JP2007048560A - Battery - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a battery capable of enhancing energy density and cycle characteristics. <P>SOLUTION: The battery is equipped with a rolled electrode body 10 formed by rolling a positive electrode 13 and a negative electrode 14 through a separator 15 and an electrolyte 16. The open circuit voltage in a full charge state is present in a range of 4.25-6.00 V. A positive active material layer 13B contains a positive active material including Co as a constituting element, and the content of Co in the positive active material layer 13B is 30-60 mass%. Li concentration in the electrolyte 16 is 0.30-0.56 mass%. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、一対の正極および負極当たりの完全充電状態における開回路電圧が4.25V以上である電池に関する。   The present invention relates to a battery having an open circuit voltage of 4.25 V or more in a fully charged state per pair of positive electrode and negative electrode.

近年、カメラ一体型VTR、携帯電話、携帯用コンピュータなどのポータブル電子機器が多く登場し、その小型軽量化が図られている。しかし、これらの電子機器は小型化と共に多機能化および高性能化が進められており、その結果、消費電力は必ずしも低下しているわけではなく、多機能ゆえに使用時間がより長くなる傾向にあるのが現実である。使用者は、これらのポータブル電子機器をより長い時間使用できることを望んでおり、これらの電源として広く用いられているリチウムイオン二次電池に対して更なる高エネルギー密度化が望まれている。   In recent years, many portable electronic devices such as a camera-integrated VTR, a mobile phone, and a portable computer have appeared, and their size and weight have been reduced. However, these electronic devices have been miniaturized and multifunctional and high performance has been promoted. As a result, power consumption does not necessarily decrease, and the usage time tends to be longer due to the multifunctional functions. Is the reality. Users desire to be able to use these portable electronic devices for a longer time, and further increase in energy density is desired for lithium ion secondary batteries widely used as power sources.

従来のリチウムイオン二次電池では、一般に、正極にコバルト酸リチウム、負極に炭素材料を用いており、作動電圧は4.2Vから2.5Vの範囲内である。このように最大4.2Vで作動するリチウムイオン二次電池では、正極に用いられるコバルト酸リチウムなどの正極活物質は、その理論容量に対して6割程度の容量を活用しているに過ぎない。このため、更に充電圧を上げることにより、残存容量を活用することが原理的には可能である。実際に充電時の電圧を4.25V以上にすることにより高エネルギー密度化が実現することが知られている(特許文献1参照)。
国際公開第WO03/0197131号パンフレット
Conventional lithium ion secondary batteries generally use lithium cobaltate for the positive electrode and a carbon material for the negative electrode, and the operating voltage is in the range of 4.2V to 2.5V. Thus, in a lithium ion secondary battery operating at a maximum of 4.2 V, the positive electrode active material such as lithium cobaltate used for the positive electrode only uses a capacity of about 60% of its theoretical capacity. . For this reason, it is possible in principle to utilize the remaining capacity by further increasing the charging pressure. It is known that high energy density is realized by actually setting the voltage during charging to 4.25 V or more (see Patent Document 1).
International Publication No. WO03 / 0197131 Pamphlet

しかしながら、充電電圧を4.2Vを超えて設定した電池では、特に正極表面近傍における酸化雰囲気が強くなるので、正極活物質が崩壊あるいは溶出したり、電解質が劣化しやすくなり、充放電効率が低下してしまうという問題があった。   However, in a battery in which the charging voltage is set to exceed 4.2 V, the oxidizing atmosphere is particularly strong in the vicinity of the positive electrode surface, so that the positive electrode active material is easily collapsed or eluted, and the electrolyte is liable to deteriorate, resulting in a decrease in charge / discharge efficiency. There was a problem of doing.

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、エネルギー密度および充放電効率を向上させることができる電池を提供することにある。   This invention is made | formed in view of this problem, The objective is to provide the battery which can improve an energy density and charging / discharging efficiency.

本発明による電池は、正極および負極と共に電解質を備えたものであって、一対の正極および負極当たりの完全充電状態における開回路電圧が4.25V以上6.00V以下の範囲内であり、正極は、正極集電体に、構成元素としてコバルト(Co)を含む正極活物質を含有する正極活物質層が設けられ、正極活物質層におけるコバルトの存在割合は、30質量%以上60質量%以下の範囲内であり、電解質は、リチウム塩と、比誘電率が20以上の高誘電率溶媒を70質量%よりも多く含む溶媒とを含有し、電解質におけるリチウム(Li)の濃度は、0.30質量%以上0.56質量%以下の範囲内のものである。   A battery according to the present invention includes an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, and an open circuit voltage in a fully charged state per pair of the positive electrode and the negative electrode is in a range of 4.25 V to 6.00 V. The positive electrode current collector is provided with a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material containing cobalt (Co) as a constituent element, and the proportion of cobalt in the positive electrode active material layer is 30% by mass or more and 60% by mass or less. The electrolyte contains a lithium salt and a solvent containing a high dielectric constant solvent having a relative dielectric constant of 20 or more of more than 70% by mass, and the concentration of lithium (Li) in the electrolyte is 0.30. It is within the range of not less than 0.56% by mass.

本発明による電池によれば、一対の正極および負極当たりの完全充電状態における開回路電圧を4.25V以上6.00V以下とすると共に、正極活物質層におけるコバルトの存在割合を30質量%以上60質量%以下の範囲内とするようにしたので、高いエネルギー密度を得ることができる。また、電解質におけるリチウムの濃度を0.30質量%以上0.56質量%以下の範囲内とするようにしたので、充放電効率を向上させることができる。   According to the battery of the present invention, the open circuit voltage in the fully charged state per pair of positive electrode and negative electrode is 4.25 V or more and 6.00 V or less, and the proportion of cobalt in the positive electrode active material layer is 30% by mass or more and 60% or less. Since it was made to be in the range of mass% or less, a high energy density can be obtained. Moreover, since it was made for the density | concentration of lithium in electrolyte to be in the range of 0.30 mass% or more and 0.56 mass% or less, charging / discharging efficiency can be improved.

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

図1は、本発明の一実施の形態に係る二次電池の構成を表すものである。この二次電池は、電極反応物質としてリチウムを用いたものであり、例えば、正極リード11および負極リード12が取り付けられた巻回電極体10をフィルム状の外装部材20の内部に収納した構造を有している。   FIG. 1 shows a configuration of a secondary battery according to an embodiment of the present invention. This secondary battery uses lithium as an electrode reactant. For example, the secondary battery has a structure in which a wound electrode body 10 to which a positive electrode lead 11 and a negative electrode lead 12 are attached is housed in a film-like exterior member 20. Have.

正極リード11および負極リード12は、それぞれ、外装部材20の内部から外部に向かい例えば同一方向に導出されている。正極リード11および負極リード12は、例えば、アルミニウム(Al),銅(Cu),ニッケル(Ni)あるいはステンレスなどの金属材料によりそれぞれ構成されており、それぞれ薄板状または網目状とされている。   The positive electrode lead 11 and the negative electrode lead 12 are led out from the inside of the exterior member 20 to the outside, for example, in the same direction. The positive electrode lead 11 and the negative electrode lead 12 are each made of a metal material such as aluminum (Al), copper (Cu), nickel (Ni), or stainless steel, and each have a thin plate shape or a mesh shape.

外装部材20は、例えば、ナイロンフィルム,アルミニウム箔およびポリエチレンフィルムをこの順に貼り合わせた矩形状のアルミラミネートフィルムにより構成されている。外装部材20は、例えば、ポリエチレンフィルム側と巻回電極体10とが対向するように配設されており、各外縁部が融着あるいは接着剤により互いに密着されている。外装部材20と正極リード11および負極リード12との間には、外気の侵入を防止するための密着フィルム21が挿入されている。密着フィルム21は、正極リード11および負極リード12に対して密着性を有する材料、例えば、ポリエチレン,ポリプロピレン,変性ポリエチレンあるいは変性ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂により構成されている。   The exterior member 20 is made of, for example, a rectangular aluminum laminated film in which a nylon film, an aluminum foil, and a polyethylene film are bonded together in this order. For example, the exterior member 20 is disposed so that the polyethylene film side and the wound electrode body 10 face each other, and the outer edge portions are in close contact with each other by fusion bonding or an adhesive. An adhesive film 21 is inserted between the exterior member 20 and the positive electrode lead 11 and the negative electrode lead 12 to prevent intrusion of outside air. The adhesion film 21 is made of a material having adhesion to the positive electrode lead 11 and the negative electrode lead 12, for example, a polyolefin resin such as polyethylene, polypropylene, modified polyethylene, or modified polypropylene.

