JP2009021102A - Lithium-ion secondary battery - Google Patents

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Yoshinari Makimura
嘉也 牧村
Madoka Hasegawa
円 長谷川
Hironori Kondo
広規 近藤
Itsuki Sasaki
厳 佐々木
Yuichi Ito
勇一 伊藤
Naruaki Okuda
匠昭 奥田
Osamu Hiruta
修 蛭田
Yoji Takeuchi
要二 竹内
Yoshio Ukiyou
良雄 右京
Shoichi Tsujioka
辻岡  章一
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium ion secondary battery in which capacity reduction after repeated charging and discharging under high temperature environments, for example, around 60°C, as well as increase of internal resistance, can be suppressed. <P>SOLUTION: In the lithium ion secondary battery, which is at least equipped with a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolytic solution composed by dissolving an electrolyte into a non-aqueous solvent, the non-aqueous electrolytic solution contains as the electrolyte a first electrolyte composed of a lithium salt containing fluorine and a second electrolyte expressed by a general formula (1). In the positive electrode, a lithium transition metal complex oxide is contained as a positive electrode active material, while in the negative electrode, metal oxide nano-particulates are contained as a negative electrode active material. In the lithium ion secondary battery before charge and discharge are carried out, the average particulate diameter of the metal oxide nano-particulates is 0.1 to 1 μm. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解液として、有機溶媒等の非水溶媒に電解質を溶解してなる非水電解液を含有するリチウムイオン二次電池に関する。   The present invention relates to a lithium ion secondary battery containing, as an electrolytic solution, a nonaqueous electrolytic solution obtained by dissolving an electrolyte in a nonaqueous solvent such as an organic solvent.

非水電解液を用いたリチウムイオン二次電池は、高電圧でエネルギー密度が高く、小型化・軽量化が図れることから、パソコンや携帯電話等の情報端末等を中心に情報通信機器の分野で実用が進み、広く一般に普及するに至っている。また他の分野では、環境問題及び資源問題から電気自動車の開発が急がれる中、非水電解液リチウムイオン二次電池をハイブリッド自動車用の電池として用いることが検討されている。   Lithium ion secondary batteries using non-aqueous electrolytes have high voltage, high energy density, and can be reduced in size and weight. Therefore, in the field of information communication equipment, mainly information terminals such as personal computers and mobile phones. Practical use has progressed and it has become widespread. In other fields, the development of electric vehicles has been urgently promoted due to environmental problems and resource issues, and the use of non-aqueous electrolyte lithium ion secondary batteries as batteries for hybrid vehicles has been studied.

リチウムイオン二次電池は、正極と、負極と、これらの正極及び負極間でリチウムイオンを移動させる非水電解液とを主要な構成としてなっている。具体的には、例えば正極には、正極活物質としてLiCoO2、LiNiO2、LiMn24、及びそれらの誘導体等のリチウム遷移金属複合酸化物を用い、負極に、負極活物質として黒鉛やコークス等の炭素材料を用いた電池がある。また、電解液としては、鎖状カーボネートと環状カーボネートとの有機混合溶媒にLiPF6等のLi塩を溶解した非水電解液が用いられている。 A lithium ion secondary battery mainly includes a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte that moves lithium ions between the positive electrode and the negative electrode. Specifically, for example, for the positive electrode, lithium transition metal composite oxides such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , and derivatives thereof are used as the positive electrode active material, and graphite or coke is used as the negative electrode active material. There are batteries using carbon materials such as. As the electrolytic solution, a nonaqueous electrolytic solution in which a Li salt such as LiPF 6 is dissolved in an organic mixed solvent of a chain carbonate and a cyclic carbonate is used.

近年、ある種の金属酸化物からなるナノ微粒子が、負極活物質として好適な材料となりうることが確認された(非特許文献1参照)。このナノ微粒子は、使用する金属種によって異なるがリチウム金属電極基準で0.5〜1.2Vの範囲に作動電圧を有する。この作動電圧自体は黒鉛等の炭素材料の作動電圧よりも若干高電圧側に位置するが、上記ナノ微粒子を負極活物質として用いた場合の充放電容量は、黒鉛を負極活物質として用いたときの充放電容量の約2倍に相当する600mAh/g以上である。そのため、上記ナノ微粒子を負極活物質として用いることにより、よりエネルギー密度が高いリチウムイオン二次電池の実現が可能になる。   In recent years, it has been confirmed that nano-particles made of a certain kind of metal oxide can be a suitable material as a negative electrode active material (see Non-Patent Document 1). The nano fine particles have an operating voltage in a range of 0.5 to 1.2 V based on a lithium metal electrode, although it varies depending on the metal species used. This operating voltage itself is located slightly higher than the operating voltage of carbon materials such as graphite, but the charge / discharge capacity when the above-mentioned nanoparticle is used as the negative electrode active material is the same as when graphite is used as the negative electrode active material. It is 600 mAh / g or more corresponding to about twice the charge / discharge capacity. Therefore, it becomes possible to realize a lithium ion secondary battery having a higher energy density by using the nano fine particles as the negative electrode active material.

