JP2005222851A - Electrode active material and electrochemical cell using it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非水電解質電池等の電気化学セルに用いる電極活物質に関するものである。 The present invention relates to an electrode active material used in an electrochemical cell such as a nonaqueous electrolyte battery.
コイン型(ボタン型)電気化学セルは、高エネルギー密度、軽量であるといった特徴により、機器のバックアップ用の電源としての用途が増加している。
メモリーやクロックのバックアップ用電気化学セルは、3V以上で充電するものが主流であった。しかし、機器の動作電圧の低電圧化に伴い、メモリーやクロックのバックアップ用2次電池も3V以下で充電可能な低電圧のものが必要とされてきている。
Coin-type (button-type) electrochemical cells are increasingly used as a power source for equipment backup due to their high energy density and light weight.
The mainstream electrochemical cells for memory and clock backup are those charged at 3V or higher. However, as the operating voltage of devices has been lowered, secondary batteries for memory and clock backup have been required to have a low voltage that can be charged at 3 V or less.
低電圧で充電できる電池としては、ニオブ酸化物を正極活物質、リチウムアルミ合金を負極活物質とするものが主流である(例えば特許文献1参照)。 As batteries that can be charged at a low voltage, those using niobium oxide as the positive electrode active material and lithium aluminum alloy as the negative electrode active material are the mainstream (see, for example, Patent Document 1).
また、電気化学セルを基板に実装する手法として、電気化学セルと基板間にハンダクリーム等を塗布し、基板ごと電気炉内に導入して過熱するリフローハンダ付けが注目されている。このリフローハンダ付けの際に、電気化学セルは240度以上の高温にさらされるため耐熱性も求められている。
従来の電気化学セルは、耐熱性の低いニオブ酸化物が用いられているため、リフローハンダ付け時に電極活物質が劣化し電気化学セルとしての機能が損なわれるという欠点があった。さらにサイクル特性が劣化してしまうとともに、充電後長期間放置されると電池容量の劣化が引き起こされるという問題を有していた。 Since the conventional electrochemical cell uses niobium oxide with low heat resistance, the electrode active material deteriorates during reflow soldering, and the function as an electrochemical cell is impaired. Further, the cycle characteristics are deteriorated, and battery capacity is deteriorated when left for a long time after charging.
また、電気化学セルを組み込む機器の充電電圧、放電終止電圧は、使用する電子部品、用いる電源によりさまざまである。特に、充電電圧が3V系から2.5V系のシステムに移行しつつある現在、機器メーカーはさまざまな部品をコストや機器の機能に合わせて選択し用いるため、電気化学セルを組み込む機器の充電電圧、放電終止電圧(電池操作電圧範囲)は機器メーカーごと、さらには機器ごとに異なるのが実状である。 In addition, the charging voltage and discharging end voltage of a device incorporating an electrochemical cell vary depending on the electronic component used and the power source used. In particular, as the charging voltage is shifting from a 3V system to a 2.5V system, device manufacturers select and use various components according to cost and device functions. The actual condition is that the end-of-discharge voltage (battery operating voltage range) varies from device manufacturer to device manufacturer and from device to device.
しかし、従来のニオブ酸化物―リチウムアルミ合金電気化学セルでは、図1の比較例1の放電カーブに示すとおり電圧が2Vから約1.3Vまで急激に降下し、その後放電カーブの傾きは緩やかになっており電池操作電圧範囲が非常に狭くなっていた(図1の比較例1にニオブ酸化物を正極活物質、リチウムアルミ合金を負極活物質とする非水電解質二次電池の放電カーブを示す)。 However, in the conventional niobium oxide-lithium aluminum alloy electrochemical cell, as shown in the discharge curve of Comparative Example 1 in FIG. 1, the voltage drops sharply from 2V to about 1.3V, and then the slope of the discharge curve gradually decreases. The battery operating voltage range was very narrow (Comparative Example 1 in FIG. 1 shows a discharge curve of a nonaqueous electrolyte secondary battery using niobium oxide as the positive electrode active material and lithium aluminum alloy as the negative electrode active material. ).
負極活物質にリチウムアルミ合金を用いた場合、1.3V以上の電圧を利用する機器では電圧降下が急激なため十分な放電容量を利用することはできない。 When a lithium aluminum alloy is used as the negative electrode active material, a device using a voltage of 1.3 V or higher cannot use a sufficient discharge capacity because of a rapid voltage drop.
さらに、充電の際に高電圧をかけ過ぎるとリチウムアルミ合金である負極にリチウムの異常析出が生じ、電極活物質劣化の原因となっていた。 Furthermore, if a high voltage is applied excessively during charging, abnormal lithium deposition occurs on the negative electrode, which is a lithium aluminum alloy, causing deterioration of the electrode active material.
従って、本発明では上記課題を解決する高耐熱性のニオブ酸化物を用いた電極活物質の提供と、耐熱性とサイクル特性に優れ電池操作電圧範囲の広い電気化学セルの提供とを目的とする。 Accordingly, it is an object of the present invention to provide an electrode active material using a highly heat-resistant niobium oxide that solves the above-mentioned problems, and to provide an electrochemical cell that is excellent in heat resistance and cycle characteristics and has a wide battery operating voltage range. .
本発明に係る電極活物質は、ニオブ酸化物からなる電極活物質であって、CuKα線(1.5418Å)を用いて測定した前記ニオブ酸化物のX線回折パターンにおいて回折角24度(2θ)付近と回折角25度(2θ)付近の回折ピーク強度がともに回折角22.6度(2θ)付近の回折ピーク強度の20%以下である。 The electrode active material according to the present invention is an electrode active material made of niobium oxide and has a diffraction angle of 24 degrees (2θ) in the X-ray diffraction pattern of the niobium oxide measured using CuKα rays (1.54184). The diffraction peak intensities near and near the diffraction angle of 25 degrees (2θ) are both 20% or less of the diffraction peak intensity near the diffraction angle of 22.6 degrees (2θ).
本発明の電極活物質は、前記ニオブ酸化物が回折角24度(2θ)付近と回折角25度(2θ)付近に回折ピークを持たない。さらに、本発明のニオブ酸化物は、Nb2O5であることが好ましい。 In the electrode active material of the present invention, the niobium oxide does not have a diffraction peak near a diffraction angle of 24 degrees (2θ) and a diffraction angle of 25 degrees (2θ). Furthermore, the niobium oxide of the present invention is preferably Nb 2 O 5 .
また、本発明に係る電極活物質は、ニオブ酸化物であって平均粒径が3.0μm以下である。前記ニオブ酸化物を強熱した場合の重量減少率が0.3%以下である。 The electrode active material according to the present invention is a niobium oxide and has an average particle size of 3.0 μm or less. The weight reduction rate when the niobium oxide is ignited is 0.3% or less.
本発明に係る電極活物質に含まれるニオブ酸化物は、Ta含有量が500ppm以下であり、かつFe含有量が15ppm以下であり、かつSi含有量が300ppm以下である。 The niobium oxide contained in the electrode active material according to the present invention has a Ta content of 500 ppm or less, an Fe content of 15 ppm or less, and an Si content of 300 ppm or less.
好ましくはニオブ酸化物の比表面積が3.5m2/gから20m2/gの範囲に含まれることを特徴とする請求項1から6のうちいずれか一項記載の電極活物質。さらに、好ましくは前記電極活物質を正極に用いる。
The electrode active material according to any one of
また、本発明では前記電極活物質を用いて電気化学セルを作成する。 In the present invention, an electrochemical cell is prepared using the electrode active material.
さらに、本発明に係る電気化学セルでは、負極活物質がケイ素又はタングステンのいずれかを含む物質からなる。 Furthermore, in the electrochemical cell according to the present invention, the negative electrode active material is made of a material containing either silicon or tungsten.
好ましくは、本発明では、前記負極活物質にリチウムイオンを吸蔵放出可能なケイ素酸化物を用いる。 Preferably, in the present invention, a silicon oxide capable of occluding and releasing lithium ions is used for the negative electrode active material.