なお、外装部材20は、上述したアルミラミネートフィルムに代えて、他の構造を有するラミネートフィルム,ポリプロピレンなどの高分子フィルムあるいは金属フィルムにより構成するようにしてもよい。   The exterior member 20 may be made of a laminated film having another structure, a polymer film such as polypropylene, or a metal film instead of the above-described aluminum laminated film.

図2は、図1に示した巻回電極体10のI−I線に沿った断面構造を表すものである。巻回電極体10は、一対の正極13と負極14とをセパレータ15および電解質16を介して積層し、巻回したものであり、最外周部は保護テープ17により保護されている。   FIG. 2 shows a cross-sectional structure taken along line II of the spirally wound electrode body 10 shown in FIG. The wound electrode body 10 is formed by laminating a pair of a positive electrode 13 and a negative electrode 14 via a separator 15 and an electrolyte 16, and the outermost peripheral portion is protected by a protective tape 17.

正極13は、例えば、対向する一対の面を有する正極集電体13Aの両面に正極活物質層13Bが設けられた構造を有している。なお、図示はしないが、正極集電体13Aの片面のみに正極活物質層13Bを設けるようにしてもよい。正極集電体13Aは、例えば、アルミニウム箔,ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。正極活物質層13Bは、例えば、正極活物質として、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料の1種または2種以上を含んでおり、必要に応じて黒鉛などの導電剤およびポリフッ化ビニリデンなどの結着剤を含んで構成されている。   The positive electrode 13 has a structure in which, for example, a positive electrode active material layer 13B is provided on both surfaces of a positive electrode current collector 13A having a pair of opposed surfaces. Although not shown, the positive electrode active material layer 13B may be provided only on one surface of the positive electrode current collector 13A. The positive electrode current collector 13A is made of, for example, a metal foil such as an aluminum foil, a nickel foil, or a stainless steel foil. The positive electrode active material layer 13B includes, for example, one or more positive electrode materials capable of occluding and releasing lithium, which is an electrode reactant, as a positive electrode active material. A conductive agent and a binder such as polyvinylidene fluoride are included.

リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、例えば、リチウムとコバルトとを含む複合酸化物を含有するものが好ましく、化1に示した平均組成を有する第1の正極材料を含むことが好ましい。高いエネルギー密度を得ることができるからである。化1において元素M1およびフッ素(F)は必須の構成元素ではない。これらの元素を含むことにより正極材料の安定性は向上するが、含有量が多くなると容量が低下してしまうからである。   As a positive electrode material capable of inserting and extracting lithium, for example, a material containing a composite oxide containing lithium and cobalt is preferable, and includes a first positive electrode material having an average composition shown in Chemical Formula 1. Is preferred. This is because a high energy density can be obtained. In Chemical Formula 1, the element M1 and fluorine (F) are not essential constituent elements. This is because the stability of the positive electrode material is improved by containing these elements, but the capacity decreases as the content increases.

(化1)
Lia Co1-b M1b 2-c d
(式中、M1はマンガン(Mn),ニッケル,マグネシウム(Mg),アルミニウム,ホウ素(B),チタン(Ti),バナジウム(V),クロム(Cr),鉄(Fe),銅,亜鉛(Zn),ガリウム(Ga),イットリウム(Y),ジルコニウム(Zr),ニオブ(Nb),モリブデン(Mo),スズ(Sn),カルシウム(Ca),ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。a,b,cおよびdの値は、0.8≦a≦1.2,0≦b≦0.2,−0.1≦c≦0.2,0≦d≦0.1の範囲内である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、aの値は完全放電状態における値を表している。)
(Chemical formula 1)
Li a Co 1-b M1 b O 2-c F d
(In the formula, M1 is manganese (Mn), nickel, magnesium (Mg), aluminum, boron (B), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), copper, zinc (Zn ), Gallium (Ga), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), tin (Sn), calcium (Ca), strontium (Sr) and tungsten (W) It represents at least one of them, and the values of a, b, c and d are 0.8 ≦ a ≦ 1.2, 0 ≦ b ≦ 0.2, −0.1 ≦ c ≦ 0.2, 0 ≦. d ≦ 0.1 The composition of lithium varies depending on the state of charge and discharge, and the value of a represents the value in the complete discharge state.

リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、また、例えば化2に示した平均組成を有する第2の正極材料も好ましく、第1の正極材料と混合して用いるようにしてもよい。第2の正極材料は第1の正極材料に比べて容量は低いが、高い安定性を得ることができるからである。   As the positive electrode material capable of inserting and extracting lithium, for example, a second positive electrode material having an average composition shown in Chemical Formula 2 is also preferable, and may be used by mixing with the first positive electrode material. . This is because the second positive electrode material has a lower capacity than the first positive electrode material, but high stability can be obtained.

(化2)
Lip Mn(1-q-r) Niq M2r 2-s t
(式中、M2はコバルト,マグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,クロム,鉄,銅,亜鉛,ガリウム,イットリウム,ジルコニウム,ニオブ,モリブデン,スズ,カルシウム,ストロンチウムおよびタングステンからなる群のうちの少なくとも1種を表す。p,q,r,sおよびtの値は、0.8≦p≦1.2,0.1≦q≦0.8,0≦r≦0.5,q+r≦1,−0.1≦s≦0.2,0≦t≦0.1の範囲内である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、pの値は完全放電状態における値を表している。)
(Chemical formula 2)
Li p Mn (1-qr) Ni q M2 r O 2-s F t
(Wherein M2 is at least one selected from the group consisting of cobalt, magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, chromium, iron, copper, zinc, gallium, yttrium, zirconium, niobium, molybdenum, tin, calcium, strontium and tungsten. The value of p, q, r, s and t is 0.8 ≦ p ≦ 1.2, 0.1 ≦ q ≦ 0.8, 0 ≦ r ≦ 0.5, q + r ≦ 1, -0.1 ≦ s ≦ 0.2 and 0 ≦ t ≦ 0.1 The composition of lithium varies depending on the state of charge and discharge, and the value of p represents the value in the fully discharged state. .)

但し、正極活物質層13Bにおけるコバルトの存在割合は、30質量%以上60質量%以下の範囲内とすることが好ましい。コバルトの存在割合が低くなると容量が低下してしまうからである。なお、60質量%というのは、正極活物質層13BをLiCoO2 により構成した場合の値である。例えば上述した正極材料を用いる場合であれば、正極活物質における第1の正極材料の割合は、50質量%以上100質量%以下の範囲内とすることが好ましく、正極活物質における第2の正極材料の割合は、50質量%以下とすることが好ましい。 However, the proportion of cobalt in the positive electrode active material layer 13B is preferably in the range of 30% by mass to 60% by mass. This is because the capacity decreases as the cobalt content decreases. The 60 mass% is a value when the positive electrode active material layer 13B is made of LiCoO 2 . For example, in the case of using the positive electrode material described above, the ratio of the first positive electrode material in the positive electrode active material is preferably in the range of 50% by mass to 100% by mass, and the second positive electrode in the positive electrode active material The ratio of the material is preferably 50% by mass or less.

なお、正極活物質としては、リチウムを吸蔵および放出することが可能な他の正極材料を用いてもよく、また、第1の正極材料および第2の正極材料に加えて、または、第2の正極材料に代えて、リチウムを吸蔵および放出することが可能な他の正極材料を用いてもよい。リチウムを吸蔵および放出することが可能な他の正極材料としては、例えば、化3に示したスピネル型のリチウム複合酸化物、あるいは化4に示したオリビン型のリチウム複合リン酸塩が挙げられ、また、MnO2 ,V2 5 ,V6 13,NiS,MoSなどのリチウムを含まない無機化合物も挙げられる。 Note that as the positive electrode active material, other positive electrode materials capable of inserting and extracting lithium may be used, and in addition to the first positive electrode material and the second positive electrode material, Instead of the positive electrode material, another positive electrode material capable of inserting and extracting lithium may be used. Examples of other positive electrode materials capable of inserting and extracting lithium include the spinel type lithium composite oxide shown in Chemical Formula 3 or the olivine type lithium composite phosphate shown in Chemical Formula 4, Further, MnO 2, V 2 O 5 , V 6 O 13, NiS, include inorganic compounds containing no lithium such as MoS.