電気自動車やハイブリッド電気自動車用電源等の車載用のリチウムイオン二次電池を考えた場合には、高出力であることに加え、−30℃程度の低温から60℃程度の高温の温度条件で繰り返し充放電しときに、容量劣化が小さく、電池の内部抵抗上昇が小さいことが求められる。
高出力型のリチウムイオン二次電池を構成する上では、高い伝導性を有するLiPF6を電解質の主成分に用いることが必須条件となりつつある。しかし、LiPF6は、リチウムイオン二次電池の製造時又は使用中に電解液中に混入する微量の水分と反応し、フッ化水素(HF)を生成する(非特許文献2参照)。このHFは、リチウムイオン二次電池内の構成材料に悪影響を与え、容量や出力等の電池特性を低下させるおそれがあった。また、特に、高温環境下においてはHFによる悪影響が大きくなるため、車載用途のリチウムイオン二次電池においてはHFの発生が大きな問題となっていた。
When considering in-vehicle lithium-ion secondary batteries such as power sources for electric vehicles and hybrid electric vehicles, in addition to high output, it is repeated at a low temperature of about -30 ° C to a high temperature of about 60 ° C. When charging and discharging, it is required that the capacity deterioration is small and the increase in internal resistance of the battery is small.
In constructing a high-power type lithium ion secondary battery, it is becoming an essential condition to use LiPF 6 having high conductivity as a main component of the electrolyte. However, LiPF 6 reacts with a small amount of moisture mixed in the electrolyte during the production or use of the lithium ion secondary battery, and generates hydrogen fluoride (HF) (see Non-Patent Document 2). This HF has an adverse effect on the constituent materials in the lithium ion secondary battery, and there is a possibility that battery characteristics such as capacity and output may be deteriorated. In particular, since the adverse effect of HF is increased under a high temperature environment, generation of HF has been a serious problem in a lithium ion secondary battery for in-vehicle use.

ピー・ポアゾ他(P.Poizot et al.)著、「ネイチャー(Nature)」、2000年、第407巻、p.496〜p.499P. Poizot et al., “Nature”, 2000, 407, p. 496-p. 499 ディ・アウルバッハ他(D.Aurbach et al.)著、「ジャーナル オブ パワー ソースィズ(JOURNAL OF POWER SOURCES)」、1997年、第68巻、p.91〜p.98D. Aurbach et al., “JOURNAL OF POWER SOURCES”, 1997, Vol. 68, p. 91-p. 98

本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたものであって、例えば60℃程度の高温環境下にて充放電を繰り返し行ったときにおける容量の低下及び内部抵抗の増加を抑制することができるリチウムイオン二次電池を提供しようとするものである。   The present invention has been made in view of such conventional problems, and can suppress a decrease in capacity and an increase in internal resistance when charging and discharging are repeatedly performed in a high temperature environment of, for example, about 60 ° C. The present invention intends to provide a lithium ion secondary battery.

本発明は、正極と、負極と、非水溶媒中に電解質を溶解してなる非水電解液とを少なくとも備えたリチウムイオン二次電池において、
上記非水電解液は、上記電解質として、フッ素を含有するリチウム塩からなる第1電解質と、下記の一般式(1)で表される第2電解質とを含有し、
上記正極は、正極活物質として、リチウム遷移金属複合酸化物を含有し、
上記負極は、負極活物質として、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Nb、Pb、又はWから選ばれる金属元素の酸化物からなる金属酸化物ナノ微粒子を含有し、
充放電を行う前の上記リチウムイオン二次電池において、上記金属酸化物ナノ微粒子の平均粒径は0.1μm〜1μmであることを特徴とするリチウムイオン二次電池にある。

Figure 2009021102
{但し、Mは、遷移金属、周期律表のIII族、IV族、又はV族元素、Aa+は、金属イオン、プロトン、又はオニウムイオン、aは1〜3、bは1〜3、pはb/a、mは1〜4、nは0〜8、qは0又は1をそれぞれ表し、R1は、C1〜C10のアルキレン、C1〜C10のハロゲン化アルキレン、C6〜C20のアリーレン、又はC6〜C20のハロゲン化アリーレン(これらのアルキレン及びアリーレンはその構造中に置換基、ヘテロ原子を持ってもよく、またm個存在するR1はそれぞれが結合してもよい。)、R2は、ハロゲン、C1〜C10のアルキル、C1〜C10のハロゲン化アルキル、C6〜C20のアリール、C6〜C20のハロゲン化アリール、又はX33(これらのアルキル及びアリールはその構造中に置換基、ヘテロ原子を持ってもよく、またn個存在するR2はそれぞれが結合して環を形成してもよい。)、X1、X2、X3は、O、S、又はNR4、R3、R4は、それぞれが独立で、水素、C1〜C10のアルキル、C1〜C10のハロゲン化アルキル、C6〜C20のアリール、C6〜C20のハロゲン化アリールをそれぞれ示す(これらのアルキル及びアリールはその構造中に置換基、ヘテロ原子を持ってもよく、また複数個存在するR3、R4はそれぞれが結合して環を形成してもよい。)。} The present invention provides a lithium ion secondary battery comprising at least a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte obtained by dissolving an electrolyte in a non-aqueous solvent.
The non-aqueous electrolyte contains, as the electrolyte, a first electrolyte made of a lithium salt containing fluorine, and a second electrolyte represented by the following general formula (1),
The positive electrode contains a lithium transition metal composite oxide as a positive electrode active material,
The negative electrode includes, as a negative electrode active material, metal oxide nanoparticles comprising a metal element oxide selected from Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Nb, Pb, or W Containing
In the lithium ion secondary battery before charging / discharging, the average particle diameter of the metal oxide nanoparticles is 0.1 μm to 1 μm.
Figure 2009021102
{However, M is a transition metal, Group III, IV, or V element of the periodic table, A a + is a metal ion, proton, or onium ion, a is 1 to 3, b is 1 to 3, p the b / a, m is 1 to 4, n is 0 to 8, q represents 0 or 1, respectively, R 1 represents, C 1 -C 10 alkylene, a halogenated alkylene of C 1 -C 10, C 6 arylene -C 20, or C 6 -C 20 arylene halide (these alkylene and arylene substituent group in its structure, may have a hetero atom, and R 1 binds each of the m exist R 2 is halogen, C 1 -C 10 alkyl, C 1 -C 10 alkyl halide, C 6 -C 20 aryl, C 6 -C 20 aryl halide, or X 3 R 3 (the alkyl and aryl substituents in their structures, even with a heteroatom And the n R 2 each may combine with each other to form a ring present.), X 1, X 2 , X 3 is O, S, or NR 4, R 3, R 4 are each Are independently hydrogen, C 1 -C 10 alkyl, C 1 -C 10 alkyl halide, C 6 -C 20 aryl, C 6 -C 20 aryl halide (these alkyl and aryl May have a substituent or a heteroatom in the structure, and a plurality of R 3 and R 4 may be bonded to each other to form a ring). }