さらに好ましくは、前記ケイ素酸化物中に含まれるケイ素とリチウムと酸素の原子数の比を1:x:yで表したとき、x≧0かつ2>y>0である。前記ケイ素酸化物中に含まれるケイ素とリチウムと酸素の原子数の比を1:x:yで表したとき、4.5≧x≧4.0かつ2>y>0であることがより好ましい。 More preferably, when the ratio of the number of atoms of silicon, lithium, and oxygen contained in the silicon oxide is expressed by 1: x: y, x ≧ 0 and 2> y> 0. When the ratio of the number of atoms of silicon, lithium, and oxygen contained in the silicon oxide is expressed by 1: x: y, it is more preferable that 4.5 ≧ x ≧ 4.0 and 2> y> 0. .
また、本発明に係る電気化学セルは、前記酸化ニオブと、常圧での沸点が200℃以上の非水溶媒と、フッ素を含有している支持塩と、ガラス繊維または熱変形温度230℃以上の樹脂からなるセパレータと、熱変形温度230℃以上の樹脂からなるガスケットとを有する。 In addition, the electrochemical cell according to the present invention includes the niobium oxide, a nonaqueous solvent having a boiling point of 200 ° C. or higher at normal pressure, a supporting salt containing fluorine, glass fiber, or a heat distortion temperature of 230 ° C. or higher. And a gasket made of a resin having a heat distortion temperature of 230 ° C. or higher.
好ましくは、本発明に係る非水溶媒は、エチレンカーボネート(EC)、又はγ−ブチロラクトン(γBL)のいずれかを含んでいる。 Preferably, the non-aqueous solvent according to the present invention contains either ethylene carbonate (EC) or γ-butyrolactone (γBL).
また、本発明に係る電気化学セルの支持塩は、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)又はホウフッ化リチウム(LiBF4)のいずれかを含んでいる。 Moreover, the supporting salt of the electrochemical cell according to the present invention contains either lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) or lithium borofluoride (LiBF 4 ).
本発明に係る電気化学セルのガスケットは、ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリマー(LCP)、ポリエーテルエーテルケトン樹脂(PEEK)、ポリエーテルニトリル樹脂(PEN)、ポリアミドイミド樹脂または、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂のいずれかを用いている。 The gasket of the electrochemical cell according to the present invention is made of polyphenylene sulfide, liquid crystal polymer (LCP), polyether ether ketone resin (PEEK), polyether nitrile resin (PEN), polyamideimide resin, or tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether. One of copolymer resins is used.
本発明に係る電気化学セルは、CuKα線(1.5418Å)を用いて測定したX線回折パターンにおいて回折角24度(2θ)と回折角25度(2θ)の回折ピーク強度がともに回折角22.6度(2θ)の回折ピーク強度の20%以下であるニオブ酸化物からなる正極活物質と、ケイ素又はタングステンのいずれか一方を含む負極活物質とからなる。 The electrochemical cell according to the present invention has both diffraction peak intensities at a diffraction angle of 24 degrees (2θ) and a diffraction angle of 25 degrees (2θ) in a X-ray diffraction pattern measured using CuKα rays (1.5418 Å). It consists of a positive electrode active material made of niobium oxide that is 20% or less of the diffraction peak intensity of 6 degrees (2θ) and a negative electrode active material containing either silicon or tungsten.
本発明は、CuKα線(1.5418Å)を用いたX線回折測定において、回折角24度(2θ)付近と25度OLE_LINK3(2θ)OLE_LINK3付近の回折ピーク強度がともに回折角22.6度(2θ)付近の回折ピーク強度の20%以下であるニオブ酸化物Nb2O5を電極活物質として用いる。このニオブ酸化物は耐熱性に優れており、リフローハンダ付けを行うことが可能である。また、本発明の電極活物質を用いることによりサイクル特性に優れ安定した電気化学セルを得ることができる。 In the present invention, in the X-ray diffraction measurement using CuKα ray (1.5418Å), the diffraction peak intensities near the diffraction angle of 24 degrees (2θ) and 25 degrees OLE_LINK3 (2θ) OLE_LINK3 are both diffraction angles of 22.6 degrees (2θ). Niobium oxide Nb 2 O 5 having a diffraction peak intensity of 20% or less in the vicinity is used as the electrode active material. This niobium oxide is excellent in heat resistance and can be reflow soldered. In addition, by using the electrode active material of the present invention, a stable electrochemical cell having excellent cycle characteristics can be obtained.
また、本発明の電極活物質は、平均粒径を3.0μm以下と小さくすることにより、正極活物質内の電気伝導度を上げることが出来る。 Moreover, the electrode active material of this invention can raise the electrical conductivity in a positive electrode active material by making an average particle diameter small as 3.0 micrometers or less.
強熱した場合の減少率が0.3%以下であるニオブ酸化物を電極活物質に用いることにより、電池容量低下の原因となる有機不純物の混入を防止することができる。 By using a niobium oxide having a reduction rate of 0.3% or less as an electrode active material when ignited, it is possible to prevent the mixing of organic impurities that cause a decrease in battery capacity.
Ta含有量が500ppm以下であり、かつFe含有量が15ppm以下であり、かつSi含有量が300ppm以下であるニオブ酸化物を電極活物質として用いることにより、電池容量の経時的な減少を改善することができる。 Use of niobium oxide having a Ta content of 500 ppm or less, an Fe content of 15 ppm or less, and an Si content of 300 ppm or less as an electrode active material improves the decrease in battery capacity over time. be able to.
また、比表面積が3.5m2/gから20m2/gの範囲に含まれるニオブ酸化物を電極活物質として用いることにより電極活物質と電解液との反応を抑制している。 In addition, the reaction between the electrode active material and the electrolytic solution is suppressed by using a niobium oxide having a specific surface area in the range of 3.5 m 2 / g to 20 m 2 / g as the electrode active material.
また、ニオブ酸化物からなる正極活物質と、ケイ素又はタングステンからなる負極活物質を電気化学セルに用いることにより、OLE_LINK2放電時における電気化学セルの急激な電圧低下を防止でき、充放電カーブの傾きが一定となり広い電圧範囲で、十分な電気容量を使用することが可能となる。OLE_LINK2リチウムイオンを吸蔵放出可能なケイ素酸化物を負極活物質として用いることにより、より広い電圧範囲で、十分な電気容量を使用することが可能な電気化学セルを実現することができる。 In addition, by using a positive electrode active material made of niobium oxide and a negative electrode active material made of silicon or tungsten for the electrochemical cell, it is possible to prevent a rapid voltage drop of the electrochemical cell during OLE_LINK2 discharge, and the slope of the charge / discharge curve. Becomes constant and a sufficient electric capacity can be used in a wide voltage range. By using silicon oxide capable of occluding and releasing OLE_LINK2 lithium ions as a negative electrode active material, an electrochemical cell capable of using a sufficient electric capacity in a wider voltage range can be realized.
ケイ素とリチウムと酸素の原子数の比を1:x:yで表したとき、x≧0かつ2>y>0となるようなケイ素酸化物を選択することにより負極の電位を下げ、電気化学セルの電圧を上げることができる。 When the ratio of the number of atoms of silicon, lithium, and oxygen is expressed as 1: x: y, the potential of the negative electrode is lowered by selecting a silicon oxide such that x ≧ 0 and 2> y> 0, and electrochemical The cell voltage can be increased.
さらに、Li含有量を4.0≦x≦4.5にすることにより負極側の電位を下げ、電気化学セルの電圧をあげることができる。放電時における電気化学セルの急激な電圧低下を防止でき、充放電カーブの傾きが一定となり広い電圧範囲で、十分な電気容量を使用することが可能となる。同時に高い電圧でも充電可能であるが、充電時にリチウム金属が電極に異常析出してしまうことは起こらない。広い電圧範囲で、大きな電気容量をもつことができる電気化学セルを提供できるようになった。 Further, by setting the Li content to 4.0 ≦ x ≦ 4.5, the potential on the negative electrode side can be lowered and the voltage of the electrochemical cell can be increased. An abrupt voltage drop of the electrochemical cell during discharge can be prevented, the slope of the charge / discharge curve is constant, and a sufficient electric capacity can be used in a wide voltage range. At the same time, charging is possible even at a high voltage, but lithium metal does not abnormally deposit on the electrode during charging. An electrochemical cell capable of having a large electric capacity in a wide voltage range can be provided.