(化3)
Liv Mn2-w M3w x y
(式中、M3は、コバルト,ニッケル,マグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,クロム,鉄,銅,亜鉛,モリブデン,スズ,カルシウム,ストロンチウムおよびタングステンからなる群のうちの少なくとも1種を表す。v,w,xおよびyは、0.9≦v≦1.1、0≦w≦0.6、3.7≦x≦4.1、0≦y≦0.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、vの値は完全放電状態における値を表している。)
(Chemical formula 3)
Li v Mn 2-w M3 w O x F y
(In the formula, M3 represents at least one selected from the group consisting of cobalt, nickel, magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, chromium, iron, copper, zinc, molybdenum, tin, calcium, strontium, and tungsten. v, w, x and y are values in the range of 0.9 ≦ v ≦ 1.1, 0 ≦ w ≦ 0.6, 3.7 ≦ x ≦ 4.1, 0 ≦ y ≦ 0.1. (Note that the composition of lithium varies depending on the state of charge and discharge, and the value of v represents the value in a fully discharged state.)

(化4)
Liz M4PO4
(式中、M4は、コバルト,マンガン,鉄,ニッケル,マグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,ニオブ,銅,亜鉛,モリブデン,カルシウム,ストロンチウム,タングステンおよびジルコニウムからなる群のうちの少なくとも1種を表す。zは、0.9≦z≦1.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、zの値は完全放電状態における値を表している。)
(Chemical formula 4)
Li z M4PO 4
(Wherein M4 represents at least one member selected from the group consisting of cobalt, manganese, iron, nickel, magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, niobium, copper, zinc, molybdenum, calcium, strontium, tungsten and zirconium. Z is a value in the range of 0.9 ≦ z ≦ 1.1, wherein the composition of lithium varies depending on the state of charge and discharge, and the value of z represents the value in the fully discharged state.

負極14は、例えば、対向する一対の面を有する負極集電体14Aの両面に負極活物質層14Bが設けられた構造を有している。なお、図示はしないが、負極集電体14Aの片面のみに負極活物質層14Bを設けるようにしてもよい。負極集電体14Aは、例えば、良好な電気化学的安定性、電気伝導性および機械的強度を有する銅箔,ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。特に、銅箔は高い電気伝導性を有するので最も好ましい。   The negative electrode 14 has, for example, a structure in which a negative electrode active material layer 14B is provided on both surfaces of a negative electrode current collector 14A having a pair of opposed surfaces. Although not shown, the negative electrode active material layer 14B may be provided only on one surface of the negative electrode current collector 14A. The negative electrode current collector 14A is made of, for example, a metal foil such as a copper foil, a nickel foil, or a stainless steel foil having good electrochemical stability, electrical conductivity, and mechanical strength. In particular, copper foil is most preferable because it has high electrical conductivity.

負極活物質層22Bは、負極活物質として、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料のいずれか1種または2種以上を含んで構成されており、必要に応じて正極活物質層21Bと同様の結着剤を含んで構成されている。   The negative electrode active material layer 22B includes one or more negative electrode materials capable of inserting and extracting lithium as the negative electrode active material, and the positive electrode active material layer 21B as necessary. It is comprised including the binder similar to.

リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、例えば、難黒鉛化性炭素,易黒鉛化性炭素,黒鉛,熱分解炭素類,コークス類,ガラス状炭素類,有機高分子化合物焼成体,炭素繊維あるいは活性炭などの炭素材料が挙げられる。このうち、コークス類には、ピッチコークス,ニードルコークスあるいは石油コークスなどがある。有機高分子化合物焼成体というのは、フェノール樹脂やフラン樹脂等の高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものをいい、一部には難黒鉛化性炭素または易黒鉛化性炭素に分類されるものもある。これら炭素材料は、充放電時に生じる結晶構造の変化が非常に少なく、高い充放電容量を得ることができると共に、良好なサイクル特性を得ることができるので好ましい。特に黒鉛は、電気化学当量が大きく、高いエネルギー密度を得ることができ好ましい。また、難黒鉛化性炭素は、優れた特性が得られるので好ましい。更にまた、充放電電位が低いもの、具体的には充放電電位がリチウム金属に近いものが、電池の高エネルギー密度化を容易に実現することができるので好ましい。   Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium include non-graphitizable carbon, graphitizable carbon, graphite, pyrolytic carbons, cokes, glassy carbons, and fired organic polymer compounds , Carbon materials such as carbon fiber or activated carbon. Among these, examples of coke include pitch coke, needle coke, and petroleum coke. An organic polymer compound fired body is a carbonized material obtained by firing a polymer material such as a phenol resin or a furan resin at an appropriate temperature, and part of it is non-graphitizable carbon or graphitizable carbon. Some are classified as: These carbon materials are preferable because the change in crystal structure that occurs during charge and discharge is very small, a high charge and discharge capacity can be obtained, and good cycle characteristics can be obtained. In particular, graphite is preferable because it has a high electrochemical equivalent and can provide a high energy density. Further, non-graphitizable carbon is preferable because excellent characteristics can be obtained. Furthermore, those having a low charge / discharge potential, specifically, those having a charge / discharge potential close to that of lithium metal are preferable because a high energy density of the battery can be easily realized.

リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、また、リチウムを吸蔵および放出することが可能であり、金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を構成元素として含む材料も挙げられる。このような材料を用いれば、高いエネルギー密度を得ることができるからである。特に、炭素材料と共に用いるようにすれば、高エネルギー密度を得ることができると共に、優れたサイクル特性を得ることができるのでより好ましい。この負極材料は金属元素あるいは半金属元素の単体でも合金でも化合物でもよく、またこれらの1種または2種以上の相を少なくとも一部に有するようなものでもよい。なお、本発明において、合金には2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とを含むものも含める。また、非金属元素を含んでいてもよい。その組織には固溶体,共晶(共融混合物),金属間化合物あるいはそれらのうちの2種以上が共存するものがある。   Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium include materials capable of inserting and extracting lithium and containing at least one of a metal element and a metalloid element as a constituent element. . This is because a high energy density can be obtained by using such a material. In particular, the use with a carbon material is more preferable because a high energy density can be obtained and excellent cycle characteristics can be obtained. The negative electrode material may be a single element, alloy or compound of a metal element or metalloid element, or may have at least a part of one or more of these phases. In the present invention, alloys include those containing one or more metal elements and one or more metalloid elements in addition to those composed of two or more metal elements. Moreover, the nonmetallic element may be included. There are structures in which a solid solution, a eutectic (eutectic mixture), an intermetallic compound, or two or more of them coexist.

この負極材料を構成する金属元素あるいは半金属元素としては、マグネシウム,ホウ素,アルミニウム,ガリウム,インジウム(In),ケイ素(Si),ゲルマニウム(Ge),スズ,鉛(Pb),ビスマス(Bi),カドミウム(Cd),銀(Ag),亜鉛,ハフニウム(Hf),ジルコニウム,イットリウム,パラジウム(Pd)あるいは白金(Pt)が挙げられる。これらは結晶質のものでもアモルファスのものでもよい。   Examples of metal elements or metalloid elements constituting the negative electrode material include magnesium, boron, aluminum, gallium, indium (In), silicon (Si), germanium (Ge), tin, lead (Pb), bismuth (Bi), Examples thereof include cadmium (Cd), silver (Ag), zinc, hafnium (Hf), zirconium, yttrium, palladium (Pd), and platinum (Pt). These may be crystalline or amorphous.

中でも、この負極材料としては、短周期型周期表における4B族の金属元素あるいは半金属元素を構成元素として含むものが好ましく、特に好ましいのはケイ素およびスズの少なくとも一方を構成元素として含むものである。ケイ素およびスズは、リチウムを吸蔵および放出する能力が大きく、高いエネルギー密度を得ることができるからである。   Among these, as the negative electrode material, a material containing a 4B group metal element or a semimetal element in the short-period type periodic table as a constituent element is preferable, and at least one of silicon and tin is particularly preferable as a constituent element. This is because silicon and tin have a large ability to occlude and release lithium, and a high energy density can be obtained.

