全弁機構15は、熱感抵抗素子16を介して電池蓋14と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が一定以上となった場合にディスク板15Aが反転して電池蓋14と巻回電極体20との電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子16は、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限し、大電流による異常な発熱を防止するものである。ガスケット17は、例えば、絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。   At the open end of the battery can 11, a battery lid 14, a safety valve mechanism 15 provided inside the battery lid 14, and a positive temperature coefficient (PTC) element 16 are disposed via a gasket 17. It is attached by caulking, and the inside of the battery can 11 is sealed. The battery cover 14 is made of, for example, the same material as the battery can 11. The safety valve mechanism 15 is electrically connected to the battery lid 14 via the thermal resistance element 16, and when the internal pressure of the battery becomes higher than a certain level due to an internal short circuit or external heating, the disk plate 15A is inverted. Then, the electrical connection between the battery cover 14 and the spirally wound electrode body 20 is cut off. The thermal resistance element 16 limits the current by increasing the resistance value when the temperature rises, and prevents abnormal heat generation due to a large current. The gasket 17 is made of, for example, an insulating material, and its surface is coated with asphalt.

巻回電極体20の中心には、例えば、センターピン24が挿入されている。また、巻回電極体20の正極21にはアルミニウム(Al)などよりなる正極リード25が接続されており、負極22にはニッケルなどよりなる負極リード26が接続されている。正極リード25は安全弁機構15に溶接されることにより電池蓋14と電気的に接続されており、負極リード26は電池缶11に溶接され電気的に接続されている。   For example, a center pin 24 is inserted into the center of the spirally wound electrode body 20. A positive electrode lead 25 made of aluminum (Al) or the like is connected to the positive electrode 21 of the spirally wound electrode body 20, and a negative electrode lead 26 made of nickel or the like is connected to the negative electrode 22. The positive electrode lead 25 is electrically connected to the battery cover 14 by being welded to the safety valve mechanism 15, and the negative electrode lead 26 is welded and electrically connected to the battery can 11.

図2は、図1に示した巻回電極体20の一部を拡大して表すものである。正極21は、例えば、対向する一対の面を有する正極集電体21Aと、正極集電体21Aの両面あるいは片面に設けられた正極合剤層21Bとを有している。正極集電体21Aは例えばアルミニウム箔,ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。正極合剤層21Bは例えば正極活物質として軽金属であるリチウムを吸蔵および離脱することが可能な正極材料のいずれか1種または2種以上を含んで構成されている。すなわち、正極合剤層21Bはリチウムを吸蔵および離脱することが可能となっている。   FIG. 2 illustrates a part of the spirally wound electrode body 20 illustrated in FIG. 1 in an enlarged manner. The positive electrode 21 has, for example, a positive electrode current collector 21A having a pair of opposing surfaces, and a positive electrode mixture layer 21B provided on both surfaces or one surface of the positive electrode current collector 21A. The positive electrode current collector 21A is made of, for example, a metal foil such as an aluminum foil, a nickel foil, or a stainless steel foil. The positive electrode mixture layer 21B includes, for example, one or more positive electrode materials capable of inserting and extracting lithium as a light metal as a positive electrode active material. That is, the positive electrode mixture layer 21B can occlude and release lithium.

正極合剤層21Bは、例えば、定常状態(例えば、5回程度充放電を繰り返した後)で、後述する負極活物質1g当たり250mAh以上の充放電容量相当分のリチウムを含むことが好ましく、350mAh以上の充放電容量相当分のリチウムを含むことがより好ましい。よって、リチウムを吸蔵および離脱することが可能な正極材料としては、例えば、リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物あるいはリチウムを含む層間化合物などが好適である。中でも、遷移金属元素として、コバルト(Co),ニッケル,マンガン(Mn),鉄,バナジウム(V)およびチタン(Ti)のうちの少なくとも1種を含む複合酸化物がより好ましい。また、遷移金属元素の一部がアルミニウムなどの他の元素により置換された複合酸化物も好ましい。このような複合酸化物としては、例えば、化学式Lix1MIO2 (MIは1種類以上の遷移金属などを表し、x1の値は電池の充放電状態によって異なり、通常、0.05≦x1≦1.10である)で表されるもの、あるいはLix2MIIPO4 (MIIは1種類以上の遷移金属などを表し、x2の値は電池の充放電状態によって異なり、通常、0.05≦x2≦1.10である)で表されるものが挙げられる。より具体的には、コバルト酸リチウム,ニッケル酸リチウム,コバルトニッケル酸リチウム,スピネル型結晶構造を有するマンガン酸リチウムあるいはオリビン型結晶構造を有するリン酸鉄リチウムなどがある。 The positive electrode mixture layer 21B preferably contains, for example, lithium in an amount equivalent to a charge / discharge capacity of 250 mAh or more per gram of a negative electrode active material described below in a steady state (for example, after repeating charge / discharge about 5 times), and 350 mAh. It is more preferable to include lithium equivalent to the above charge / discharge capacity. Therefore, as the positive electrode material capable of inserting and extracting lithium, for example, a composite oxide containing lithium and a transition metal element, an intercalation compound containing lithium, and the like are preferable. Among them, a composite oxide containing at least one of cobalt (Co), nickel, manganese (Mn), iron, vanadium (V) and titanium (Ti) as the transition metal element is more preferable. Further, a composite oxide in which part of the transition metal element is replaced by another element such as aluminum is also preferable. As such a composite oxide, for example, the chemical formula Li x1 MIO 2 (MI represents one or more kinds of transition metals, and the value of x1 varies depending on the charge / discharge state of the battery, and is usually 0.05 ≦ x1 ≦ 1 .10) or Li x2 MIIPO 4 (MII represents one or more transition metals, etc., and the value of x2 varies depending on the charge / discharge state of the battery, and is usually 0.05 ≦ x2 ≦ 1 .10). More specifically, there are lithium cobaltate, lithium nickelate, lithium cobalt nickelate, lithium manganate having a spinel type crystal structure, and lithium iron phosphate having an olivine type crystal structure.

なお、このような正極材料は、例えば、リチウムの炭酸塩,硝酸塩,酸化物あるいは水酸化物と、遷移金属の炭酸塩,硝酸塩,酸化物あるいは水酸化物とを所望の組成になるように混合し、粉砕した後、酸素雰囲気中において600℃〜1000℃の範囲内の温度で焼成することにより調製される。   Such a positive electrode material is prepared, for example, by mixing lithium carbonate, nitrate, oxide or hydroxide with a transition metal carbonate, nitrate, oxide or hydroxide so as to have a desired composition. Then, after pulverization, it is prepared by firing in an oxygen atmosphere at a temperature in the range of 600C to 1000C.

正極合剤層21Bは、また、例えば導電剤を含んでおり、必要に応じて更に結着剤を含んでいてもよい。導電剤としては、例えば、黒鉛,カーボンブラックあるいはケッチェンブラックなどの炭素材料が挙げられ、そのうちの1種または2種以上が混合して用いられる。また、炭素材料の他にも、導電性を有する材料であれば金属材料あるいは導電性高分子材料などを用いるようにしてもよい。結着剤としては、例えば、スチレンブタジエン系ゴム,フッ素系ゴムあるいはエチレンプロピレンジエンゴムなどの合成ゴム、またはポリフッ化ビニリデンなどの高分子材料が挙げられ、そのうちの1種または2種以上が混合して用いられる。   The positive electrode mixture layer 21B also contains, for example, a conductive agent, and may further contain a binder as needed. Examples of the conductive agent include carbon materials such as graphite, carbon black, and Ketjen black, and one or more of them are used in combination. In addition to the carbon material, a metal material or a conductive polymer material may be used as long as the material has conductivity. Examples of the binder include synthetic rubbers such as styrene-butadiene rubber, fluorine rubber and ethylene propylene diene rubber, and polymer materials such as polyvinylidene fluoride, and one or more of them are mixed. Used.

負極22は、例えば、正極21と同様に、対向する一対の面を有する負極集電体22Aと、負極集電体22Aの両面あるいは片面に設けられた負極合剤層22Bとを有している。負極集電体22Aは、良好な電気化学的安定性、電気伝導性および機械的強度を有する銅箔,ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。   The negative electrode 22 includes, for example, a negative electrode current collector 22A having a pair of opposing surfaces, and a negative electrode mixture layer 22B provided on both surfaces or one surface of the negative electrode current collector 22A, similarly to the positive electrode 21. . The negative electrode current collector 22A is made of a metal foil such as a copper foil, a nickel foil, or a stainless steel foil having good electrochemical stability, electric conductivity, and mechanical strength.

負極合剤層22Bは例えば負極活物質として軽金属であるリチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料のいずれか1種または2種以上を含んでおり、必要に応じて、例えば正極合剤層21Bと同様の結着剤を含んでいてもよい。つまり、負極合剤層22Bはリチウムを吸蔵および離脱することが可能となっている。   The negative electrode mixture layer 22B contains, for example, one or more of negative electrode materials capable of inserting and extracting lithium as a light metal as a negative electrode active material. It may contain the same binder as 21B. That is, the negative electrode mixture layer 22B can occlude and release lithium.

なお、本明細書において軽金属の吸蔵および離脱というのは、軽金属イオンがそのイオン性を失うことなく電気化学的に吸蔵および離脱されることを言う。これは、吸蔵された軽金属が完全なイオン状態で存在する場合のみならず、完全なイオン状態とは言えない状態で存在する場合も含む。これらに該当する場合としては、例えば、黒鉛に対する軽金属イオンの電気化学的なインタカレーション反応による吸蔵が挙げられる。また、金属間化合物を含む合金への軽金属の吸蔵、あるいは合金の形成による軽金属の吸蔵も挙げることができる。   In the present specification, the terms “occlusion and desorption of light metal” means that light metal ions are electrochemically stored and desorbed without losing their ionicity. This includes not only the case where the occluded light metal exists in a completely ionic state but also the case where the occluded light metal exists in a state that is not completely ionic. Such cases include, for example, occlusion by electrochemical intercalation reaction of light metal ions to graphite. In addition, occlusion of a light metal in an alloy containing an intermetallic compound or occlusion of a light metal by forming an alloy can also be mentioned.

リチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料としては、例えば、黒鉛,難黒鉛化性炭素あるいは易黒鉛化性炭素などの炭素材料が挙げられる。これら炭素材料は、充放電時に生じる結晶構造の変化が非常に少なく、高い充放電容量を得ることができると共に、良好な充放電サイクル特性を得ることができるので好ましい。特に黒鉛は、電気化学当量が大きく、高いエネルギー密度を得ることができるので好ましい。   Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium include a carbon material such as graphite, non-graphitizable carbon, and graphitizable carbon. These carbon materials are preferable because a change in crystal structure that occurs during charge and discharge is very small, a high charge and discharge capacity can be obtained, and good charge and discharge cycle characteristics can be obtained. Particularly, graphite is preferable because it has a large electrochemical equivalent and can obtain a high energy density.

黒鉛としては、例えば、真密度が2.10g/cm3 以上のものが好ましく、2.18g/cm3 以上のものであればより好ましい。なお、このような真密度を得るには、(002)面のC軸結晶子厚みが14.0nm以上であることが必要である。また、(002)面の面間隔は0.340nm未満であることが好ましく、0.335nm以上0.337nm以下の範囲内であればより好ましい。 As the graphite, for example, those having a true density of 2.10 g / cm 3 or more are preferable, and those having a true density of 2.18 g / cm 3 or more are more preferable. In order to obtain such a true density, it is necessary that the thickness of the C-axis crystallite in the (002) plane is 14.0 nm or more. The spacing between the (002) planes is preferably less than 0.340 nm, and more preferably in the range of 0.335 nm to 0.337 nm.

黒鉛は、天然黒鉛でも人造黒鉛でもよい。人造黒鉛であれば、例えば、有機材料を炭化して高温熱処理を行い、粉砕・分級することにより得られる。高温熱処理は、例えば、必要に応じて窒素(N2 )などの不活性ガス気流中において300℃〜700℃で炭化し、毎分1℃〜100℃の速度で900℃〜1500℃まで昇温して、この温度を0時間〜30時間程度保持し仮焼すると共に、2000℃以上、好ましくは2500℃以上に加熱し、この温度を適宜の時間保持することにより行う。 The graphite may be natural graphite or artificial graphite. In the case of artificial graphite, for example, it can be obtained by carbonizing an organic material, performing a high-temperature heat treatment, and pulverizing and classifying. The high-temperature heat treatment is performed by, for example, carbonizing at 300 ° C. to 700 ° C. in an inert gas stream such as nitrogen (N 2 ) as necessary, and raising the temperature to 900 ° C. to 1500 ° C. at a rate of 1 ° C. to 100 ° C. per minute. Then, this temperature is maintained for about 0 to 30 hours to perform calcination, and at the same time, it is heated to 2000 ° C. or more, preferably 2500 ° C. or more, and the temperature is maintained for an appropriate time.

出発原料となる有機材料としては、石炭あるいはピッチを用いることができる。ピッチには、例えば、コールタール,エチレンボトム油あるいは原油などを高温で熱分解することにより得られるタール類、アスファルトなどを蒸留(真空蒸留,常圧蒸留あるいはスチーム蒸留),熱重縮合,抽出,化学重縮合することにより得られるもの、木材還流時に生成されるもの、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリビニルアセテート、ポリビニルブチラートまたは3,5−ジメチルフェノール樹脂がある。これらの石炭あるいはピッチは、炭化の途中最高400℃程度において液体として存在し、その温度で保持されることで芳香環同士が縮合・多環化し、積層配向した状態となり、そののち約500℃以上で固体の炭素前駆体、すなわちセミコークスとなる(液相炭素化過程)。   Coal or pitch can be used as an organic material as a starting material. The pitch includes, for example, distillation (vacuum distillation, atmospheric distillation or steam distillation) of tars and asphalt obtained by pyrolyzing coal tar, ethylene bottom oil or crude oil at a high temperature, thermal polycondensation, extraction, Examples include those obtained by chemical polycondensation, those produced at the time of wood reflux, polyvinyl chloride resin, polyvinyl acetate, polyvinyl butyrate, and 3,5-dimethylphenol resin. These coals or pitches exist as a liquid at a maximum of about 400 ° C. during carbonization, and when held at that temperature, aromatic rings condense and polycyclic, resulting in a laminated orientation state, and then about 500 ° C. or more To form a solid carbon precursor, ie, semi-coke (liquid phase carbonization process).

有機材料としては、また、ナフタレン,フェナントレン,アントラセン,トリフェニレン,ピレン,ペリレン,ペンタフェン,ペンタセンなどの縮合多環炭化水素化合物あるいはその誘導体(例えば、上述した化合物のカルボン酸,カルボン酸無水物,カルボン酸イミド)、またはそれらの混合物を用いることができる。更に、アセナフチレン,インドール,イソインドール,キノリン,イソキノリン,キノキサリン,フタラジン,カルバゾール,アクリジン,フェナジン,フェナントリジンなどの縮合複素環化合物あるいはその誘導体、またはそれらの混合物を用いることもできる。   Examples of the organic material include condensed polycyclic hydrocarbon compounds such as naphthalene, phenanthrene, anthracene, triphenylene, pyrene, perylene, pentaphen, and pentacene, and derivatives thereof (for example, carboxylic acids, carboxylic anhydrides, and carboxylic acids of the above compounds). Imides), or mixtures thereof. Further, condensed heterocyclic compounds such as acenaphthylene, indole, isoindole, quinoline, isoquinoline, quinoxaline, phthalazine, carbazole, acridine, phenazine, phenanthridine, derivatives thereof, and mixtures thereof can also be used.

なお、粉砕は、炭化,仮焼の前後、あるいは黒鉛化前の昇温過程の間のいずれで行ってもよい。これらの場合には、最終的に粉末状態で黒鉛化のための熱処理が行われる。但し、嵩密度および破壊強度の高い黒鉛粉末を得るには、原料を成型したのち熱処理を行い、得られた黒鉛化成型体を粉砕・分級することが好ましい。   The pulverization may be performed before or after carbonization or calcination, or during the heating process before graphitization. In these cases, heat treatment for graphitization is finally performed in a powder state. However, in order to obtain a graphite powder having a high bulk density and a high breaking strength, it is preferable to heat-treat the raw material and then pulverize and classify the obtained graphitized molded body.

例えば、黒鉛化成型体を作製する場合には、フィラーとなるコークスと、成型剤あるいは焼結剤となるバインダーピッチとを混合して成型したのち、この成型体を1000℃以下の低温で熱処理する焼成工程と、焼成体に溶融させたバインダーピッチを含浸させるピッチ含浸工程とを数回繰り返してから、高温で熱処理する。含浸させたバインダーピッチは、以上の熱処理過程で炭化し、黒鉛化される。ちなみに、この場合には、フィラー(コークス)とバインダーピッチとを原料にしているので多結晶体として黒鉛化し、また原料に含まれる硫黄や窒素が熱処理時にガスとなって発生することから、その通り路に微小な空孔が形成される。よって、この空孔により、リチウムの吸蔵・離脱反応が進行し易くなると共に、工業的に処理効率が高いという利点もある。なお、成型体の原料としては、それ自身に成型性、焼結性を有するフィラーを用いてもよい。この場合には、バインダーピッチの使用は不要である。   For example, in the case of producing a graphitized molded body, coke as a filler and binder pitch as a molding agent or a sintering agent are mixed and molded, and then the molded body is heat-treated at a low temperature of 1000 ° C. or less. After repeating the firing step and the pitch impregnating step of impregnating the fired body with the melted binder pitch several times, heat treatment is performed at a high temperature. The impregnated binder pitch is carbonized and graphitized in the above heat treatment process. Incidentally, in this case, since the filler (coke) and the binder pitch are used as raw materials, the raw material is graphitized as a polycrystalline material, and sulfur and nitrogen contained in the raw materials are generated as a gas during heat treatment. Fine holes are formed in the path. Therefore, the vacancies facilitate the progress of the insertion and extraction reaction of lithium, and also have the advantage of high industrial processing efficiency. In addition, as a raw material of the molded body, a filler having moldability and sinterability itself may be used. In this case, it is not necessary to use a binder pitch.