また本発明に係る電気化学セルは、前記非水溶媒の常圧での沸点が200℃以上であり、かつ前記支持塩がフッ素を含有し、かつ前記セパレータがガラス繊維または熱変形温度230℃以上の樹脂からなり、かつ前記ガスケットが熱変形温度230℃以上の樹脂からなる構成とすることで、耐熱性を高めリフローハンダ付けを可能としている。 In the electrochemical cell according to the present invention, the nonaqueous solvent has a boiling point of 200 ° C. or higher at normal pressure, the supporting salt contains fluorine, and the separator is glass fiber or a heat distortion temperature of 230 ° C. or higher. And the gasket is made of a resin having a heat distortion temperature of 230 ° C. or higher, thereby improving heat resistance and enabling reflow soldering.
さらに、非水溶媒がエチレンカーボネート(EC)、γ−ブチロラクトン(γBL)のいずれかを含むことにより非水溶媒の誘電率を高め、電気化学セルの内部抵抗を小さくしている。 Furthermore, the nonaqueous solvent contains either ethylene carbonate (EC) or γ-butyrolactone (γBL), thereby increasing the dielectric constant of the nonaqueous solvent and reducing the internal resistance of the electrochemical cell.
また、支持塩として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、ホウフッ化リチウム(LiBF4)のいずれかを用いることにより、電解液が高い伝導度を示す。これらの支持塩は、酸化条件下、還元条件下でともに安定であり、電気化学セルの充放電に伴う劣化が生じにくい。 Further, by using any one of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) and lithium borofluoride (LiBF 4 ) as the supporting salt, the electrolytic solution exhibits high conductivity. These supporting salts are both stable under oxidizing and reducing conditions, and are less likely to deteriorate due to charging and discharging of the electrochemical cell.
ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリマー(LCP)、ポリエーテルエーテルケトン樹脂(PEEK)、ポリエーテルニトリル樹脂(PEN)、ポリアミドイミド樹脂または、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂をガスケットに用いると電気化学セルの耐熱性を向上させる。しかも電極との組み合わせにおいても電池性能損なわないため、リフロー温度に耐えうる電気化学セルを提供することができる。 Electrochemical cells when polyphenylene sulfide, liquid crystal polymer (LCP), polyether ether ketone resin (PEEK), polyether nitrile resin (PEN), polyamide imide resin, or tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer resin is used as a gasket. Improves heat resistance. Moreover, since the battery performance is not impaired even in combination with the electrode, an electrochemical cell that can withstand the reflow temperature can be provided.
本発明の電気化学セルの構造について図2に断面図に示す。正極ペレット101と負極ペレット102は、それぞれ正極活物質と負極活物質を成形して得た。この正極活物質と負極活物質の電極電位の差が電気化学セルの起電力となる。セパレータ103は、正負極間の電気的接触を防止している。また、負極ペレット102とリチウムフォイル104を接触させ、電解液105を加えることにより電気化学反応を生じ負極ペレット内にリチウムイオンが吸蔵される。電解液105は、非水溶媒と支持塩からなる。電極ペレットと電解液は、正極ケース106と負極ケース107に収められガスケット108を介してかしめ封口されている。 The structure of the electrochemical cell of the present invention is shown in a sectional view in FIG. The positive electrode pellet 101 and the negative electrode pellet 102 were obtained by molding a positive electrode active material and a negative electrode active material, respectively. The difference in electrode potential between the positive electrode active material and the negative electrode active material becomes an electromotive force of the electrochemical cell. The separator 103 prevents electrical contact between the positive and negative electrodes. Further, when the negative electrode pellet 102 and the lithium foil 104 are brought into contact with each other and the electrolytic solution 105 is added, an electrochemical reaction occurs, and lithium ions are occluded in the negative electrode pellet. The electrolytic solution 105 includes a non-aqueous solvent and a supporting salt. The electrode pellet and the electrolytic solution are accommodated in a positive electrode case 106 and a negative electrode case 107 and are caulked and sealed through a gasket 108.
正極活物質のニオブ酸化物Nb2O5は低い電圧で充電でき、また容量的に大きいため低電圧領域で使う電池に向いている。またこのNb2O5はCuKα線(1.5418Å)を用いたX線回折測定において、回折角24度(2θ)付近のピークの強度と25度(2θ)付近のピークの強度がともに22.6度(2θ)付近のピークの強度の20%以下であることが望ましい。本発明の回折測定条件は限定されるものではないが、CuKα線を用いることが好ましい。具体的には、下記の実施例記載の条件で行なうのが好ましい。 The positive electrode active material niobium oxide Nb 2 O 5 can be charged at a low voltage and is large in capacity, and is suitable for a battery used in a low voltage region. Further, this Nb 2 O 5 has an intensity of a peak near a diffraction angle of 24 degrees (2θ) and an intensity of a peak near 25 degrees (2θ) in the X-ray diffraction measurement using CuKα rays (1.5418 Å). It is desirable that it is 20% or less of the intensity of the peak around 6 degrees (2θ). The diffraction measurement conditions of the present invention are not limited, but it is preferable to use CuKα rays. Specifically, it is preferable to carry out under the conditions described in the following examples.
X線回折測定条件
光源:CuKα線(1.5418Å)
出力:40KV、30mA
発散スリット:1.0°
散乱スリット:1.0°
受光スリット:0.1mm
ステップ幅 :0.05°
スキャンスピード:3°/min
以上の条件でX線回折測定を行なった。
X-ray diffraction measurement conditions Light source: CuKα ray (1.5418mm)
Output: 40KV, 30mA
Divergent slit: 1.0 °
Scattering slit: 1.0 °
Light receiving slit: 0.1 mm
Step width: 0.05 °
Scan speed: 3 ° / min
X-ray diffraction measurement was performed under the above conditions.
図3に酸化ニオブの回折ピークを示す。 FIG. 3 shows the diffraction peak of niobium oxide.
回折角24度(2θ)付近と25度(2θ)付近にバックグラウンド以外の顕著なピークを持たないことが特に望ましい。これは、結晶構造が斜方晶の単一相であることを示し、安定な結晶構造を持つことから、熱に対する劣化が少なく充放電サイクル特性が良好であるためである。また、このNb2O5を正極として電池を作成した場合、リチウムを含む負極を高温度で安定化させ、電池の膨らみ、内部抵抗の上昇を低く抑える作用もある。 It is particularly desirable that there are no prominent peaks other than the background near diffraction angles of 24 degrees (2θ) and 25 degrees (2θ). This is because the crystal structure is an orthorhombic single phase, and since it has a stable crystal structure, there is little deterioration against heat and the charge / discharge cycle characteristics are good. Further, when a battery is produced using this Nb 2 O 5 as a positive electrode, the negative electrode containing lithium is stabilized at a high temperature, and there is also an action of suppressing a swelling of the battery and an increase in internal resistance.
またニオブ酸化物Nb2O5中のTa含有量が500ppm以下であり、かつFe含有量が15ppm以下であり、かつSi含有量が300ppm以下であることが好ましい。二次電池では電池使用状態において、充電後長期間放置される場合があるが、この充電状態で長期間放置されると、容量の劣化が引き起こされることがある。これはNb2O5中に含有される不純物であるTa,Fe,Siが電解液中に溶出し、これが負極中に侵入したり、あるいは負極表面に析出することにより負極活物質に悪影響を与えていることが考えられる。そこで、Nb2O5中に含まれるTa含有量を500ppm以下、かつFe含有量を15ppm以下、かつSi含有量を300ppm以下にすることにより、長期間放置による電池容量劣化を解決することができた。 Moreover, it is preferable that the Ta content in the niobium oxide Nb 2 O 5 is 500 ppm or less, the Fe content is 15 ppm or less, and the Si content is 300 ppm or less. A secondary battery may be left for a long time after being charged when the battery is used. However, if the battery is left for a long time in this charged state, the capacity may be deteriorated. This is because Ta, Fe, Si, which are impurities contained in Nb 2 O 5 , elute into the electrolyte solution, and this penetrates into the negative electrode or precipitates on the negative electrode surface, thereby adversely affecting the negative electrode active material. It is possible that Therefore, by setting the Ta content in Nb 2 O 5 to 500 ppm or less, the Fe content to 15 ppm or less, and the Si content to 300 ppm or less, it is possible to solve battery capacity deterioration due to long-term standing. It was.