上記リチウムイオン二次電池においては、上記非水電解液中に上記第1電解質の他に上記一般式(1)で表される上記第2電解質を含有している。該第2電解質は、上記非水電解液中に含まれる微量の水分を捕獲することができるため、水分が存在することによって発生する不具合を回避することができる。具体的には、LiPF6等のようなフッ素を含有する上記リチウム塩からなる第1電解質と水分とが反応してフッ化水素(HF)が発生することを防止することができる。そのため、HFによって活物質等の電池構成材料が腐食することを抑制し、充放電を繰り返したときにおける容量の低下や内部抵抗の増加を抑制することができる。 In the lithium ion secondary battery, the non-aqueous electrolyte contains the second electrolyte represented by the general formula (1) in addition to the first electrolyte. Since the second electrolyte can capture a small amount of water contained in the non-aqueous electrolyte solution, it is possible to avoid problems caused by the presence of water. Specifically, it is possible to prevent hydrogen fluoride (HF) from being generated by the reaction between the first electrolyte made of the above lithium salt containing fluorine such as LiPF 6 and moisture. Therefore, it is possible to suppress the battery constituent material such as the active material from being corroded by HF, and to suppress a decrease in capacity and an increase in internal resistance when charging and discharging are repeated.

また、上記第2電解質のアニオンは、上記リチウムイオン二次電池の充電時にその少なくとも一部が還元されて分解し、負極上に安定な分解被膜を形成することができる。その結果、上記リチウムイオン二次電池においては、充放電を繰り返し行ってもリチウムイオンの挿入脱離がスムーズに行われ、充放電を繰り返し行うことによる容量の低下を抑制することができる。また、上記第2電解質が分解されて形成される分解被膜は、例えば炭素系材料等からなる負極活物質においては、反応抵抗の上昇の要因となりうるが、本発明のリチウムイオン二次電池のように、充放電を行う前において平均粒径0.1μm〜1μmの上記金属酸化物ナノ微粒子を含有する上記負極活物質においては反応抵抗の上昇が小さく、内部抵抗の増加を抑制することができる。   Further, at least a part of the anion of the second electrolyte is reduced and decomposed when the lithium ion secondary battery is charged, and a stable decomposition film can be formed on the negative electrode. As a result, in the lithium ion secondary battery, even when charging / discharging is repeated, insertion / extraction of lithium ions is performed smoothly, and a decrease in capacity due to repeated charging / discharging can be suppressed. In addition, the decomposition film formed by decomposing the second electrolyte can cause an increase in reaction resistance in a negative electrode active material made of, for example, a carbon-based material. However, as in the lithium ion secondary battery of the present invention. Furthermore, in the negative electrode active material containing the metal oxide nanoparticle having an average particle size of 0.1 μm to 1 μm before charge / discharge, the increase in reaction resistance is small, and the increase in internal resistance can be suppressed.

このように、本発明によれば、例えば60℃程度の高温環境下にて充放電を繰り返し行ったときにおける容量の低下及び内部抵抗の増加を抑制することができるリチウムイオン二次電池を提供することができる。   Thus, according to the present invention, there is provided a lithium ion secondary battery capable of suppressing a decrease in capacity and an increase in internal resistance when charging and discharging are repeatedly performed in a high temperature environment of about 60 ° C., for example. be able to.

次に、本発明の好ましい実施の形態について説明する。
上記リチウムイオン二次電池は、例えば上記正極及び上記負極と、これらの正極と負極との間に狭装されるセパレータと、正極と負極との間でリチウムを移動させる上記非水電解液等を主要構成要素として構成することができる。
Next, a preferred embodiment of the present invention will be described.
The lithium ion secondary battery includes, for example, the positive electrode and the negative electrode, a separator sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, and the non-aqueous electrolyte that moves lithium between the positive electrode and the negative electrode. It can be configured as a main component.