難黒鉛化性炭素としては、(002)面の面間隔が0.37nm以上、真密度が1.70g/cm3 未満であると共に、空気中での示差熱分析(differential thermal analysis ;DTA)において700℃以上に発熱ピークを示さないものが好ましい。 The non-graphitizable carbon has a (002) plane spacing of 0.37 nm or more, a true density of less than 1.70 g / cm 3 and a differential thermal analysis (DTA) in air. Those which do not show an exothermic peak at 700 ° C. or higher are preferred.

このような難黒鉛化性炭素は、例えば、有機材料を1200℃程度で熱処理し、粉砕・分級することにより得られる。熱処理は、例えば、必要に応じて300℃〜700℃で炭化した(固相炭素化過程)のち、毎分1℃〜100℃の速度で900℃〜1300℃まで昇温し、この温度を0〜30時間程度保持することにより行う。粉砕は、炭化の前後、あるいは昇温過程の間で行ってもよい。   Such non-graphitizable carbon can be obtained, for example, by heat-treating an organic material at about 1200 ° C. and pulverizing and classifying. In the heat treatment, for example, carbonization is performed at 300 ° C. to 700 ° C. as needed (solid phase carbonization process), and then the temperature is increased to 900 ° C. to 1300 ° C. at a rate of 1 ° C. to 100 ° C. per minute. This is performed by holding for about 30 hours. The pulverization may be performed before or after carbonization, or during the heating process.

出発原料となる有機材料としては、例えば、フルフリルアルコールあるいはフルフラールの重合体,共重合体、またはこれらの高分子と他の樹脂との共重合体であるフラン樹脂を用いることができる。また、フェノール樹脂,アクリル樹脂,ハロゲン化ビニル樹脂,ポリイミド樹脂,ポリアミドイミド樹脂,ポリアミド樹脂,ポリアセチレンあるいはポリパラフェニレンなどの共役系樹脂、セルロースあるいはその誘導体、コーヒー豆類、竹類、キトサンを含む甲殻類、バクテリアを利用したバイオセルロース類を用いることもできる。更に、水素原子(H)と炭素原子(C)との原子数比H/Cが例えば0.6〜0.8である石油ピッチに酸素(O)を含む官能基を導入(いわゆる酸素架橋)させた化合物を用いることもできる。   As the organic material used as a starting material, for example, a furfuryl alcohol or furfural polymer or copolymer, or a furan resin which is a copolymer of these polymers and another resin can be used. Also, phenolic resins, acrylic resins, vinyl halide resins, polyimide resins, polyamideimide resins, polyamide resins, conjugated resins such as polyacetylene or polyparaphenylene, cellulose or derivatives thereof, crustaceans including coffee beans, bamboos, and chitosan Biocelluloses utilizing bacteria can also be used. Further, a functional group containing oxygen (O) is introduced into a petroleum pitch having an atomic ratio H / C of hydrogen atoms (H) to carbon atoms (C) of, for example, 0.6 to 0.8 (so-called oxygen crosslinking). The compound thus obtained can also be used.

この化合物における酸素の含有率は3%以上であることが好ましく、5%以上であればより好ましい(特開平3−252053号公報参照)。酸素の含有率は炭素材料の結晶構造に影響を与え、これ以上の含有率において難黒鉛化性炭素の物性を高めることができ、負極22の容量を向上させることができるからである。ちなみに、石油ピッチは、例えば、コールタール,エチレンボトム油あるいは原油などを高温で熱分解することにより得られるタール類、またはアスファルトなどを、蒸留(真空蒸留,常圧蒸留あるいはスチーム蒸留),熱重縮合,抽出あるいは化学重縮合することにより得られる。また、酸化架橋形成方法としては、例えば、硝酸,硫酸,次亜塩素酸あるいはこれらの混酸などの水溶液と石油ピッチとを反応させる湿式法、空気あるいは酸素などの酸化性ガスと石油ピッチとを反応させる乾式法、または硫黄,硝酸アンモニウム,過硫酸アンモニア,塩化第二鉄などの固体試薬と石油ピッチとを反応させる方法を用いることができる。   The oxygen content of this compound is preferably at least 3%, more preferably at least 5% (see JP-A-3-25253). This is because the oxygen content affects the crystal structure of the carbon material, and at a higher content, the physical properties of the non-graphitizable carbon can be increased, and the capacity of the negative electrode 22 can be improved. For example, petroleum pitch is used for distillation (vacuum distillation, atmospheric distillation or steam distillation) of tars obtained by pyrolyzing coal tar, ethylene bottom oil or crude oil at a high temperature, or asphalt. It is obtained by condensation, extraction or chemical polycondensation. Examples of the oxidative cross-linking method include a wet method in which an aqueous solution of nitric acid, sulfuric acid, hypochlorous acid, or a mixed acid thereof is reacted with petroleum pitch, and a method in which an oxidizing gas such as air or oxygen is reacted with petroleum pitch. A dry method or a method of reacting a solid reagent such as sulfur, ammonium nitrate, ammonium persulfate, or ferric chloride with petroleum pitch can be used.

なお、出発原料となる有機材料はこれらに限定されず、酸素架橋処理などにより固相炭化過程を経て難黒鉛化性炭素となり得る有機材料であれば、他の有機材料でもよい。   The organic material used as a starting material is not limited to these, and any other organic material may be used as long as it can be converted into non-graphitizable carbon through a solid-phase carbonization process by oxygen cross-linking or the like.

難黒鉛化性炭素としては、上述した有機材料を出発原料として製造されるものの他、特開平3−137010号公報に記載されているリン(P)と酸素と炭素とを主成分とする化合物も、上述した物性パラメータを示すので好ましい。   Examples of the non-graphitizable carbon include those produced using the above-mentioned organic materials as starting materials, and compounds described in JP-A-3-137010, which contain phosphorus (P), oxygen and carbon as main components. It is preferable because the physical property parameters described above are shown.

リチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料としては、また、リチウムと合金を形成可能な金属元素あるいは半金属元素の単体、合金または化合物が挙げられる。これらは高いエネルギー密度を得ることができるので好ましく、特に、炭素材料と共に用いるようにすれば、高エネルギー密度を得ることができると共に、優れた充放電サイクル特性を得ることができるのでより好ましい。なお、本明細書において、合金には2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とからなるものも含める。その組織には固溶体,共晶(共融混合物),金属間化合物あるいはそれらのうちの2種以上が共存するものがある。   Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium include a simple substance, an alloy, and a compound of a metal element or a metalloid element capable of forming an alloy with lithium. These are preferable because a high energy density can be obtained. In particular, when used together with a carbon material, a high energy density can be obtained and excellent charge / discharge cycle characteristics can be obtained. In this specification, an alloy includes an alloy composed of one or more metal elements and one or more metalloid elements in addition to an alloy composed of two or more metal elements. The structure includes a solid solution, a eutectic (eutectic mixture), an intermetallic compound, and a structure in which two or more of them coexist.

このような金属元素あるいは半金属元素としては、スズ(Sn),鉛(Pb),アルミニウム,インジウム(In),ケイ素(Si),亜鉛(Zn),アンチモン(Sb),ビスマス(Bi),カドミウム(Cd),マグネシウム(Mg),ホウ素(B),ガリウム(Ga),ゲルマニウム(Ge),ヒ素(As),銀(Ag),ジルコニウム(Zr),イットリウム(Y)またはハフニウム(Hf)が挙げられる。これらの合金あるいは化合物としては、例えば、化学式Mas Mbt Liu 、あるいは化学式Map Mcq Mdr で表されるものが挙げられる。これら化学式において、Maはリチウムと合金を形成可能な金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を表し、MbはリチウムおよびMa以外の金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を表し、Mcは非金属元素の少なくとも1種を表し、MdはMa以外の金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を表す。また、s、t、u、p、qおよびrの値はそれぞれs>0、t≧0、u≧0、p>0、q>0、r≧0である。 Examples of such metal elements or metalloid elements include tin (Sn), lead (Pb), aluminum, indium (In), silicon (Si), zinc (Zn), antimony (Sb), bismuth (Bi), and cadmium. (Cd), magnesium (Mg), boron (B), gallium (Ga), germanium (Ge), arsenic (As), silver (Ag), zirconium (Zr), yttrium (Y) or hafnium (Hf). Can be These alloys or compounds, for example, those represented by the chemical formula Ma s Mb t Li u or a chemical formula Ma p Mc q Md r,. In these chemical formulas, Ma represents at least one of a metal element and a metalloid element capable of forming an alloy with lithium, Mb represents at least one of a metal element and a metalloid element other than lithium and Ma, Mc represents at least one kind of non-metallic element, and Md represents at least one kind of metal element and metalloid element other than Ma. The values of s, t, u, p, q, and r are s> 0, t ≧ 0, u ≧ 0, p> 0, q> 0, r ≧ 0, respectively.

中でも、長周期型周期表における14族の金属元素あるいは半金属元素の単体、合金または化合物が好ましく、特に好ましいのはケイ素あるいはスズ、またはこれらの合金あるいは化合物である。これらは結晶質のものでもアモルファスのものでもよい。   Among them, a simple substance, an alloy or a compound of a metal element or a metalloid element belonging to Group 14 of the long-period periodic table is preferable, and particularly preferable is silicon or tin, or an alloy or compound thereof. These may be crystalline or amorphous.

このような合金あるいは化合物について具体的に例を挙げれば、LiAl,AlSb,CuMgSb,SiB4 ,SiB6 ,Mg2 Si,Mg2 Sn,Ni2 Si,TiSi2 ,MoSi2 ,CoSi2 ,NiSi2 ,CaSi2 ,CrSi2 ,Cu5 Si,FeSi2 ,MnSi2 ,NbSi2 ,TaSi2 ,VSi2 ,WSi2 ,ZnSi2 ,SiC,Si3 4 ,Si2 2 O,SiOv (0<v≦2),SnOw (0<w≦2),SnSiO3 ,LiSiOあるいはLiSnOなどがある。 A specific example of such an alloy or such a compound, LiAl, AlSb, CuMgSb, SiB 4, SiB 6, Mg2 Si, Mg 2 Sn, Ni 2 Si, TiSi 2, MoSi 2, CoSi 2, NiSi 2, CaSi 2, CrSi 2, Cu 5 Si, FeSi 2, MnSi 2, NbSi 2, TaSi 2, VSi 2, WSi 2, ZnSi 2, SiC, Si 3 N 4, Si 2 N 2 O, SiO v (0 <v ≦ 2), SnO w (0 <w ≦ 2), SnSiO 3 , LiSiO or LiSnO.

リチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料としては、更に、他の金属化合物あるいは高分子材料が挙げられる。他の金属化合物としては、酸化鉄,酸化ルテニウムあるいは酸化モリブデンなどの酸化物や、あるいはLiN3 などが挙げられ、高分子材料としてはポリアセチレン,ポリアニリンあるいはポリピロールなどが挙げられる。 Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium include other metal compounds and polymer materials. Examples of other metal compounds include oxides such as iron oxide, ruthenium oxide, and molybdenum oxide, and LiN 3. Examples of the polymer material include polyacetylene, polyaniline, and polypyrrole.

これらの負極活物質の中でも、特に、リチウムイオンの吸蔵反応が活性なものを用いることが望ましく、中でも、充放電電位が比較的リチウム金属に近いものを用いることが望ましい。   Among these negative electrode active materials, it is particularly preferable to use one having an active lithium ion occlusion reaction, and particularly preferable to use one having a charge / discharge potential relatively close to lithium metal.

また、この二次電池では、充電の過程において、開回路電圧(すなわち電池電圧)が過充電電圧よりも低い時点で負極22にリチウム金属が析出し始めるようになっている。つまり、開回路電圧が過充電電圧よりも低い状態において負極22にリチウム金属が析出しており、負極22の容量は、リチウムの吸蔵および離脱による容量成分と、リチウム金属の析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表される。従って、この二次電池では、リチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料とリチウム金属との両方が負極活物質として機能し、リチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料はリチウム金属が析出する際の基材となっている。   In this secondary battery, lithium metal starts to precipitate on the negative electrode 22 at the time when the open circuit voltage (that is, the battery voltage) is lower than the overcharge voltage in the charging process. That is, when the open circuit voltage is lower than the overcharge voltage, lithium metal is deposited on the negative electrode 22. The capacity of the negative electrode 22 is based on the capacity component due to insertion and extraction of lithium and the capacity component due to deposition and dissolution of lithium metal. And represented by the sum of Accordingly, in this secondary battery, both the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium and the lithium metal function as the negative electrode active material, and the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium is lithium metal. It is a base material for precipitation.

なお、過充電電圧というのは、電池が過充電状態になった時の開回路電圧を指し、例えば、日本蓄電池工業会(電池工業会)の定めた指針の一つである「リチウム二次電池安全性評価基準ガイドライン」(SBA G1101)に記載され定義される「完全充電」された電池の開回路電圧よりも高い電圧を指す。また換言すれば、各電池の公称容量を求める際に用いた充電方法、標準充電方法、もしくは推奨充電方法を用いて充電した後の開回路電圧よりも高い電圧を指す。具体的には、この二次電池では、例えば開回路電圧が4.2Vの時に完全充電となり、開回路電圧が0V以上4.2V以下の範囲内の一部においてリチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料の表面にリチウム金属が析出している。   The overcharge voltage refers to an open circuit voltage when the battery is in an overcharged state. For example, one of the guidelines set by the Japan Storage Battery Association (Battery Manufacturers Association) is “lithium secondary battery”. Refers to a voltage higher than the open circuit voltage of a "fully charged" battery as defined and defined in the "Safety Evaluation Guidelines" (SBA G1101). In other words, it refers to a voltage higher than the open circuit voltage after charging using the charging method, the standard charging method, or the recommended charging method used when obtaining the nominal capacity of each battery. Specifically, for example, this secondary battery is fully charged when the open circuit voltage is 4.2 V, and can occlude and release lithium in a part of the open circuit voltage in the range of 0 V to 4.2 V. Lithium metal is deposited on the surface of possible anode materials.

これにより、この二次電池では、高いエネルギー密度を得ることができると共に、充放電サイクル特性および急速充電特性を向上させることができるようになっている。これは、負極22にリチウム金属を析出させるという点では負極にリチウム金属あるいはリチウム合金を用いた従来のリチウム金属二次電池と同様であるが、リチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料にリチウム金属を析出させるようにしたことにより、次のような利点が生じるためであると考えられる。   As a result, in this secondary battery, a high energy density can be obtained, and the charge / discharge cycle characteristics and the rapid charge characteristics can be improved. This is the same as a conventional lithium metal secondary battery using lithium metal or a lithium alloy for the negative electrode in that lithium metal is deposited on the negative electrode 22, but the negative electrode material is capable of inserting and extracting lithium. It is considered that the following advantages are brought about by depositing lithium metal.

第1に、従来のリチウム金属二次電池ではリチウム金属を均一に析出させることが難しく、それが充放電サイクル特性を劣化させる原因となっていたが、リチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料は一般的に表面積が大きいので、この二次電池ではリチウム金属を均一に析出させることができることである。第2に、従来のリチウム金属二次電池ではリチウム金属の析出および溶解に伴う体積変化が大きく、それも充放電サイクル特性を劣化させる原因となっていたが、この二次電池ではリチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料の粒子間の隙間にもリチウム金属が析出するので体積変化が少ないことである。第3に、従来のリチウム金属二次電池ではリチウム金属の析出・溶解量が多ければ多いほど上記の問題も大きくなるが、この二次電池ではリチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料によるリチウムの吸蔵および離脱も充放電容量に寄与するので、電池容量が大きいわりにはリチウム金属の析出・溶解量が小さいことである。第4に、従来のリチウム金属二次電池では急速充電を行うとリチウム金属がより不均一に析出してしまうので充放電サイクル特性が更に劣化してしまうが、この二次電池では充電初期においてはリチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料にリチウムが吸蔵されるので急速充電が可能となることである。   First, in the conventional lithium metal secondary battery, it is difficult to uniformly deposit lithium metal, which causes deterioration of charge / discharge cycle characteristics. However, a negative electrode capable of inserting and extracting lithium is used. Since the material generally has a large surface area, lithium metal can be uniformly deposited in this secondary battery. Second, in the conventional lithium metal secondary battery, the volume change accompanying precipitation and dissolution of lithium metal is large, which also causes deterioration of the charge / discharge cycle characteristics. Lithium metal also precipitates in gaps between the particles of the negative electrode material that can be detached, so that the volume change is small. Third, in a conventional lithium metal secondary battery, the larger the amount of lithium metal deposited and dissolved, the greater the above problem. However, in this secondary battery, a negative electrode material capable of inserting and extracting lithium is used. Since the insertion and extraction of lithium also contribute to the charge / discharge capacity, the amount of lithium metal deposited and dissolved is small in spite of the large battery capacity. Fourth, in the conventional lithium metal secondary battery, when rapid charging is performed, the lithium metal is more unevenly deposited, so that the charge / discharge cycle characteristics are further deteriorated. Since lithium is inserted into the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium, rapid charging becomes possible.

これらの利点をより効果的に得るためには、例えば、開回路電圧が過充電電圧になる前の最大電圧時において負極22に析出するリチウム金属の最大析出容量は、リチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料の充電容量能力の0.05倍以上3.0倍以下であることが好ましい。リチウム金属の析出量が多過ぎると従来のリチウム金属二次電池と同様の問題が生じてしまい、少な過ぎると充放電容量を十分に大きくすることができないからである。また、例えば、リチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料の放電容量能力は、150mAh/g以上であることが好ましい。リチウムの吸蔵・離脱能力が大きいほどリチウム金属の析出量は相対的に少なくなるからである。なお、負極材料の充電容量能力は、例えば、リチウム金属を対極として、この負極材料を負極活物質とした負極について0Vまで定電流・定電圧法で充電した時の電気量から求められる。負極材料の放電容量能力は、例えば、これに引き続き、定電流法で10時間以上かけて2.5Vまで放電した時の電気量から求められる。   In order to obtain these advantages more effectively, for example, the maximum deposition capacity of lithium metal deposited on the negative electrode 22 at the maximum voltage before the open circuit voltage becomes the overcharge voltage is determined by inserting and extracting lithium. It is preferable that the charge capacity is 0.05 times or more and 3.0 times or less of the charge capacity capacity of the negative electrode material capable of performing the above. If the amount of lithium metal deposited is too large, the same problem as in a conventional lithium metal secondary battery occurs. If the amount is too small, the charge / discharge capacity cannot be sufficiently increased. Further, for example, the discharge capacity of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium is preferably 150 mAh / g or more. This is because the greater the ability to insert and extract lithium, the smaller the amount of lithium metal deposited. The charge capacity of the negative electrode material is obtained, for example, from the amount of electricity when a negative electrode using lithium metal as a counter electrode and using the negative electrode material as a negative electrode active material is charged to 0 V by a constant current / constant voltage method. The discharge capacity capability of the negative electrode material is determined, for example, from the amount of electricity when the battery is discharged to 2.5 V over 10 hours or more by the constant current method.