その他の有機系不純物の含有を押さえることも容量低下を押さえ、充放電サイクル特性を向上させることにつながる。具体的には、Nb2O5の強熱減量が0.3%以下にすることにより、充放電サイクル特性の向上と容量劣化を押さえることにつながる。 Suppressing the content of other organic impurities also suppresses capacity reduction and leads to improvement of charge / discharge cycle characteristics. Specifically, when the ignition loss of Nb 2 O 5 is set to 0.3% or less, the charge / discharge cycle characteristics are improved and the capacity deterioration is suppressed.
また本発明のニオブ酸化物Nb2O5は、BET法により測定した比表面積あるいはブレーン法により測定した平均粒径を規定している。これは、正極活物質内の電気伝導度を確保しつつ、化学的に活性な活物質と電解液との反応を抑えることが必要であり、このためある程度小さな比表面積を持ち、かつ小さな平均粒径であることが望ましい。そのためBET法による比表面積は3.5m2/g以上20m2/g以下であることが好ましく、平均粒径は、3.0μm以下であることが望ましい。特に、比表面積が3.5m2/g以上10m2/g以下であり平均粒径が1.0μm以下のものは、特に耐熱性に優れるために好ましい。 Further, the niobium oxide Nb 2 O 5 of the present invention defines a specific surface area measured by the BET method or an average particle diameter measured by the brane method. It is necessary to suppress the reaction between the chemically active active material and the electrolytic solution while ensuring the electrical conductivity in the positive electrode active material. For this reason, it has a small specific surface area and a small average particle size. The diameter is desirable. Therefore, the specific surface area by the BET method is preferably 3.5 m 2 / g or more and 20 m 2 / g or less, and the average particle size is preferably 3.0 μm or less. In particular, those having a specific surface area of 3.5 m 2 / g or more and 10 m 2 / g or less and an average particle diameter of 1.0 μm or less are particularly preferable because of excellent heat resistance.
負極活物質にSiOやSiなどSiOy(2>y>0)で表されるケイ素の酸化物を用いることにより急激な電圧降下を防止し、充放電カーブが一定の傾きとなる。特にSiOを用いることにより、電気化学セルの急激な電圧低下を防止でき、広い電圧範囲で電気化学セルの電気容量を有効に使用することが可能となる。また、SiOを用いて電池をつくる場合、可動させるリチウムイオンをあらかじめSiOに吸蔵させLixSiOy(x≧0、2>y>0)で表されるリチウム含有シリコン酸化物とする必要がある。この場合、リチウム含有量を多くすることにより、負極側の電極電位が下がり、電気化学セルの起電力は大きくなる。なお、リチウムを多く入れすぎると充電時にリチウム金属が電極に異常析出してしまうためxは4.0≦x≦4.5の範囲が特に好ましい。上記ニオブ酸化物とSiOを正負極に持つことにより、低電圧の広い領域で充放電可能な二次電池を得ることが出来る。また、タングステンを含んだ負極活物質を用いるのも好ましい。 By using a silicon oxide represented by SiOy (2> y> 0) such as SiO or Si as the negative electrode active material, a rapid voltage drop is prevented, and the charge / discharge curve has a constant slope. In particular, by using SiO, a rapid voltage drop of the electrochemical cell can be prevented, and the electric capacity of the electrochemical cell can be effectively used in a wide voltage range. In addition, when a battery is manufactured using SiO, it is necessary to occlude lithium ions to be moved into SiO in advance to obtain a lithium-containing silicon oxide represented by LixSiOy (x ≧ 0, 2> y> 0). In this case, by increasing the lithium content, the electrode potential on the negative electrode side decreases, and the electromotive force of the electrochemical cell increases. In addition, when too much lithium is added, lithium metal is abnormally deposited on the electrode during charging, and therefore x is particularly preferably in the range of 4.0 ≦ x ≦ 4.5. By having the niobium oxide and SiO in the positive and negative electrodes, a secondary battery that can be charged and discharged in a wide region with a low voltage can be obtained. It is also preferable to use a negative electrode active material containing tungsten.
電解液の電解質としては、γ−ブチロラクトン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチルフォーメイト、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、ジメチルフォルムアミド等の有機溶媒の単独又は混合溶媒を用いることができる。 Examples of the electrolyte electrolyte include γ-butyrolactone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, methyl formate, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, dioxolane, dimethylformamide, and the like. An organic solvent alone or a mixed solvent can be used.
リフローハンダ付けを行うには、電解液として、常圧での沸点が200℃以上の非水溶媒を用いることがリフロー温度で安定であることがわかった。正負極との組み合わせにおいて、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、γ−ブチロラクトン(γBL)選ばれる単独または複合物で用いることが良好であった。 In order to perform reflow soldering, it was found that it is stable at the reflow temperature to use a nonaqueous solvent having a boiling point of 200 ° C. or higher at normal pressure as the electrolytic solution. In combination with positive and negative electrodes, propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), and γ-butyrolactone (γBL) were used alone or in combination.
また、上記有機溶媒の他にポリマーを用いることもできる。ポリマーとしては、例えばポリエチレンオキサイド(PEO)、ポリプロピレンオキサイド、ポリエチレングリコールジアクリレート架橋体、ポリフッ化ビニリデン、ポリフォスファゼン架橋体、ポリプロピレングリコールジアクリレート架橋体、ポリエチレングリコールメチルエーテルアクリレート架橋体、ポリプロピレングリコールメチルエーテルアクリレート架橋体等が好ましく用いられる。 In addition to the organic solvent, a polymer can be used. Examples of the polymer include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide, crosslinked polyethylene glycol diacrylate, polyvinylidene fluoride, crosslinked polyphosphazene, crosslinked polypropylene glycol diacrylate, crosslinked polyethylene glycol methyl ether acrylate, and polypropylene glycol methyl ether. A crosslinked acrylate or the like is preferably used.
電解液(非水溶媒)中に存在する主な不純物としては、水分と、有機過酸化物(例えばグリコール類、アルコール類、カルボン酸類)などが挙げられる。前記各不純物は、活物質の表面に絶縁性の被膜を形成し、電極の界面抵抗を増大させるものと考えられる。したがって、サイクル寿命や容量の低下に影響を与える恐れがある。また高温(60℃以上)貯蔵時の自己放電も増大する恐れがある。このようなことから、非水溶媒を含む電解液においては前記不純物をできるだけ低減されることが好ましい。具体的には、水分は50ppm以下、有機過酸化物は1000ppm以下であることが好ましい。 Examples of main impurities present in the electrolytic solution (nonaqueous solvent) include moisture and organic peroxides (for example, glycols, alcohols, carboxylic acids). Each of the impurities is considered to form an insulating film on the surface of the active material and increase the interface resistance of the electrode. Therefore, the cycle life and capacity may be affected. In addition, self-discharge during storage at high temperatures (60 ° C. or higher) may increase. For this reason, it is preferable to reduce the impurities as much as possible in the electrolyte solution containing the non-aqueous solvent. Specifically, the moisture is preferably 50 ppm or less and the organic peroxide is preferably 1000 ppm or less.