まず、上記リチウムイオン二次電池の負極について説明する。
上記負極は、負極活物質として、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Nb、Pb、又はWから選ばれる金属元素の酸化物からなる金属酸化物ナノ微粒子を含有する。
上記リチウムイオン二次電池の充電を行うと、上記金属酸化物ナノ微粒子(Amn)が還元され、Li2Oマトリックス中に金属ナノ微粒子(A)が分散された複合体が形成される。また、上記リチウムイオン二次電池の放電時には、この逆反応が起こり、金属ナノ微粒子(A)が酸化されて金属酸化物ナノ微粒子(Amn)が形成される。これらの可逆的な酸化還元反応は、下記の反応式(a)で表される(ただし、Aは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Nb、Pb、Wから選ばれる金属元素、mは1〜3、nは1〜5)。
(反応式a)

Figure 2009021102
First, the negative electrode of the lithium ion secondary battery will be described.
The negative electrode includes, as a negative electrode active material, metal oxide nanoparticles comprising a metal element oxide selected from Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Nb, Pb, or W Containing.
When the lithium ion secondary battery is charged, the metal oxide nanoparticles (A m O n ) are reduced to form a composite in which the metal nanoparticles (A) are dispersed in a Li 2 O matrix. . Further, during the discharge of the lithium ion secondary battery, this reverse reaction occurs, and the metal nanoparticles (A) are oxidized to form metal oxide nanoparticles (A m O n ). These reversible oxidation-reduction reactions are represented by the following reaction formula (a) (where A is Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Nb, Pb) , W is a metal element, m is 1 to 3, and n is 1 to 5).
(Reaction Formula a)
Figure 2009021102

また、上記金属酸化物ナノ微粒子の平均粒径は、充放電を行う前の上記リチウムイオン二次電池において0.1μm〜1μmであるが、上記リチウムイオン二次電池の充放電により変化してより小さくなっている。
即ち、充電により、上記金属酸化物ナノ微粒子が還元されて上記のごとく金属ナノ微粒子が形成されると、該金属ナノ微粒子の平均粒径は約2〜8nmになりうる。また、放電により金属ナノ微粒子が酸化されて金属酸化物ナノ微粒子が再び形成されると、該金属酸化物ナノ微粒子の平均粒径は5〜60nmになりうる。
The average particle diameter of the metal oxide nanoparticle is 0.1 μm to 1 μm in the lithium ion secondary battery before charging / discharging, but changes depending on the charging / discharging of the lithium ion secondary battery. It is getting smaller.
That is, when the metal oxide nanoparticles are reduced by charging to form metal nanoparticles as described above, the average particle size of the metal nanoparticles can be about 2 to 8 nm. Further, when the metal nanoparticles are oxidized by the discharge to form the metal oxide nanoparticles again, the average particle diameter of the metal oxide nanoparticles can be 5 to 60 nm.

上記リチウムイオン二次電池の充放電を行う前の状態における上記金属酸化物ナノ微粒子の平均粒径が1μmを越える場合には、還元されて金属ナノ微粒子が形成された後、該金属ナノ微粒子が再び酸化される際に酸化され難くなるおそれがある。その結果、上記金属酸化物ナノ微粒子の酸化還元反応が可逆的に進行し難くなるおそれがある。また、この場合には、上記第2電解質による上述の内部抵抗の抑制効果が不十分になるおそれがある。一方、平均粒径0.1μm未満の上記金属酸化物ナノ微粒子は、その製造が困難になるおそれがある。また、上記金属酸化物ナノ微粒子の平均粒径が0.1μm未満の場合には、表面積が大きくなるため、充放電を繰り返し行ったときにより劣化し易くなるおそれがある。   When the average particle diameter of the metal oxide nanoparticles in a state before charge / discharge of the lithium ion secondary battery exceeds 1 μm, the metal nanoparticles are reduced to form metal nanoparticles. When it is oxidized again, it may be difficult to be oxidized. As a result, the oxidation-reduction reaction of the metal oxide nanoparticles may be difficult to proceed reversibly. In this case, the above-mentioned internal resistance suppression effect by the second electrolyte may be insufficient. On the other hand, the metal oxide nanoparticles having an average particle size of less than 0.1 μm may be difficult to produce. In addition, when the average particle diameter of the metal oxide nanoparticle is less than 0.1 μm, the surface area becomes large, and therefore, the metal oxide nanoparticle may be more likely to be deteriorated when repeated charge / discharge is performed.

上述の平均粒径は、透過型電子顕微鏡(TEM)で微粒子を観察し、例えば20個の微粒子の粒径を測定し、その平均値を求めることにより得られる。粒径は、各微粒子の最長の粒径で規定することができる。   The above-mentioned average particle diameter is obtained by observing fine particles with a transmission electron microscope (TEM), measuring the particle diameter of, for example, 20 fine particles, and determining the average value. The particle size can be defined by the longest particle size of each fine particle.