更に、この二次電池では、初回充電前に、または、初回充電時にリチウムを吸蔵および離脱することが可能な正極材料からリチウムイオンが離脱する前に負極合剤層22Bにリチウムイオンが吸蔵されており、初回完全充電時の負極22の容量が、組み立て時の正極21の理論容量よりも大きくなっている。また、これにより、完全放電状態においても、正極21に吸蔵しきれないリチウムイオンが負極合剤層22Bに存在している。よって、完全放電状態において、負極22、具体的にはリチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料に対して、例えば基準物質として塩化リチウムを用い、固体 7Li多核種核磁気共鳴分光分析を行うと、図3に示した基準物質の共鳴線Rsに対して、図4に示したように−10ppm〜200ppmの範囲にリチウムイオンに帰属する共鳴線Riが得られる。一方、完全充電状態においては、基準物質の共鳴線Rsに対して図5に示したように−10ppm〜200ppmの範囲にリチウムイオンに帰属する共鳴線Riと、250ppm〜280ppmの範囲にリチウム金属に帰属する共鳴線Rmとが得られる。これに対して、初回充電前に、または、初回充電時にリチウムを吸蔵および離脱することが可能な正極材料からリチウムイオンが離脱する前に負極合剤層22Bにリチウムイオンが吸蔵されていない場合、完全放電状態では、図6に示したように、基準物質の共鳴線Rsに対してリチウムイオンに帰属する共鳴線Riと、リチウム金属に帰属する共鳴線Rmとが得られるものの、完全放電状態では、図7に示したように、リチウムイオンに帰属する共鳴線Riはほとんど得られない。なお、完全放電状態とは、例えば、日本蓄電池工業会(電池工業会)発行の「リチウム電池及びリチウムイオン電池の輸送に関する手引書」に記載され定義された状態、あるいは、負極22から正極21への電極反応種(ここではリチウムイオン)の供給がなくなった場合に相当する。この二次電池では、例えば、閉回路電圧が2.75Vに達した時点で「完全放電された」と見なすことができる。 Further, in this secondary battery, lithium ions are occluded in the negative electrode mixture layer 22B before the first charge or before lithium ions are released from the positive electrode material capable of inserting and extracting lithium at the time of the initial charge. Thus, the capacity of the negative electrode 22 at the time of the first complete charge is larger than the theoretical capacity of the positive electrode 21 at the time of assembly. Thus, even in a completely discharged state, lithium ions that cannot be completely absorbed by the positive electrode 21 exist in the negative electrode mixture layer 22B. Thus, in the fully discharged state, the negative electrode 22, with respect to the anode material capable of specifically of inserting and extracting lithium, for example lithium chloride used as a reference substance, a solid 7 Li multinuclear NMR spectroscopy Then, a resonance line Ri belonging to lithium ions is obtained in the range of -10 ppm to 200 ppm with respect to the resonance line Rs of the reference substance shown in FIG. 3 as shown in FIG. On the other hand, in the fully charged state, as shown in FIG. 5, the resonance line Ri belonging to lithium ions in the range of −10 ppm to 200 ppm and the lithium metal in the range of 250 ppm to 280 ppm with respect to the resonance line Rs of the reference material. The assigned resonance line Rm is obtained. On the other hand, before the first charge, or when lithium ions are not occluded in the negative electrode mixture layer 22B before lithium ions are released from the positive electrode material capable of inserting and extracting lithium during the initial charge, In the complete discharge state, as shown in FIG. 6, a resonance line Ri belonging to lithium ions and a resonance line Rm belonging to lithium metal are obtained with respect to the resonance line Rs of the reference material, but in the complete discharge state, As shown in FIG. 7, the resonance line Ri attributed to lithium ions is hardly obtained. The completely discharged state is, for example, a state defined and described in “Guide to Transport of Lithium Batteries and Lithium Ion Batteries” issued by the Japan Storage Battery Association (Battery Manufacturers Association), or from the negative electrode 22 to the positive electrode 21. Corresponds to the case where supply of the electrode reactive species (here, lithium ions) is stopped. In this secondary battery, for example, when the closed-circuit voltage reaches 2.75 V, it can be regarded as “completely discharged”.

このように、初回充電前に、または、初回充電時にリチウムを吸蔵および離脱することが可能な正極材料からリチウムイオンが離脱する前に負極合剤層22Bに吸蔵されているリチウムイオン(以下、ストックリチウムという)により、この二次電池では、リチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料の初回充放電効率が改善され、放電容量を向上させることができるようになっている。また、析出したリチウム金属が負極22から脱落したり、電解液と反応するなどして充放電反応に寄与しなくなっても、その充放電に寄与しないリチウム金属の容量喪失分がストックリチウムにより補充され、ストックリチウムが消費されるまでは、放電容量は正極21の充放電効率に規制される。よって、放電容量が負極の充放電効率に規制される従来の二次電池に比べて、充放電サイクル特性を向上させることが可能となっている。更に、過放電になっても負極22の電位上昇が抑制されるため、負極集電体22Aの溶解を抑制することもできるようになっている。   As described above, the lithium ions (hereinafter referred to as “stock”) stored in the negative electrode mixture layer 22B before the first charging or before the lithium ions are released from the positive electrode material capable of storing and releasing lithium during the first charging. In this secondary battery, the initial charge / discharge efficiency of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium is improved, and the discharge capacity can be improved. Even if the deposited lithium metal does not contribute to the charge / discharge reaction due to dropping from the negative electrode 22 or reacting with the electrolytic solution, the loss of capacity of the lithium metal that does not contribute to the charge / discharge is replenished by the stock lithium. Until stock lithium is consumed, the discharge capacity is regulated by the charge and discharge efficiency of the positive electrode 21. Therefore, it is possible to improve the charge / discharge cycle characteristics as compared with a conventional secondary battery in which the discharge capacity is regulated by the charge / discharge efficiency of the negative electrode. Furthermore, since the potential rise of the negative electrode 22 is suppressed even if overdischarge occurs, the dissolution of the negative electrode current collector 22A can be suppressed.

特に、完全放電状態における基準物質の共鳴線Rsに対するリチウムイオンに帰属する共鳴線Riの面積比が、放電をする直前の完全充電状態における基準物質の共鳴線Rsに対するリチウムイオンに帰属する共鳴線Riの面積比の3%以上であれば、充放電サイクルによる放電容量の劣化が著しく抑制されるので好ましい。例えば、内部標準物質として塩化リチウムを用いると、完全放電状態には図8に示したようなスペクトルが得られ、完全充電状態には図9に示したようなスペクトルが得られるが、この場合は、(完全放電状態におけるリチウムイオンに帰属する共鳴線Riの面積Ai)/(完全放電状態における基準物質の共鳴線Rsの面積As)≧(完全充電状態におけるリチウムイオンに帰属する共鳴線Riの面積Ai)/(完全充電状態における基準物質の共鳴線Rsの面積As)×0.03であることが好ましい。   In particular, the area ratio of the resonance line Ri belonging to lithium ions to the resonance line Rs of the reference substance in the completely discharged state is the resonance line Ri belonging to lithium ions to the resonance line Rs of the reference substance in the fully charged state immediately before discharging. If the area ratio is 3% or more, the deterioration of the discharge capacity due to the charge / discharge cycle is significantly suppressed. For example, when lithium chloride is used as the internal standard material, a spectrum as shown in FIG. 8 is obtained in a completely discharged state, and a spectrum as shown in FIG. 9 is obtained in a fully charged state. In this case, , (Area Ai of resonance line Ri belonging to lithium ions in fully discharged state) / (area As of resonance line Rs of reference substance in completely discharged state) ≧ (area of resonance line Ri belonging to lithium ions in fully charged state) Ai) / (Area As of resonance line Rs of reference material in fully charged state) × 0.03 is preferred.

このような電池は、組み立て時には、例えば次のいずれかの構成を有している。   When assembled, such a battery has, for example, one of the following configurations.

第1は、負極合剤層22Bの表面にリチウム金属よりなる金属状態の軽金属層を備えている。この場合、軽金属層の少なくとも一部が、負極合剤層22Bとの接触界面の電位差を駆動力として自発的に溶解し、ストックリチウムとなる。軽金属層は、例えば、負極合剤層22Bの表面に、スパッタリング法,真空蒸着法,レーザーアブレーション法あるいはイオンプレーティング法などの乾式成膜法によりリチウム金属を堆積させることにより形成されたものでもよく、圧着あるいはその他の手段で負極合剤層22Bに貼り付けられたリチウム金属箔により構成されていてもよい。但し、乾式成膜法により形成されたものの方が、薄膜化および平坦化が図られており、リチウムイオンの吸蔵を均一に進行することができ、残存が抑制されるので好ましい。軽金属層の形状は特に限定されず、例えば、パターニングされていてもよい。   First, a light metal layer in the metal state made of lithium metal is provided on the surface of the negative electrode mixture layer 22B. In this case, at least a part of the light metal layer is spontaneously dissolved using the potential difference at the contact interface with the negative electrode mixture layer 22B as a driving force to become stock lithium. The light metal layer may be formed, for example, by depositing lithium metal on the surface of the negative electrode mixture layer 22B by a dry film forming method such as a sputtering method, a vacuum evaporation method, a laser ablation method, or an ion plating method. Alternatively, it may be constituted by a lithium metal foil attached to the negative electrode mixture layer 22B by pressure bonding or other means. However, a film formed by a dry film formation method is preferable because thinning and flattening are achieved, lithium ion occlusion can proceed uniformly, and remaining is suppressed. The shape of the light metal layer is not particularly limited, and may be, for example, patterned.

第2は、負極合剤層22Bに電気化学的処理によってストックリチウムが吸蔵されている。例えば、軽金属層を形成した負極22に、電解槽中で電流を加えたり、軽金属層と負極合剤層22Bとを接触させることにより、負極合剤層22Bにストックリチウムが吸蔵されている。   Second, stock lithium is occluded in the negative electrode mixture layer 22B by electrochemical treatment. For example, by applying a current to the negative electrode 22 having the light metal layer formed therein in an electrolytic bath or by bringing the light metal layer into contact with the negative electrode mixture layer 22B, the stock lithium is occluded in the negative electrode mixture layer 22B.

第3は、負極合剤層22Bが、負極活物質および結着剤などに加えて、リチウム金属あるいはリチウム化合物を含んでいる。この場合、リチウム金属あるいはリチウム化合物が自発的に溶解し、ストックリチウムとなる。   Third, the negative electrode mixture layer 22B contains lithium metal or a lithium compound in addition to the negative electrode active material and the binder. In this case, the lithium metal or lithium compound spontaneously dissolves to become stock lithium.

第4は、負極合剤層22Bに化学的処理によってストックリチウムが吸蔵されている。例えば、電池組み立て前に負極合剤層22Bをn−ブチルリチウムなどの有機リチウムあるいはヨウ化リチウムなどのハロゲン化リチウムと反応させる、または、溶媒中においてCo(C2 4 )(PCH3 )などのコバルト錯塩を触媒としてリチウム金属と反応させるなどして、負極合剤層22Bにストックリチウムが吸蔵されている。 Fourth, stock lithium is occluded in the negative electrode mixture layer 22B by a chemical treatment. For example, the negative electrode mixture layer 22B is reacted with an organic lithium such as n-butyl lithium or a lithium halide such as lithium iodide before assembling the battery, or in a solvent such as Co (C 2 H 4 ) (PCH 3 ). Stock lithium is occluded in the negative electrode mixture layer 22B by, for example, reacting with lithium metal using a cobalt complex salt of the above as a catalyst.

第5は、負極合剤層22Bにナフタレン,フェナントレンあるいはアントラセンなどの芳香族炭化水素とリチウム金属との錯体の状態でストックリチウムが吸蔵されている。錯体は、金属イオンに溶媒和することが可能なジメトキシエタン,ジメチルスルホキシドあるいはヘキサメチルフォスフィルアミド,テトラヒドロフラン,ジオキソラン,2,5−ジメチルテトラヒドロフラン等の有機溶媒中に分散させ、その有機溶媒中に負極合剤層22Bを浸すことにより負極合剤層22中に吸蔵させてもよい。   Fifth, stock lithium is occluded in the anode mixture layer 22B in the form of a complex of an aromatic hydrocarbon such as naphthalene, phenanthrene or anthracene and lithium metal. The complex is dispersed in an organic solvent such as dimethoxyethane, dimethylsulfoxide or hexamethylphosphiramide, tetrahydrofuran, dioxolan, 2,5-dimethyltetrahydrofuran which can be solvated with metal ions, and the negative electrode is dispersed in the organic solvent. The negative electrode mixture layer 22 may be occluded by immersing the mixture layer 22B.

第6は、電解質が例えば正極21で酸化分解するリチウム塩(以下、酸化分解リチウム塩という)を含んでいる。この場合、酸化分解リチウム塩の酸化電位が正極21からリチウムイオンが離脱する電位よりも卑であるために、初回充電時において正極21からリチウムイオンが離脱する前に、酸化分解リチウム塩が優先的に正極21で酸化分解し、リチウムイオンと二酸化炭素(CO2 )とを生成する。生成したリチウムイオンは負極22で還元されて負極合剤層22Bにストックリチウムとなって吸蔵される。酸化分解リチウム塩としては、例えば、シュウ酸リチウム,ギ酸リチウム,酢酸リチウムあるいはプロピオン酸リチウムが挙げられる。 Sixth, the electrolyte contains, for example, a lithium salt that is oxidatively decomposed at the positive electrode 21 (hereinafter, referred to as an oxidatively decomposed lithium salt). In this case, since the oxidation potential of the oxidized lithium salt is lower than the potential at which lithium ions are released from the positive electrode 21, the oxidized lithium salt is prioritized before the lithium ions are released from the positive electrode 21 during the first charge. Oxidized and decomposed by the positive electrode 21 to generate lithium ions and carbon dioxide (CO 2 ). The generated lithium ions are reduced by the negative electrode 22 and stored as stock lithium in the negative electrode mixture layer 22B. Examples of the oxidatively decomposed lithium salt include lithium oxalate, lithium formate, lithium acetate and lithium propionate.

第7は、電池内の電解液が接触する部分に、不可逆的にリチウムを放出する物質(以下、リチウム放出物質という)、例えばリチウム金属を有している。例えば、正極21にリチウム放出物質を含んでいてもよく、センターピン24の表面にリチウム放出物質が貼り付けられていてもよく、電解液が接触する電池内のデットスペースにリチウム放出物質が貼り付けられていてもよい。なお、正極21にリチウム放出物質を含む場合には、正極合剤層21Bの表面に上述の乾式成膜法により堆積され、あるいは箔として貼り合わされて軽金属層を形成していてもよく、正極活物質,結着剤および導電剤に加えて、粉末の状態で正極合剤層21Bに含まれていてもよい。これらの場合、例えば、正極21からリチウムイオンが離脱する前に、リチウム放出物質が酸化されてリチウムイオンを放出する。放出されたリチウムイオンは負極22で還元されて負極合剤層22Bにストックリチウムとなって吸蔵される。   Seventh, a material that irreversibly releases lithium (hereinafter, referred to as a lithium releasing material), for example, lithium metal, is provided in a portion of the battery where the electrolyte contacts. For example, the positive electrode 21 may include a lithium releasing substance, the lithium releasing substance may be bonded to the surface of the center pin 24, and the lithium releasing substance may be bonded to a dead space in the battery where the electrolyte contacts. It may be. When the positive electrode 21 contains a lithium releasing substance, the light metal layer may be formed on the surface of the positive electrode mixture layer 21B by the above-mentioned dry film formation method or bonded as a foil to form a light metal layer. In addition to the substance, the binder, and the conductive agent, the positive electrode mixture layer 21B may be contained in a powdery state. In these cases, for example, before lithium ions are detached from the positive electrode 21, the lithium releasing substance is oxidized to release lithium ions. The released lithium ions are reduced by the negative electrode 22 and occluded in the negative electrode mixture layer 22B as stock lithium.

第8は、正極にニッケル酸リチウムなどのニッケルを含む正極活物質を用い、負極22の初回充放電効率よりも正極21の初回充放電効率の方が小さくなっている。この場合、正極21の初回充放電効率よりも負極22の初回充放電効率が大きい分だけ、リチウムイオンが負極22にストックリチウムとなって残存する。   Eighth, a positive electrode active material containing nickel such as lithium nickel oxide is used for the positive electrode, and the initial charge / discharge efficiency of the positive electrode 21 is smaller than the initial charge / discharge efficiency of the negative electrode 22. In this case, as much as the initial charge / discharge efficiency of the negative electrode 22 is larger than the initial charge / discharge efficiency of the positive electrode 21, lithium ions remain as stock lithium in the negative electrode 22.

