JP2006216305A - Secondary battery - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a means to suppress deterioration of a capacity caused by repeated charge and discharge, in a secondary battery using a lithium manganese oxide as a positive electrode active material. <P>SOLUTION: This secondary battery has a lithium nickel oxide and the lithium manganese oxide as positive electrode active materials. In this secondary battery, the average particle diameter of the lithium nickel oxide is smaller than the average particle diameter of the lithium manganese oxide, and the content of the lithium nickel oxide is 22 wt.% to 38 wt.% of the total quantity of the lithium nickel oxide and the lithium manganese oxide. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、リチウムニッケル酸化物およびリチウムマンガン酸化物を有する二次電池に関する。   The present invention relates to a secondary battery having lithium nickel oxide and lithium manganese oxide.

近年、環境問題に対する意識の向上を背景として、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HEV)、燃料電池自動車(FCV)の開発が進められている。これらの動力源としては、繰り返し充放電が可能な二次電池が最適であり、特に、高出力が期待できるリチウムイオン二次電池が注目を集めている。ところで、リチウムマンガン酸化物は、リチウムイオン二次電池用の正極材料の一つであり、低コストかつ熱安定性に優れているなどの利点を持つ。しかし、リチウムマンガン酸化物を正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池は、充放電を繰り返すことによる充放電の容量の低下を招きやすいといった欠点があり、リチウムイオン電池の実用化にあたっては避けることのできない大きな課題である。   In recent years, development of electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HEV), and fuel cell vehicles (FCV) has been promoted against the background of raising awareness of environmental problems. As these power sources, secondary batteries that can be repeatedly charged and discharged are optimal, and lithium ion secondary batteries that can be expected to have a high output are attracting attention. By the way, lithium manganese oxide is one of positive electrode materials for lithium ion secondary batteries, and has advantages such as low cost and excellent thermal stability. However, a lithium ion secondary battery using lithium manganese oxide as a positive electrode active material has a drawback that it tends to cause a decrease in charge / discharge capacity due to repeated charge / discharge, and should be avoided in practical use of a lithium ion battery. It is a big problem that cannot be done.

繰り返しの充放電による容量の低下を効果的に抑制するための従来の手法としては、例えば、特許文献1に記載されたものがある。特許文献1のリチウムイオン二次電池は、正極活物質としてリチウムマンガン酸化物を用いた二次電池であり、電池内の電解液と接触する場所に水素イオン捕捉剤が配置されていることを特徴としている。繰り返しの充放電による容量の低下の原因は、リチウムマンガン酸化物からのMnの溶出による、電解液中のMn濃度の増加であると考えられている。また、電解液中に存在する水素イオン(H)がリチウムマンガン酸化物中のMnの溶出を促進することが示唆されている。そこで、水素イオン捕捉剤が電解液中の水素イオン濃度を低減し、リチウムマンガン酸化物からのMnの溶出を防止することにより、容量の低下を抑制している。 As a conventional technique for effectively suppressing a decrease in capacity due to repeated charge and discharge, for example, there is one described in Patent Document 1. The lithium ion secondary battery of Patent Document 1 is a secondary battery that uses lithium manganese oxide as a positive electrode active material, and is characterized in that a hydrogen ion scavenger is disposed at a location in contact with the electrolyte in the battery. It is said. It is thought that the cause of the capacity | capacitance fall by repeated charging / discharging is the increase in Mn density | concentration in electrolyte solution by elution of Mn from lithium manganese oxide. It has also been suggested that hydrogen ions (H + ) present in the electrolyte promote elution of Mn in the lithium manganese oxide. Therefore, the hydrogen ion scavenger reduces the hydrogen ion concentration in the electrolytic solution and prevents the elution of Mn from the lithium manganese oxide, thereby suppressing the decrease in capacity.

ところで、上記特許文献では、水素イオン捕捉剤としてリチウムニッケル酸化物が用いられている。また、リチウムニッケル酸化物およびリチウムマンガン酸化物の総量に対するリチウムニッケル酸化物の含有量が多いほど、電解液中のMn濃度が低くなることが示されており、上記含有量が20%において電解液中のMn濃度がほぼゼロとなることが示されている(特許文献1の表1を参照)。   By the way, in the said patent document, lithium nickel oxide is used as a hydrogen ion scavenger. Further, it is shown that the Mn concentration in the electrolytic solution becomes lower as the content of the lithium nickel oxide with respect to the total amount of the lithium nickel oxide and the lithium manganese oxide becomes lower, and when the content is 20%, the electrolytic solution It has been shown that the Mn concentration in the inside becomes almost zero (see Table 1 of Patent Document 1).

しかし、上記のようなリチウムイオン二次電池においても、繰り返しの充放電による容量の低下の抑制を実現しうるものの、更なる容量の低下の抑制が要望されていた。
特開2000−077097号公報
However, even in the lithium ion secondary battery as described above, although it is possible to suppress the decrease in capacity due to repeated charge and discharge, there is a demand for further suppression of the decrease in capacity.
JP 2000-077097 A

そこで、本発明は、正極活物質としてリチウムマンガン酸化物を用いた二次電池において、繰り返しの充放電による容量の低下を抑制する手段を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide means for suppressing a decrease in capacity due to repeated charge and discharge in a secondary battery using lithium manganese oxide as a positive electrode active material.

本発明は、正極活物質として、リチウムニッケル酸化物およびリチウムマンガン酸化物を有する二次電池であって、前記リチウムニッケル酸化物の平均粒径が、前記リチウムマンガン酸化物の平均粒径よりも小さく、かつ、前記リチウムニッケル酸化物の含有量が、前記リチウムニッケル酸化物および前記リチウムマンガン酸化物の総量に対し、22wt%〜38wt%である、二次電池である。   The present invention provides a secondary battery having lithium nickel oxide and lithium manganese oxide as a positive electrode active material, wherein the average particle diameter of the lithium nickel oxide is smaller than the average particle diameter of the lithium manganese oxide. And it is a secondary battery whose content of the said lithium nickel oxide is 22 wt%-38 wt% with respect to the total amount of the said lithium nickel oxide and the said lithium manganese oxide.