上記金属酸化物ナノ微粒子は、TiO2、Ti23、VO2、V23、V25、Cr23、MnO、Mn23、Mn34、MnO2、FeO、Fe23、Fe34、CoO、Co34、NiO、Ni23、CuO、Cu2O、ZnO、MoO2、MoO3、NbO、Nb25、PbO、PbO2、Pb34、WO3、W25から選ばれる1種以上からなることが好ましい(請求項2)。
この場合には、上述の反応式(a)で表される可逆的な酸化還元反応をより安定に進行させることができる。
The metal oxide nanoparticles is, TiO 2, Ti 2 O 3 , VO 2, V 2 O 3, V 2 O 5, Cr 2 O 3, MnO, Mn 2 O 3, Mn 3 O 4, MnO 2, FeO Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , CoO, Co 3 O 4 , NiO, Ni 2 O 3 , CuO, Cu 2 O, ZnO, MoO 2 , MoO 3 , NbO, Nb 2 O 5 , PbO, PbO 2 , Pb 3 O 4 , WO 3 , W 2 O 5 are preferable.
In this case, the reversible oxidation-reduction reaction represented by the above reaction formula (a) can proceed more stably.

上記負極は、例えば集電体と、その表面に形成された負極活物質層とによって構成することができる。上記負極活物質層は、上記負極活物質にバインダーと、導電性を向上させるためのカーボン等の導電助剤とを混合し、分散材として適当な溶媒を加えてペースト状又はスラリー状にした負極合材を、上記集電体の表面に塗布、乾燥し、その後圧縮することにより形成することができる。   The negative electrode can be constituted by, for example, a current collector and a negative electrode active material layer formed on the surface thereof. The negative electrode active material layer is a negative electrode in which a binder and a conductive aid such as carbon for improving conductivity are mixed with the negative electrode active material, and an appropriate solvent is added as a dispersing agent to form a paste or slurry. The composite material can be formed by applying to the surface of the current collector, drying, and then compressing.

上記負極活物質層は、上記負極活物質を50〜98重量%、上記導電助剤を30〜1重量%、上記バインダーを20〜1重量%含有することが好ましい。上記負極活物質が50重量%未満の場合には、容量等の電池性能が低下するおそれがある。一方、98重量%を越える場合には、バインダー量が不充分になって負極活物質の粒子が十分に結着されず、上記負極活物質層から滑落したり、導電助剤量が不充分になって導電性が低下するおそれがある。また、上記導電助剤が30重量%を超える場合には、負極活物質量が不十分になって容量等の電池性能が低下したり、バインダー量が不十分になって負極活物質の粒子が滑落するおそれがある。一方、導電助剤が1重量%未満の場合には、導電性が不十分になるおそれがある。また、上記バインダーが20重量%を越える場合には、負極活物質量が不十分になって容量等の電池性能が低下したり、導電助剤量が不充分になって導電性が低下するおそれがある。また、バインダーが1重量%未満の場合には、負極活物質の粒子が十分に結着されず、上記負極活物質層から滑落するおそれがある。より好ましくは、上記負極活物質層は、上記負極活物質を70〜96重量%、上記導電助剤を15〜2重量%、上記バインダーを15〜2重量%含有することがよい。
また、上記負極としては、上記負極合材をプレス成形して得られるペレット電極等を用いることもできる。
The negative electrode active material layer preferably contains 50 to 98% by weight of the negative electrode active material, 30 to 1% by weight of the conductive additive, and 20 to 1% by weight of the binder. When the negative electrode active material is less than 50% by weight, battery performance such as capacity may be deteriorated. On the other hand, if it exceeds 98% by weight, the amount of the binder is insufficient, and the particles of the negative electrode active material are not sufficiently bound. Therefore, there is a possibility that the conductivity is lowered. Further, when the conductive auxiliary exceeds 30% by weight, the amount of the negative electrode active material becomes insufficient and the battery performance such as capacity decreases, or the amount of the binder becomes insufficient and the particles of the negative electrode active material become There is a risk of sliding down. On the other hand, when the conductive assistant is less than 1% by weight, the conductivity may be insufficient. If the binder content exceeds 20% by weight, the amount of the negative electrode active material may be insufficient, resulting in a decrease in battery performance such as capacity, or an insufficient amount of conductive aid, resulting in a decrease in conductivity. There is. Further, when the binder is less than 1% by weight, the negative electrode active material particles are not sufficiently bound, and the negative electrode active material layer may slide down. More preferably, the negative electrode active material layer may contain 70 to 96% by weight of the negative electrode active material, 15 to 2% by weight of the conductive additive, and 15 to 2% by weight of the binder.
Moreover, as the negative electrode, a pellet electrode obtained by press-molding the negative electrode mixture can be used.

上記導電助剤は、負極の導電性を向上させるために配合される添加物である。上記導電助剤としては、例えばカーボンブラック、グラファイト等のカーボン粉末を用いることができる。   The conductive additive is an additive blended to improve the conductivity of the negative electrode. As the conductive aid, for example, carbon powder such as carbon black and graphite can be used.