第1ないし第5の場合、負極22が組み立て時に有するリチウムの容量は、リチウム金属の吸蔵および離脱による容量、より具体的には、リチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料の容量に対して1%以上100%以下の範囲であることが好ましく、10%以上50%以下の範囲であればより好ましい。また、第6の場合、酸化分解リチウム塩の物質量は、負極22におけるリチウムの吸蔵および離脱による容量に相当するリチウムの物質量以下であることが好ましい。例えば、リチウム塩に含まれるリチウムの容量は、リチウムの吸蔵および離脱による容量に対して1%以上100%以下の範囲であることが好ましく、10%以上50%以下の範囲であればより好ましい。更に、第7の場合、組み立て時に有するリチウム放出物質によるリチウムの容量は、負極22におけるリチウムの吸蔵および離脱による容量に対して1%以上100%以下の範囲であることが好ましく、10%以上50%以下の範囲であればより好ましい。負極22が組み立て時に有するリチウムの量、または酸化分解リチウム塩の物質量、またはリチウム放出物質の量は多いほど、充放電サイクル時の放電容量の劣化抑制には有利になると考えられるが、多すぎると完全充電時に負極22に析出するリチウム金属量が増加し、電池特性に悪影響を及ぼす場合があるからである。   In the first to fifth cases, the capacity of the negative electrode 22 at the time of assembling of the negative electrode 22 is determined by the capacity of inserting and extracting lithium metal, more specifically, the capacity of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium. Is preferably in the range of 1% to 100%, more preferably 10% to 50%. In the sixth case, the amount of the oxidatively decomposed lithium salt is preferably equal to or less than the amount of lithium corresponding to the capacity of the anode 22 due to insertion and extraction of lithium. For example, the capacity of lithium contained in the lithium salt is preferably in the range of 1% or more and 100% or less, more preferably 10% or more and 50% or less, with respect to the capacity due to insertion and extraction of lithium. Further, in the seventh case, the capacity of lithium by the lithium releasing material at the time of assembly is preferably in the range of 1% or more and 100% or less, and more preferably 10% or more and 50% or less of the capacity of the negative electrode 22 due to insertion and extraction of lithium. % Is more preferable. It is considered that the larger the amount of lithium, or the amount of oxidized and decomposed lithium salt, or the amount of lithium releasing substance that the negative electrode 22 has at the time of assembly is more advantageous for suppressing the deterioration of the discharge capacity during charge / discharge cycles, but too large. This is because the amount of lithium metal deposited on the negative electrode 22 at the time of full charge increases, which may adversely affect battery characteristics.

この二次電池では、正極合剤層21Bの厚みAと負極合剤層22Bの厚みBとの比(A/B)は、0.92以上であることが好ましい。この厚み比(A/B)は正極合剤層21Bおよび負極合剤層22Bの容量により異なってくるが、0.92以上であれば、開回路電圧が過充電電圧よりも低い状態において負極22に安定してリチウム金属を析出させることができ、高いエネルギー密度および良好な充放電サイクル特性を得ることができるからである。また、この厚み比(A/B)が大きいほど大きなエネルギー密度を得られる傾向にあるが、大き過ぎると充放電サイクル特性が低下するおそれがあるので、厚み比(A/B)は例えば2.0以下であることが好ましい。   In this secondary battery, the ratio (A / B) of the thickness A of the positive electrode mixture layer 21B to the thickness B of the negative electrode mixture layer 22B is preferably 0.92 or more. The thickness ratio (A / B) varies depending on the capacities of the positive electrode mixture layer 21B and the negative electrode mixture layer 22B. If the thickness ratio is 0.92 or more, the negative electrode 22B may have a lower open circuit voltage than the overcharge voltage. This is because lithium metal can be deposited stably and high energy density and good charge / discharge cycle characteristics can be obtained. The larger the thickness ratio (A / B) is, the higher the energy density tends to be. However, if the ratio is too large, the charge / discharge cycle characteristics may be reduced. It is preferably 0 or less.

ここで、正極合剤層21Bの厚みAというのは、正極集電体21Aの両側の厚みAd1,Ad2の和(Ad1+Ad2)で表される。負極合剤層22Bの厚みBもまた、負極集電体22Aの両側の厚みBd1,Bd2の和(Bd1+Bd2)で表される。なお、正極合剤層21Bまたは負極合剤層22Bは、巻回電極体20の最内周側の端部または最外周側の端部において、正極集電体21Aまたは負極集電体22Aの両面でなく片面にのみ設けられる場合もある。この場合も、正極合剤層21Bの厚みAはAd1+Ad2、負極合剤層22Bの厚みBはBd1+Bd2で表され、その最も厚い部分の厚みが本発明における正極合剤層21Bの厚みAまたは負極合剤層22Bの厚みBと定義される。正極合剤層21Bが正極集電体21Aの片面にしか設けられない場合、または負極合剤層22Bが負極集電体22Aの片面にしか設けられない場合も同様であり、これらの場合、両側の厚みの和というのは片側の厚みとなる。   Here, the thickness A of the positive electrode mixture layer 21B is represented by the sum (Ad1 + Ad2) of the thicknesses Ad1 and Ad2 on both sides of the positive electrode current collector 21A. The thickness B of the negative electrode mixture layer 22B is also represented by the sum (Bd1 + Bd2) of the thicknesses Bd1 and Bd2 on both sides of the negative electrode current collector 22A. In addition, the positive electrode mixture layer 21B or the negative electrode mixture layer 22B is formed on both surfaces of the positive electrode current collector 21A or the negative electrode current collector 22A at the innermost end or the outermost end of the spirally wound electrode body 20. In some cases, it is provided only on one side. Also in this case, the thickness A of the positive electrode mixture layer 21B is represented by Ad1 + Ad2 and the thickness B of the negative electrode mixture layer 22B is represented by Bd1 + Bd2, and the thickness of the thickest portion is the thickness A of the positive electrode mixture layer 21B or the negative electrode mixture layer in the present invention. It is defined as the thickness B of the agent layer 22B. The same applies to the case where the positive electrode mixture layer 21B is provided only on one surface of the positive electrode current collector 21A or the case where the negative electrode mixture layer 22B is provided only on one surface of the negative electrode current collector 22A. Is the thickness on one side.

また、負極合剤層22Bの厚みBは、負極合剤層22Bにリチウム金属が析出していない状態における厚み、例えば完全放電状態における厚みのことである。すなわち、析出されたリチウム金属の厚みを含まない。   The thickness B of the negative electrode mixture layer 22B is a thickness in a state where lithium metal is not deposited on the negative electrode mixture layer 22B, for example, a thickness in a completely discharged state. That is, it does not include the thickness of the deposited lithium metal.

セパレータ23は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン,ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどの合成樹脂製の多孔質膜、またはセラミック製の多孔質膜により構成されており、これら2種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。中でも、ポリオレフィン製の多孔質膜はショート防止効果に優れ、かつシャットダウン効果による電池の安全性向上を図ることができるので好ましい。特に、ポリエチレンは、100℃以上160℃以下の範囲内においてシャットダウン効果を得ることができ、かつ電気化学的安定性にも優れているので、セパレータ23を構成する材料として好ましい。また、ポリプロピレンも好ましく、他にも化学的安定性を備えた樹脂であればポリエチレンあるいはポリプロピレンと共重合させたり、またはブレンド化することで用いることができる。   The separator 23 is made of, for example, a porous film made of a synthetic resin such as polytetrafluoroethylene, polypropylene, or polyethylene, or a porous film made of a ceramic, and has a structure in which two or more kinds of these porous films are laminated. It may be. Above all, a porous film made of polyolefin is preferable because it has an excellent short-circuit prevention effect and can improve the safety of the battery by a shutdown effect. In particular, polyethylene is preferable as a material constituting the separator 23 because it can obtain a shutdown effect in a range of 100 ° C. or more and 160 ° C. or less and has excellent electrochemical stability. Polypropylene is also preferable, and any other resin having chemical stability can be used by copolymerizing or blending with polyethylene or polypropylene.

このポリオレフィン製の多孔質膜は、例えば、溶融状態のポリオレフィン組成物に溶融状態で液状の低揮発性溶媒を混練し、均一なポリオレフィン組成物の高濃度溶液としたのち、これをダイスにより成型し、冷却してゲル状シートとし、延伸することにより得られる。   This polyolefin porous film is, for example, a liquid polyolefin composition in a molten state is kneaded with a liquid low-volatile solvent in a molten state to form a uniform polyolefin composition high-concentration solution, which is then molded with a die. It is obtained by cooling to a gel-like sheet and stretching.

低揮発性溶媒としては、例えば、ノナン,デカン,デカリン,p−キシレン,ウンデカンあるいは流動パラフィンなどの低揮発性脂肪族または環式の炭化水素を用いることができる。ポリオレフィン組成物と低揮発性溶媒との配合割合は、両者の合計を100質量%として、ポリオレフィン組成物が10質量%以上80質量%以下、更には15質量%以上70質量%以下であることが好ましい。ポリオレフィン組成物が少なすぎると、成型時にダイス出口で膨潤あるいはネックインが大きくなり、シート成形が困難となるからである。一方、ポリオレフィン組成物が多すぎると、均一な溶液を調製することが難しいからである。   As the low volatile solvent, for example, a low volatile aliphatic or cyclic hydrocarbon such as nonane, decane, decalin, p-xylene, undecane or liquid paraffin can be used. The blending ratio of the polyolefin composition and the low-volatile solvent may be 10% to 80% by mass, and more preferably 15% to 70% by mass, with the total of both being 100% by mass. preferable. If the amount of the polyolefin composition is too small, swelling or neck-in becomes large at the die exit during molding, and sheet molding becomes difficult. On the other hand, if the polyolefin composition is too large, it is difficult to prepare a uniform solution.

ポリオレフィン組成物の高濃度溶液をダイスにより成型する際には、シートダイスの場合、ギャップは例えば0.1mm以上5mm以下とすることが好ましい。また、押し出し温度は140℃以上250℃以下、押し出し速度は2cm/分以上30cm/分以下とすることが好ましい。   When a high-concentration solution of the polyolefin composition is molded by a die, in the case of a sheet die, the gap is preferably, for example, 0.1 mm or more and 5 mm or less. Further, it is preferable that the extrusion temperature is 140 ° C. or more and 250 ° C. or less, and the extrusion speed is 2 cm / min or more and 30 cm / min or less.

冷却は、少なくともゲル化温度以下まで行う。冷却方法としては、冷風,冷却水,その他の冷却媒体に直接接触させる方法、または冷媒で冷却したロールに接触させる方法などを用いることができる。なお、ダイスから押し出したポリオレフィン組成物の高濃度溶液は、冷却前あるいは冷却中に1以上10以下、好ましくは1以上5以下の引取比で引き取ってもよい。引取比が大きすぎると、ネックインが大きくなり、また延伸する際に破断も起こしやすくなり、好ましくないからである。   Cooling is performed at least to a gelling temperature or lower. As a cooling method, a method of directly contacting with cold air, cooling water, or another cooling medium, a method of contacting with a roll cooled by a refrigerant, or the like can be used. The high-concentration solution of the polyolefin composition extruded from the die may be taken off at a take-up ratio of 1 to 10 and preferably 1 to 5 before or during cooling. If the take-up ratio is too large, neck-in becomes large, and breakage tends to occur during stretching, which is not preferable.

ゲル状シートの延伸は、例えば、このゲル状シートを加熱し、テンター法、ロール法、圧延法あるいはこれらを組み合わせた方法により、二軸延伸で行うことが好ましい。その際、縦横同時延伸でも、逐次延伸のいずれでもよいが、特に、同時二次延伸が好ましい。延伸温度は、ポリオレフィン組成物の融点に10℃を加えた温度以下、更には結晶分散温度以上融点未満とすることが好ましい。延伸温度が高すぎると、樹脂の溶融により延伸による効果的な分子鎖配向ができず好ましくないからであり、延伸温度が低すぎると、樹脂の軟化が不十分となり、延伸の際に破膜しやすく、高倍率の延伸ができないからである。   The stretching of the gel-like sheet is preferably performed by biaxial stretching, for example, by heating the gel-like sheet and using a tenter method, a roll method, a rolling method, or a combination thereof. At that time, either vertical or horizontal simultaneous stretching or sequential stretching may be used, but simultaneous secondary stretching is particularly preferable. The stretching temperature is preferably equal to or lower than the temperature obtained by adding 10 ° C. to the melting point of the polyolefin composition, and more preferably equal to or higher than the crystal dispersion temperature and lower than the melting point. If the stretching temperature is too high, an effective molecular chain orientation due to stretching cannot be performed due to melting of the resin, which is not preferable.If the stretching temperature is too low, the softening of the resin becomes insufficient and the film breaks during stretching. This is because it is easy to perform stretching at a high magnification.

なお、ゲル状シートを延伸したのち、延伸した膜を揮発溶剤で洗浄し、残留する低揮発性溶媒を除去することが好ましい。洗浄したのちは、延伸した膜を加熱あるいは送風により乾燥させ、洗浄溶媒を揮発させる。洗浄溶剤としては、例えば、ペンタン,ヘキサン,ヘブタンなどの炭化水素、塩化メチレン,四塩化炭素などの塩素系炭化水素、三フッ化エタンなどのフッ化炭素、またはジエチルエーテル,ジオキサンなどのエーテル類のように易揮発性のものを用いる。洗浄溶剤は用いた低揮発性溶媒に応じて選択され、単独あるいは混合して用いられる。洗浄は、揮発性溶剤に浸漬して抽出する方法、揮発性溶剤を振り掛ける方法、あるいはこれらを組み合わせた方法により行うことができる。この洗浄は、延伸した膜中の残留低揮発性溶媒がポリオレフィン組成物100質量部に対して1質量部未満となるまで行う。   It is preferable that after stretching the gel-like sheet, the stretched film is washed with a volatile solvent to remove the remaining low-volatile solvent. After washing, the stretched film is dried by heating or blowing, and the washing solvent is volatilized. Examples of the washing solvent include hydrocarbons such as pentane, hexane, and hebutane; chlorinated hydrocarbons such as methylene chloride and carbon tetrachloride; carbon fluorides such as ethane trifluoride; and ethers such as diethyl ether and dioxane. As described above, a volatile material is used. The washing solvent is selected according to the low-volatile solvent used, and used alone or in combination. Washing can be performed by a method of immersing in a volatile solvent for extraction, a method of sprinkling with a volatile solvent, or a method combining these. This washing is performed until the residual low-volatile solvent in the stretched film becomes less than 1 part by mass with respect to 100 parts by mass of the polyolefin composition.

セパレータ23に含浸された電解液は、液状の溶媒、例えば有機溶剤などの非水溶媒と、この非水溶媒に溶解された電解質塩であるリチウム塩とを含んでいる。液状の非水溶媒というのは、例えば、非水化合物よりなり、25℃における固有粘度が10.0mPa・s以下のものを言う。なお、電解質塩を溶解した状態での固有粘度が10.0mPa・s以下のものでもよく、複数種の非水化合物を混合して溶媒を構成する場合には、混合した状態での固有粘度が10.0mPa・s以下であればよい。このような非水溶媒としては、比較的誘電率の高い高誘電率溶媒のいずれか1種または2種以上を主溶媒として用い、更に低粘度溶媒のいずれか1種または2種以上を混合したものを用いることが望ましい。   The electrolytic solution impregnated in the separator 23 contains a liquid solvent, for example, a non-aqueous solvent such as an organic solvent, and a lithium salt which is an electrolyte salt dissolved in the non-aqueous solvent. The liquid non-aqueous solvent is, for example, a non-aqueous compound having an intrinsic viscosity at 25 ° C. of 10.0 mPa · s or less. In addition, the intrinsic viscosity in a state where the electrolyte salt is dissolved may be 10.0 mPa · s or less. When a plurality of types of non-aqueous compounds are mixed to form a solvent, the intrinsic viscosity in the mixed state may be less than 10.0 mPa · s. What is necessary is just 10.0 mPa * s or less. As such a non-aqueous solvent, one or more of high dielectric constant solvents having a relatively high dielectric constant were used as a main solvent, and further, one or more of low viscosity solvents were mixed. It is desirable to use one.

高誘電率溶媒としては、例えば、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、γ−ブチロラクトンあるいはバレロラクトン類が挙げられる。低粘度溶媒としては、例えば、ジエチルカーボネートあるいはジメチルカーボネートなどの対称構造を有する鎖状炭酸エステル、メチルエチルカーボネートあるいはメチルプロピルカーボネートなどの非対称構造を有する鎖状炭酸エステル、プロピオン酸メチルあるいはプロピオン酸エチルなどのカルボン酸エステル、またはリン酸トリメチルあるいはリン酸トリエチルなどのリン酸エステルが挙げられる。   Examples of the high dielectric constant solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, γ-butyrolactone, and valerolactones. As the low-viscosity solvent, for example, a chain carbonate having a symmetric structure such as diethyl carbonate or dimethyl carbonate, a chain carbonate having an asymmetric structure such as methyl ethyl carbonate or methyl propyl carbonate, methyl propionate or ethyl propionate Or a phosphoric acid ester such as trimethyl phosphate or triethyl phosphate.

また、非水溶媒は、高誘電率溶媒および低粘度溶媒に加えて、ビニレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシメタン、テトラヒドロフラン、2ーメチルテトラヒドロフラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、スルホラン、メチルスルホラン、2,4−ジフロルオロアニソール、2,6−ジフロルオロアニソールなどを含むことが好ましい。電池特性を改善することができるからである。なお、これらの非水溶媒における含有量は40容量%以下、さらには20容量%以下であることが望ましい。   The non-aqueous solvent includes vinylene carbonate, trifluoropropylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxymethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, It is preferable to include -methyl-1,3-dioxolan, sulfolane, methylsulfolane, 2,4-difluoro-anisole, 2,6-difluoro-anisole and the like. This is because battery characteristics can be improved. The content in these non-aqueous solvents is preferably 40% by volume or less, more preferably 20% by volume or less.

リチウム塩としては、例えば、LiPF6 ,LiClO4 ,LiAsF6 ,LiBF4 ,LiB(C6 5 4 ,CH3 SO3 Li,CF3 SO3 Li,LiN(CF3 SO2 2 ,LiC(CF3 SO2 3 ,LiClあるいはLiBrが挙げられる。リチウム塩は、いずれか1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。2種以上混合して用いる場合、LiPF6 を主成分とすることが望ましい。LiPF6 は、導電率が高く、酸化安定性にも優れているからである。 As the lithium salt, for example, LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiB (C 6 H 5 ) 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiCl or LiBr. As the lithium salt, any one kind may be used alone, or two or more kinds may be used in combination. When two or more kinds are used in combination, it is desirable that LiPF 6 be the main component. This is because LiPF 6 has high conductivity and excellent oxidation stability.

これらリチウム塩の含有量(濃度)は溶媒に対して0.5mol/kg以上3.0mol/kg以下の範囲内であることが好ましい。この範囲外ではイオン伝導度の極端な低下により十分な電池特性が得られなくなる恐れがあるからである。   The content (concentration) of these lithium salts is preferably in the range of 0.5 mol / kg to 3.0 mol / kg with respect to the solvent. If the content is outside this range, sufficient battery characteristics may not be obtained due to an extreme decrease in ionic conductivity.