本発明の二次電池によれば、繰り返しの充放電による容量の低下を効果的に抑制するため、寿命特性が大幅に改善される。   According to the secondary battery of the present invention, the life characteristics are greatly improved in order to effectively suppress the decrease in capacity due to repeated charge and discharge.

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

本発明は、正極活物質として、リチウムニッケル酸化物およびリチウムマンガン酸化物を用いた二次電池において、リチウムニッケル酸化物およびリチウムマンガン酸化物の平均粒径の大小関係を定義し、かつ、リチウムニッケル酸化物の含有量を最適な範囲に設定することにより、寿命特性を大幅に向上する、異質な効果を見出したことで完成された。   In the secondary battery using lithium nickel oxide and lithium manganese oxide as the positive electrode active material, the present invention defines the size relationship between the average particle diameters of lithium nickel oxide and lithium manganese oxide, and lithium nickel oxide It was completed by finding a heterogeneous effect that significantly improves the life characteristics by setting the oxide content in an optimum range.

上述のように、特許文献1では、リチウム・マンガン複合酸化物からのMnの溶出を低減することが、二次電池の寿命特性向上に不可欠であると示唆されている(特許文献1の「0025」を参照)。また、電解液中のMn濃度を低減するために、リチウム・マンガン複合酸化物の総量に対するリチウムニッケル酸化物の含有量を多くすればよいことが示されているものの、上記含有量が20%において電解液中のMn濃度がほぼゼロとなることが示されている(特許文献1の表1を参照)。よって、電解液中のMn濃度の低減を図るには、上記含有量は20%までで十分であり、それ以上リチウムニッケル酸化物を加えたとしても、寿命特性に変化は生じないはずである。   As described above, Patent Document 1 suggests that reducing elution of Mn from the lithium-manganese composite oxide is indispensable for improving the life characteristics of the secondary battery (see “0025 of Patent Document 1”). ). Moreover, in order to reduce the Mn concentration in the electrolytic solution, it has been shown that the content of lithium nickel oxide relative to the total amount of lithium-manganese composite oxide may be increased, but when the content is 20% It has been shown that the Mn concentration in the electrolytic solution becomes almost zero (see Table 1 of Patent Document 1). Therefore, in order to reduce the Mn concentration in the electrolytic solution, the above content is sufficient up to 20%, and even if lithium nickel oxide is further added, the life characteristics should not change.

しかし、本発明においては、リチウムニッケル酸化物の平均粒径をリチウムマンガン酸化物の平均粒径よりも小さくした場合において、リチウム・マンガン複合酸化物の総量に対するリチウムニッケル酸化物の含有量が22wt%〜38wt%の範囲で、寿命特性がさらに大幅に向上することが見出された。特に、含有量が30wt%において、寿命特性が最も高くなることが分かった。よって、本発明における効果は、従来のような電解液中のMnの濃度を低減したことを原因とするものではなく、他の何らかのメカニズムによりもたらされたものと考えられる。なお、特許文献1の二次電池は、リチウムニッケル酸化物およびリチウムマンガン酸化物の平均粒径の大小関係については規定していない。   However, in the present invention, when the average particle diameter of lithium nickel oxide is smaller than the average particle diameter of lithium manganese oxide, the content of lithium nickel oxide is 22 wt% with respect to the total amount of lithium-manganese composite oxide. It has been found that the life characteristics are further greatly improved in the range of ˜38 wt%. In particular, it was found that the life characteristics were the highest when the content was 30 wt%. Therefore, the effect in the present invention is not caused by reducing the concentration of Mn in the electrolytic solution as in the prior art, but is considered to be caused by some other mechanism. In addition, the secondary battery of patent document 1 does not prescribe | regulate the magnitude relationship of the average particle diameter of lithium nickel oxide and lithium manganese oxide.

本発明に係る二次電池は、リチウムニッケル酸化物の平均粒径が、リチウムマンガン酸化物の平均粒径よりも小さく、かつ、リチウムニッケル酸化物の含有量が、リチウムニッケル酸化物およびリチウムマンガン酸化物の総量に対し、22wt%〜38wt%である。これらの条件を満たす場合に、従来の二次電池よりも大幅な寿命特性向上の効果がもたらされる。この効果をもたらすメカニズムについては定かではないが、22wt%から38wt%までの範囲において、他の範囲に比べ正極密度が高くなっており、この正極密度が高いことで寿命特性が向上しているものと思われる。ここで、平均粒径とは、50%累積粒径であり、粒度分布図において、それぞれ0μmから積分した体積が50%となるときの粒径である。平均粒径の算出のため、マイクロトラック粒度分布分析計を用いて、レーザー光の散乱により、粒子個数nおよび粒子1個当たりの直径dを測定する。粒径分析装置は上記装置に限られないが、粒径分析装置によって数値に有意なブレが生じる場合には、上記装置によって測定された値を平均粒径とする。   In the secondary battery according to the present invention, the average particle diameter of lithium nickel oxide is smaller than the average particle diameter of lithium manganese oxide, and the content of lithium nickel oxide is lithium nickel oxide and lithium manganese oxide. It is 22 wt%-38 wt% with respect to the total amount of a thing. When these conditions are satisfied, the effect of improving the life characteristics is significantly improved as compared with the conventional secondary battery. The mechanism that brings about this effect is not clear, but in the range from 22 wt% to 38 wt%, the positive electrode density is higher than the other ranges, and the life characteristics are improved by this high positive electrode density. I think that the. Here, the average particle diameter is a 50% cumulative particle diameter, and is a particle diameter when the volume integrated from 0 μm is 50% in the particle size distribution diagram. In order to calculate the average particle size, the number of particles n and the diameter d per particle are measured by laser light scattering using a Microtrac particle size distribution analyzer. The particle size analyzer is not limited to the above device, but when a significant blur occurs in the numerical value by the particle size analyzer, the value measured by the device is used as the average particle size.