上記バインダーは、上記負極活物質粒子間を連結し、上記負極活物質層を上記集電体に繋ぎ止める役割を果たすものであり、高分子材料が用いられる。該高分子材料には、上記非水電解液に用いられる上記非水溶媒に対する耐性、電池反応が進行する電位に対する安定性、及び耐熱性等が要求される。そのため、上記バインダーの高分子材料としては、例えばポリフッ化ビニリデン等のフッ素樹脂、スチレン−ブタジエン系ゴム、ポリアクリロニトリル等を用いることができる。これらの高分子材料は、1種を単独で用いることもできるが、2種以上を併用することもできる。
また、上記負極活物質、上記導電助剤、及び上記バインダーを分散させる溶剤としては、例えばN−メチル−2−ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。
The binder serves to connect the negative electrode active material particles and to connect the negative electrode active material layer to the current collector, and a polymer material is used. The polymer material is required to have resistance to the non-aqueous solvent used in the non-aqueous electrolyte, stability to potential at which a battery reaction proceeds, heat resistance, and the like. Therefore, as the polymer material of the binder, for example, a fluororesin such as polyvinylidene fluoride, styrene-butadiene rubber, polyacrylonitrile, or the like can be used. These polymer materials can be used alone or in combination of two or more.
Moreover, as a solvent which disperse | distributes the said negative electrode active material, the said conductive support agent, and the said binder, organic solvents, such as N-methyl-2-pyrrolidone, can be used, for example.

また、上記負極における上記集電体は、例えば金属等の導電性材料からなる。該導電性材料としては、電池反応が進行する電位において、リチウムと合金を形成しない材料を用いることが好ましい。具体的には、例えば銅、ニッケル、アルミニウム、チタン、ステンレス等を用いることができる。これらのうち1種を単独で用いてもよいが、2種以上を併用することもできる。より好ましくは、上記集電体は、銅又はニッケルからなることがよい。また、上記集電体としては、例えば上述の金属等からなる金属箔等を用いることができる。   The current collector in the negative electrode is made of a conductive material such as metal. As the conductive material, it is preferable to use a material that does not form an alloy with lithium at the potential at which the battery reaction proceeds. Specifically, for example, copper, nickel, aluminum, titanium, stainless steel or the like can be used. Of these, one type may be used alone, or two or more types may be used in combination. More preferably, the current collector is made of copper or nickel. Further, as the current collector, for example, a metal foil made of the above-described metal or the like can be used.

次に、上記リチウムイオン二次電池の正極について説明する。
上記正極は、例えば集電体と、その表面に形成された正極活物質層とによって構成することができる。上記正極活物質層は、正極活物質に必要に応じて導電助剤やバインダーを混合し、分散材として適当な溶媒を加えてペレット状又はスラリー状にした正極合材を、上記集電体の表面に塗布、乾燥し、その後に圧縮することにより形成することができる。上記正極活物質層は、上記負極の場合と同様の理由から、上記正極活物質を50〜98重量%、上記導電助剤を30〜1重量%、上記バインダーを20〜1重量%含有することが好ましい。
また、上記正極としては、上記正極合材をプレス成形して得られるペレット電極等を用いることもできる。
Next, the positive electrode of the lithium ion secondary battery will be described.
The positive electrode can be constituted by, for example, a current collector and a positive electrode active material layer formed on the surface thereof. The positive electrode active material layer is prepared by mixing a positive electrode active material with a conductive additive or a binder as necessary, adding a suitable solvent as a dispersing agent to form a pellet or slurry, It can be formed by applying to the surface, drying, and then compressing. The positive electrode active material layer contains 50 to 98% by weight of the positive electrode active material, 30 to 1% by weight of the conductive additive, and 20 to 1% by weight of the binder for the same reason as in the case of the negative electrode. Is preferred.
Moreover, as the positive electrode, a pellet electrode obtained by press-molding the positive electrode mixture can be used.

上記正極活物質としては、リチウム遷移金属複合酸化物を含有する。具体的には、例えばリチウムマンガン酸化物、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウム鉄リン酸等のリチウム遷移金属複合酸化物を用いることができる。上記正極活物質としては、これらの化合物のうち1種のみを用いても良いが、2種以上を併用することもできる。   The positive electrode active material contains a lithium transition metal composite oxide. Specifically, for example, lithium transition metal composite oxides such as lithium manganese oxide, lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, and lithium iron phosphate can be used. As the positive electrode active material, only one kind of these compounds may be used, but two or more kinds may be used in combination.

また、上記導電助剤及び上記バインダーとしては、上記負極の場合と同様の物質を用いることができる。また、上記正極活物質、上記導電助剤、及び上記バインダーを分散させる溶剤としては、上記負極の場合と同様に、例えばN−メチル−2−ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。   In addition, as the conductive auxiliary agent and the binder, the same materials as in the case of the negative electrode can be used. In addition, as the solvent for dispersing the positive electrode active material, the conductive additive, and the binder, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used as in the case of the negative electrode.

正極の集電体としては、アルミニウム、チタン等の金属又はその合金等を用いることができる。好ましくは、アルミニウム又はその合金を用いることがよい。アルミニウム又はアルミニウム合金は軽量であるため、この場合には、エネルギー密度を向上させることができる。   As the current collector of the positive electrode, a metal such as aluminum or titanium or an alloy thereof can be used. Preferably, aluminum or an alloy thereof is used. Since aluminum or aluminum alloy is lightweight, in this case, energy density can be improved.

次に、正極と負極との間に狭装される上記セパレータとしては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンを原料とする多孔性シート、又は不織布等を用いることができる。   Next, for example, a porous sheet made of a polyolefin such as polyethylene or polypropylene, a nonwoven fabric, or the like can be used as the separator to be narrowed between the positive electrode and the negative electrode.