支持塩としては過塩素酸リチウム(LiClO4 )、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )、ホウフッ化リチウム(LiBF4 )、六フッ化砒素リチウム(LiAsF6 )、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3 SO3 )、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム[LiN(CF3 SO2 )2 ]、チオシアン塩、アルミニウムフッ化塩などのリチウム塩(電解質)などの1種以上の塩を用いることができる。
リフローハンダ付けを行うにおいては、LiClO4等の塩素系のものよりフッ素を含有する支持塩である六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、ホウフッ化リチウム(LiBF4)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3 SO3)が、熱的にも電気特性的にも安定であった。
Supported salts include lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium borofluoride (LiBF 4 ), lithium arsenic hexafluoride (LiAsF 6 ), lithium trifluorometasulfonate (LiCF) 3 SO 3 ), bistrifluoromethylsulfonylimide lithium [LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ], lithium salts (electrolytes) such as thiocyanate and aluminum fluoride can be used.
In performing reflow soldering, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium borofluoride (LiBF 4 ), lithium trifluorometasulfonate, which are fluorine-containing supporting salts, such as LiClO 4 and other chlorine-based ones (LiCF 3 SO 3 ) was stable both thermally and electrically.
非水溶媒に対する溶解量は、0.5〜3.0モル/1とすることが望ましい。 The amount dissolved in the non-aqueous solvent is preferably 0.5 to 3.0 mol / 1.
セパレーターとしては、大きなイオン透過度を持ち、所定の機械的強度を持ち絶縁性の膜が用いられる。セパレーターの孔径は、一般に電池用として用いられる範囲が用いられる。例えば、0.01〜10μmが用いられる。セパレーターの厚みは、一般に電池用の範囲で用いられる例えば、5〜300μmが用いられる。 As the separator, an insulating film having a large ion permeability and a predetermined mechanical strength is used. As the pore diameter of the separator, a range generally used for batteries is used. For example, 0.01 to 10 μm is used. The thickness of the separator is generally used in the battery range, for example, 5 to 300 μm is used.
ガスケットは通常ポリプロピレン等が用いられる。 As the gasket, polypropylene or the like is usually used.
リフローハンダ付けを行う場合は、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、液晶ポリマー(LCP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂(PFA)、ポリエーテルエーテルケトン樹脂(PEEK)、ポリエーテルニトリル樹脂(PEN)、ポリエーテルケトン樹脂(PEK)、ポリアミドイミド、ポリアリレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリシクロヘキサンジメチレンテレフタレート樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリアミノビスマレイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、フッ素樹脂がリフロー温度での破裂等がなく、しかもリフロー後の保存においてもガスケットの変形による漏液などの問題がなかった。 When performing reflow soldering, polyphenylene sulfide, polyethylene terephthalate, polyamide, liquid crystal polymer (LCP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer resin (PFA), polyether ether ketone resin (PEEK), polyether nitrile resin (PEN), polyetherketone resin (PEK), polyamideimide, polyarylate resin, polybutylene terephthalate resin, polycyclohexanedimethylene terephthalate resin, polyethersulfone resin, polyaminobismaleimide resin, polyetherimide resin, fluorine resin reflow There was no rupture at temperature, and there was no problem of leakage due to deformation of the gasket even during storage after reflow.
特に、熱変形温度が230℃以上の樹脂、ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリマー(LCP)、ポリエーテルエーテルケトン樹脂(PEEK)、ポリエーテルニトリル樹脂(PEN)、ポリアミドイミド樹脂または、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂は、耐漏液性の点で優れていた。 In particular, resins having a heat distortion temperature of 230 ° C. or higher, polyphenylene sulfide, liquid crystal polymer (LCP), polyetheretherketone resin (PEEK), polyethernitrile resin (PEN), polyamideimide resin, or tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl The vinyl ether copolymer resin was excellent in terms of leakage resistance.
また、この材料に40重量%程度以下の添加量でガラス繊維、マイカウイスカー、セラミック微粉末、セラミックスウイスカー等を添加したものを用いることができる。特にチタン酸カリウムのウイスカーを用いたものは良好であった。 Moreover, what added glass fiber, my cow whisker, ceramic fine powder, ceramic whisker, etc. with the addition amount of about 40 weight% or less to this material can be used. In particular, those using potassium titanate whiskers were good.
ガスケットの製造方法としては、射出成型法、熱圧縮法等がある。 As a method for manufacturing the gasket, there are an injection molding method, a thermal compression method, and the like.
熱圧縮法は、成形品のガスケット形状よりも厚みの厚い板材を素材成形品として融点以下で熱圧縮成形を行い、最終成型品を得る方法である。 The thermal compression method is a method for obtaining a final molded product by performing thermal compression molding at a temperature equal to or lower than the melting point using a plate material having a thickness larger than the gasket shape of the molded product as a material molded product.
一般に素材成形品から融点以下の温度で、熱圧縮成形で成形された熱可塑性樹脂の成形品に温度を加えると、元の素材成形品の形状に戻ろうとする性質がある。これにより、本来であれば外缶及び内缶(金属)とガスケット(樹脂)の間に隙間ができる、あるいは缶とガスケットの間に封止に十分な応力が得られなくなるはずの非水電解質二次電池にこのガスケットを用いることで、熱処理(リフローはんだ付け等)によるガスケットの膨張で外缶及び缶(金属)とガスケット(樹脂)の間に隙間ができずあるいは缶とガスケットの間に封止に充分な応力が得られるようになる。 In general, when a temperature is applied to a thermoplastic resin molded product molded by hot compression molding at a temperature below the melting point from the material molded product, there is a property of returning to the shape of the original material molded product. As a result, a non-aqueous electrolyte is supposed to have a gap between the outer can and the inner can (metal) and the gasket (resin), or a stress sufficient for sealing cannot be obtained between the can and the gasket. By using this gasket for the next battery, there is no gap between the outer can and can (metal) and gasket (resin) due to expansion of the gasket due to heat treatment (reflow soldering, etc.) or sealing between the can and gasket. Sufficient stress can be obtained.
また、経時的に元の素材成形品の形状に戻ろうとする性質があり、リフローはんだ付け以外の電池においても効果がある。 Further, it has a property of returning to the shape of the original material molded product over time, and is effective in batteries other than reflow soldering.
特にテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂(PFA)を用いたガスケットにおいては、射出成形で作製したものより、シート状の材料を加熱加圧して作製する熱圧縮成形のものの方が、封口性が良好であった。これは、PFAがゴム弾性を有していることと、射出成型品はリフロー温度で収縮するのに対し熱圧縮成形品はリフロー温度で成形前のシートの厚さに戻ろうとするため、封口部分の内圧が上昇しより一層の封口気密が達成できるためである。 In particular, in a gasket using tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer resin (PFA), a heat compression molded one produced by heating and pressing a sheet-like material is more sealed than one produced by injection molding. The property was good. This is because the PFA has rubber elasticity, and the injection molded product shrinks at the reflow temperature, whereas the hot compression molded product tries to return to the thickness of the sheet before molding at the reflow temperature. This is because the internal pressure of the gas increases and further sealing and airtightness can be achieved.
一方、射出成形法はガスケットの成形方法としては最も一般的である。ただし、コストダウン等により成形精度を犠牲にする場合は、液体シール剤を用い気密を補うことが必須となる。 On the other hand, the injection molding method is the most common gasket molding method. However, when the molding accuracy is sacrificed due to cost reduction or the like, it is essential to supplement the airtightness using a liquid sealant.
コイン、ボタン電池の場合ガスケットと正・負極缶の間にアスファルトピッチ、ブチルゴム、フッ素系オイル、クロロスルホン化ポリエチレン、エポキシ樹脂等の1種または混合物の液体シール剤が用いられる。液体シール剤が透明の場合は着色して、塗布の有無を明確にすることも行われる。シール剤の塗布法としては、ガスケットへのシール剤の注入、正・負極缶への塗布、ガスケットのシール剤溶液へのディッピング等がある。 In the case of coins and button batteries, one or a mixture of liquid sealants such as asphalt pitch, butyl rubber, fluorinated oil, chlorosulfonated polyethylene, and epoxy resin is used between the gasket and the positive and negative electrode cans. When the liquid sealant is transparent, it is colored to clarify the presence or absence of application. Examples of the method for applying the sealant include injection of the sealant into the gasket, application to the positive / negative electrode can, and dipping of the gasket into the sealant solution.