なお、リチウムニッケル酸化物およびリチウムマンガン酸化物の総量に対する、リチウムニッケル酸化物の含有量のより好ましい範囲は、28wt%〜32wt%である。上記含有量が30wt%に近くなるほど寿命特性向上の効果が大きくなり、上記含有量が30wt%のときに、その効果が最大となる。   In addition, the more preferable range of content of lithium nickel oxide with respect to the total amount of lithium nickel oxide and lithium manganese oxide is 28 wt%-32 wt%. The effect of improving the life characteristics increases as the content approaches 30 wt%, and the effect is maximized when the content is 30 wt%.

以下、図面を参照して、本発明の二次電池について詳細に説明する。   Hereinafter, the secondary battery of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明に係る二次電池の構成図である。なお、図1は、ポリマー型二次電池の構成図であるが、本発明に係る二次電池は、液体型あるいはゲル型であってもよく、特に限定されるものではない。   FIG. 1 is a configuration diagram of a secondary battery according to the present invention. 1 is a configuration diagram of a polymer secondary battery, the secondary battery according to the present invention may be a liquid type or a gel type, and is not particularly limited.

ポリマー型二次電池10は、正極(電極)20と負極(電極)30の間に、電解質層40が挟まれてなる。電解質層40は、ポリマー固体電解質層であり、ポリマー成分を有する高分子ゲル電解質か、あるいは全固体(真性)ポリマー電解質からなる。   In the polymer secondary battery 10, an electrolyte layer 40 is sandwiched between a positive electrode (electrode) 20 and a negative electrode (electrode) 30. The electrolyte layer 40 is a polymer solid electrolyte layer, and is composed of a polymer gel electrolyte having a polymer component or an all solid (intrinsic) polymer electrolyte.

正極20は、正極集電体22および正極活物質層24を含む。正極集電体22上に正極活物質層24が形成され、相互に電気的に接続されている。正極集電体22は、たとえば、アルミニウム箔により形成される。   The positive electrode 20 includes a positive electrode current collector 22 and a positive electrode active material layer 24. A positive electrode active material layer 24 is formed on the positive electrode current collector 22 and is electrically connected to each other. The positive electrode current collector 22 is formed of, for example, an aluminum foil.

負極30は、負極集電体32および負極活物質層34を含む。負極集電体32上に負極活物質層34が形成され、相互に電気的に接続されている。負極集電体32は、たとえば、銅箔により形成される。   The negative electrode 30 includes a negative electrode current collector 32 and a negative electrode active material layer 34. A negative electrode active material layer 34 is formed on the negative electrode current collector 32 and is electrically connected to each other. The negative electrode current collector 32 is formed of, for example, a copper foil.

次に、本発明の二次電池の製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the secondary battery of this invention is demonstrated.

図2は、ポリマー型二次電池10の構成要素を順次積層する様子を示す図である。まず、正極集電体22と正極活物質層24により、正極20が形成される。また、負極集電体32上と負極活物質層34により、負極30が形成される。続いて、電解質層40が用意され、正極20上に電解質層40が重ねられる。電解質層40には、さらに、負極30が重ねられる。これにより、電解質層40が、正極20の正極活物質層24および負極30の負極活物質層34の間に挟まれ、ポリマー型二次電池10が形成される。   FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which the constituent elements of the polymer secondary battery 10 are sequentially stacked. First, the positive electrode 20 is formed by the positive electrode current collector 22 and the positive electrode active material layer 24. The negative electrode 30 is formed by the negative electrode current collector 32 and the negative electrode active material layer 34. Subsequently, the electrolyte layer 40 is prepared, and the electrolyte layer 40 is overlaid on the positive electrode 20. On the electrolyte layer 40, a negative electrode 30 is further stacked. Thereby, the electrolyte layer 40 is sandwiched between the positive electrode active material layer 24 of the positive electrode 20 and the negative electrode active material layer 34 of the negative electrode 30, and the polymer secondary battery 10 is formed.

なお、ポリマー型二次電池10の構成は、特に説明したものを除き、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられている公知の材料を用いればよく、特に限定されるものではない。   The configuration of the polymer secondary battery 10 is not particularly limited as long as it is a known material used for a general lithium ion secondary battery, except for those specifically described.

以下、集電体22、32、正極活物質層24、負極活物質層34、電解質層40について説明する。ただし、以下で例示する物質は、単なる例示であり、本発明の技術的範囲が以下の材料を用いる実施態様に限定されるわけではない。   Hereinafter, the current collectors 22 and 32, the positive electrode active material layer 24, the negative electrode active material layer 34, and the electrolyte layer 40 will be described. However, the substances exemplified below are merely examples, and the technical scope of the present invention is not limited to the embodiments using the following materials.

まず、集電体について説明する。   First, the current collector will be described.

集電体は、正極に用いる正極集電体と、負極に用いる負極集電体とがある。正極集電体は、例えば、アルミニウムにより形成されている。また、負極集電体は、例えば、銅により形成されている。集電体は、製法上、スプレーコートなどの薄膜製造技術により、どのような形状を有するものにも製膜積層して形成し得る必要上、たとえば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金などの金属粉末を主成分として、これにバインダー(樹脂)、溶剤を含む集電体金属ペーストを加熱して成形してなるものである。これらの金属粉末を1種だけ用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。製法上の特徴を生かして、金属粉末の種類の異なるものを多層に積層したものであってもかまわない。上記バインダーとしては、特に制限されるべきものではなく、たとえば、エポキシ樹脂など、従来公知の樹脂バインダー材料を用いることができるほか、導電性高分子材料を用いても良い。集電体の厚さは、特に限定されないが、通常は1〜100μm程度である。   The current collector includes a positive electrode current collector used for the positive electrode and a negative electrode current collector used for the negative electrode. The positive electrode current collector is made of aluminum, for example. Moreover, the negative electrode current collector is made of copper, for example. The current collector needs to be formed by laminating and stacking on any shape using thin film manufacturing techniques such as spray coating, for example, aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel ( SUS), a metal powder such as an alloy thereof as a main component, and a current collector metal paste containing a binder (resin) and a solvent is heated and molded. These metal powders may be used alone or in combination of two or more. Taking advantage of the characteristics of the manufacturing method, different types of metal powders may be laminated in multiple layers. The binder is not particularly limited. For example, a conventionally known resin binder material such as an epoxy resin can be used, and a conductive polymer material may be used. Although the thickness of a collector is not specifically limited, Usually, it is about 1-100 micrometers.