なお、電解液に代えて、高分子化合物に電解液を保持させたゲル状の電解質を用いてもよい。電解液(すなわち液状の溶媒および電解質塩)については上述のとおりである。高分子化合物としては、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデンとポリヘキサフルオロプロピレンとの共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリフォスファゼン、ポリシロキサン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、スチレン−ブタジエンゴム、ニトリル−ブタジエンゴム、ポリスチレンあるいはポリカーボネートが挙げられる。特に、電気化学的安定性の点からは、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレンあるいはポリエチレンオキサイドの構造を持つ高分子化合物を用いることが望ましい。電解液に対する高分子化合物の添加量は両者の相溶性によっても異なるが、通常、電解液の5質量%〜50質量%に相当する高分子化合物を添加することが好ましい。   Note that, instead of the electrolytic solution, a gel electrolyte in which a polymer compound holds the electrolytic solution may be used. The electrolyte (that is, the liquid solvent and the electrolyte salt) is as described above. As the polymer compound, for example, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, a copolymer of polyvinylidene fluoride and polyhexafluoropropylene, polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyphosphazene, poly Examples include siloxane, polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polymethyl methacrylate, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, styrene-butadiene rubber, nitrile-butadiene rubber, polystyrene and polycarbonate. In particular, from the viewpoint of electrochemical stability, it is desirable to use a polymer compound having a structure of polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, or polyethylene oxide. The amount of the polymer compound to be added to the electrolyte varies depending on the compatibility of both, but it is usually preferable to add a polymer corresponding to 5% by mass to 50% by mass of the electrolyte.

この二次電池では、充電を行うと、正極合剤層21Bからリチウムイオンが離脱し、電解質を介してまず負極合剤層22Bに含まれるリチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料に吸蔵される。更に充電を続けると、開回路電圧が過充電電圧よりも低い状態において、充電容量がリチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料の充電容量能力を超え、リチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料の表面にリチウム金属が析出し始める。そののち、充電を終了するまで負極22にはリチウム金属が析出し続ける。   In this secondary battery, when charged, lithium ions are released from the positive electrode mixture layer 21B, and the lithium contained in the negative electrode mixture layer 22B is inserted into the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium via the electrolyte. Is done. When charging is continued, the charge capacity exceeds the charge capacity capacity of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium, and the lithium can be inserted and extracted when the open circuit voltage is lower than the overcharge voltage. The lithium metal starts to precipitate on the surface of the negative electrode material. Thereafter, lithium metal continues to be deposited on the negative electrode 22 until charging is completed.

次いで、放電を行うと、まず、負極22に析出したリチウム金属がイオンとなって溶出し、電解質を介して正極合剤層21Bに吸蔵される。更に放電を続けると、負極合剤層22B中のリチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料に吸蔵されたリチウムイオンが離脱し、電解質を介して正極合剤層21Bに吸蔵される。その際、充電時に活性な負極22と電解質との界面で炭酸リチウムあるいはフッ化リチウムなどのリチウム化合物による被膜が電気化学的に形成されたり、リチウム金属として析出したリチウムが折れるなどして電気化学的にリチウムが失活してもストックリチウムにより、その失活したリチウムの容量分が補填される。よって、この負極合剤層22Bに吸蔵されたリチウムが消費されるまでは、正極21に受け入れ可能な量のリチウムが、正極21と負極22とを行き来する。その結果、エネルギー密度,充放電サイクル特性および初回充放電効率が向上する。   Next, when discharging is performed, first, lithium metal deposited on the negative electrode 22 is eluted as an ion and occluded in the positive electrode mixture layer 21B via the electrolyte. When the discharge is further continued, lithium ions occluded in the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium in the negative electrode mixture layer 22B are released and occluded in the positive electrode mixture layer 21B via the electrolyte. At that time, a film of lithium compound such as lithium carbonate or lithium fluoride is electrochemically formed at the interface between the negative electrode 22 and the electrolyte that are active during charging, or the lithium deposited as lithium metal is broken to cause electrochemical damage. Even if lithium is deactivated, the capacity of the deactivated lithium is supplemented by the stock lithium. Therefore, until the lithium occluded in the negative electrode mixture layer 22 </ b> B is consumed, an amount of lithium acceptable to the positive electrode 21 flows between the positive electrode 21 and the negative electrode 22. As a result, the energy density, charge / discharge cycle characteristics, and initial charge / discharge efficiency are improved.

また、充放電機器の故障などによりいわゆる過放電状態になったときにも負極22にリチウムが吸蔵されているので、負極22の放電電位が貴にならず、負極集電体22Aの溶解電位まで上昇することが抑制される。すなわち、耐過放電性が向上する。   In addition, even when the charging / discharging device is in a so-called over-discharge state due to a failure or the like, lithium is occluded in the negative electrode 22, so that the discharge potential of the negative electrode 22 does not become noble and reaches the melting potential of the negative electrode current collector 22A. The rise is suppressed. That is, the overdischarge resistance is improved.

この二次電池の製造方法は、上述のように初回完全充電時の負極22の容量が、組み立て時の正極21の理論容量よりも大きくなるように、正極21,負極22あるいは電解質を構成することを除き、他は公知の方法と同様である。   In the method of manufacturing the secondary battery, the positive electrode 21, the negative electrode 22, or the electrolyte is configured so that the capacity of the negative electrode 22 at the time of the first full charge is larger than the theoretical capacity of the positive electrode 21 at the time of assembly as described above. Except for the above, others are the same as the known methods.

このように本実施の形態では、負極22が組み立て時に金属状態のリチウムを有するようにしたので、または、組み立て時の負極22にイオン状態のリチウムを吸蔵するようにしたので、または、電解質が酸化分解リチウム塩を含むようにしたので、または、正極21が組み立て時にリチウム放出物質を有するようにしたので、または、初回完全充電時の負極22の容量が組み立て時の正極21の理論容量よりも大きくなるようにしたので、または、完全充電状態および完全放電状態において塩化リチウムを基準物質として用いた固体 7Li多核種核磁気共鳴分光分析において、基準物質の共鳴線Rsに対して−10ppm〜200ppmの範囲にリチウムイオンに帰属する共鳴線Riが得られ、完全放電状態における基準物質の共鳴線Rsに対するリチウムイオンに帰属する共鳴線Riの面積比が、完全充電状態における基準物質の共鳴線Rsに対するリチウムイオンに帰属する共鳴線Riの面積比の3%以上の負極22を用いるようにしたので、リチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料の初回充放電効率が改善され、放電容量を向上させることができる。また、充電時に析出したリチウム金属が負極22から脱落したり、電解質と反応するなどして失活しても、その失活による容量喪失分がストックリチウムにより補充され、ストックリチウムが消費されるまでは、放電容量は正極の充放電効率に規制されるので、放電容量が負極の充放電効率に規制される従来の二次電池に比べて、充放電サイクル特性を向上させることが可能となる。更に、過放電になっても負極22の電位上昇が抑制されるため、負極集電体22Aの溶解を抑制することもできる。すなわち、耐過放電性を向上させることができる。 As described above, in the present embodiment, the negative electrode 22 has metallic lithium at the time of assembling, or the negative electrode 22 has occluded ionic lithium at the time of assembling, or the electrolyte is oxidized. The capacity of the negative electrode 22 at the time of the first full charge is larger than the theoretical capacity of the positive electrode 21 at the time of assembling because the positive electrode 21 has a lithium releasing material at the time of assembling because the decomposed lithium salt is included. since the manner made, or, in the solid-state 7 Li multinuclear NMR spectroscopy using lithium chloride as a reference substance in the fully charged state and a completely discharged state, -10Ppm~200ppm against resonance line Rs of the reference substance A resonance line Ri belonging to lithium ions is obtained in the range, and the resonance line Rs of the reference substance in a completely discharged state is obtained. Since the area ratio of the resonance line Ri belonging to the lithium ion to the negative electrode 22 is 3% or more of the area ratio of the resonance line Ri belonging to the lithium ion to the resonance line Rs of the reference substance in the fully charged state, The initial charge / discharge efficiency of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium can be improved, and the discharge capacity can be improved. Further, even if lithium metal precipitated during charging falls off from the negative electrode 22 or reacts with the electrolyte to be deactivated, the amount of capacity lost due to the deactivation is replenished by the stock lithium until the stock lithium is consumed. Since the discharge capacity is regulated by the charge and discharge efficiency of the positive electrode, the charge and discharge cycle characteristics can be improved as compared with a conventional secondary battery in which the discharge capacity is regulated by the charge and discharge efficiency of the negative electrode. Furthermore, even if overdischarge occurs, the potential rise of the negative electrode 22 is suppressed, so that the dissolution of the negative electrode current collector 22A can also be suppressed. That is, the overdischarge resistance can be improved.

特に、負極22が組み立て時に金属状態のリチウムを有する場合、または、負極22が組み立て時にイオン状態のリチウムを吸蔵している場合、または、正極21が組み立て時にリチウムを有している場合、そられリチウムの容量を負極22におけるリチウムの吸蔵および離脱による容量に対して1%以上100%以下の範囲とするようにすれば、また、電解質が酸化分解リチウム塩を含む場合、その酸化分解リチウム塩の物質量を、負極22のリチウムの吸蔵および離脱による容量に相当するリチウムの物質量以下とするようにすれば、より優れた充放電サイクル特性を得ることができる。   In particular, when the anode 22 has lithium in a metal state at the time of assembly, or when the anode 22 has absorbed lithium in an ion state at the time of assembly, or when the cathode 21 has lithium at the time of assembly, If the capacity of lithium is in the range of 1% or more and 100% or less with respect to the capacity of the anode 22 due to insertion and extraction of lithium, and when the electrolyte contains an oxidized lithium salt, If the amount of the material is set to be equal to or less than the amount of lithium corresponding to the capacity of the anode 22 due to insertion and extraction of lithium, more excellent charge / discharge cycle characteristics can be obtained.

また、正極合剤層21Bの厚みAと負極合剤層22Bの厚みBとの比(A/B)を0.92以上とするようにしても、より優れた充放電サイクル特性を得ることができる。   Even when the ratio (A / B) of the thickness A of the positive electrode mixture layer 21B to the thickness B of the negative electrode mixture layer 22B is set to 0.92 or more, more excellent charge / discharge cycle characteristics can be obtained. it can.

従って、本実施の形態に係る電池によれば、携帯電話,PDAあるいはノート型コンピュータに代表される携帯型電子機器の小型化および軽量化に貢献することができる。   Therefore, the battery according to the present embodiment can contribute to a reduction in the size and weight of a portable electronic device represented by a mobile phone, a PDA, or a notebook computer.

更に、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。   Further, specific examples of the present invention will be described in detail.

(実施例1−1〜1−7)
負極22に軽金属層を有する二次電池を組み立てた。まず、リチウム・コバルト複合酸化物(LiCoO2 )粉末を95質量%と炭酸リチウム粉末を5質量%とを混合し、この混合物を94質量%と、導電剤であるケッチェンブラックを3質量%と、結着剤であるポリフッ化ビニリデンを3質量%とを混合して正極合剤を調製した。次いで、この正極合剤を溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させてペースト状の正極合剤スラリーとしたのち、厚み20μmの帯状アルミニウム箔よりなる正極集電体21Aの両面に均一に塗布して乾燥させロールプレス機で圧縮成型することにより正極合剤層21Bを形成し、総厚み150μmの正極21を作製した。
(Examples 1-1 to 1-7)
A secondary battery having the light metal layer on the negative electrode 22 was assembled. First, 95% by mass of a lithium-cobalt composite oxide (LiCoO 2 ) powder and 5% by mass of a lithium carbonate powder were mixed, and the mixture was 94% by mass, and Ketjen black as a conductive agent was 3% by mass. Then, 3% by mass of polyvinylidene fluoride as a binder was mixed to prepare a positive electrode mixture. Next, this positive electrode mixture was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent to form a paste-like positive electrode mixture slurry, and then uniformly spread on both surfaces of a positive electrode current collector 21A made of a 20 μm-thick strip-shaped aluminum foil. The positive electrode mixture layer 21B was formed by applying, drying and compression-molding with a roll press machine, and the positive electrode 21 with a total thickness of 150 μm was produced.

また、負極活物質である平均粒径25μmの粒状黒鉛粉末を90質量%と、結着剤であるポリフッ化ビニリデンを10質量%とを混合して負極合剤を調製した。次いで、この負極合剤を溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させてペースト状の負極合剤スラリーとしたのち、厚み15μmの帯状銅箔よりなる負極集電体22Aの両面に均一に塗布して乾燥させ圧縮成型することにより負極合剤層22Bを形成し、総厚みを160μmとした。更に、負極合剤層22Bの表面にリチウム金属箔を重ね合わせることにより軽金属層を形成し負極22を作製した。軽金属層の容量は、黒鉛の容量に対して表1に示した値となるようにした。また、正極21と負極22の対向面における容量比は、負極22の容量が、リチウムの吸蔵および離脱による容量成分と、リチウムの析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表されるように、リチウム・コバルト複合酸化物の容量:黒鉛の容量=130:100となるようにした。   A negative electrode mixture was prepared by mixing 90% by mass of a granular graphite powder having an average particle diameter of 25 μm as a negative electrode active material and 10% by mass of polyvinylidene fluoride as a binder. Next, this negative electrode mixture was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent to form a paste-like negative electrode mixture slurry, and then uniformly spread on both surfaces of a 15 μm-thick negative electrode current collector 22A made of a strip-shaped copper foil. The negative electrode mixture layer 22B was formed by coating, drying and compression molding, and the total thickness was 160 μm. Further, a light metal layer was formed by laminating a lithium metal foil on the surface of the negative electrode mixture layer 22B, and the negative electrode 22 was produced. The capacity of the light metal layer was set to the value shown in Table 1 with respect to the capacity of graphite. The capacity ratio of the cathode 21 to the anode 22 on the facing surface is represented by the sum of the capacity of the anode 22 including the capacity component due to insertion and extraction of lithium and the capacity component due to precipitation and dissolution of lithium. Thus, the capacity of the lithium-cobalt composite oxide: the capacity of the graphite = 130: 100.

Figure 2004363076
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正極21および負極22を作製したのち、正極21および負極22を、厚み25μmの微多孔性ポリエチレン延伸フィルムよりなるセパレータ23を介して積層してから多数回巻回し、外径14mmで高さが650mmのジェリーロール型の巻回電極体20を作製した。その際、正極21と負極22とは、軽金属層が正極合剤層21Bと対向するように積層した。次いで、巻回電極体20の上下両面に絶縁板12,13をそれぞれ配置し、アルミニウム製の正極リード25を正極集電体21Aから導出して安全弁機構15に溶接すると共に、負極リード26を負極集電体22Aから導出して電池缶11に溶接し、巻回電極体20を鉄製の電池缶11の内部に収納した。次いで、電池缶11の内部に減圧方式により電解液を注入した。電解液には、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを等体積で混合した溶媒にLiPF6 を1.5mol/dm3 の含有量で溶解させたものを用いた。 After producing the positive electrode 21 and the negative electrode 22, the positive electrode 21 and the negative electrode 22 are laminated via a separator 23 made of a microporous polyethylene stretched film having a thickness of 25 μm, and then wound many times, and the outer diameter is 14 mm and the height is 650 mm. The jelly roll type wound electrode body 20 was produced. At this time, the positive electrode 21 and the negative electrode 22 were laminated such that the light metal layer faced the positive electrode mixture layer 21B. Next, insulating plates 12 and 13 are respectively arranged on the upper and lower surfaces of the wound electrode body 20, and an aluminum positive electrode lead 25 is led out from the positive electrode current collector 21A and welded to the safety valve mechanism 15, and the negative electrode lead 26 is connected to the negative electrode lead. It was led out from the current collector 22A and welded to the battery can 11, and the wound electrode body 20 was housed inside the iron battery can 11. Next, an electrolytic solution was injected into the battery can 11 by a reduced pressure method. As the electrolytic solution, one obtained by dissolving LiPF 6 at a content of 1.5 mol / dm 3 in a solvent in which ethylene carbonate and dimethyl carbonate were mixed in equal volumes was used.

電池缶11の内部に電解液を注入した後、ガスケット17を介して電池蓋14を電池缶11にかしめることにより封口し、実施例1−1〜1−7について、負極22の容量が、リチウムの吸蔵および離脱による容量成分と、リチウムの析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表される二次電池を得た。   After injecting the electrolytic solution into the inside of the battery can 11, the battery lid 14 is closed by caulking the battery can 11 through the gasket 17, and the capacities of the negative electrodes 22 in Examples 1-1 to 1-7 are as follows. A secondary battery including a capacity component due to insertion and extraction of lithium and a capacity component due to precipitation and dissolution of lithium and represented by the sum thereof was obtained.

また、実施例1−1〜1−7に対する比較例1−1として、軽金属層を形成しないことを除き、他は実施例1−1〜1−7と同様にして二次電池を組み立てた。   Further, as Comparative Example 1-1 with respect to Examples 1-1 to 1-7, a secondary battery was assembled in the same manner as in Examples 1-1 to 1-7 except that no light metal layer was formed.

作製した実施例1−1〜1−7および比較例1−1の二次電池について充放電試験を行い、初回放電容量および放電容量維持率を求めた。その際、充電は1200mAの定電流で電池電圧が4.2Vに達するまで行ったのち、4.2Vの定電圧で充電時間の総計が4時間に達するまで行った。放電は1200mAの定電流で電池電圧が2.75Vに達するまで行った。放電容量維持率は1サイクル目の放電容量に対する100サイクル目の放電容量の比率、すなわち(100サイクル目の放電容量)/(1サイクル目の放電容量)×100として算出した。表1に得られた結果を示す。   A charge / discharge test was performed on the fabricated secondary batteries of Examples 1-1 to 1-7 and Comparative example 1-1, and an initial discharge capacity and a discharge capacity retention ratio were obtained. At that time, charging was performed at a constant current of 1200 mA until the battery voltage reached 4.2 V, and then at a constant voltage of 4.2 V until the total charging time reached 4 hours. Discharging was performed at a constant current of 1200 mA until the battery voltage reached 2.75 V. The discharge capacity retention ratio was calculated as the ratio of the discharge capacity at the 100th cycle to the discharge capacity at the first cycle, that is, (discharge capacity at the 100th cycle) / (discharge capacity at the first cycle) × 100. Table 1 shows the obtained results.