スズの合金としては、例えば、スズ以外の第2の構成元素として、ケイ素,ニッケル,銅,鉄,コバルト,マンガン,亜鉛,インジウム,銀,チタン,ゲルマニウム,ビスマス,アンチモン(Sb),およびクロムからなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。ケイ素の合金としては、例えば、ケイ素以外の第2の構成元素として、スズ,ニッケル,銅,鉄,コバルト,マンガン,亜鉛,インジウム,銀,チタン,ゲルマニウム,ビスマス,アンチモンおよびクロムからなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。   Examples of the tin alloy include, as the second constituent element other than tin, silicon, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, antimony (Sb), and chromium. The thing containing at least 1 sort (s) of the group which consists of is mentioned. As an alloy of silicon, for example, as a second constituent element other than silicon, among the group consisting of tin, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, antimony and chromium The thing containing at least 1 sort (s) of these is mentioned.

スズの化合物あるいはケイ素の化合物としては、例えば、酸素あるいは炭素(C)を含むものが挙げられ、スズまたはケイ素に加えて、上述した第2の構成元素を含んでいてもよい。   Examples of the tin compound or silicon compound include those containing oxygen or carbon (C), and may contain the second constituent element described above in addition to tin or silicon.

リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、更に、他の金属化合物あるいは高分子材料が挙げられる。他の金属化合物としては、MnO2 ,V2 5 ,V6 13)などの酸化物、NiS,MoSなどの硫化物、あるいはLiN3 などのリチウム窒化物が挙げられ、高分子材料としてはポリアセチレン,ポリアニリンあるいはポリピロールなどが挙げられる。 Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium further include other metal compounds or polymer materials. Examples of other metal compounds include oxides such as MnO 2 , V 2 O 5 , V 6 O 13 ), sulfides such as NiS and MoS, and lithium nitrides such as LiN 3. Examples include polyacetylene, polyaniline, and polypyrrole.

なお、この二次電池では、正極活物質と負極活物質との量を調節することにより、完全充電時における開回路電圧(すなわち電池電圧)が4.25V以上6.00V以下の範囲内になるように設計されており、これにより高いエネルギー密度が得られるようになっている。例えば、完全充電時における開回路電圧を4.25V以上とする場合には、4.20Vの電池に比べて、同じ正極活物質であっても単位質量当たりのリチウムの放出量が多くなるので、それに応じて負極活物質の量が調節される。   In this secondary battery, by adjusting the amounts of the positive electrode active material and the negative electrode active material, the open circuit voltage (that is, the battery voltage) at the time of full charge is in the range of 4.25V to 6.00V. So that high energy density can be obtained. For example, when the open circuit voltage at the time of full charge is 4.25 V or more, the amount of lithium released per unit mass increases even with the same positive electrode active material as compared to a 4.20 V battery. Accordingly, the amount of the negative electrode active material is adjusted.

セパレータ15は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン,ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどの合成樹脂製の多孔質膜、またはセラミック製の多孔質膜により構成されており、これら2種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。中でも、ポリオレフィン製の多孔質膜はショート防止効果に優れ、かつシャットダウン効果による電池の安全性向上を図ることができるので好ましい。   The separator 15 is made of, for example, a porous film made of synthetic resin such as polytetrafluoroethylene, polypropylene, or polyethylene, or a porous film made of ceramic, and has a structure in which two or more kinds of porous films are laminated. May be. Among these, a porous film made of polyolefin is preferable because it is excellent in short-circuit preventing effect and can improve the safety of the battery due to the shutdown effect.

電解質16は、電解液と、この電解液を保持する高分子化合物とを含み、いわゆるゲル状となっている。電解液は、溶媒とリチウム塩とを含んでいる。   The electrolyte 16 includes an electrolytic solution and a polymer compound that holds the electrolytic solution, and has a so-called gel shape. The electrolytic solution contains a solvent and a lithium salt.

溶媒は、比誘電率が20以上の高誘電率溶媒を70質量%よりも多く含んでいる。高いイオン伝導性を得ることができるからである。高誘電率溶媒としては、例えば、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレンあるいは炭酸ビニレンなどの環式炭酸エステル、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、4,4−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンあるいは4−フルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オンなどのハロゲン原子を有する環式炭酸エステル誘導体、または、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、δ−バレロラクトンあるいはε−カプロラクトンなどのラクトンが挙げられる。   The solvent contains more than 70% by mass of a high dielectric constant solvent having a relative dielectric constant of 20 or more. This is because high ionic conductivity can be obtained. Examples of the high dielectric constant solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate or vinylene carbonate, 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one, 4,4-difluoro-1,3. A cyclic carbonate derivative having a halogen atom, such as -dioxolan-2-one, 4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one or 4-fluoromethyl-1,3-dioxolan-2-one, or Lactones such as γ-butyrolactone, γ-valerolactone, δ-valerolactone, and ε-caprolactone.

高誘電率溶媒は、1種を単独で用いてもよいが、2種以上を混合して用いてもよい。例えば、炭酸エチレンと炭酸プロピレンとを混合して用いるようにすれば、高いイオン伝導性を得ることができると共に、優れた低温特性および負荷特性を得ることができるので好ましい。また、炭酸ビニレンを含むようにすれば、電極における溶媒の分解反応を抑制することができるので好ましい。   The high dielectric constant solvent may be used alone or in combination of two or more. For example, it is preferable to use a mixture of ethylene carbonate and propylene carbonate because high ion conductivity can be obtained and excellent low-temperature characteristics and load characteristics can be obtained. In addition, it is preferable to include vinylene carbonate because the decomposition reaction of the solvent in the electrode can be suppressed.

溶媒は、高誘電率溶媒のみにより構成するようにしてもよいが、比誘電率が20よりも小さい低誘電率溶媒を30質量%以下の範囲内で混合して用いてもよい。低誘電率溶媒は粘度が低いので、低温特性などを向上させることができる場合もあるが、含有量が多くなると電池が膨れる原因となりやすいからである。低誘電率溶媒としては、例えば、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチルあるいは炭酸ジエチルなどの鎖式炭酸エステル、1,2−ジメトキシエタン,1−エトキシ−2−メトキシエタン,1,2−ジエトキシエタン,テトラヒドロフランあるいは2−メチルテトラヒドロフランなどのエーテル、またはメチルアセテートなどが挙げられる。   The solvent may be composed of only a high dielectric constant solvent, but a low dielectric constant solvent having a relative dielectric constant smaller than 20 may be mixed and used within a range of 30% by mass or less. This is because the low dielectric constant solvent has a low viscosity and may improve low-temperature characteristics and the like, but if the content increases, the battery tends to swell. Examples of the low dielectric constant solvent include chain carbonate esters such as dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate and diethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1-ethoxy-2-methoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran Or ethers, such as 2-methyltetrahydrofuran, or methyl acetate is mentioned.

リチウム塩としては、LiPF6 ,LiBF4 ,LiAsF6 ,LiClO4 ,LiClO3 ,LiBrO3 ,LiIO3 ,LiNO3 ,LiCH3 COO,LiB(C6 5 4 ,LiCH3 SO3 ,LiCF3 SO3 ,LiN(SO2 CF3 2 ,LiC(SO2 CF3 3 ,LiAlCl4 ,LiSiF6 ,LiCl, LiBr,LiI,ジフルオロ[オキソラト−O,O’]ホウ酸リチウム,あるいはリチウムビスオキサレートボレートなどが挙げられる。リチウム塩は1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。 Lithium salts include LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiClO 3 , LiBrO 3 , LiIO 3 , LiNO 3 , LiCH 3 COO, LiB (C 6 H 5 ) 4 , LiCH 3 SO 3 , LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiAlCl 4 , LiSiF 6 , LiCl, LiBr, LiI, difluoro [oxolato-O, O ′] lithium borate, or lithium bisoxalate Examples include borate. A lithium salt may be used individually by 1 type, and 2 or more types may be mixed and used for it.

電解質16におけるリチウムの濃度は、0.30質量%以上0.56質量%以下の範囲内であることが好ましい。この濃度は、高分子化合物も含めた電解質16の全質量に対するリチウムの割合である。電池電圧を4.20Vよりも高くすると正極13および電解質16が劣化し、特に、正極活物質層13Bにおけるコバルトの存在割合が多い場合に、充放電効率が著しく低下してしまうが、リチウムの濃度をこの範囲内とすることにより、充放電効率の低下を抑制することができるからである。   The lithium concentration in the electrolyte 16 is preferably in the range of 0.30 mass% to 0.56 mass%. This concentration is a ratio of lithium to the total mass of the electrolyte 16 including the polymer compound. When the battery voltage is higher than 4.20 V, the positive electrode 13 and the electrolyte 16 are deteriorated. In particular, when the proportion of cobalt present in the positive electrode active material layer 13B is large, the charge / discharge efficiency is significantly reduced. It is because the fall of charging / discharging efficiency can be suppressed by carrying out in this range.