続いて、正極活物質層について説明する。   Subsequently, the positive electrode active material layer will be described.

正極活物質層は、少なくとも正極活物質を含み、バインダーや導電助剤を含んでいてもかまわない。   The positive electrode active material layer includes at least a positive electrode active material and may include a binder and a conductive additive.

本発明では、正極活物質として、リチウムニッケル酸化物およびリチウムマンガン酸化物を採用するが、上記酸化物以外に、正極活物質として用いることのできる化合物を含んでいてもかまわない。   In this invention, although lithium nickel oxide and lithium manganese oxide are employ | adopted as a positive electrode active material, the compound which can be used as a positive electrode active material other than the said oxide may be included.

リチウムニッケル酸化物は、リチウム、ニッケルおよび酸素からなる複合酸化物であり、例えば、LiNiO、LiNiO、LiNi、およびLiNi、ならびにこれらの酸化物に対し、他の元素を一部に含むもの等を挙げることができる。なお、リチウムニッケル酸化物は合金であるので、一部に不純物を含んでいてもかまわない。 Lithium nickel oxide is a composite oxide composed of lithium, nickel, and oxygen. For example, for LiNiO 2 , Li 2 NiO 2 , LiNi 2 O 4 , and Li 2 Ni 2 O 4 , and these oxides, The thing etc. which contain another element in part can be mentioned. Note that since the lithium nickel oxide is an alloy, it may contain some impurities.

これらリチウムニッケル酸化物の中でも、特に、ニッケル酸リチウム(LiNiO)およびこれに他の元素を一部に含むものを用いるのが好ましい。すなわち、リチウムニッケル酸化物は、LiNi1−x(式中、Mは、コバルト、マンガン、アルミニウム、鉄、銅およびストロンチウムよりなる群から選択された、少なくとも1種の金属原子であり、0≦X≦0.5である)で示す構造を有することが好ましい。リチウム、ニッケルおよび酸素からなるリチウムニッケル酸化物に、他の金属元素をドープすることにより、二次電池の安定化、高容量化、安全性向上等が図られる。特に、ニッケル酸リチウムおよびこれに他の金属元素を一部に含むものは、より大きな効果が期待できる。 Among these lithium nickel oxides, it is particularly preferable to use lithium nickelate (LiNiO 2 ) and those containing other elements in part. That is, the lithium nickel oxide is LiNi 1-x M x O 2 (wherein M is at least one metal atom selected from the group consisting of cobalt, manganese, aluminum, iron, copper, and strontium). And 0 ≦ X ≦ 0.5). By doping the lithium nickel oxide composed of lithium, nickel, and oxygen with another metal element, the secondary battery can be stabilized, increased in capacity, improved in safety, and the like. In particular, lithium nickelate and those containing a part of other metal elements can be expected to have a greater effect.

リチウムマンガン酸化物は、リチウム、マンガンおよび酸素からなる複合酸化物であり、例えば、LiMn等のスピネル構造のマンガン酸リチウム、LiMn、LiMnOおよびLiMnO、ならびにこれらの酸化物に対し、他の元素を一部に含むもの等を挙げることができる。これらリチウムマンガン酸化物の中でも、LiMn等のスピネル構造を持つものが好ましい。なお、リチウムマンガン酸化物は合金であるので、一部に不純物を含んでいてもかまわない。 The lithium manganese oxide is a composite oxide composed of lithium, manganese, and oxygen. For example, lithium manganate having a spinel structure such as LiMn 2 O 4 , Li 2 Mn 2 O 4 , LiMnO 2, and Li 2 MnO 3 , and Examples of these oxides include those containing other elements in part. Among these lithium manganese oxides, those having a spinel structure such as LiMn 2 O 4 are preferable. Note that since the lithium manganese oxide is an alloy, it may contain some impurities.

正極活物質の粒径は、ポリマー電池の電極抵抗を低減するために、電解質が固体でない溶液タイプのリチウムイオン電池で一般に用いられる粒径よりも小さいものを使用するとよい。具体的には、正極活物質の平均粒径が0.1〜5μmであるとよい。   In order to reduce the electrode resistance of the polymer battery, the positive electrode active material may have a particle size smaller than that generally used in a solution type lithium ion battery in which the electrolyte is not solid. Specifically, the average particle diameter of the positive electrode active material is preferably 0.1 to 5 μm.

導電助剤としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンブラック、グラファイト等、銅粉、銀粉などやそれらの混合物からなる金属粉が挙げられる。ただし、これらに限られるわけではない。   Examples of the conductive assistant include acetylene black, ketjen black, carbon black, graphite and the like, copper powder, silver powder and the like, and metal powder made of a mixture thereof. However, it is not necessarily limited to these.

正極活物質層における、正極活物質、バインダーおよび導電助剤の配合量は、出力重視やエネルギー重視などの電池の使用目的、イオン伝導性を考慮して決定すべきである。また、正極活物質層の厚さは、特に限定するものではなく、出力重視やエネルギー重視などの電池の使用目的、イオン伝導性を考慮して決定すべきである。ところで、一般的な正極活物質層の厚さは5〜500μm程度である。   The blending amount of the positive electrode active material, the binder and the conductive assistant in the positive electrode active material layer should be determined in consideration of the purpose of use of the battery such as emphasis on output and energy, and ion conductivity. Further, the thickness of the positive electrode active material layer is not particularly limited, and should be determined in consideration of the purpose of use of the battery such as emphasis on output and energy, and ion conductivity. By the way, the thickness of a general positive electrode active material layer is about 5-500 micrometers.