表1から分かるように、実施例1−1〜1−7によれば、比較例1−1に比べて、初回放電容量を大きくすることができた。これは、軽金属層と黒鉛とが電解液中において負極合剤層22Bと接することにより、軽金属層が溶解してストックリチウムとなり黒鉛に吸蔵され、そのストックリチウムにより初回充放電時の負極22の不可逆容量分が補われ、放電容量が増大したためと考えられる。   As can be seen from Table 1, according to Examples 1-1 to 1-7, the initial discharge capacity could be increased as compared with Comparative Example 1-1. This is because, when the light metal layer and graphite come into contact with the negative electrode mixture layer 22B in the electrolytic solution, the light metal layer dissolves and becomes stock lithium, which is occluded by the graphite. It is considered that the capacity component was supplemented and the discharge capacity increased.

すなわち、負極22が組み立て時に金属状態のリチウム金属を有するようにすれば、放電容量を向上させることができ、高いエネルギー密度を得ることができることが分かった。   That is, it was found that when the negative electrode 22 had lithium metal in a metal state at the time of assembly, the discharge capacity could be improved and a high energy density could be obtained.

また、表1から分かるように、実施例1−1〜1−6によれば、放電容量維持率についても比較例1−1に比べて大きくすることができ、特に実施例1−2〜1−4によれば、放電容量維持率を85%以上にすることができた。これは、充放電サイクルに伴うリチウム金属の脱落や不活性化などによる負極22の容量減少分が、ストックリチウムにより補われたためと推察される。これに対して、実施例1−7は、比較例1−1に比べて放電容量維持率が小さかった。これは負極22の容量減少分を補うといった意味では、組み立て時に負極22に有するリチウム金属の量は多いほど有利であるが、リチウム金属の量が多すぎると、負極22の厚みが増加し、逆に電池特性へ悪影響を及ぼすためであると考えられる。   Further, as can be seen from Table 1, according to Examples 1-1 to 1-6, the discharge capacity retention ratio can be increased as compared with Comparative Example 1-1, and particularly, Examples 1-2 to 1-6. According to -4, the discharge capacity maintenance ratio was able to be 85% or more. This is presumed to be because the decrease in the capacity of the negative electrode 22 due to the loss or inactivation of lithium metal due to the charge / discharge cycle was compensated for by the stock lithium. In contrast, Example 1-7 had a smaller discharge capacity retention ratio than Comparative Example 1-1. This is advantageous in that the amount of lithium metal included in the anode 22 during assembly is larger in terms of compensating for the decrease in capacity of the anode 22, but when the amount of lithium metal is too large, the thickness of the anode 22 increases, and conversely. This is considered to be because the battery characteristics are adversely affected.

すなわち、負極22が組み立て時に有するリチウム金属の容量は、負極22におけるリチウムの吸蔵および離脱による容量に対して1%以上100%以下の範囲であることが好ましく、10%以上50%以下の範囲であればより好ましいことが分かった。   That is, the capacity of the lithium metal that the negative electrode 22 has at the time of assembly is preferably in the range of 1% or more and 100% or less, and more preferably in the range of 10% or more and 50% or less with respect to the capacity of the negative electrode 22 due to insertion and extraction of lithium. It turned out that it was more preferable.

(実施例2−1〜2−7)
負極22に電気化学的処理によってリチウムイオンが吸蔵されている二次電池を組み立てた。具体的には、実施例1−1と同様にして負極集電体22Aに負極合剤層22Bを形成したのち、これを電解液に含浸し、リチウム金属を対極として電解処理を行い、負極合剤層22Bにリチウムをイオン状態で吸蔵させ、負極22を作製したことを除き、他は実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。電解処理量は実施例2−1〜2−7で表2に示したように変化させた。リチウムイオンを吸蔵させる際の電解液には、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを等体積で混合した溶媒にLiPF6 を1.5mol/dm3 の含有量で溶解させたものを用いた。
(Examples 2-1 to 2-7)
A secondary battery in which lithium ions were inserted into the negative electrode 22 by electrochemical treatment was assembled. Specifically, after forming the negative electrode mixture layer 22B on the negative electrode current collector 22A in the same manner as in Example 1-1, this was impregnated with an electrolytic solution, and electrolytic treatment was performed using lithium metal as a counter electrode to form a negative electrode mixture. A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-1, except that lithium was occluded in the agent layer 22 </ b> B in an ion state to produce the negative electrode 22. The amount of electrolytic treatment was changed as shown in Table 2 in Examples 2-1 to 2-7. As an electrolyte for absorbing lithium ions, a solution prepared by dissolving LiPF 6 at a content of 1.5 mol / dm 3 in a solvent in which ethylene carbonate and dimethyl carbonate were mixed in equal volumes was used.

Figure 2004363076
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また、実施例2−1〜2−7に対する比較例2−1として、電解処理を行わなかったことを除き、他は実施例2−1〜2−7と同様にして二次電池を組み立てた。   Further, as Comparative Example 2-1 with respect to Examples 2-1 to 2-7, a secondary battery was assembled in the same manner as in Examples 2-1 to 2-7, except that the electrolytic treatment was not performed. .

作製した実施例2−1〜2−7および比較例2−1の二次電池について、実施例1−1と同様にして充放電試験を行い、初回放電容量および放電容量維持率を求めた。その結果を表2に示す。   For the fabricated secondary batteries of Examples 2-1 to 2-7 and Comparative example 2-1, a charge / discharge test was performed in the same manner as in Example 1-1, and an initial discharge capacity and a discharge capacity retention ratio were obtained. Table 2 shows the results.

表2から分かるように、実施例2−1〜2−7によれば、比較例2−1に比べて、初回放電容量を大きくすることができた。これは、電解処理によって黒鉛にイオン状態で吸蔵させたリチウムにより、初回充放電時の負極22の不可逆容量分が補われ、放電容量が増大したためと考えられる。   As can be seen from Table 2, according to Examples 2-1 to 2-7, the initial discharge capacity could be increased as compared with Comparative Example 2-1. This is considered to be because the irreversible capacity of the negative electrode 22 at the time of the first charge / discharge was compensated for by the lithium occluded in the graphite in the ion state by the electrolytic treatment, and the discharge capacity increased.

すなわち、負極22が組み立て時にイオン状態のリチウムを吸蔵していれば、放電容量を向上させることができ、高いエネルギー密度を得ることができることが分かった。   That is, it was found that when the negative electrode 22 absorbed lithium in an ionic state at the time of assembly, the discharge capacity could be improved and a high energy density could be obtained.

また、表2から分かるように、実施例2−1〜2−6によれば、放電容量維持率についても比較例2−1に比べて大きくすることができ、特に実施例2−2〜2−4によれば、放電容量維持率を85%以上にすることができた。これは充放電サイクルに伴うリチウム金属の脱落や不活性化などによる負極22の容量減少分が、電解処理により負極22に吸蔵されたイオン状態のリチウムにより補われたためと推察される。これに対して、実施例2−7は、比較例2−1に比べて放電容量維持率が小さかった。これは負極22の容量減少分を補うといった意味では、電解処理量は多いほど有利であるが、逆に電解処理量が多すぎると、完全充電時に負極22の表面に析出するリチウム金属量が増加し、逆に電池特性へ悪影響を及ぼすためであると考えられる。   Further, as can be seen from Table 2, according to Examples 2-1 to 2-6, the discharge capacity retention ratio can be increased as compared with Comparative Example 2-1. According to -4, the discharge capacity maintenance ratio was able to be 85% or more. This is presumably because the decrease in the capacity of the negative electrode 22 due to the detachment or inactivation of lithium metal due to the charge / discharge cycle was compensated for by the ionic lithium absorbed in the negative electrode 22 by the electrolytic treatment. In contrast, Example 2-7 had a smaller discharge capacity retention ratio than Comparative Example 2-1. In terms of compensating for the decrease in the capacity of the negative electrode 22, the larger the amount of electrolytic treatment, the more advantageous. However, if the amount of electrolytic treatment is too large, the amount of lithium metal deposited on the surface of the negative electrode 22 during full charge increases. On the contrary, it is considered that this is because the battery characteristics are adversely affected.

すなわち、電気化学的処理により負極22に吸蔵されるイオン状態のリチウムの容量は、負極22におけるリチウムの吸蔵および離脱による容量に対して1%以上100%以下の範囲であることが好ましく、10%以上50%以下の範囲であればより好ましいことが分かった。   That is, the capacity of the ionic lithium stored in the negative electrode 22 by the electrochemical treatment is preferably in the range of 1% to 100% with respect to the capacity of the negative electrode 22 due to the storage and release of lithium. It was found that the range of more than 50% was more preferable.

(実施例3−1〜3−7)
電解液に酸化分解リチウム塩を添加し二次電池を組み立てた。具体的には、負極22に軽金属層を形成しないと共に、電解液として、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを等体積で混合した溶媒にLiPF6 を1.5mol/dm3 の含有量で溶解させ、それにシュウ酸リチウム(Li2 2 4 )を添加し分散させたものを3.5g用い、電池の封口前に、120mAの定電流で電池電圧が4.2Vに達するまで充電を行ったのち、120mAの定電流で電池電圧が2.75Vに達するまで放電を行い、その際に生じた反応生成ガスを電池内部より除去したことを除き、他は実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。電解液におけるシュウ酸リチウムの濃度は実施例3−1〜3−7で表3に示した値とし、シュウ酸リチウム中のリチウムの容量が、負極22中の黒鉛に対して表3に示した値となるようにした。
(Examples 3-1 to 3-7)
An oxidatively decomposed lithium salt was added to the electrolyte to assemble a secondary battery. Specifically, a light metal layer is not formed on the negative electrode 22, and LiPF 6 is dissolved at a content of 1.5 mol / dm 3 in a solvent in which ethylene carbonate and dimethyl carbonate are mixed in an equal volume, as an electrolytic solution. Using 3.5 g of lithium oxalate (Li 2 C 2 O 4 ) added and dispersed therein, the battery was charged with a constant current of 120 mA until the battery voltage reached 4.2 V before sealing the battery. The secondary battery was discharged in the same manner as in Example 1-1 except that the battery was discharged at a constant current of 120 mA until the battery voltage reached 2.75 V, and the reaction product gas generated at that time was removed from the inside of the battery. Was prepared. The concentration of lithium oxalate in the electrolyte was the value shown in Table 3 in Examples 3-1 to 3-7, and the capacity of lithium in lithium oxalate was shown in Table 3 with respect to the graphite in negative electrode 22. Value.

Figure 2004363076
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また、実施例3−1〜3−7に対する比較例3−1として、電解液にシュウ酸リチウムを添加しなかったことを除き、他は実施例3−1〜3−7と同様にして二次電池を組み立てた。   In addition, as Comparative Example 3-1 with respect to Examples 3-1 to 3-7, except that lithium oxalate was not added to the electrolytic solution, the other steps were the same as in Examples 3-1 to 3-7. The next battery was assembled.

作製した実施例3−1〜3−7および比較例3−1の二次電池について、実施例1−1と同様にして充放電試験を行い、初回放電容量および放電容量維持率を求めた。その結果を表3に示す。   For the fabricated secondary batteries of Examples 3-1 to 3-7 and Comparative example 3-1, a charge / discharge test was performed in the same manner as in Example 1-1, and an initial discharge capacity and a discharge capacity retention ratio were obtained. Table 3 shows the results.

表3から分かるように、実施例3−1〜3−7によれば、比較例3−1に比べて、初回放電容量を大きくすることができた。これは、シュウ酸リチウムの酸化電位が正極21中のリチウムイオンが離脱する電位よりも卑であるために、初回充電時において、正極活物質からリチウムイオンが離脱するよりも前にシュウ酸リチウムが優先的に酸化され、二酸化炭素およびリチウムイオンが生成され、その生成したリチウムイオンが負極22で還元されて吸蔵されることにより、負極22の不可逆容量分が補われると共に、正極21から離脱するリチウムイオンのロス量が減少し、放電容量が増大したためと考えられる。   As can be seen from Table 3, according to Examples 3-1 to 3-7, the initial discharge capacity could be increased as compared with Comparative Example 3-1. This is because the oxidation potential of lithium oxalate is lower than the potential at which lithium ions in the positive electrode 21 are released, so that at the time of the first charge, lithium oxalate is released before lithium ions are released from the positive electrode active material. It is preferentially oxidized to generate carbon dioxide and lithium ions, and the generated lithium ions are reduced and occluded at the anode 22 to compensate for the irreversible capacity of the anode 22 and to release lithium from the cathode 21. It is considered that the amount of ion loss decreased and the discharge capacity increased.

すなわち、電解液が酸化分解リチウム塩を含むようにすれば、放電容量を向上させることができ、高いエネルギー密度を得ることができることが分かった。   That is, it was found that when the electrolytic solution contained the oxidized lithium salt, the discharge capacity could be improved and a high energy density could be obtained.

また、表3から分かるように、実施例3−1〜3−6によれば、放電容量維持率についても比較例3−1に比べて大きくすることができ、特に実施例3−2〜3−4によれば、放電容量維持率を85%以上にすることができた。これは、充放電サイクルに伴うリチウム金属の脱落や不活性化などによる負極22の容量減少分が、初回充電時のシュウ酸リチウムの反応により負極22に吸蔵されたリチウムで補われたためと推察される。これに対して、実施例3−7は、比較例3−1に比べて放電容量維持率が小さかった。これは、負極22の容量減少分を補うといった意味では、シュウ酸リチウム量は多いほど有利であるが、シュウ酸リチウム量が多すぎると、完全充電時に負極22の表面に析出するリチウム金属量が増加し、逆に電池特性へ悪影響を及ぼすためであると考えられる。   Also, as can be seen from Table 3, according to Examples 3-1 to 3-6, the discharge capacity retention ratio can be increased as compared with Comparative Example 3-1. According to -4, the discharge capacity maintenance ratio was able to be 85% or more. This is presumed to be because the decrease in the capacity of the negative electrode 22 due to the loss or inactivation of lithium metal due to the charge / discharge cycle was compensated for by the lithium occluded in the negative electrode 22 due to the reaction of lithium oxalate during the first charge. You. In contrast, Example 3-7 had a smaller discharge capacity retention ratio than Comparative Example 3-1. This is more advantageous as the amount of lithium oxalate is larger in terms of compensating for the decrease in the capacity of the anode 22, but if the amount of lithium oxalate is too large, the amount of lithium metal deposited on the surface of the anode 22 at the time of full charge is reduced. This is thought to be due to an increase in the number of cells, which adversely affects battery characteristics.

すなわち、酸化分解リチウム塩中のリチウムの容量は、負極22におけるリチウムの吸蔵および離脱による容量に対して1%以上100%以下の範囲であることが好ましく、10%以上50%以下の範囲であればより好ましいことが分かった。   That is, the capacity of lithium in the oxidatively decomposed lithium salt is preferably in the range of 1% or more and 100% or less, and more preferably in the range of 10% or more and 50% or less, with respect to the capacity of the anode 22 due to insertion and extraction of lithium. It turned out to be more preferable.

(実施例4−1〜4−7)
正極21にリチウム放出物質を保持させ、二次電池を組み立てた。具体的には、正極合剤層21Bにリチウム金属箔を重ね合わせることにより正極21を作製すると共に、負極22に軽金属層を形成しないことを除き、他は実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。リチウム金属箔には負極22中の黒鉛の容量に対する容量が、表4に示した容量分に相当するものを用いた。正極21および負極22は、正極21に重ね合わせたリチウム金属箔が負極合剤層22Bと対向するように積層し巻回した。
(Examples 4-1 to 4-7)
The secondary battery was assembled by holding the lithium releasing material on the positive electrode 21. Specifically, the positive electrode 21 was prepared by laminating a lithium metal foil on the positive electrode mixture layer 21B, and the other steps were the same as in Example 1-1 except that the light metal layer was not formed on the negative electrode 22. A secondary battery was manufactured. A lithium metal foil having a capacity corresponding to the capacity of graphite in the anode 22 corresponding to the capacity shown in Table 4 was used. The positive electrode 21 and the negative electrode 22 were laminated and wound such that the lithium metal foil superimposed on the positive electrode 21 was opposed to the negative electrode mixture layer 22B.

Figure 2004363076
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また、実施例4−1〜4−7に対する比較例4−1として、正極合剤層21Bにリチウム金属箔を重ね合わせないことを除き、他は実施例4−1〜4−7と同様にして二次電池を作製した。   In addition, as Comparative Example 4-1 with respect to Examples 4-1 to 4-7, except that the lithium metal foil was not overlaid on the positive electrode mixture layer 21B, the others were the same as in Examples 4-1 to 4-7. Thus, a secondary battery was manufactured.

作製した実施例4−1〜4−7および比較例4−1の二次電池について、実施例1−1と同様にして充放電試験を行い、初回放電容量および放電容量維持率を求めた。その結果を表4に示す。   For the fabricated secondary batteries of Examples 4-1 to 4-7 and Comparative example 4-1, a charge / discharge test was performed in the same manner as in Example 1-1, and an initial discharge capacity and a discharge capacity retention ratio were obtained. Table 4 shows the results.

表4から分かるように、実施例4−1〜4−7によれば、比較例4−1に比べて初回放電容量を大きくすることができた。これは、初回充電時に正極21に重ね合わされたリチウム金属が酸化されてリチウムイオンを放出し、そのリチウムイオンが負極22で還元されて黒鉛中に吸蔵されることにより、負極22の不可逆容量分が補われ、放電容量が増大したためと考えられる。つまり、初回充電時に正極21のリチウム金属は全て溶解し、以後の充放電において正極21にリチウム金属が析出することはないため、以後の正極21における充放電は正極活物質中のリチウムイオンの吸蔵および離脱によって進むことになり、初回充電時の負極22の不可逆容量分による正極活物質容量のロスが低減されることによる。   As can be seen from Table 4, according to Examples 4-1 to 4-7, the initial discharge capacity could be increased as compared with Comparative Example 4-1. This is because at the time of the first charge, the lithium metal superimposed on the positive electrode 21 is oxidized to release lithium ions, and the lithium ions are reduced by the negative electrode 22 and occluded in graphite, so that the irreversible capacity of the negative electrode 22 is reduced. This is probably because the discharge capacity was increased. That is, the lithium metal of the positive electrode 21 is completely dissolved at the time of the first charge, and the lithium metal is not deposited on the positive electrode 21 in the subsequent charging and discharging. This is because the loss of the positive electrode active material capacity due to the irreversible capacity of the negative electrode 22 at the time of the first charge is reduced.