高分子化合物は、例えば、フッ化ビニリデンを成分として含む重合体を含有していることが好ましい。酸化安定性が高く、電池電圧を高くしても、正極13の近傍における酸化分解反応を抑制することができるからである。この重合体は、ポリフッ化ビニリデンでも、フッ化ビニリデンを成分として含む共重合体でもよく、1種を単独で用いてもよいが2種以上を混合して用いてもよい。また、フッ化ビニリデンを成分として含む重合体に加えて、他の1種以上の高分子化合物を混合して用いてもよい。   The polymer compound preferably contains, for example, a polymer containing vinylidene fluoride as a component. This is because the oxidation stability is high and the oxidative decomposition reaction in the vicinity of the positive electrode 13 can be suppressed even when the battery voltage is increased. This polymer may be polyvinylidene fluoride or a copolymer containing vinylidene fluoride as a component, and one kind may be used alone, or two or more kinds may be mixed and used. Moreover, in addition to the polymer containing vinylidene fluoride as a component, one or more other polymer compounds may be mixed and used.

フッ化ビニリデンを成分として含む共重合体としては、他の成分として、例えば、ヘキサフルオロプロピレン、モノメチルマレイン酸エステルなどの不飽和二塩基酸のモノエステル、三フッ化塩化エチレンなどのハロゲン化エチレン、炭酸ビニレンなどの不飽和化合物の環状炭酸エステル、またはエポキシ基含有アクリルビニルモノマーを含むものが挙げられる。他の成分は1種でも2種以上でもよい。   As a copolymer containing vinylidene fluoride as a component, as other components, for example, monoester of unsaturated dibasic acid such as hexafluoropropylene and monomethylmaleic acid ester, halogenated ethylene such as ethylene trifluoride chloride, Examples thereof include cyclic carbonates of unsaturated compounds such as vinylene carbonate, or epoxy group-containing acrylic vinyl monomers. The other components may be one type or two or more types.

中でも、この重合体としては、フッ化ビニリデンと、ヘキサフルオロプロピレンとを成分として含む共重合体が好ましい。電極に対する密着性および含浸性が高く、優れた電池特性を得ることができるからである。特に、それらのブロック共重合体はより高い特性を得ることができるので好ましい。この共重合体におけるヘキサフルオロプロピレンの共重合量は、7質量%以下とすることが好ましい。ヘキサフルオロプロピレンの共重合量あまり多くすると基材ポリマーの結晶性が変化し、機械的強度および電解液の保持能力が低下してしまうからである。   Among these, as this polymer, a copolymer containing vinylidene fluoride and hexafluoropropylene as components is preferable. This is because the adhesiveness and impregnation with the electrode are high, and excellent battery characteristics can be obtained. In particular, these block copolymers are preferable because higher properties can be obtained. The copolymerization amount of hexafluoropropylene in this copolymer is preferably 7% by mass or less. This is because if the copolymerization amount of hexafluoropropylene is too large, the crystallinity of the base polymer is changed, and the mechanical strength and the electrolyte holding capacity are lowered.

この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。   For example, the secondary battery can be manufactured as follows.

まず、例えば、正極集電体13Aに正極活物質層13Bを形成し正極13を作製する。正極活物質層13Bは、例えば、リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料と、導電剤と、結着剤とを混合して正極合剤を調製したのち、この正極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散させてペースト状の正極合剤スラリーとし、この正極合剤スラリーを正極集電体13Aに塗布し溶剤を乾燥させ、ロールプレス機などにより圧縮成型することにより形成する。   First, for example, the positive electrode active material layer 13B is formed on the positive electrode current collector 13A to produce the positive electrode 13. The positive electrode active material layer 13B is prepared, for example, by mixing a positive electrode material capable of inserting and extracting lithium, a conductive agent, and a binder to prepare a positive electrode mixture. By dispersing in a solvent such as methyl-2-pyrrolidone to obtain a paste-like positive electrode mixture slurry, applying this positive electrode mixture slurry to the positive electrode current collector 13A, drying the solvent, and then compression molding with a roll press or the like Form.

また、例えば、負極集電体14Aに負極活物質層14Bを形成し負極14を作製する。負極活物質層14Bは、例えば、気相法、液相法、焼成法、または塗布のいずれにより形成してもよく、それらの2以上を組み合わせてもよい。なお、気相法としては、例えば、物理堆積法あるいは化学堆積法を用いることができ、具体的には、真空蒸着法,スパッタ法,イオンプレーティング法,レーザーアブレーション法,熱CVD(Chemical Vapor Deposition ;化学気相成長)法あるいはプラズマCVD法等が利用可能である。液相法としては電解鍍金あるいは無電解鍍金等の公知の手法が利用可能である。焼成法に関しても公知の手法が利用可能であり、例えば、雰囲気焼成法,反応焼成法あるいはホットプレス焼成法が利用可能である。塗布の場合には、正極13と同様にして形成することができる。   Further, for example, the negative electrode active material layer 14B is formed on the negative electrode current collector 14A to produce the negative electrode 14. The negative electrode active material layer 14B may be formed by, for example, any one of a vapor phase method, a liquid phase method, a firing method, and coating, or a combination of two or more thereof. As the vapor phase method, for example, a physical deposition method or a chemical deposition method can be used. Specifically, a vacuum deposition method, a sputtering method, an ion plating method, a laser ablation method, a thermal CVD (Chemical Vapor Deposition) A chemical vapor deposition method) or a plasma CVD method can be used. As the liquid phase method, a known method such as electrolytic plating or electroless plating can be used. As for the firing method, a known method can be used. For example, an atmosphere firing method, a reaction firing method, or a hot press firing method can be used. In the case of application, it can be formed in the same manner as the positive electrode 13.

次いで、正極13および負極14のそれぞれに、電解液と、高分子化合物と、混合溶剤とを含む前駆溶液を塗布し、混合溶剤を揮発させて電解質16を形成する。そののち、正極集電体13Aに正極リード11を取り付けると共に、負極集電体14Aに負極リード12を取り付ける。続いて、電解質16が形成された正極13と負極14とをセパレータ15を介して積層し積層体としたのち、この積層体をその長手方向に巻回して、最外周部に保護テープ17を接着して巻回電極体10を形成する。最後に、例えば、外装部材20の間に巻回電極体10を挟み込み、外装部材20の外縁部同士を熱融着などにより密着させて封入する。その際、正極リード11および負極リード12と外装部材20との間には密着フィルム21を挿入する。これにより、図1,2に示した二次電池が得られる。   Next, a precursor solution containing an electrolytic solution, a polymer compound, and a mixed solvent is applied to each of the positive electrode 13 and the negative electrode 14, and the mixed solvent is volatilized to form the electrolyte 16. After that, the positive electrode lead 11 is attached to the positive electrode current collector 13A, and the negative electrode lead 12 is attached to the negative electrode current collector 14A. Subsequently, the positive electrode 13 and the negative electrode 14 on which the electrolyte 16 is formed are laminated via a separator 15 to form a laminated body, and then the laminated body is wound in the longitudinal direction, and the protective tape 17 is bonded to the outermost peripheral portion. Thus, the wound electrode body 10 is formed. Finally, for example, the wound electrode body 10 is sandwiched between the exterior members 20, and the outer edge portions of the exterior member 20 are brought into close contact with each other by thermal fusion or the like. At that time, an adhesion film 21 is inserted between the positive electrode lead 11 and the negative electrode lead 12 and the exterior member 20. Thereby, the secondary battery shown in FIGS. 1 and 2 is obtained.

この二次電池では、充電を行うと、正極活物質層13Bからリチウムイオンが放出され、電解質16を介して、負極活物質層14Bに吸蔵される。次いで、放電を行うと、負極活物質層14Bからリチウムイオンが放出され、電解質16を介して正極活物質層13Bに吸蔵される。本実施の形態では、完全充電時における開回路電圧が4.25V以上と高く、正極13の近傍は強酸化雰囲気となっているが、電解質16におけるリチウムの濃度が適正な範囲内とされているので、正極13および電解質16の劣化が抑制され、高いサイクル特性が得られる。   In the secondary battery, when charged, lithium ions are released from the positive electrode active material layer 13B and inserted in the negative electrode active material layer 14B through the electrolyte 16. Next, when discharging is performed, lithium ions are released from the negative electrode active material layer 14 </ b> B and inserted into the positive electrode active material layer 13 </ b> B through the electrolyte 16. In the present embodiment, the open circuit voltage during full charge is as high as 4.25 V or higher, and the vicinity of the positive electrode 13 is a strong oxidizing atmosphere, but the lithium concentration in the electrolyte 16 is within an appropriate range. Therefore, deterioration of the positive electrode 13 and the electrolyte 16 is suppressed, and high cycle characteristics are obtained.