続いて、負極活物質層について説明する。   Next, the negative electrode active material layer will be described.

負極活物質層は、少なくとも負極活物質を含み、バインダーを含んでいてもかまわない。負極活物質の種類以外は、基本的に正極活物質についての記載内容と同様である。負極活物質に用いられる例としては、ハードカーボンのような非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素あるいは黒鉛等のように、正極活物質のリチウムイオンを吸蔵および放出することのできる材料を挙げることができる。   The negative electrode active material layer contains at least a negative electrode active material and may contain a binder. Except for the type of the negative electrode active material, the description is basically the same as that described for the positive electrode active material. Examples of the negative electrode active material that can absorb and release lithium ions of the positive electrode active material, such as amorphous carbon such as hard carbon, non-graphitizable carbon, graphitizable carbon, or graphite. Materials can be mentioned.

続いて、電解質層について説明する。   Next, the electrolyte layer will be described.

電解質層とは、イオン伝導性を有する高分子から構成される層であり、イオン伝導性を示すのであれば材料は限定されない。例えば、電解質層として、真性ポリマー電解質や高分子ゲル電解質などが挙げられる。   The electrolyte layer is a layer composed of a polymer having ion conductivity, and the material is not limited as long as it exhibits ion conductivity. For example, an intrinsic polymer electrolyte, a polymer gel electrolyte, etc. are mentioned as an electrolyte layer.

真性ポリマー電解質としては、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、これらの共重合体のような公知の固体高分子電解質が挙げられる。固体高分子電解質層中には、イオン伝導性を確保するために支持塩(リチウム塩)が含まれることが好ましい。支持塩としては、LiBF、LiPF、LiN(SOCF、LiN(SO、またはこれらの混合物などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。PEO、PPOのようなポリアルキレンオキシド系高分子は、LiBF、LiPF、LiN(SOCF、LiN(SOなどのリチウム塩をよく溶解しうる。また、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度が発現する。 Examples of the intrinsic polymer electrolyte include known solid polymer electrolytes such as polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. The solid polymer electrolyte layer preferably contains a supporting salt (lithium salt) in order to ensure ionic conductivity. As the supporting salt, LiBF 4 , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , or a mixture thereof can be used. However, it is not necessarily limited to these. A polyalkylene oxide polymer such as PEO and PPO can dissolve lithium salts such as LiBF 4 , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , and LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 well. Moreover, excellent mechanical strength is exhibited by forming a crosslinked structure.

また、高分子ゲル電解質は、一般的に、イオン伝導性を有する全固体高分子電解質に、電解液を保持させたものを言う。高分子ゲル電解質により電解質層を形成する場合、電解液を0wt%より多く、かつ98wt%以下保持する。電解液(電解質塩および可塑剤)としては、特に制限されるべきものではなく、従来既知の各種電解液を適宜使用することができるものである。例えば、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiTaF、LiAlCl、Li10Cl10等の無機酸陰イオン塩、LiCFSO、Li(CFSON、Li(CSON等の有機酸陰イオン塩の中から選ばれる、少なくとも1種類のリチウム塩(電解質塩)を含み、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート等の環状カーボネート類;ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネート類;テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン等のエーテル類;γ−ブチロラクトン等のラクトン類;アセトニトリル等のニトリル類;プロピオン酸メチル等のエステル類;ジメチルホルムアミド等のアミド類;酢酸メチル、蟻酸メチルの中から選ばれる少なくともから1種類または2種以上を混合した、非プロトン性溶媒等の可塑剤(有機溶媒)を用いたものなどが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。 The polymer gel electrolyte generally refers to an electrolyte solution held in an all-solid polymer electrolyte having ion conductivity. In the case of forming an electrolyte layer with a polymer gel electrolyte, the electrolytic solution is maintained at more than 0 wt% and not more than 98 wt%. The electrolytic solution (electrolyte salt and plasticizer) is not particularly limited, and various conventionally known electrolytic solutions can be appropriately used. For example, inorganic acid anion salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiTaF 6 , LiAlCl 4 , Li 2 B 10 Cl 10 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N or an organic acid anion salt selected from at least one lithium salt (electrolyte salt), cyclic carbonates such as propylene carbonate and ethylene carbonate; dimethyl carbonate; Chain carbonates such as methyl ethyl carbonate and diethyl carbonate; ethers such as tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-dibutoxyethane; γ-butyrolactone, etc. Lactones; Nitriles such as acetonitrile Esters such as methyl propionate; amides such as dimethylformamide; plasticizers such as aprotic solvents (organic solvents) mixed with at least one selected from methyl acetate and methyl formate ) Can be used. However, it is not necessarily limited to these.

なお、本願では、リチウムイオン伝導性を有しない高分子の骨格中に、同様の電解液を保持させたものも、前記高分子ゲル電解質に含まれるものとする。用いられる電解液(電解質塩および可塑剤)の種類等は特に制限されない。   In the present application, a polymer electrolyte having a similar electrolyte solution held in a polymer skeleton having no lithium ion conductivity is also included in the polymer gel electrolyte. The type of electrolyte solution (electrolyte salt and plasticizer) used is not particularly limited.

イオン導伝性を有する固体高分子電解質としては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、これらの共重合体のような公知の固体高分子電解質が挙げられる。   Examples of the solid polymer electrolyte having ion conductivity include known solid polymer electrolytes such as polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof.