すなわち、正極21が、組み立て時にリチウム放出物質を有するようにすれば、放電容量を向上させることができ、高いエネルギー密度を得ることができることが分かった。   That is, it was found that when the positive electrode 21 had a lithium releasing substance at the time of assembly, the discharge capacity could be improved and a high energy density could be obtained.

また、表4から分かるように、実施例4−1〜4−6によれば、放電容量維持率についても比較例4−1に比べて大きくすることができ、特に実施例4−2〜4−4によれば、放電容量維持率を85%以上にすることができた。これは、充放電サイクルに伴うリチウム金属の脱落や不活性化などによる負極22の容量減少分が、正極合剤層21Bに重ね合わせたリチウム金属箔から負極22に吸蔵されたリチウムで補われたためと推察される。これに対して、実施例4−7は、比較例4−1に比べて放電容量維持率が小さかった。これは負極22の容量減少分を補うといった意味では、組み立て時に正極21に有するリチウム金属の量は多いほど有利であるが、正極21に有するリチウム金属の量が多すぎると、完全充電時に、負極22の表面に析出するリチウム金属量が増加し、逆に電池特性へ悪影響を及ぼすためであると考えられる。   Further, as can be seen from Table 4, according to Examples 4-1 to 4-6, the discharge capacity retention ratio can be increased as compared with Comparative Example 4-1. According to -4, the discharge capacity maintenance ratio was able to be 85% or more. This is because the decrease in the capacity of the negative electrode 22 due to the detachment or inactivation of lithium metal due to the charge / discharge cycle was compensated by the lithium occluded in the negative electrode 22 from the lithium metal foil superimposed on the positive electrode mixture layer 21B. It is inferred. In contrast, Example 4-7 had a smaller discharge capacity retention ratio than Comparative Example 4-1. In terms of compensating for the decrease in capacity of the negative electrode 22, the larger the amount of lithium metal included in the positive electrode 21 at the time of assembly is more advantageous, but if the amount of lithium metal included in the positive electrode 21 is too large, the negative electrode 22 may fail during full charging. This is considered to be because the amount of lithium metal deposited on the surface of No. 22 increases and adversely affects battery characteristics.

すなわち、正極21が組み立て時に有するリチウムの容量は、負極22におけるリチウムの吸蔵および離脱による容量に対して1%以上100%以下の範囲であることが好ましく、10%以上50%以下の範囲であればより好ましいことが分かった。   That is, the capacity of the positive electrode 21 at the time of assembly is preferably 1% or more and 100% or less, and more preferably 10% or more and 50% or less, with respect to the capacity of the negative electrode 22 due to insertion and extraction of lithium. It turned out to be more preferable.

(実施例5−1〜5−3)
実施例2−1〜2−7と同様に、負極合剤層22Bにリチウムイオンを電気化学的処理によって吸蔵し、二次電池を組み立てた。その際の条件は、次に説明する以外、実施例2−1〜2−7と同一とした。正極合剤層21Bの厚みAは、実施例5−1〜5−3で表5に示したように変化させた。負極活物質としてはリチウム吸蔵反応における電気化学当量が320mAh/gの人造黒鉛を用いた。なお、電気化学当量は人造黒鉛表面にリチウム金属が析出しないときの最大リチウム吸蔵量と規定される。負極合剤層22Bの厚みBは、実施例5−1〜5−3で表5に示したように変化させた。正極活物質量および負極活物質は、実施例5−1〜5−3で数1に規定する負極利用率が表5に示した値となるように調整した。負極合剤層22Bにリチウムイオンを吸蔵させる際の電解液の組成は実施例2−1〜2−7と同一とし、負極合剤層22Bにリチウム金属箔を対向させて負極22を電解液に浸漬したのち、負極22とリチウム金属箔とを接触させて、負極22が吸蔵することができるリチウムイオン量の30%のリチウムイオンを負極合剤層22Bにガルバノスタットを用い3mA/cm2 の電流で吸蔵させた。巻回電極体29の外径は18mm、高さは500mmとした。
(Examples 5-1 to 5-3)
In the same manner as in Examples 2-1 to 2-7, lithium ions were inserted into the negative electrode mixture layer 22B by electrochemical treatment to assemble a secondary battery. The conditions at that time were the same as those of Examples 2-1 to 2-7, except for the following. The thickness A of the positive electrode mixture layer 21B was changed as shown in Table 5 in Examples 5-1 to 5-3. As the negative electrode active material, artificial graphite having an electrochemical equivalent of 320 mAh / g in a lithium storage reaction was used. The electrochemical equivalent is defined as the maximum amount of lithium absorbed when lithium metal does not precipitate on the surface of artificial graphite. The thickness B of the negative electrode mixture layer 22B was changed as shown in Table 5 in Examples 5-1 to 5-3. The amount of the positive electrode active material and the amount of the negative electrode active material were adjusted so that the negative electrode utilization rate specified in Expression 1 in Examples 5-1 to 5-3 was a value shown in Table 5. The composition of the electrolyte when the lithium ions are occluded in the negative electrode mixture layer 22B is the same as in Examples 2-1 to 2-7, and the lithium metal foil is opposed to the negative electrode mixture layer 22B to convert the negative electrode 22 into the electrolyte. After immersion, the negative electrode 22 is brought into contact with the lithium metal foil, and lithium ions having a lithium ion amount of 30% of the amount of lithium ions that can be absorbed by the negative electrode 22 are applied to the negative electrode mixture layer 22B using a galvanostat at a current of 3 mA / cm 2 . Occluded. The outer diameter of the wound electrode body 29 was 18 mm, and the height was 500 mm.

Figure 2004363076
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Figure 2004363076
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また、実施例5−1〜5−3に対する比較例5−1,5−2として、正極合剤層21Bの厚みA,負極合剤層22Bの厚みBおよび負極利用率を表5に示したように変えると共に、負極合剤層22Bにリチウムイオンを電気化学的処理によって吸蔵しなかったことを除き、他は実施例5−2,5−3と同様にして二次電池を組み立てた。更に、実施例5−1〜5−3に対する比較例5−3として、負極利用率を表5に示したように変えたことを除き、他は実施例5−2,5−3と同様にして二次電池を組み立てた。   Table 5 shows the thickness A of the positive electrode mixture layer 21B, the thickness B of the negative electrode mixture layer 22B, and the negative electrode utilization rate as Comparative Examples 5-1 and 5-2 with respect to Examples 5-1 to 5-3. A secondary battery was assembled in the same manner as in Examples 5-2 and 5-3, except that lithium ions were not occluded in the negative electrode mixture layer 22B by electrochemical treatment. Further, as Comparative Example 5-3 with respect to Examples 5-1 to 5-3, except that the utilization rate of the negative electrode was changed as shown in Table 5, the others were the same as in Examples 5-2 and 5-3. To assemble the secondary battery.

作製した実施例5−1〜5−3および比較例5−1〜5−3の二次電池について充放電試験を行い、初回充電容量,初回放電容量,初回充放電効率および放電容量維持率を求めた。その際、充電は、600mAの定電流で電池電圧が4.20Vに達するまで行った
のち、4.20Vの定電圧で充電時間の総計が4時間に達するまで行った。一方、放電は、600mAの定電流で電池電圧が2.75Vに達するまで行った。なお、初回充放電効率は、初回充電容量に対する初回放電容量の比率(%)、すなわち、(初回放電容量)/(初回充電容量)×100として算出し、放電容量維持率は初回放電容量に対する200サイクル目の放電容量の比率(%)、すなわち、(200サイクル目の放電容量)/(初回放電容量)×100として算出した。表5に、実施例5−1〜5−3および比較例5−1〜5−3の初回充電容量,初回放電容量,初回充放電効率および放電容量維持率を示す。
Charge / discharge tests were performed on the fabricated secondary batteries of Examples 5-1 to 5-3 and Comparative examples 5-1 to 5-3, and the initial charge capacity, the initial discharge capacity, the initial charge / discharge efficiency, and the discharge capacity retention rate were measured. I asked. At this time, charging was performed at a constant current of 600 mA until the battery voltage reached 4.20 V, and then at a constant voltage of 4.20 V until the total charging time reached 4 hours. On the other hand, discharging was performed at a constant current of 600 mA until the battery voltage reached 2.75 V. The initial charge / discharge efficiency is calculated as the ratio (%) of the initial discharge capacity to the initial charge capacity, that is, (initial discharge capacity) / (initial charge capacity) × 100. It was calculated as the ratio (%) of the discharge capacity at the cycle, that is, (discharge capacity at the 200th cycle) / (initial discharge capacity) × 100. Table 5 shows initial charge capacity, initial discharge capacity, initial charge / discharge efficiency, and discharge capacity retention rate of Examples 5-1 to 5-3 and Comparative Examples 5-1 to 5-3.

また、実施例5−1〜5−3および比較例5−1〜5−3の二次電池について、上述した条件で1サイクル充放電を行ったのち再度完全充電させたものを解体し、内部基準物質として塩化リチウムを用い、固体 7Li多核種核磁気共鳴分光法による分析を行った。更に、実施例5−1〜5−3および比較例5−1〜5−3の二次電池について、上述した条件で2サイクル充放電を行い、3サイクル目の完全充電を行ったのち、0.1Cの定電流で電池電圧が2.75Vに達するまで完全放電させたものを解体し、同様に固体 7Li多核種核磁気共鳴分光法による分析を行った。すなわち、初回充電から3サイクル以内の電池について解析を行った。なお、0.1Cとは電池の定格容量(この場合では初回放電容量)を10時間で放電できる電流値である。分析の際には、負極合剤層22Bを60mg量り取り、これに、内部基準物質である塩化リチウムを10mg量り取って混合し、測定を行った。 Further, the secondary batteries of Examples 5-1 to 5-3 and Comparative examples 5-1 to 5-3 were charged and discharged for one cycle under the above-described conditions and then completely charged again. lithium chloride used as a reference substance was analyzed by solid 7 Li multinuclear NMR spectroscopy. Furthermore, the secondary batteries of Examples 5-1 to 5-3 and Comparative examples 5-1 to 5-3 were charged and discharged for two cycles under the above-described conditions, and after the third cycle of complete charge, the batteries were changed to 0. battery voltage at a constant current of .1C is dismantled what was completely discharged until reaching 2.75 V, was analyzed by similarly solid 7 Li multinuclear NMR spectroscopy. That is, analysis was performed on batteries within three cycles from the first charge. Note that 0.1 C is a current value at which the rated capacity (first discharge capacity in this case) of the battery can be discharged in 10 hours. At the time of analysis, 60 mg of the negative electrode mixture layer 22B was weighed, and 10 mg of lithium chloride as an internal reference substance was weighed and mixed, followed by measurement.

その結果、実施例5−1〜5−3の二次電池では、完全充電状態においては、内部標準物質の塩化リチウムの共鳴線Rsに対して265ppmにリチウム金属に帰属する共鳴線Rmが得られた。すなわち、リチウム金属の析出が認められた。また、内部標準物質の塩化リチウムの共鳴線Rsに対して44ppmにリチウムイオンに帰属する共鳴線Riも得られた。一方、完全放電状態では、265ppmに共鳴線Rmは得られず、44ppmに共鳴線Riが得られ、その塩化リチウムの共鳴線Rsに対する44ppmの共鳴線Riの面積比は、完全充電状態における塩化リチウムの共鳴線Rsに対する44ppmの共鳴線Riの面積比の3%以上であった。すなわち、実施例5−1〜5−3の二次電では、負極22の容量がリチウムの吸蔵および離脱による容量成分と、リチウムの析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表されることが分かった。また、負極22に正極21と負極22との間を行き来するリチウムよりも多くのリチウムが蓄えられていることが分かった。   As a result, in the secondary batteries of Examples 5-1 to 5-3, in the fully charged state, a resonance line Rm belonging to lithium metal was obtained at 265 ppm with respect to the resonance line Rs of lithium chloride as the internal standard substance. Was. That is, deposition of lithium metal was observed. In addition, a resonance line Ri belonging to lithium ions was obtained at 44 ppm with respect to the resonance line Rs of lithium chloride as the internal standard substance. On the other hand, in the fully discharged state, the resonance line Rm is not obtained at 265 ppm, the resonance line Ri is obtained at 44 ppm, and the area ratio of the resonance line Ri of 44 ppm to the resonance line Rs of lithium chloride is the same as that of lithium chloride in the fully charged state. Was 3% or more of the area ratio of the resonance line Ri of 44 ppm to the resonance line Rs. That is, in the secondary batteries of Examples 5-1 to 5-3, the capacity of the negative electrode 22 includes a capacity component due to insertion and extraction of lithium and a capacity component due to precipitation and dissolution of lithium, and is represented by the sum thereof. I found out. Further, it was found that more lithium was stored in the negative electrode 22 than lithium flowing between the positive electrode 21 and the negative electrode 22.

これに対して、比較例5−1の二次電池では、完全充電状態においては、塩化リチウムの共鳴線Rsに対して265ppmと44ppmとに共鳴線Rm,Riが得られた。また、完全放電状態においても、塩化リチウムの共鳴線Rsに対して44ppmに共鳴線Riが僅かに得られたが、その塩化リチウムの共鳴線Rsに対する44ppmの共鳴線Riの面積比は、完全充電状態における塩化リチウムの共鳴線Rsに対する44ppmの共鳴線Riの面積比の3%以下であった。よって、表5には“無し”と記載した。すなわち、比較例5−1の二次電池では、負極の容量はリチウムの吸蔵および離脱による容量成分と、リチウムの析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表されるが、負極には正極と負極との間を行き来するリチウムよりも多くのリチウムが蓄えられてないことが分かった。   In contrast, in the secondary battery of Comparative Example 5-1, in the fully charged state, resonance lines Rm and Ri were obtained at 265 ppm and 44 ppm with respect to the resonance line Rs of lithium chloride. Further, even in the completely discharged state, a slight resonance line Ri was obtained at 44 ppm with respect to the resonance line Rs of lithium chloride. The area ratio of the resonance line Ri of 44 ppm to the resonance line Rs of lithium chloride in the state was 3% or less. Therefore, "none" is described in Table 5. That is, in the secondary battery of Comparative Example 5-1, the capacity of the negative electrode includes a capacity component due to insertion and extraction of lithium and a capacity component due to precipitation and dissolution of lithium, and is represented by the sum thereof. It was found that more lithium was not stored than lithium flowing between the positive electrode and the negative electrode.

また、比較例5−2の二次電池では、完全充電状態においては、塩化リチウムの共鳴線Rsに対して44ppmに共鳴線Riが得られたのみであった。また、完全放電状態においても、塩化リチウムの共鳴線Rsに対して44ppmに共鳴線Riが僅かに得られたが、その塩化リチウムの共鳴線Rsに対する44ppmの共鳴線Riの面積比は、完全充電状態における塩化リチウムの共鳴線Rsに対する44ppmの共鳴線Riの面積比の3%以下であった。よって、表5には“無し”と記載した。すなわち、比較例5−2の二次電池は、負極の容量がリチウムの吸蔵および離脱による容量成分により表されるリチウムイオン二次電池であることが分かった。また、負極には正極と負極との間を行き来するリチウムよりも多くのリチウムが蓄えられてないことが分かった。   In the secondary battery of Comparative Example 5-2, in the fully charged state, only the resonance line Ri was obtained at 44 ppm with respect to the resonance line Rs of lithium chloride. Further, even in the completely discharged state, a slight resonance line Ri was obtained at 44 ppm with respect to the resonance line Rs of lithium chloride. The area ratio of the resonance line Ri of 44 ppm to the resonance line Rs of lithium chloride in the state was 3% or less. Therefore, "none" is described in Table 5. That is, it was found that the secondary battery of Comparative Example 5-2 was a lithium ion secondary battery in which the capacity of the negative electrode was represented by a capacity component due to insertion and extraction of lithium. In addition, it was found that the negative electrode did not store more lithium than lithium flowing between the positive electrode and the negative electrode.

更に、比較例5−3の二次電池では、完全充電状態においては、塩化リチウムの共鳴線Rsに対して44ppmに共鳴線Riが得られたのみであった。一方、完全放電状態においては、塩化リチウムに対して44ppmに共鳴線Riが得られ、その塩化リチウムの共鳴線Rsに対する44ppmの共鳴線Riに対する面積比は、完全充電状態における塩化リチウムの共鳴線Rsに対する44ppmの共鳴線Riの面積比の3%以上であった。すなわち、比較例5−2の二次電池は、負極の容量がリチウムの吸蔵および離脱による容量成分により表されるリチウムイオン二次電池であり、負極には正極と負極との間を行き来するリチウムよりも多くのリチウムが蓄えられていることが分かった。   Further, in the secondary battery of Comparative Example 5-3, in the fully charged state, only the resonance line Ri was obtained at 44 ppm with respect to the resonance line Rs of lithium chloride. On the other hand, in the fully discharged state, a resonance line Ri is obtained at 44 ppm with respect to lithium chloride, and the area ratio of the resonance line Ri of 44 ppm with respect to the resonance line Rs of lithium chloride is the resonance line Rs of lithium chloride in the fully charged state. 3% or more of the area ratio of the resonance line Ri of 44 ppm to the That is, the secondary battery of Comparative Example 5-2 is a lithium ion secondary battery in which the capacity of the negative electrode is represented by a capacity component due to insertion and extraction of lithium. It turns out that more lithium is stored.