電極形状は、電池の形状がコインやボタンの場合、正極活物質や負極活物質の合剤をペレットの形状に圧縮し用いられる。また、薄型のコインやボタンのときは、シート状に成形した電極を打ち抜いて用いてもよい。そのペレットの厚みや直径は電池の大きさにより決められる。 When the battery shape is a coin or a button, the electrode shape is used by compressing a mixture of a positive electrode active material and a negative electrode active material into a pellet shape. In the case of a thin coin or button, an electrode formed in a sheet shape may be punched out. The thickness and diameter of the pellet are determined by the size of the battery.
ペレットのプレス法は、一般に採用されている方法を用いることができるが、特に金型プレス法が好ましい。プレス圧は、特に限定されないが、0.2〜5t/cm2が好ましい。プレス温度は、室温〜200℃が好ましい。 As the pellet pressing method, a generally adopted method can be used, but a die pressing method is particularly preferable. The pressing pressure is not particularly limited, but is preferably 0.2 to 5 t / cm2. The pressing temperature is preferably room temperature to 200 ° C.
電極合剤には、導電剤や結着剤やフィラーなどを添加することができる。導電剤の種類は特に限定されず、金属粉末でもよいが、炭素系のものが特に好ましい。炭素材料はもっとも一般的で、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛など)、人工黒鉛、カーボンブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラック、炭素繊維等が使われる。また、金属では、銅、ニッケル、銀等の金属粉、金属繊維が用いられる。導電性高分子も使用される。 A conductive agent, a binder, a filler, or the like can be added to the electrode mixture. The kind of the conductive agent is not particularly limited and may be a metal powder, but a carbon-based one is particularly preferable. Carbon materials are the most common, and natural graphite (scale-like graphite, scale-like graphite, earth-like graphite, etc.), artificial graphite, carbon black, channel black, thermal black, furnace black, acetylene black, carbon fiber, etc. are used. As the metal, metal powder such as copper, nickel, silver, or metal fiber is used. Conductive polymers are also used.
炭素の添加量は、混合比は活物質の電気伝導度、電極形状等により異なり特に限定されないが、負極の場合1〜50重量%が好ましく、特に2〜40重量%が好ましい。 The amount of carbon added varies depending on the electrical conductivity of the active material, the electrode shape, etc., and is not particularly limited. However, in the case of the negative electrode, it is preferably 1 to 50% by weight, particularly preferably 2 to 40% by weight.
炭素の粒径は平均粒径で0.5〜50μmの範囲、好ましくは0.5〜15μmの範囲、より好ましくは0.5〜6μmの範囲にすると活物質間の接触性が良好になり、電子伝導のネットワーク形成が向上し、電気化学的な反応に関与しない活物質が減少する。 When the carbon particle size is in the range of 0.5 to 50 μm, preferably in the range of 0.5 to 15 μm, more preferably in the range of 0.5 to 6 μm, the contact between the active materials becomes good. Electron conduction network formation is improved, and active materials that are not involved in electrochemical reactions are reduced.
結着剤は、電解液に不溶のものが好ましい。
ポリアクリル酸およびポリアクリル酸中和物、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、でんぷん、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ジアセチルセルロース、ポリビニルクロリド、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム、ポリブタジエン、フッ素ゴム、ポリエチレンオキシド、ポリイミド、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などの多糖類、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、ゴム弾性を有するポリマーなどが1種またはこれらの混合物として用いられる。 結着剤の添加量は、1〜50重量%が好ましい。
The binder is preferably insoluble in the electrolytic solution.
Polyacrylic acid and neutralized polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose, starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, diacetylcellulose, polyvinylchloride, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene -Diene polymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber, polybutadiene, fluoro rubber, polyethylene oxide, polyimide, epoxy resin, phenol resin and other polysaccharides, thermoplastic resin, thermosetting resin, rubber elastic polymer, etc. Are used as one or a mixture thereof. The addition amount of the binder is preferably 1 to 50% by weight.
結着剤は水溶性のものを用いることにより、環境への負荷を減らすことができる。正極合剤の作製において、水溶性のポリアクリル酸およびポリアクリル酸中和物、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、でんぷん等を用いた場合は、Nb2O5が吸水してしまうため、正極合剤または正極合剤を成形したペレットを熱処理する必要がある。 By using a water-soluble binder, the burden on the environment can be reduced. In the production of the positive electrode mixture, when water-soluble polyacrylic acid and polyacrylic acid neutralized product, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, starch, etc. are used, Nb 2 O 5 absorbs water, It is necessary to heat-treat the pellet formed with the positive electrode mixture.
フィラーは、構成された電池において、化学変化を起こさない繊維状材料であれば何でも用いることができる。本発明の場合、炭素、ガラスなどの繊維が用いられる。フィラーの添加量は特に限定されないが、0〜30重量%が好ましい。 Any filler can be used as long as it is a fibrous material that does not cause a chemical change in the constructed battery. In the present invention, fibers such as carbon and glass are used. Although the addition amount of a filler is not specifically limited, 0 to 30 weight% is preferable.
電極活物質の集電体を兼ねる缶としては、電気抵抗の小さい金属板を用いることが望ましい。例えば、正極には、材料としてステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、チタン、タングステン、金、白金、焼成炭素などの他に、アルミニウムやステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたものが用いられる。ステンレス鋼は二相ステンレスが腐食に対して有効である。コイン、ボタン電池の場合は電池の外部になる方にニッケルめっきすることが行われる。処理の方法としては、湿式めっき、乾式めっき、CVD、PVD、圧着によるクラッド化、塗布等がある。 It is desirable to use a metal plate having a low electrical resistance as a can that also serves as a current collector for the electrode active material. For example, in addition to stainless steel, nickel, aluminum, titanium, tungsten, gold, platinum, baked carbon, etc., the positive electrode has a surface of aluminum or stainless steel treated with carbon, nickel, titanium or silver. Used. As for stainless steel, duplex stainless steel is effective against corrosion. In the case of a coin or button battery, nickel plating is performed on the outside of the battery. Treatment methods include wet plating, dry plating, CVD, PVD, clad formation by pressure bonding, coating, and the like.
負極缶には、材料としてステンレス鋼、ニッケル、銅、チタン、アルミニウム、タングステン、金、白金、焼成炭素などの他に、銅やステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたもの、Al−Cd合金などが用いられる。処理の方法としては、湿式めっき、乾式めっき、CVD、PVD、圧着によるクラッド化、塗布等がある。 In addition to stainless steel, nickel, copper, titanium, aluminum, tungsten, gold, platinum, calcined carbon, etc., the negative electrode can has carbon, nickel, titanium or silver treated on the surface of copper or stainless steel. Al-Cd alloy or the like is used. Examples of the treatment method include wet plating, dry plating, CVD, PVD, clad formation by pressure bonding, coating, and the like.
電極活物質と集電体の缶を導電性の接着剤により固定することも可能である。導電性の接着剤としては、溶剤に溶かした樹脂に炭素や金属の粉末や繊維を添加したものや導電性高分子を溶解したもの等が用いられる。 It is also possible to fix the electrode active material and the current collector can with a conductive adhesive. As the conductive adhesive, a resin in which carbon or metal powder or fiber is added to a resin dissolved in a solvent, or a conductive polymer dissolved therein is used.
ペレット状の電極の場合は、集電体と電極ペレットの間に塗布し電極を固定する。この場合の導電性接着剤には熱硬化型の樹脂が含まれる場合が多い。 In the case of a pellet-shaped electrode, the electrode is fixed by applying between the current collector and the electrode pellet. The conductive adhesive in this case often includes a thermosetting resin.