高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン導伝性を持たない高分子としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリビニルクロライド(PVC)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)などが使用できる。ただし、これらに限定されるわけではない。なお、PAN、PMMAなどは、どちらかと言えば、イオン伝導性がほとんどない部類に入るものであり、上記イオン伝導性を有する高分子とすることもできるが、ここでは高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン導伝性を持たない高分子として例示したものである。   For example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl chloride (PVC), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl methacrylate (PMMA), etc. are used as the polymer having no lithium ion conductivity used in the polymer gel electrolyte. it can. However, it is not necessarily limited to these. Note that PAN, PMMA, etc. are in a class that has almost no ionic conductivity, and can be a polymer having the above ionic conductivity, but here, they are used for polymer gel electrolytes. This is exemplified as a polymer having no lithium ion conductivity.

また、電解質層が高分子ゲル電解質からなる場合、前記電解質層は、高分子ゲル原料溶液を不織布などのセパレータに含浸させた後、上記の種々の方法を用いて重合することにより形成されたものであってもよい。セパレータを用いることにより、電解液の充填量を高めることができるとともに、電池内部の熱伝導性が確保される。   When the electrolyte layer is made of a polymer gel electrolyte, the electrolyte layer is formed by impregnating a separator such as a nonwoven fabric with a polymer gel raw material solution and then polymerizing using the above-described various methods. It may be. By using the separator, the filling amount of the electrolytic solution can be increased, and the thermal conductivity inside the battery is ensured.

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described specifically by way of examples.

(リチウムニッケル酸化物の含有量と、内部抵抗上昇率との関係)
リチウムニッケル酸化物およびリチウムマンガン酸化物中の、リチウムニッケル酸化物の含有量と、充放電サイクル1000回後の内部抵抗上昇率との関係を検証するため、本発明に係る二次電池に対し、充放電サイクル試験を行った。
(Relationship between lithium nickel oxide content and internal resistance increase rate)
In order to verify the relationship between the content of lithium nickel oxide in lithium nickel oxide and lithium manganese oxide and the rate of increase in internal resistance after 1000 charge / discharge cycles, for the secondary battery according to the present invention, A charge / discharge cycle test was conducted.

(実験1)
正極活物質として、平均粒径10μmのリチウムマンガン酸化物(Li1.2Mn1.8)と、平均粒径5μmのリチウムニッケル酸化物(LiNi0.81Co0.15Al0.04)を採用した。また、負極活物質として、ハードカーボンを採用し、ハードカーボンとPVdFの混合比は90:10とした。さらに、導電剤としてカーボンブラックを、バインダー(結着剤)としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を採用した。まず、正極活物質と導電剤を混合し、バインダーであるポリフッ化ビニリデンを溶解させたNメチル−2−ピロリドン(NMP)中に、混合された正極活物質および導電剤を均一に分散させ、スラリーを作成した。続いて、作成したスラリーを正極側集電体となるアルミ金属箔上に均一に塗布し、NMPを蒸発させることにより、正極層を作成した。正極活物質、導電剤およびPVDFの重量比は、89:8:3であり、正極活物質(リチウムニッケル酸化物およびリチウムマンガン酸化物)中のリチウムニッケル酸化物の含有量は、0wt%から50wt%まで変化させた。
(Experiment 1)
As the positive electrode active material, lithium manganese oxide (Li 1.2 Mn 1.8 O 4 ) having an average particle diameter of 10 μm and lithium nickel oxide (LiNi 0.81 Co 0.15 Al 0.04 ) having an average particle diameter of 5 μm. O 2 ) was employed. Moreover, hard carbon was employ | adopted as a negative electrode active material, and the mixing ratio of hard carbon and PVdF was 90:10. Furthermore, carbon black was used as the conductive agent, and polyvinylidene fluoride (PVdF) was used as the binder (binder). First, a positive electrode active material and a conductive agent are mixed, and the mixed positive electrode active material and the conductive agent are uniformly dispersed in N methyl-2-pyrrolidone (NMP) in which polyvinylidene fluoride as a binder is dissolved. It was created. Subsequently, the prepared slurry was uniformly applied onto an aluminum metal foil serving as a positive electrode side current collector, and NMP was evaporated to form a positive electrode layer. The weight ratio of the positive electrode active material, the conductive agent and PVDF is 89: 8: 3, and the content of lithium nickel oxide in the positive electrode active material (lithium nickel oxide and lithium manganese oxide) is 0 wt% to 50 wt%. %.

上記の正極活物質を用いた二次電池を、45℃において、1CAの電流値で充放電を1000サイクル繰り返し、1000回後の内部抵抗上昇率を算出した。充放電サイクルは、電池を定電流で充放電させて行った。また、1回の充放電サイクルには、充電−充電休止−放電−放電休止の4ステップがある。表1に、充放電サイクルの条件を示す。   The secondary battery using the positive electrode active material was charged and discharged 1000 times at a current value of 1 CA at 45 ° C., and the rate of increase in internal resistance after 1000 times was calculated. The charge / discharge cycle was performed by charging and discharging the battery with a constant current. Further, one charge / discharge cycle has four steps of charge-charge stop-discharge-discharge stop. Table 1 shows the charge / discharge cycle conditions.

Figure 2006216305
Figure 2006216305

内部抵抗は、電池を定電流で放電し、そのときの電圧降下を用いて、オームの法則により算出される。また、内部抵抗上昇率(%)は、「(充放電前の内部抵抗/充放電後の内部抵抗−1)×100」で計算される。   The internal resistance is calculated by Ohm's law using the voltage drop at the time when the battery is discharged at a constant current. The rate of increase in internal resistance (%) is calculated by “(internal resistance before charge / discharge / internal resistance after charge / discharge−1) × 100”.