また、表5から分かるように、実施例5−1によれば、比較例5−1に比べて初回充放電効率および放電容量維持率を著しく向上させることができた。これに対して、リチウムイオン二次電池である比較例5−2,5−3では、初回充放電効率については比較例5−2よりも比較例5−3の方が高かったものの、放電容量維持率については、比較例5−3よりも比較例5−2の方が高かった。すなわち、負極22の容量が、リチウムの吸蔵および離脱による容量成分と、リチウムの析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表される電池において、完全放電状態における基準物質の共鳴線Rsに対するリチウムイオンに帰属する共鳴線Riの面積比が、放電をする直前の完全充電状態における基準物質の共鳴線Rsに対するリチウムイオンに帰属する共鳴線Riの面積比の3%以上である負極22を用いるようにすれば、放電容量および充放電サイクル特性を向上させることができることが分かった。   Further, as can be seen from Table 5, according to Example 5-1, the initial charge / discharge efficiency and the discharge capacity retention rate were significantly improved as compared with Comparative Example 5-1. On the other hand, in Comparative Examples 5-2 and 5-3, which are lithium ion secondary batteries, the initial charge / discharge efficiency was higher in Comparative Example 5-3 than in Comparative Example 5-2, but the discharge capacity was higher. As for the retention ratio, Comparative Example 5-2 was higher than Comparative Example 5-3. That is, the capacity of the anode 22 includes a capacity component due to insertion and extraction of lithium and a capacity component due to precipitation and dissolution of lithium, and in a battery represented by the sum thereof, the resonance line Rs of the reference substance in a completely discharged state is obtained. The negative electrode 22 having an area ratio of the resonance line Ri belonging to the lithium ion to the resonance line Rs of the reference material in the fully charged state immediately before discharging is 3% or more of the area ratio of the resonance line Ri belonging to the lithium ion to the fully charged state immediately before discharging. It has been found that the discharge capacity and the charge / discharge cycle characteristics can be improved if used.

また、実施例5−1によれば、実施例5−2,5−3にに比べて放電容量維持率を向上させることができ、リチウムイオン二次電池である比較例5−2,5−3に比べても放電容量維持率を向上させることができた。すなわち、正極合剤層の厚みAと負極合剤層の厚みBとの比(A/B)を大きくするようにすれば、充放電サイクル特性を著しく向上させることができることが分かった。   Further, according to Example 5-1, the discharge capacity retention ratio can be improved as compared with Examples 5-2 and 5-3, and Comparative Examples 5-2 and 5-5 are lithium ion secondary batteries. The discharge capacity retention ratio was able to be improved as compared with No. 3. That is, it was found that if the ratio (A / B) of the thickness A of the positive electrode mixture layer to the thickness B of the negative electrode mixture layer was increased, the charge / discharge cycle characteristics could be significantly improved.

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は実施の形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、軽金属としてリチウムを用いる場合について説明したが、ナトリウム(Na)あるいはカリウム(K)などの他のアルカリ金属、またはマグネシウムあるいはカルシウム(Ca)などのアルカリ土類金属、またはアルミニウムなどの他の軽金属、またはリチウムあるいはこれらの合金を用いる場合についても、本発明を適用することができ、同様の効果を得ることができる。その際、軽金属を吸蔵および離脱することが可能な負極材料、正極活物質、非水溶媒、あるいは電解質塩などは、その軽金属に応じて選択される。但し、軽金属としてリチウムまたはリチウムを含む合金を用いるようにすれば、現在実用化されているリチウムイオン二次電池との電圧互換性が高いので好ましい。なお、軽金属としてリチウムを含む合金を用いる場合には、電解質中にリチウムと合金を形成可能な物質が存在し、析出の際に合金を形成してもよく、また、負極にリチウムと合金を形成可能な物質が存在し、析出の際に合金を形成してもよい。   As described above, the present invention has been described with reference to the embodiments and the examples. However, the present invention is not limited to the embodiments and the examples, and various modifications are possible. For example, in the above embodiments and examples, the case where lithium is used as the light metal has been described. However, another alkali metal such as sodium (Na) or potassium (K), or an alkaline earth such as magnesium or calcium (Ca) is used. The present invention can be applied to a case where a metal, another light metal such as aluminum, or lithium or an alloy thereof is used, and a similar effect can be obtained. At that time, a negative electrode material, a positive electrode active material, a non-aqueous solvent, an electrolyte salt, or the like capable of inserting and extracting a light metal is selected according to the light metal. However, it is preferable to use lithium or an alloy containing lithium as the light metal because voltage compatibility with a lithium ion secondary battery currently in practical use is high. When an alloy containing lithium is used as a light metal, a substance capable of forming an alloy with lithium is present in the electrolyte, and an alloy may be formed at the time of deposition. Possible substances are present and may form an alloy upon precipitation.

また、上記実施の形態および実施例では、電解液または固体状の電解質の1種であるゲル状の電解質を用いる場合について説明したが、他の電解質を用いるようにしてもよい。他の電解質としては、例えば、イオン伝導性を有する高分子化合物に電解質塩を分散させた高分子固体電解質、イオン伝導性セラミックス、イオン伝導性ガラスあるいはイオン性結晶などよりなる無機固体電解質、またはこれらの無機固体電解質と電解液とを混合したもの、またはこれらの無機固体電解質とゲル状の電解質あるいは高分子固体電解質とを混合したものが挙げられる。   Further, in the above embodiments and examples, the case where a gel electrolyte which is one kind of the electrolytic solution or the solid electrolyte is used is described. However, another electrolyte may be used. Examples of other electrolytes include, for example, a polymer solid electrolyte in which an electrolyte salt is dispersed in a polymer compound having ion conductivity, an ion-conductive ceramic, an inorganic solid electrolyte made of an ion-conductive glass or an ionic crystal, or the like. Or a mixture of these inorganic solid electrolytes and a gel electrolyte or a polymer solid electrolyte.

更に、上記実施の形態および実施例では、巻回構造を有する円筒型の二次電池について説明したが、本発明は、巻回構造を有する楕円型あるいは多角形型の二次電池、または正極および負極を折り畳んだりあるいは積み重ねた構造を有する二次電池についても同様に適用することができる。加えて、いわゆるコイン型,ボタン型あるいはカード型などの二次電池についても適用することができる。   Furthermore, in the above embodiments and examples, a cylindrical secondary battery having a wound structure was described.However, the present invention provides an elliptical or polygonal secondary battery having a wound structure, or a positive electrode and a positive electrode. The same can be applied to a secondary battery having a structure in which the negative electrode is folded or stacked. In addition, the present invention can be applied to a so-called coin type, button type or card type secondary battery.

本発明の一実施の形態に係る二次電池の構成を表す断面図である。1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a secondary battery according to an embodiment of the present invention. 図1に示した二次電池における巻回電極体の一部を拡大して表す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an enlarged part of a wound electrode body in the secondary battery illustrated in FIG. 1. 塩化リチウムの固体 7Li多核種核磁気共鳴分光スペクトルを表す特性図である。It is a characteristic diagram showing a solid 7 Li multinuclear NMR spectrum of lithium chloride. 図2に示した負極の完全放電状態における固体 7Li多核種核磁気共鳴分光スペクトルを表す特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing a solid-state 7 Li multi-nuclide nuclear magnetic resonance spectroscopy spectrum of the negative electrode shown in FIG. 2 in a completely discharged state. 図2に示した負極の完全充電状態における固体 7Li多核種核磁気共鳴分光スペクトルを表す特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing a solid-state 7 Li multi-nuclide nuclear magnetic resonance spectroscopy spectrum of the negative electrode shown in FIG. 2 in a fully charged state. 従来の負極の完全充電状態における固体 7Li多核種核磁気共鳴分光スペクトルを表す特性図である。FIG. 9 is a characteristic diagram showing a solid-state 7 Li multi-nuclide nuclear magnetic resonance spectroscopy spectrum of a conventional negative electrode in a fully charged state. 従来の負極の完全放電状態における固体 7Li多核種核磁気共鳴分光スペクトルを表す特性図である。FIG. 7 is a characteristic diagram showing a solid-state 7 Li multi-nuclide nuclear magnetic resonance spectroscopy spectrum in a completely discharged state of a conventional negative electrode. 図2に示した負極の完全放電状態における他の固体 7Li多核種核磁気共鳴分光スペクトルを表す特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram illustrating another solid-state 7 Li multi-nuclide nuclear magnetic resonance spectroscopy spectrum in a completely discharged state of the negative electrode illustrated in FIG. 2. 図2に示した負極の完全充電状態における他の固体 7Li多核種核磁気共鳴分光スペクトルを表す特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram illustrating another solid-state 7 Li multi-nuclide nuclear magnetic resonance spectroscopy spectrum of the negative electrode illustrated in FIG. 2 in a fully charged state.

符号の説明Explanation of reference numerals

11…電池缶、12,13…絶縁板、14…電池蓋、15…安全弁機構、15A…ディスク板、16…熱感抵抗素子、17…ガスケット、20…巻回電極体、21…正極、21A…正極集電体、21B…正極合剤層、22…負極、22A…負極集電体、22B…負極合剤層、23…セパレータ、24…センターピン、25…正極リード、26…負極リード、Ri,Rm,Rs…共鳴線、Ai,As…面積。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Battery can, 12, 13 ... Insulating board, 14 ... Battery lid, 15 ... Safety valve mechanism, 15A ... Disc board, 16 ... Heat sensitive resistance element, 17 ... Gasket, 20 ... Wound electrode body, 21 ... Positive electrode, 21A ... Positive electrode current collector, 21B ... Positive electrode mixture layer, 22 ... Negative electrode, 22A ... Negative electrode current collector, 22B ... Negative electrode mixture layer, 23 ... Separator, 24 ... Center pin, 25 ... Positive electrode lead, 26 ... Negative electrode lead, Ri, Rm, Rs: resonance line, Ai, As: area.

Claims (24)

正極および負極と共に電解質を備え、前記負極の容量が、軽金属の吸蔵および離脱による容量成分と、軽金属の析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表される電池であって、
前記負極は、完全充電状態および完全放電状態において塩化リチウム(LiCl)を基準物質として用いた固体 7Li多核種核磁気共鳴分光分析により、前記基準物質の共鳴線に対して−10ppm〜200ppmの範囲に他の共鳴線が得られ、
前記完全放電状態における基準物質の共鳴線に対する他の共鳴線の面積比が、前記完全充電状態における基準物質の共鳴線に対する他の共鳴線の面積比の3%以上である
ことを特徴とする電池。
A battery provided with an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, wherein the capacity of the negative electrode includes a capacity component due to occlusion and release of light metal, and a capacity component due to precipitation and dissolution of light metal, and is represented by the sum thereof,
The negative electrode, the fully charged and fully discharged state Solid 7 Li multinuclear NMR spectroscopy using lithium chloride (LiCl) as a reference substance in the range of -10ppm~200ppm respect resonance line of the reference substance To obtain another resonance line,
The battery wherein the area ratio of another resonance line to the resonance line of the reference substance in the fully discharged state is 3% or more of the area ratio of the other resonance line to the resonance line of the reference substance in the fully charged state. .
前記電解質は、非水溶媒と、この非水溶媒に溶解された電解質塩とを含むことを特徴とする請求項1記載の電池。   The battery according to claim 1, wherein the electrolyte includes a non-aqueous solvent and an electrolyte salt dissolved in the non-aqueous solvent. 前記正極は、軽金属と遷移金属との複合酸化物を含むことを特徴とする請求項1記載の電池。   The battery according to claim 1, wherein the positive electrode includes a composite oxide of a light metal and a transition metal. 前記正極は、軽金属を吸蔵および離脱することが可能な正極合剤層を有し、
前記負極は、軽金属を吸蔵および離脱することが可能な負極合剤層を有し、
前記正極合剤層の厚みAと前記負極合剤層の厚みBとの比(A/B)は0.92以上である
ことを特徴とする請求項1記載の電池。
The positive electrode has a positive electrode mixture layer capable of inserting and extracting light metal,
The negative electrode has a negative electrode mixture layer capable of inserting and extracting light metal,
The battery according to claim 1, wherein a ratio (A / B) of a thickness A of the positive electrode mixture layer to a thickness B of the negative electrode mixture layer is 0.92 or more.
正極および負極と共に電解質を備え、前記負極の容量が、軽金属の吸蔵および離脱による容量成分と、軽金属の析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表される電池であって、
前記負極は、組み立て時に金属状態の軽金属を有することを特徴とする電池。
A battery provided with an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, wherein the capacity of the negative electrode includes a capacity component due to occlusion and release of light metal, and a capacity component due to precipitation and dissolution of light metal, and is represented by the sum thereof,
The battery according to claim 1, wherein the negative electrode includes a light metal in a metal state when assembled.
前記負極は、組み立て時に軽金属を吸蔵および離脱することが可能な負極合剤層と、この負極合剤層の表面に設けられた金属状態の軽金属層とを有することを特徴とする請求項5記載の電池。   The negative electrode includes a negative electrode mixture layer capable of inserting and extracting light metal during assembly, and a light metal layer in a metal state provided on a surface of the negative electrode mixture layer. Batteries. 前記金属状態の軽金属の容量は、前記軽金属の吸蔵および離脱による容量に対して1%以上100%以下の範囲であることを特徴とする請求項5記載の電池。   6. The battery according to claim 5, wherein the capacity of the light metal in the metallic state is in a range of 1% or more and 100% or less with respect to the capacity due to occlusion and release of the light metal. 前記負極は、炭素材料を含むことを特徴とする請求項5記載の電池。   The battery according to claim 5, wherein the negative electrode includes a carbon material. 前記負極は、黒鉛,易黒鉛化性炭素および難黒鉛化性炭素からなる群のうちの少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項8記載の電池。   9. The battery according to claim 8, wherein the negative electrode includes at least one selected from the group consisting of graphite, graphitizable carbon, and non-graphitizable carbon. 正極および負極と共に電解質を備え、前記負極の容量が、軽金属の吸蔵および離脱による容量成分と、軽金属の析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表される電池であって、
前記負極は、組み立て時にイオン状態の軽金属が吸蔵されていることを特徴とする電池。
A battery provided with an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, wherein the capacity of the negative electrode includes a capacity component due to occlusion and release of light metal, and a capacity component due to precipitation and dissolution of light metal, and is represented by the sum thereof,
A battery characterized in that the negative electrode has an ionized light metal inserted therein during assembly.
前記イオン状態の軽金属の容量は、前記軽金属の吸蔵および離脱による容量に対して1%以上100%以下の範囲であることを特徴とする請求項10記載の電池。   11. The battery according to claim 10, wherein the capacity of the light metal in the ionic state is in a range of 1% or more and 100% or less with respect to the capacity due to occlusion and desorption of the light metal. 前記負極は、炭素材料を含むことを特徴とする請求項10記載の電池。   The battery according to claim 10, wherein the negative electrode includes a carbon material. 前記負極は、黒鉛,易黒鉛化性炭素および難黒鉛化性炭素からなる群のうちの少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項12記載の電池。   13. The battery according to claim 12, wherein the negative electrode includes at least one selected from the group consisting of graphite, graphitizable carbon, and non-graphitizable carbon. 正極および負極と共に電解質を備え、前記負極の容量が、軽金属の吸蔵および離脱による容量成分と、軽金属の析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表される電池であって、
前記電解質は、正極で酸化分解する軽金属塩を含むことを特徴とする電池。
A battery provided with an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, wherein the capacity of the negative electrode includes a capacity component due to occlusion and release of light metal, and a capacity component due to precipitation and dissolution of light metal, and is represented by the sum thereof,
The battery according to claim 1, wherein the electrolyte includes a light metal salt that is oxidatively decomposed at the positive electrode.
前記軽金属塩の物質量は、前記軽金属の吸蔵および離脱による容量に相当する軽金属の物質量以下であることを特徴とする請求項14記載の電池。   15. The battery according to claim 14, wherein a substance amount of the light metal salt is equal to or less than a substance amount of the light metal corresponding to a capacity due to occlusion and desorption of the light metal. 前記電解質は、前記軽金属塩として、シュウ酸リチウムを含むことを特徴とする請求項14記載の電池。   The battery according to claim 14, wherein the electrolyte includes lithium oxalate as the light metal salt. 前記負極は、炭素材料を含むことを特徴とする請求項14記載の電池。   The battery according to claim 14, wherein the negative electrode includes a carbon material. 前記負極は、黒鉛,易黒鉛化性炭素および難黒鉛化性炭素からなる群のうちの少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項17記載の電池。   18. The battery according to claim 17, wherein the negative electrode includes at least one selected from the group consisting of graphite, graphitizable carbon, and non-graphitizable carbon. 正極および負極と共に電解質を備え、前記負極の容量が、軽金属の吸蔵および離脱による容量成分と、軽金属の析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表される電池であって、
組み立て時に、不可逆的に軽金属を放出する物質を電池内に有することを特徴とする電池。
A battery provided with an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, wherein the capacity of the negative electrode includes a capacity component due to occlusion and release of light metal, and a capacity component due to precipitation and dissolution of light metal, and is represented by the sum thereof,
A battery comprising a substance which irreversibly emits light metal during assembly in the battery.
記不可逆的に軽金属を放出する物質として、軽金属を有することを特徴とする請求項19記載の電池。 As before Symbol irreversibly substances that emit light metal, batteries of claim 19, wherein further comprising a light metal. 前記正極が組み立て時に有する軽金属の容量は、前記負極における軽金属の吸蔵および離脱による容量に対して1%以上100%以下の範囲であることを特徴とする請求項19記載の電池。   20. The battery according to claim 19, wherein the capacity of the light metal which the positive electrode has at the time of assembly is in a range of 1% or more and 100% or less with respect to the capacity of the negative electrode due to insertion and extraction of the light metal. 前記負極は、炭素材料を含むことを特徴とする請求項19記載の電池。   The battery according to claim 19, wherein the negative electrode includes a carbon material. 前記負極は、黒鉛,易黒鉛化性炭素および難黒鉛化性炭素からなる群のうちの少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項22記載の電池。   23. The battery according to claim 22, wherein the negative electrode includes at least one selected from the group consisting of graphite, graphitizable carbon, and non-graphitizable carbon. 正極および負極と共に電解質を備え、前記負極の容量が、軽金属の吸蔵および離脱による容量成分と、軽金属の析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表される電池であって、
初回完全充電時の負極の容量は、組み立て時の正極の理論容量よりも大きいことを特徴とする電池。
A battery provided with an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, wherein the capacity of the negative electrode includes a capacity component due to occlusion and release of light metal, and a capacity component due to precipitation and dissolution of light metal, and is represented by the sum thereof,
A battery wherein the capacity of the negative electrode at the time of the first full charge is larger than the theoretical capacity of the positive electrode at the time of assembly.
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