このように本実施の形態では、一対の正極13および負極14当たりの完全充電状態における開回路電圧を4.25V以上6.00V以下とすると共に、正極活物質層13Bにおけるコバルトの存在割合を30質量%以上60質量%以下の範囲内とするようにしたので、高いエネルギー密度を得ることができる。また、電解質16におけるリチウムの濃度を0.30質量%以上0.56質量%以下の範囲内とするようにしたので、充放電効率を向上させることができ、高いサイクル特性を得ることができる。   As described above, in the present embodiment, the open circuit voltage in the fully charged state per pair of the positive electrode 13 and the negative electrode 14 is set to 4.25 V or more and 6.00 V or less, and the proportion of cobalt present in the positive electrode active material layer 13B is set to 30. Since it was made into the range of the mass% or more and 60 mass% or less, a high energy density can be obtained. In addition, since the lithium concentration in the electrolyte 16 is in the range of 0.30 mass% or more and 0.56 mass% or less, the charge / discharge efficiency can be improved, and high cycle characteristics can be obtained.

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

(実施例1−1−1〜1−3−5)
図1,2に示した二次電池を作製した。まず、正極活物質として、平均組成がLiCo0.95Al0.03Mg0.022 で表される第1の正極材料と、平均組成がLiNi0.5 Co0.2 Mn0.3 2 で表される第2の正極材料とを用意し、実施例1−1−1〜1−1−5では、第1の正極材料のみを用い、実施例1−2−1〜1−2−5では第1の正極材料80質量%と第2の正極材料20質量%とを混合して用い、実施例1−3−1〜1−3−5では第1の正極材料50質量%と第2の正極材料50質量%とを混合して用いた。
(Examples 1-1-1 to 1-3-5)
The secondary battery shown in FIGS. First, as a positive electrode active material, a first positive electrode material having an average composition represented by LiCo 0.95 Al 0.03 Mg 0.02 O 2 and a second positive electrode material having an average composition represented by LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 In Examples 1-1-1 to 1-1-5, only the first positive electrode material was used, and in Examples 1-2-1 to 1-2-5, the first positive electrode material was 80% by mass. In Example 1-3-1 to 1-3-5, 50% by mass of the first positive electrode material and 50% by mass of the second positive electrode material are mixed. Used.

次いで、正極活物質92質量%と、導電剤として人造黒鉛粉末と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンとを混合し、溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させて正極合剤スラリーとした。続いて、この正極合剤スラリーを厚み20μmの帯状アルミニウム箔よりなる正極集電体13Aの両面に均一に塗布して乾燥させ、ロールプレス機で圧縮成型して正極活物質層13Bを形成し、正極13を作製した。正極活物質層13Bにおけるコバルトの存在割合は、それぞれ表1に示した通りである。   Next, 92% by mass of the positive electrode active material, artificial graphite powder as a conductive agent, and polyvinylidene fluoride as a binder were mixed and dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent to obtain a positive electrode mixture slurry. . Subsequently, the positive electrode mixture slurry is uniformly applied to both sides of the positive electrode current collector 13A made of a strip-shaped aluminum foil having a thickness of 20 μm, dried, and compression-molded with a roll press to form the positive electrode active material layer 13B. A positive electrode 13 was produced. The proportion of cobalt present in the positive electrode active material layer 13B is as shown in Table 1, respectively.

また、負極活物質として球状黒鉛粉末を用意し、この球状黒鉛粉末を90質量%と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンとを混合し、溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させて負極合剤スラリーとした。次いで、この負極合剤スラリーを厚み10μmの帯状銅箔よりなる負極集電体14Aの両面に均一に塗布し、加熱プレス成型して負極活物質層14Bを形成し、負極14を作製した。この正極13および負極14については、規定の充電電圧を4.40Vとし、規定の充電電圧において、正極13の単位面積当たりの理論リチウム放出量と、対向する負極14の単位面積当たりの理論リチウム吸蔵量との比率が、正極/負極=0.95となるように、正極活物質と負極活物質との塗布量を調節した。   Further, spherical graphite powder is prepared as a negative electrode active material, 90% by mass of this spherical graphite powder and polyvinylidene fluoride as a binder are mixed and dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent to form a negative electrode. A mixture slurry was obtained. Next, this negative electrode mixture slurry was uniformly applied to both surfaces of a negative electrode current collector 14A made of a strip-shaped copper foil having a thickness of 10 μm, and subjected to hot press molding to form a negative electrode active material layer 14B, whereby a negative electrode 14 was produced. With respect to the positive electrode 13 and the negative electrode 14, the specified charging voltage is 4.40 V, and the theoretical lithium release amount per unit area of the positive electrode 13 and the theoretical lithium occlusion per unit area of the opposing negative electrode 14 at the specified charging voltage. The coating amount of the positive electrode active material and the negative electrode active material was adjusted so that the ratio to the amount was positive electrode / negative electrode = 0.95.

続いて、炭酸エチレン49.5質量%と、炭酸プロピレン49.5質量%と、炭酸ビニレン1質量%とを混合した溶媒に、LiPF6 を溶解して電解液を調製し、この電解液と、重量平均分子量が約60万であるフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとのブロック共重合体とを、混合溶剤を用いて混合溶解し前駆溶液を作製した。その際、LiPF6 の添加量を調節し、電解質16におけるリチウムの濃度を表1に示したように変化させた。そののち、この前駆溶液を正極13および負極14の両面に塗布し、混合溶剤を揮発させて電解質16をそれぞれ形成した。次いで、正極集電体13Aに正極リード11を取り付けると共に、負極集電体14Aに負極リード12を取り付けた。 Subsequently, LiPF 6 is dissolved in a solvent obtained by mixing 49.5% by mass of ethylene carbonate, 49.5% by mass of propylene carbonate, and 1% by mass of vinylene carbonate, and an electrolyte solution is prepared. A block copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene having a weight average molecular weight of about 600,000 was mixed and dissolved using a mixed solvent to prepare a precursor solution. At that time, the amount of LiPF 6 added was adjusted, and the concentration of lithium in the electrolyte 16 was changed as shown in Table 1. Thereafter, the precursor solution was applied to both surfaces of the positive electrode 13 and the negative electrode 14, and the mixed solvent was volatilized to form the electrolytes 16, respectively. Next, the positive electrode lead 11 was attached to the positive electrode current collector 13A, and the negative electrode lead 12 was attached to the negative electrode current collector 14A.

続いて、電解質16を形成した正極13と負極14とを、微多孔性ポリオレフィンフィルムよりなるセパレータ15を介して積層し、巻回して、巻回電極体10を作製した。そののち、巻回電極体10をアルミラミネートフィルムよりなる外装部材20の間に挟み込み、その周縁部を密着させて封入することにより二次電池を得た。   Subsequently, the positive electrode 13 and the negative electrode 14 on which the electrolyte 16 was formed were laminated via a separator 15 made of a microporous polyolefin film and wound to produce a wound electrode body 10. After that, the wound electrode body 10 was sandwiched between exterior members 20 made of an aluminum laminate film, and the peripheral portion thereof was brought into close contact and sealed to obtain a secondary battery.

本実施例に対する比較例1−1−1,1−1−2,1−2−1,1−2−2,1−3−1,1−3−2として、電解質におけるリチウムの濃度を表1に示したように変えたことを除き、他は本実施例と同様にして二次電池を作製した。また、比較例1−4−1〜1−5−7として、第1の正極材料と第2の正極材料との割合および電解質におけるリチウムの濃度を表1に示したように変えたことを除き、他は本実施例と同様にして二次電池を作製した。更に、比較例1−6−1〜1−10−7として、規定の充電電圧を4.20Vとし、第1の正極材料と第2の正極材料との割合および電解質におけるリチウムの濃度を表2に示したように変えたことを除き、他は本実施例と同様にして二次電池を作製した。   As Comparative Examples 1-1-1, 1-1-2, 1-2-1, 1-2-2, 1-3-1, 1-3-3 for the present example, the concentration of lithium in the electrolyte is shown. A secondary battery was fabricated in the same manner as in this example except for the change as shown in FIG. Further, as Comparative Examples 1-4-1 to 1-5-7, except that the ratio of the first positive electrode material and the second positive electrode material and the concentration of lithium in the electrolyte were changed as shown in Table 1. Other than that, a secondary battery was fabricated in the same manner as in this example. Furthermore, as Comparative Examples 1-6-1 to 1-10-7, the specified charging voltage was 4.20 V, the ratio of the first positive electrode material and the second positive electrode material and the concentration of lithium in the electrolyte were shown in Table 2. A secondary battery was fabricated in the same manner as in this example, except that the changes were made as described above.