図3に、リチウムマンガン酸化物およびリチウムニッケル酸化物の平均粒径がそれぞれ10μm、5μmである場合の、リチウムニッケル酸化物およびリチウムマンガン酸化物中の、リチウムニッケル酸化物の含有量と、充放電サイクル1000回後の内部抵抗上昇率の関係を示す。図3より、リチウムニッケル酸化物の含有量が22wt%から38wt%までの範囲において、内部抵抗上昇率が他の範囲に比べて顕著に低くなっており、30wt%で特に低くなっていることが分かる。このメカニズムについては定かではないが、22wt%から38wt%までの範囲において、他の範囲に比べ正極密度が高くなっており、この正極密度が高いことで寿命特性が向上しているものと思われる。   FIG. 3 shows the lithium nickel oxide content and charge / discharge in the lithium nickel oxide and lithium manganese oxide when the average particle sizes of lithium manganese oxide and lithium nickel oxide are 10 μm and 5 μm, respectively. The relationship of the rate of increase in internal resistance after 1000 cycles is shown. From FIG. 3, it can be seen that when the content of lithium nickel oxide is in the range of 22 wt% to 38 wt%, the rate of increase in internal resistance is significantly lower than in other ranges, and is particularly low at 30 wt%. I understand. This mechanism is not clear, but in the range from 22 wt% to 38 wt%, the positive electrode density is higher than the other ranges, and it seems that the life characteristics are improved by this high positive electrode density. .

(実験2)
正極活物質として採用するリチウムニッケル酸化物(LiNi0.81Co0.15Al0.04)の平均粒径を5μmから10μmに変更したこと以外は、実験1と同様の手順により、充放電サイクル試験を行った。図4に、リチウムマンガン酸化物およびリチウムニッケル酸化物の平均粒径がそれぞれ10μm、10μmである場合の、リチウムニッケル酸化物およびリチウムマンガン酸化物中の、リチウムニッケル酸化物の含有量と、充放電サイクル1000回後の内部抵抗上昇率の関係を示す。図4では、図3に見られるような内部抵抗上昇率が顕著に低下している部分は現れなかった。よって、本発明に係る二次電池の寿命特性の向上において、リチウムニッケル酸化物の平均粒径がリチウムマンガン酸化物の平均粒径よりも小さいことが好ましいと考えられる。
(Experiment 2)
The lithium nickel oxide (LiNi 0.81 Co 0.15 Al 0.04 O 2 ) used as the positive electrode active material was charged in the same procedure as in Experiment 1 except that the average particle size was changed from 5 μm to 10 μm. A discharge cycle test was conducted. FIG. 4 shows the lithium nickel oxide content and charge / discharge in the lithium nickel oxide and lithium manganese oxide when the average particle sizes of lithium manganese oxide and lithium nickel oxide are 10 μm and 10 μm, respectively. The relationship of the rate of increase in internal resistance after 1000 cycles is shown. In FIG. 4, there was no portion where the rate of increase in internal resistance as seen in FIG. 3 was significantly reduced. Therefore, in improving the life characteristics of the secondary battery according to the present invention, it is considered preferable that the average particle diameter of the lithium nickel oxide is smaller than the average particle diameter of the lithium manganese oxide.

(実験3)
正極活物質として採用するリチウムニッケル酸化物を、LiNi0.81Co0.15Al0.04からLiNi1/3Co1/3Mn1/3に変更したこと以外は、実験1と同様の手順により、充放電サイクル試験を行った。図5に、リチウムニッケル酸化物としてLiNi1/3Co1/3Mn1/3を用いた場合の、リチウムニッケル酸化物およびリチウムマンガン酸化物中の、リチウムニッケル酸化物の含有量と、充放電サイクル1000回後の内部抵抗上昇率の関係を示す。図5より、リチウムニッケル酸化物の含有量が22wt%から38wt%までの範囲において、実験1の場合と比較して、内部抵抗上昇率の低下は小さいものの、他の範囲に比べて低くなっており、30wt%で特に低くなっていることが分かる。
(Experiment 3)
Experiment 1 except that the lithium nickel oxide employed as the positive electrode active material was changed from LiNi 0.81 Co 0.15 Al 0.04 O 2 to LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 A charge / discharge cycle test was conducted by the same procedure as described above. FIG. 5 shows the content of lithium nickel oxide in lithium nickel oxide and lithium manganese oxide when LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 is used as the lithium nickel oxide. The relationship of the internal resistance increase rate after 1000 charge / discharge cycles is shown. From FIG. 5, in the range of lithium nickel oxide content from 22 wt% to 38 wt%, the decrease in the rate of increase in internal resistance is small compared to the case of Experiment 1, but it is lower than the other ranges. It can be seen that it is particularly low at 30 wt%.

(リチウムニッケル酸化物の平均粒径と、内部抵抗上昇率との関係)
続いて、リチウムニッケル酸化物の平均粒径と、充放電サイクル1000回後の内部抵抗上昇率との関係を検証するため、本発明に係る二次電池に対し、充放電サイクル試験を行った。
(Relationship between average particle size of lithium nickel oxide and rate of increase in internal resistance)
Then, in order to verify the relationship between the average particle diameter of lithium nickel oxide and the internal resistance increase rate after 1000 charge / discharge cycles, a charge / discharge cycle test was performed on the secondary battery according to the present invention.