本発明の非水電解質二次電池の用途には、特に限定されないが、例えば、携帯電話、ページャー等のバックアップ電源特に2.5Vから1.0V程度に電池操作電圧範囲がある機器に最適である。 The application of the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is not particularly limited, but is suitable for, for example, a backup power source such as a mobile phone and a pager, particularly a device having a battery operating voltage range of about 2.5V to 1.0V. .
本発明の電池は除湿雰囲気または、不活性ガス雰囲気で組み立てることが望ましい。また、組み立てる部品も事前に乾燥するとこが好ましい。ペレットやシートおよびその他の部品の乾燥又は脱水方法としては、熱風、真空、赤外線、遠赤外線、電子線及び低湿風を単独あるいは組み合わせて用いることが好ましい。温度は80〜350℃の範囲が好ましく、特に100〜300℃の範囲が好ましい。含水量は、電池全体で2000ppm以下が好ましく、正極合剤、負極合剤や電解質ではそれぞれ50ppm以下にすることが充放電サイクル性向上の点で好ましい。 The battery of the present invention is preferably assembled in a dehumidified atmosphere or an inert gas atmosphere. Moreover, it is preferable that the parts to be assembled are also dried in advance. As a method for drying or dehydrating pellets, sheets and other parts, it is preferable to use hot air, vacuum, infrared rays, far infrared rays, electron beams and low-humidity air alone or in combination. The temperature is preferably in the range of 80 to 350 ° C, particularly preferably in the range of 100 to 300 ° C. The water content is preferably 2000 ppm or less for the entire battery, and preferably 50 ppm or less for each of the positive electrode mixture, the negative electrode mixture and the electrolyte from the viewpoint of improving charge / discharge cycle performance.
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
実施例1は、正極活物質としてニオブ酸を800℃で加熱生成したNb2O5、負極活物質としSiOを用いた場合である。下記のようにして作製した正極、負極及び電解液を用いた。また、電池の大きさは外径4.8mm、厚さ1.4mmであった。 Example 1 is a case where Nb 2 O 5 produced by heating niobic acid at 800 ° C. as the positive electrode active material and SiO as the negative electrode active material. A positive electrode, a negative electrode and an electrolytic solution prepared as described below were used. The size of the battery was 4.8 mm in outer diameter and 1.4 mm in thickness.
実施例1として、正極は次のようにして作製した。 市販のニオブ酸(Nb2O5・nH2O)を大気中800℃で8時間加熱し、Nb2O5を得た。以後この加熱温度、加熱時間を変化させることにより種々の特性の粉末を得た。 As Example 1, the positive electrode was produced as follows. Commercially available niobic acid (Nb 2 O 5 .nH 2 O) was heated in the atmosphere at 800 ° C. for 8 hours to obtain Nb 2 O 5 . Thereafter, powders having various characteristics were obtained by changing the heating temperature and the heating time.
次に、粉末試料をXRD回折によりピーク強度比を、ブレーン法により平均粒径を、BET法により比表面積を、原子吸光分析法によりTa,Fe,Siの含有量を測定した。また、800℃において恒量になるまで加熱したときの、重量減少量の割合を測定し、強熱減量とした。 Next, the peak intensity ratio of the powder sample was measured by XRD diffraction, the average particle diameter was measured by the brane method, the specific surface area was measured by the BET method, and the contents of Ta, Fe, and Si were measured by atomic absorption analysis. Moreover, the ratio of the weight reduction | decrease amount when it heated until it became constant weight at 800 degreeC was measured, and it was set as the ignition loss.
本測定結果から、回折角24度(2θ)付近と25度(2θ)付近のピークの強度はそれぞれ22.6度(2θ)付近のピークの強度の4%と3.8%、BET比表面積5.8m2/g、平均粒径0.88μm、強熱減量0.22%、Ta含有量150ppm、Fe含有量4.7ppm、Si含有量15ppmのNb2O5を選んだ。
このNb2O5を粉砕したものに導電剤としてグラファイトを、結着剤としてポリアクリル酸を重量比Nb2O5:グラファイト:ポリアクリル酸=78:20:2の割合で混合して正極合剤とし、次にこの正極合剤5mgを2ton/cm2で直径2.1mmのペレットに加圧成形した。その後、この様にして得られた正極ペレットを、炭素を含む導電性樹脂接着剤からなる導電性接着剤を用いて正極ケースに接着し一体化した(正極ユニット化)後、250℃8時間大気中で熱処理した。
From the measurement results, the peak intensities near the diffraction angle of 24 degrees (2θ) and 25 degrees (2θ) are 4% and 3.8% of the peak intensity near 22.6 degrees (2θ), respectively, and the BET specific surface area. Nb 2 O 5 with 5.8
The Nb 2 O 5 pulverized powder is mixed with graphite as a conductive agent and polyacrylic acid as a binder in a weight ratio of Nb 2 O 5 : graphite: polyacrylic acid = 78: 20: 2. Next, 5 mg of this positive electrode mixture was pressure-molded into pellets having a diameter of 2.1 mm at 2 ton /
負極は、次のようにして作製した。市販のSiOを粉砕したものを作用極の活物質として用いた。この活物質に導電剤としてグラファイトを、結着剤としてポリアクリル酸をそれぞれ重量比45:40:15の割合で混合して負極合剤とした。合剤1.4mgを2ton/cm2で直径2.1mmのペレットに加圧成形したものを用いた。その後、この様にして得られた負極ペレットを、炭素を導電性フィラーとする導電性樹脂接着剤を用いて負極ケースに接着し一体化した(負極ユニット化)後、250℃8時間大気中で熱処理した。さらに、ペレット上にリチウムフォイルを直径1.8mm、厚さ0.3mmに打ち抜いたものを圧着し、リチウム−負極ペレット積層電極とした。 The negative electrode was produced as follows. A commercially available SiO pulverized material was used as the active electrode active material. This active material was mixed with graphite as a conductive agent and polyacrylic acid as a binder at a weight ratio of 45:40:15 to obtain a negative electrode mixture. A mixture of 1.4 mg of a mixture at 2 ton / cm @ 2 into 2.1 mm diameter pellets was used. Thereafter, the negative electrode pellet obtained in this way was bonded and integrated with the negative electrode case using a conductive resin adhesive having carbon as a conductive filler (negative electrode unitization), and then in the atmosphere at 250 ° C. for 8 hours. Heat treated. Further, a lithium foil punched out to a diameter of 1.8 mm and a thickness of 0.3 mm on the pellet was pressure-bonded to obtain a lithium-negative electrode pellet laminated electrode.
厚さ0.2mmのガラス繊維からなる不織布を乾燥後φ3.2mmに打ち抜きセパレーターとした。ガスケットは、PP製のものを用いた。電解液は、プロピレンカーボネート(PC):エチレンカーボネート(EC):1,2−ジメトキシエタン(DME)の体積比1:1:2混合溶媒に過塩素酸リチウム(LiClO4 )を2モル/l溶解したもの4.6μL、電池缶内に入れた。正極ユニットと負極ユニットを重ねかしめ封口することにより電池を作製した。 A non-woven fabric made of glass fiber having a thickness of 0.2 mm was dried and punched out to 3.2 mm to obtain a separator. A gasket made of PP was used. The electrolytic solution is a solution of propylene carbonate (PC): ethylene carbonate (EC): 1,2-dimethoxyethane (DME) in a volume ratio of 1: 1: 2 in which 2 mol / l of lithium perchlorate (LiClO 4 ) is dissolved. 4.6 μL of the product was placed in a battery can. A positive electrode unit and a negative electrode unit were overlapped and sealed to produce a battery.