作製した実施例および比較例の二次電池について、充放電を行い、2サイクル目の放電容量、並びに1サイクル目の放電容量に対する200サイクル目および400サイクル目の放電容量維持率を調べた。その際、充電は、23℃において、理論容量を2時間で放電しきる電流値で電池電圧が規定値に達するまで定電流充電を行ったのち、規定の定電圧で5時間定電圧充電を行い、完全充電状態とした。規定の電圧値は、実施例および比較例1−1−1〜1−5−7では4.40V、比較例1−6−1〜1−10−7では4.20Vである。放電は、23℃において、理論容量を2時間で放電しきる電流値で電池電圧が3.0Vに達するまで定電流放電を行い、完全放電状態とした。得られた結果を表1,2および図3〜6に示す。なお、放電容量は、比較例1−10−1の値を1.00とした相対値で表す。   About the produced secondary battery of the Example and the comparative example, charging / discharging was performed, and the discharge capacity maintenance ratio of the 200th cycle and the 400th cycle with respect to the discharge capacity of the 2nd cycle and the discharge capacity of the 1st cycle was investigated. At that time, at 23 ° C., constant current charging was performed until the battery voltage reached a specified value at a current value at which the theoretical capacity could be discharged in 2 hours, and then constant voltage charging was performed for 5 hours at the specified constant voltage. Fully charged. The specified voltage value is 4.40 V in Examples and Comparative Examples 1-1-1 to 1-5-7, and 4.20 V in Comparative Examples 1-6-1 to 1-10-7. Discharge was performed at 23 ° C. until the battery voltage reached 3.0 V at a current value that could discharge the theoretical capacity in 2 hours, and a complete discharge state was obtained. The obtained results are shown in Tables 1 and 2 and FIGS. The discharge capacity is expressed as a relative value with the value of Comparative Example 1-10-1 as 1.00.

Figure 2007048560
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Figure 2007048560
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表1,2および図3,5に示したように、充電電圧を高くし、正極活物質層13Bにおけるコバルトの存在割合を高くした方が、高い放電容量が得られた。また、表1,2および図4,6に示したように、充電電圧を4.40Vとした実施例1−1−1〜1−3−5および比較例1−1−1〜1−5−7では、正極活物質層13Bにおけるコバルトの存在割合を32質量%以上と高くすると、電解質16におけるリチウムの濃度を所定の範囲内とした場合のみ、高い容量維持率を得ることができた。これに対して、正極活物質層13Bにおけるコバルトの存在割合が低いと、電解質におけるリチウムの濃度に関係なく高い容量維持率が得られた。一方、充電電圧を4.20Vとした比較例1−6−1〜1−10−7では、正極活物質層におけるコバルトの存在割合を変えても、電解質におけるリチウムの濃度を変えても、容量維持率に大きな差は見られなかった。   As shown in Tables 1 and 2 and FIGS. 3 and 5, a higher discharge capacity was obtained when the charging voltage was increased and the proportion of cobalt present in the positive electrode active material layer 13B was increased. In addition, as shown in Tables 1 and 2 and FIGS. 4 and 6, Examples 1-1-1 to 1-3-5 and Comparative Examples 1-1-1 to 1-5 in which the charging voltage was 4.40V were used. In −7, when the cobalt content in the positive electrode active material layer 13B was increased to 32% by mass or more, a high capacity retention rate could be obtained only when the lithium concentration in the electrolyte 16 was within a predetermined range. In contrast, when the proportion of cobalt present in the positive electrode active material layer 13B was low, a high capacity retention rate was obtained regardless of the lithium concentration in the electrolyte. On the other hand, in Comparative Examples 1-6-1 to 1-10-7 in which the charging voltage was 4.20 V, even if the abundance ratio of cobalt in the positive electrode active material layer was changed or the lithium concentration in the electrolyte was changed, the capacity There was no significant difference in maintenance rates.

すなわち、完全充電状態における開回路電圧を4.20Vよりも高くすると共に、正極活物質層13Bにおけるコバルトの存在割合を30質量%以上60質量%以下の範囲内とするようにすれば、高いエネルギー密度を得ることができ、電解質16におけるリチウムの濃度を0.30質量%以上0.56質量%以下の範囲内とするようにすれば、充放電効率を向上させ、高いサイクル特性を得られることが分かった。   That is, if the open circuit voltage in the fully charged state is higher than 4.20 V and the proportion of cobalt in the positive electrode active material layer 13B is in the range of 30% by mass to 60% by mass, high energy is obtained. The density can be obtained, and if the lithium concentration in the electrolyte 16 is in the range of 0.30% by mass or more and 0.56% by mass or less, the charge / discharge efficiency can be improved and high cycle characteristics can be obtained. I understood.

(実施例2−1−1〜2−3−5)
規定の充電電圧を4.50V、4.35V、または4.25Vとし、電解質16におけるリチウムの濃度を表3に示したように変化させたことを除き、他は実施例1−1−1〜1−1−5と同様にして二次電池を作製した。本実施例に対する比較例2−1−1〜2−3−2として、充電電圧および電解質におけるリチウムの濃度を表3に示したように変化させたことを除き、他は本実施例と同様にして二次電池を作製した。
(Examples 2-1-1 to 2-3-5)
Except that the specified charging voltage was 4.50 V, 4.35 V, or 4.25 V and the concentration of lithium in the electrolyte 16 was changed as shown in Table 3, the other examples were 1-1-1. A secondary battery was produced in the same manner as in 1-1-5. As Comparative Examples 2-1-1 to 2-3-2 with respect to this example, except that the charging voltage and the lithium concentration in the electrolyte were changed as shown in Table 3, the other examples were the same as in this example. A secondary battery was manufactured.

実施例2−1−1〜2−3−5および比較例2−1−1〜2−3−2についても、実施例1−1−1〜1−1−5と同様にして充放電を行い、2サイクル目の放電容量、並びに1サイクル目の放電容量に対する200サイクル目および400サイクル目の放電容量維持率を調べた。得られた結果を実施例1−1−1〜1−1−5および比較例1−1−1,1−1−2,1−6−1〜1−6−7の結果と共に、表3および図7に示す。   Also in Examples 2-1-1 to 2-3-5 and Comparative Examples 2-1-1 to 2-3-2, charging and discharging were performed in the same manner as in Examples 1-1-1 to 1-1-5. The discharge capacity at the second cycle and the discharge capacity maintenance ratio at the 200th cycle and the 400th cycle with respect to the discharge capacity at the first cycle were examined. The results obtained are shown in Table 3 together with the results of Examples 1-1-1 to 1-1-5 and Comparative examples 1-1-1, 1-1-2, 1-6-1 to 1-6-7. And shown in FIG.

Figure 2007048560
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表3および図7に示したように、充電電圧を高くするほど放電容量は向上し、リチウムの濃度による放電容量維持率の差は大きくなる傾向が見られた。すなわち、完全充電状態における開回路電圧を4.25V以上とする場合に高い効果を得られることが分かった。   As shown in Table 3 and FIG. 7, as the charging voltage was increased, the discharge capacity was improved, and the difference in the discharge capacity retention ratio depending on the lithium concentration tended to increase. That is, it was found that a high effect can be obtained when the open circuit voltage in the fully charged state is set to 4.25 V or more.

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態および実施例においては、電解質16が高分子化合物を含有する場合について説明したが、電解液を液状の電解質としてそのまま用いるようにしてもよい。   Although the present invention has been described with reference to the embodiments and examples, the present invention is not limited to the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the embodiments and examples described above, the case where the electrolyte 16 contains a polymer compound has been described, but the electrolytic solution may be used as it is as a liquid electrolyte.