(実験4)
正極活物質中のリチウムニッケル酸化物の含有量は30wt%に固定し、リチウムニッケル酸化物の平均粒径を、0.5μm〜20μmまで変化させた。また、リチウムマンガン酸化物の平均粒径は、10μmに固定した。それ以外は、実験1と同様の手順である。図6に、リチウムニッケル酸化物の含有量が30wt%の、リチウムニッケル酸化物の平均粒径と、充放電サイクル1000回後の内部抵抗上昇率の関係を示す。図6より、リチウムニッケル酸化物の平均粒径がリチウムマンガン酸化物の平均粒径以上の範囲においては、内部抵抗上昇率は一定であることが分かる。また、リチウムニッケル酸化物の平均粒径がリチウムマンガン酸化物の平均粒径よりも小さな範囲においては、リチウムニッケル酸化物の平均粒径が小さくなればなるほど、内部抵抗上昇率が低下することが分かる。よって、本発明に係る二次電池の寿命特性の向上において、リチウムニッケル酸化物の平均粒径がリチウムマンガン酸化物の平均粒径よりも小さいことが好ましいと考えられる。
(Experiment 4)
The content of lithium nickel oxide in the positive electrode active material was fixed at 30 wt%, and the average particle diameter of the lithium nickel oxide was changed from 0.5 μm to 20 μm. The average particle size of the lithium manganese oxide was fixed at 10 μm. Other than that, the procedure is the same as in Experiment 1. FIG. 6 shows the relationship between the average particle diameter of lithium nickel oxide having a lithium nickel oxide content of 30 wt% and the rate of increase in internal resistance after 1000 charge / discharge cycles. FIG. 6 shows that the rate of increase in internal resistance is constant when the average particle diameter of lithium nickel oxide is greater than or equal to the average particle diameter of lithium manganese oxide. In addition, in the range where the average particle diameter of lithium nickel oxide is smaller than the average particle diameter of lithium manganese oxide, it can be seen that the lower the average particle diameter of lithium nickel oxide, the lower the internal resistance increase rate. . Therefore, in improving the life characteristics of the secondary battery according to the present invention, it is considered preferable that the average particle diameter of the lithium nickel oxide is smaller than the average particle diameter of the lithium manganese oxide.

本発明に係る二次電池は、例えば、電気自動車などの駆動用バッテリーに適用できる。   The secondary battery according to the present invention can be applied to a driving battery such as an electric vehicle.

本発明に係る二次電池の構成図である。It is a block diagram of the secondary battery which concerns on this invention. 本発明の二次電池の構成要素を、順次積層する様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the component of the secondary battery of this invention is laminated | stacked sequentially. リチウムマンガン酸化物およびリチウムニッケル酸化物の平均粒径がそれぞれ10μm、5μmである場合の、リチウムニッケル酸化物およびリチウムマンガン酸化物中の、リチウムニッケル酸化物の含有量と、充放電サイクル1000回後の内部抵抗上昇率の関係を示すグラフである。Lithium nickel oxide content and lithium nickel oxide content in lithium nickel oxide and lithium manganese oxide when the average particle diameters of lithium manganese oxide and lithium nickel oxide are 10 μm and 5 μm, respectively, and after 1000 charge / discharge cycles It is a graph which shows the relationship of the internal resistance increase rate of. リチウムマンガン酸化物およびリチウムニッケル酸化物の平均粒径がそれぞれ10μm、10μmである場合の、リチウムニッケル酸化物およびリチウムマンガン酸化物中の、リチウムニッケル酸化物の含有量と、充放電サイクル1000回後の内部抵抗上昇率の関係を示すグラフである。Content of lithium nickel oxide in lithium nickel oxide and lithium manganese oxide when the average particle diameters of lithium manganese oxide and lithium nickel oxide are 10 μm and 10 μm, respectively, and after 1000 charge / discharge cycles It is a graph which shows the relationship of the internal resistance increase rate of. リチウムニッケル酸化物としてLiNi1/3Co1/3Mn1/3を用いた場合の、リチウムニッケル酸化物およびリチウムマンガン酸化物中の、リチウムニッケル酸化物の含有量と、充放電サイクル1000回後の内部抵抗上昇率の関係を示すグラフである。Lithium nickel oxide content in lithium nickel oxide and lithium manganese oxide when LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 is used as the lithium nickel oxide, and charge / discharge cycle 1000 It is a graph which shows the relationship of the internal resistance increase rate after rotation. リチウムニッケル酸化物の含有量が30wt%の、リチウムニッケル酸化物の平均粒径と、充放電サイクル1000回後の内部抵抗上昇率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the average particle diameter of lithium nickel oxide whose content of lithium nickel oxide is 30 wt%, and the internal resistance increase rate after 1000 charge / discharge cycles.

符号の説明Explanation of symbols

10…ポリマー型二次電池、20…正極(電極)、22…正極集電体、24…正極活物質層、30…負極(電極)、32…負極集電体、34…負極活物質層、40…電解質層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Polymer-type secondary battery, 20 ... Positive electrode (electrode), 22 ... Positive electrode collector, 24 ... Positive electrode active material layer, 30 ... Negative electrode (electrode), 32 ... Negative electrode collector, 34 ... Negative electrode active material layer, 40 ... electrolyte layer.

Claims (3)

正極活物質として、リチウムニッケル酸化物およびリチウムマンガン酸化物を有する二次電池であって、
前記リチウムニッケル酸化物の平均粒径が、前記リチウムマンガン酸化物の平均粒径よりも小さく、かつ、前記リチウムニッケル酸化物の含有量が、前記リチウムニッケル酸化物および前記リチウムマンガン酸化物の総量に対し、22wt%〜38wt%である、二次電池。
A secondary battery having lithium nickel oxide and lithium manganese oxide as a positive electrode active material,
The average particle size of the lithium nickel oxide is smaller than the average particle size of the lithium manganese oxide, and the content of the lithium nickel oxide is equal to the total amount of the lithium nickel oxide and the lithium manganese oxide. On the other hand, the secondary battery is 22 wt% to 38 wt%.
前記リチウムニッケル酸化物の含有量が、前記リチウムニッケル酸化物および前記リチウムマンガン酸化物の総量に対し、28wt%〜32wt%である、請求項1に記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 1, wherein a content of the lithium nickel oxide is 28 wt% to 32 wt% with respect to a total amount of the lithium nickel oxide and the lithium manganese oxide. 前記リチウムニッケル酸化物は、LiNi1−x(式中、Mは、コバルト、マンガン、アルミニウム、鉄、銅およびストロンチウムよりなる群から選択された、少なくとも1種の金属原子であり、0≦X≦0.5である)で示す構造を有する、請求項1または2に記載の二次電池。 The lithium nickel oxide is LiNi 1-x M x O 2 (wherein M is at least one metal atom selected from the group consisting of cobalt, manganese, aluminum, iron, copper, and strontium, The secondary battery according to claim 1, wherein the secondary battery has a structure represented by 0 ≦ X ≦ 0.5.
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