市販のニオブ酸(Nb2O5・nH2O)を大気中1000℃で8時間加熱し、Nb2O5を得た以外はまったく同様にして電池を作製した。このNb2O5の粉末特性を実施例1と同様に測定したところ、XRD回折測定において回折角24度(2θ)付近と25度(2θ)付近のピークの強度は22.6度(2θ)付近のピークの強度の38.5%と36.7%、BET比表面積2.0m2/g、平均粒径3.8μm、強熱減量0.11%、Ta含有量175ppm、Fe含有量4.7ppm、Si含有量30ppmであった。
(比較例1)
市販の正極にNb2O5、負極にリチウムアルミ合金を用いた直径4.8mm、高さ1.4mm電池について調べた。
(比較例2)
市販のニオブ酸(Nb2O5・nH2O)を大気中650℃で8時間加熱しNb2O5を得た以外はまったく同様にして電池を作製した。このNb2O5の粉末特性を実施例1と同様に測定したところ、XRD回折測定で回折角24度(2θ)付近のピークの強度と25度(2θ)付近のピークの強度は22.6度(2θ)付近のピークの強度の5.8%と4.2%、BET比表面積5.2m2/g、平均粒径0.8μm、強熱減量0.3%、Ta含有量524ppm、Fe含有量15.6ppm、Si含有量312ppmであった。
上記実施例1の電池および比較例1の電池について、充放電カーブを測定した。放電は5μA、終止電圧0.7Vの定電流放電で行った。充電は25μA、終止電圧2.0Vで行った。放電容量については、電圧別の値について表1に示した。
A battery was fabricated in exactly the same manner except that commercially available niobic acid (Nb 2 O 5 .nH 2 O) was heated in air at 1000 ° C. for 8 hours to obtain Nb 2 O 5 . The powder characteristics of this Nb 2 O 5 were measured in the same manner as in Example 1. As a result, in the XRD diffraction measurement, the intensities of the peaks near the diffraction angles of 24 degrees (2θ) and 25 degrees (2θ) were 22.6 degrees (2θ). 38.5% and 36.7% of the intensity of nearby peaks, BET specific surface area 2.0 m2 / g, average particle size 3.8 μm, loss on ignition 0.11%, Ta content 175 ppm, Fe content 4. 7 ppm, Si content was 30 ppm.
(Comparative Example 1)
A battery having a diameter of 4.8 mm and a height of 1.4 mm using Nb 2 O 5 as a commercial positive electrode and a lithium aluminum alloy as a negative electrode was examined.
(Comparative Example 2)
A battery was fabricated in exactly the same manner except that commercially available niobic acid (Nb 2 O 5 .nH 2 O) was heated in the atmosphere at 650 ° C. for 8 hours to obtain Nb 2 O 5 . When the powder characteristics of this Nb 2 O 5 were measured in the same manner as in Example 1, the intensity of the peak near the diffraction angle of 24 degrees (2θ) and the intensity of the peak near 25 degrees (2θ) in the XRD diffraction measurement were 22.6. 5.8% and 4.2% of the peak intensity in the vicinity of the degree (2θ), BET specific surface area 5.2
The charge / discharge curve was measured for the battery of Example 1 and the battery of Comparative Example 1. Discharge was performed by constant current discharge of 5 μA and a final voltage of 0.7V. Charging was performed at 25 μA and a final voltage of 2.0V. The discharge capacity is shown in Table 1 for each voltage value.
次に、比較例1の電池について、2.0Vから0.7Vまでの充放電を30回繰り返したところ、電池として機能しなくなった。これは、負極として用いたリチウムアルミ合金が深い充放電サイクルにより劣化したためと考えられる。また、実施例2の電池は初期の特性は実施例1とかわりはなかったが、30サイクル目で比較すると、放電容量が減少してしまった。これは、Nb2O5に含まれる他の結晶系の相が影響を与えているものと思われる。この電圧別の放電容量について表2に示す。ここでサイクル性について、◎は十分な容量が取れるもの、△は2割程度容量が減少するもの、×はほとんど容量のとれなくなるものを示す。実施例2の電池に対して本実施例1の電池は100回以上の充放電を繰り返しても電池として機能しなくなることはなかった。実施例1と実施例2の30回目の充電カーブと放電カーブを図4に示す。 Next, about the battery of the comparative example 1, when charging / discharging from 2.0V to 0.7V was repeated 30 times, it did not function as a battery. This is presumably because the lithium aluminum alloy used as the negative electrode was deteriorated by a deep charge / discharge cycle. In addition, the battery of Example 2 had the same initial characteristics as that of Example 1, but the discharge capacity was reduced when compared at the 30th cycle. This seems to be due to the influence of other crystal phases contained in Nb 2 O 5 . Table 2 shows the discharge capacity for each voltage. Here, in terms of cycle performance, ◎ indicates that a sufficient capacity can be obtained, Δ indicates that the capacity is reduced by about 20%, and x indicates that the capacity cannot be obtained. In contrast to the battery of Example 2, the battery of Example 1 did not stop functioning as a battery even after repeated charging and discharging 100 times or more. The 30th charge curve and discharge curve of Example 1 and Example 2 are shown in FIG.
次に、実施例1の電池と比較例2の電池を3ヶ月間室温放置した後、先の条件で充放電試験を行った。放電容量については、電圧別の値について表3に示した。 Next, after the battery of Example 1 and the battery of Comparative Example 2 were allowed to stand at room temperature for 3 months, a charge / discharge test was performed under the previous conditions. The discharge capacity is shown in Table 3 for each voltage.
(比較例3)
実施例1と同様の方法でニオブ酸(Nb2O5・nH2O)を熱処理後、ボールミルにて24時間粉砕を行った以外はまったく同様にして電池を作製した。このNb2O5の粉末特性を実施例1と同様に測定したところ、XRD回折において回折角24度(2θ)付近のピークの強度と25度(2θ)付近のピークの強度はは22.6度(2θ)付近のピークの強度の1.7%と1.4%、BET比表面積24.2m2/g、平均粒径0.25μm、強熱減量0.12%、Ta含有量203ppm、Fe含有量4.4ppm、Si含有量47ppmであった。
(Comparative Example 3)
A battery was fabricated in exactly the same manner as in Example 1, except that niobic acid (Nb 2 O 5 .nH 2 O) was heat treated and then ground in a ball mill for 24 hours. When the powder characteristics of this Nb 2 O 5 were measured in the same manner as in Example 1, the intensity of the peak near the diffraction angle of 24 degrees (2θ) and the intensity of the peak near 25 degrees (2θ) in XRD diffraction were 22.6. 1.7% and 1.4% of the intensity of the peak near the degree (2θ), BET specific surface area 24.2 m 2 / g, average particle size 0.25 μm, loss on ignition 0.12%, Ta content 203 ppm, The Fe content was 4.4 ppm, and the Si content was 47 ppm.
実施例1と比較例3の様に作製した電池それぞれ10個についてリフロー温度に電池が耐えうるかを調べるため、予備加熱180℃、5分、加熱240℃、1分での加熱によるリフローテストを行った。加熱後のサンプルは、膨らみを調べるため電池高さ測定、内部抵抗の測定、サイクル特性の測定を行った。高さはダイヤルゲージを用いて測定した。内部抵抗は交流法(1kHz)により行った。サイクル特性における充放電条件は、充電は最大電流0.05mA、定電圧値2.0V、充電時間48時間の定電流定電圧方式で行い、放電は0.025mAの定電流で終止電圧0.7Vで行った。結果を表4に示す。 In order to check whether the battery can withstand the reflow temperature for each of the 10 batteries manufactured as in Example 1 and Comparative Example 3, a reflow test was performed by heating at 180 ° C. for 5 minutes and heating at 240 ° C. for 1 minute. It was. The sample after heating was subjected to battery height measurement, internal resistance measurement, and cycle characteristic measurement in order to investigate swelling. The height was measured using a dial gauge. Internal resistance was measured by an alternating current method (1 kHz). Charging / discharging conditions in the cycle characteristics are as follows: charging is carried out by a constant current constant voltage method with a maximum current of 0.05 mA, a constant voltage value of 2.0 V, and a charging time of 48 hours; I went there. The results are shown in Table 4.
101 正極ペレット
102 負極ペレット
103 セパレータ
104 リチウムフォイル
105 電解液
106 正極ケース
107 負極ケース
108 ガスケット
101 Positive electrode pellet 102 Negative electrode pellet 103 Separator 104 Lithium foil 105 Electrolytic solution 106 Positive electrode case 107 Negative electrode case 108 Gasket
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