次に、上記非水電解液について説明する。
上記リチウムイオン二次電池の上記非水電解液は、非水溶媒に電解質を溶解してなる。
上記非水溶媒としては、非プロトン性有機溶媒を用いることができる。具体的には、例えばエチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)等の環状カーボネート類、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等の鎖状カーボネート、γ-ブチルラクトン(GBL)、γ-バレロラクトン(GVL)等のラクトン類、アセトニトリル等のニトリル類、酢酸メチル、ギ酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル等のエステル類、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−ジエトキシエタン等のエーテル類、ジメチルホルムアミド等のアミド類等を用いることができる。これらは単独で用いることもできるが、二種以上を混合して用いることもできる。
Next, the non-aqueous electrolyte will be described.
The non-aqueous electrolyte of the lithium ion secondary battery is obtained by dissolving an electrolyte in a non-aqueous solvent.
As the non-aqueous solvent, an aprotic organic solvent can be used. Specifically, for example, cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC), chain carbonates such as diethyl carbonate (DEC) and ethyl methyl carbonate (EMC), γ-butyllactone (GBL), γ -Lactones such as valerolactone (GVL), nitriles such as acetonitrile, esters such as methyl acetate, methyl formate, methyl propionate, ethyl propionate, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1, Ethers such as 2-dimethoxyethane and 1,2-diethoxyethane, amides such as dimethylformamide, and the like can be used. These can be used alone, or two or more kinds can be mixed and used.

また、上記非水電解液は、上記電解質として、フッ素を含有するリチウム塩からなる第1電解質と、下記の一般式(1)で表される第2電解質とを含有する。上記第1電解質及び上記第2電解質は、上記非水電解液中で電離し、それぞれのカチオンとアニオンを形成している。   The non-aqueous electrolyte contains, as the electrolyte, a first electrolyte made of a lithium salt containing fluorine and a second electrolyte represented by the following general formula (1). The first electrolyte and the second electrolyte are ionized in the non-aqueous electrolyte to form respective cations and anions.

上記第1電解質は、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、及びLiSbF6から選ばれる少なくとも1種の上記リチウム塩からなることが好ましい(請求項3)。
これらの電解質は、比較的イオン伝導度が優れ、電気化学的に安定である。そのため、この場合には、上記リチウムイオン二次電池の充放電容量をより向上させることができる。特に好ましくは、LiPF6がよい。
The first electrolyte, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, and is preferably made of at least one of the above lithium salt selected from LiSbF 6 (claim 3).
These electrolytes have relatively high ionic conductivity and are electrochemically stable. Therefore, in this case, the charge / discharge capacity of the lithium ion secondary battery can be further improved. LiPF 6 is particularly preferable.

また、上記第2電解質は、下記の一般式(1)で表される化合物である。

Figure 2009021102
上記一般式(1)におけるAa+としては、例えばリチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、バリウムイオン、セシウムイオン、銀イオン、亜鉛イオン、銅イオン、コバルトイオン、鉄イオン、ニッケルイオン、マンガンイオン、チタンイオン、鉛イオン、クロムイオン、バナジウムイオン、ルテニウムイオン、イットリウムイオン、ランタノイドイオン、アクチノイドイオン、テトラブチルアンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラメチルアンモニウムイオン、トリエチルメチルアンモニウムイオン、トリエチルアンモニウムイオン、ピリジニウムイオン、イミダゾリウムイオン、プロトン、テトラエチルホスホニウムイオン、テトラメチルホスホニウムイオン、テトラフェニルホスホニウムイオン、トリフェニルスルホニウムイオン、トリエチルスルホニウムイオン等が挙げられる。
好ましくは、上記一般式(1)におけるAa+としては、リチウムイオン、テトラアルキルアンモニウムイオン、プロトンがよい。 The second electrolyte is a compound represented by the following general formula (1).
Figure 2009021102
As A a + in the general formula (1), for example, lithium ion, sodium ion, potassium ion, magnesium ion, calcium ion, barium ion, cesium ion, silver ion, zinc ion, copper ion, cobalt ion, iron ion, nickel Ion, manganese ion, titanium ion, lead ion, chromium ion, vanadium ion, ruthenium ion, yttrium ion, lanthanoid ion, actinoid ion, tetrabutylammonium ion, tetraethylammonium ion, tetramethylammonium ion, triethylmethylammonium ion, triethylammonium Ion, pyridinium ion, imidazolium ion, proton, tetraethylphosphonium ion, tetramethylphosphonium ion, Tiger tetraphenylphosphonium ion, triphenylsulfonium ion, triethylsulfonium ion and the like.
Preferably, A a + in the general formula (1) is a lithium ion, a tetraalkylammonium ion, or a proton.

また、上記一般式(1)において、Aa+のカチオンの価数aは1〜3である。aが3より大きい場合には、上記第2電解質の結晶格子エネルギーが大きくなるため、上記有機溶媒に溶解するのが困難になる。そのため、最も好ましくはa=1である。このようなカチオンAa+としては、リチウムイオン、カリウムイオン、ナトリウムイオン、テトラアルキルアンモニウムイオン、プロトン等がある。
また、同様にアニオンの価数bも1〜3であり、b=1が最も好ましい。
また、カチオンとアニオンの比を表す定数pは、両者の価数の比b/aにより必然的に決まってくる。
In the general formula (1), the valence a of A a + cation is 1-3. When a is larger than 3, the crystal lattice energy of the second electrolyte increases, so that it becomes difficult to dissolve in the organic solvent. Therefore, most preferably a = 1. Such cations A a + include lithium ions, potassium ions, sodium ions, tetraalkylammonium ions, protons, and the like.
Similarly, the valence b of the anion is 1 to 3, and b = 1 is most preferable.
The constant p representing the ratio of cation to anion is inevitably determined by the valence ratio b / a of both.