また、上記実施の形態および実施例においては、正極13と負極14とを積層して巻回した巻回構造を有する二次電池について説明したが、本発明は、正極および負極を折り畳んだりあるいは積み重ねた構造を有する二次電池についても同様に適用することができる。加えて、フィルム状の外装部材でなく、缶の外装部材を用いてもよく、いわゆるコイン型,ボタン型,円筒型あるいは角型などの二次電池についても適用することができる。また、二次電池に限らず、一次電池についても適用することができる。   Further, in the above-described embodiments and examples, the secondary battery having the winding structure in which the positive electrode 13 and the negative electrode 14 are stacked and wound has been described. However, the present invention folds or stacks the positive electrode and the negative electrode. The present invention can be similarly applied to a secondary battery having the above structure. In addition, a can exterior member may be used instead of a film-like exterior member, and can be applied to a so-called coin-type, button-type, cylindrical-type, or square-type secondary battery. Moreover, not only a secondary battery but a primary battery is applicable.

本発明の一実施の形態に係る二次電池の構成を表す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view showing the structure of the secondary battery which concerns on one embodiment of this invention. 図1に示した巻回電極体のI−I線に沿った断面図である。It is sectional drawing along the II line of the winding electrode body shown in FIG. 充電電圧を4.40Vとした場合の正極活物質層におけるコバルトの存在割合と電解質におけるリチウム濃度と放電容量との関係を表す特性図である。It is a characteristic view showing the relationship between the abundance ratio of cobalt in the positive electrode active material layer, the lithium concentration in the electrolyte, and the discharge capacity when the charging voltage is 4.40V. 充電電圧を4.40Vとした場合の正極活物質層におけるコバルトの存在割合と電解質におけるリチウム濃度と放電容量維持率との関係を表す特性図である。It is a characteristic view showing the relationship between the abundance ratio of cobalt in the positive electrode active material layer, the lithium concentration in the electrolyte, and the discharge capacity retention rate when the charging voltage is 4.40V. 充電電圧を4.20Vとした場合の正極活物質層におけるコバルトの存在割合と電解質におけるリチウム濃度と放電容量との関係を表す特性図である。It is a characteristic view showing the relationship between the abundance ratio of cobalt in the positive electrode active material layer, the lithium concentration in the electrolyte, and the discharge capacity when the charging voltage is 4.20V. 充電電圧を4.20Vとした場合の正極活物質層におけるコバルトの存在割合と電解質におけるリチウム濃度と放電容量維持率との関係を表す特性図である。It is a characteristic view showing the relationship between the abundance ratio of cobalt in the positive electrode active material layer, the lithium concentration in the electrolyte, and the discharge capacity retention rate when the charging voltage is 4.20V. 充電電圧と電解質におけるリチウム濃度と放電容量維持率との関係を表す特性図である。It is a characteristic view showing the relationship between a charging voltage, the lithium concentration in an electrolyte, and a discharge capacity maintenance factor.

符号の説明Explanation of symbols

11…正極リード、12…負極リード、13…正極、13A…正極集電体、13B…正極活物質層、14…負極、14A…負極集電体、14B…負極活物質層、15…セパレータ、16…電解質、17…保護テープ、20…外装部材、21…密着フィルム。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Positive electrode lead, 12 ... Negative electrode lead, 13 ... Positive electrode, 13A ... Positive electrode collector, 13B ... Positive electrode active material layer, 14 ... Negative electrode, 14A ... Negative electrode collector, 14B ... Negative electrode active material layer, 15 ... Separator, 16 ... electrolyte, 17 ... protective tape, 20 ... exterior member, 21 ... adhesive film.

Claims (6)

正極および負極と共に電解質を備えた電池であって、
一対の正極および負極当たりの完全充電状態における開回路電圧が4.25V以上6.00V以下の範囲内であり、
前記正極は、正極集電体に、構成元素としてコバルト(Co)を含む正極活物質を含有する正極活物質層が設けられ、
前記正極活物質層におけるコバルトの存在割合は、30質量%以上60質量%以下の範囲内であり、
前記電解質は、リチウム塩と、比誘電率が20以上の高誘電率溶媒を70質量%よりも多く含む溶媒とを含有し、
前記電解質におけるリチウム(Li)の濃度は、0.30質量%以上0.56質量%以下の範囲内である
ことを特徴とする電池。
A battery comprising an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode,
The open circuit voltage in a fully charged state per pair of positive electrode and negative electrode is in the range of 4.25V to 6.00V,
The positive electrode is provided with a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material containing cobalt (Co) as a constituent element on a positive electrode current collector,
The proportion of cobalt present in the positive electrode active material layer is in the range of 30% by mass to 60% by mass,
The electrolyte contains a lithium salt and a solvent containing a high dielectric constant solvent having a relative dielectric constant of 20 or more in excess of 70% by mass;
The battery is characterized in that the concentration of lithium (Li) in the electrolyte is in the range of 0.30 mass% to 0.56 mass%.
前記正極活物質は、化1に示した平均組成を有する正極材料を、50質量%以上100質量%以下の範囲内で含むことを特徴とする請求項1記載の電池。
(化1)
Lia Co1-b M1b 2-c d
(式中、M1はマンガン(Mn),ニッケル(Ni),マグネシウム(Mg),アルミニウム(Al),ホウ素(B),チタン(Ti),バナジウム(V),クロム(Cr),鉄(Fe),銅(Cu),亜鉛(Zn),ガリウム(Ga),イットリウム(Y),ジルコニウム(Zr),ニオブ(Nb),モリブデン(Mo),スズ(Sn),カルシウム(Ca),ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。a,b,cおよびdの値は、0.8≦a≦1.2,0≦b≦0.2,−0.1≦c≦0.2,0≦d≦0.1の範囲内である。)
2. The battery according to claim 1, wherein the positive electrode active material includes a positive electrode material having an average composition shown in Chemical Formula 1 within a range of 50 mass% to 100 mass%.
(Chemical formula 1)
Li a Co 1-b M1 b O 2-c F d
(In the formula, M1 is manganese (Mn), nickel (Ni), magnesium (Mg), aluminum (Al), boron (B), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe). , Copper (Cu), zinc (Zn), gallium (Ga), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), tin (Sn), calcium (Ca), strontium (Sr) And at least one member selected from the group consisting of tungsten (W), and the values of a, b, c and d are 0.8 ≦ a ≦ 1.2, 0 ≦ b ≦ 0.2, −0.1. ≦ c ≦ 0.2 and 0 ≦ d ≦ 0.1.
前記正極活物質は、更に、化2に示した平均組成を有する正極材料を50質量%以下の範囲内で含むことを特徴とする請求項2記載の電池。
(化2)
Lip Mn(1-q-r) Niq M2r 2-s t
(式中、M2はコバルト,マグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,クロム,鉄,銅,亜鉛,ガリウム,イットリウム,ジルコニウム,ニオブ,モリブデン,スズ,カルシウム,ストロンチウムおよびタングステンからなる群のうちの少なくとも1種を表す。p,q,r,sおよびtの値は、0.8≦p≦1.2,0.1≦q≦0.8,0≦r≦0.5,q+r≦1,−0.1≦s≦0.2,0≦t≦0.1の範囲内である。)
The battery according to claim 2, wherein the positive electrode active material further contains a positive electrode material having an average composition shown in Chemical formula 2 within a range of 50 mass% or less.
(Chemical formula 2)
Li p Mn (1-qr) Ni q M2 r O 2-s F t
(Wherein M2 is at least one selected from the group consisting of cobalt, magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, chromium, iron, copper, zinc, gallium, yttrium, zirconium, niobium, molybdenum, tin, calcium, strontium and tungsten. The value of p, q, r, s and t is 0.8 ≦ p ≦ 1.2, 0.1 ≦ q ≦ 0.8, 0 ≦ r ≦ 0.5, q + r ≦ 1, -0.1 ≦ s ≦ 0.2 and 0 ≦ t ≦ 0.1.)
前記電解質は、フッ化ビニリデンを成分として含む重合体とを含有する
ことを特徴とする請求項1記載の電池。
The battery according to claim 1, wherein the electrolyte contains a polymer containing vinylidene fluoride as a component.
前記電解質は、炭酸ビニレンを含有する
ことを特徴とする請求項1記載の電池。
The battery according to claim 1, wherein the electrolyte contains vinylene carbonate.
前記正極,負極および電解質は、フィルム状の外装部材の内部に収納された
ことを特徴とする請求項1記載の電池。
The battery according to claim 1, wherein the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte are housed in a film-shaped exterior member.
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