上記第2電解質は、イオン性金属錯体構造をとっており、その中心となるMは、遷移金属、周期律表のIII族、IV族、又はV族元素から選ばれる。
好ましくは、上記一般式(1)におけるAa+は、Li+、Na+、K+から選ばれる少なくとも一種であり、Mは、Al、B、V、Ti、Si、Zr、Ge、Sn、Cu、Y、Zn、Ga、Nb、Ta、Bi、P、As、Sc、Hf、またはSbのいずれかであることがよい(請求項4)。
この場合には、上記第2電解質の合成が容易となる。
The second electrolyte has an ionic metal complex structure, and the central M is selected from a transition metal, a group III, group IV, or group V element of the periodic table.
Preferably, A a + in the general formula (1) is at least one selected from Li + , Na + , K + , and M is Al, B, V, Ti, Si, Zr, Ge, Sn, Cu. , Y, Zn, Ga, Nb, Ta, Bi, P, As, Sc, Hf, or Sb.
In this case, the synthesis of the second electrolyte is facilitated.

より好ましくは、上記一般式(1)中のMは、Al、B、又はPがよい。この場合には、上記第2電解質の合成が容易になることに加えて、上記第2電解質の毒性を低くすることができ、また製造コストを低くすることができる。   More preferably, M in the general formula (1) is Al, B, or P. In this case, in addition to facilitating the synthesis of the second electrolyte, the toxicity of the second electrolyte can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced.

次に、上記第2電解質(イオン性金属錯体)の配位子の部分について説明する。以下、ここでは上記一般式(1)において、Mに結合している有機又は無機の部分を配位子とよぶ。   Next, the ligand part of the second electrolyte (ionic metal complex) will be described. Hereinafter, in the above general formula (1), an organic or inorganic part bonded to M is referred to as a ligand.

一般式(1)中のR1は、C1〜C10のアルキレン、C1〜C10のハロゲン化アルキレン、C6〜C20のアリーレン、又はC6〜C20のハロゲン化アリーレンから選ばれるものよりなる。これらのアルキレン及びアリーレンはその構造中に置換基、ヘテロ原子を持ってもよい。具体的には、アルキレン及びアリーレン上の水素の代わりに、ハロゲン、鎖状又は環状のアルキル基、アリール基、アルケニル基アルコキシ基、アリーロキシ基、スルホニル基、アミノ基、シアノ基、カルボニル基、アシル基、アミド基、水酸基、また、アルキレン及びアリーレン上の炭素の代わりに、窒素、硫黄、酸素が導入された構造等を挙げることができる。
さらには、R1が複数存在する場合(q=1、m=2〜4の場合)には、それぞれが結合してもよく、例えばエチレンジアミン四酢酸のような配位子を挙げることができる。
R 1 in general formula (1) is selected from C 1 -C 10 alkylene, C 1 -C 10 halogenated alkylene, C 6 -C 20 arylene, or C 6 -C 20 halogenated arylene. It consists of things. These alkylene and arylene may have a substituent or a hetero atom in the structure. Specifically, instead of hydrogen on alkylene and arylene, halogen, chain or cyclic alkyl group, aryl group, alkenyl group alkoxy group, aryloxy group, sulfonyl group, amino group, cyano group, carbonyl group, acyl group , An amide group, a hydroxyl group, and a structure in which nitrogen, sulfur, or oxygen is introduced instead of carbon on alkylene and arylene.
Further, when a plurality of R 1 are present (when q = 1 and m = 2 to 4), each may be bonded, and examples thereof include a ligand such as ethylenediaminetetraacetic acid.

2は、ハロゲン、C1〜C10のアルキル、C1〜C10のハロゲン化アルキル、C6〜C20のアリール、C6〜C20のハロゲン化アリール、又はX33から選ばれるものよりなる。これらもR1と同様に、アルキル及びアリールはその構造中に置換基、ヘテロ原子を持ってもよく、またR2が複数個存在する場合(n=2〜8の場合)R2はそれぞれが結合して環を形成してもよい。
好ましくは、R2としては、電子吸引性の基がよく、特にフッ素がよい。この場合には、上記第2電解質の溶解度や解離度が向上し、これに伴ってイオン伝導度が向上するという効果を得ることができる。さらにこの場合には、耐酸化性が向上し、これにより副反応の発生を防止することができる。
R 2 is selected from halogen, C 1 -C 10 alkyl, C 1 -C 10 alkyl halide, C 6 -C 20 aryl, C 6 -C 20 aryl halide, or X 3 R 3 It consists of things. Similarly to R 1 , alkyl and aryl may have a substituent or a heteroatom in the structure, and when there are a plurality of R 2 (when n = 2 to 8), each R 2 is They may combine to form a ring.
Preferably, R 2 is an electron-withdrawing group, particularly fluorine. In this case, it is possible to obtain an effect that the solubility and dissociation degree of the second electrolyte are improved and the ionic conductivity is improved accordingly. Furthermore, in this case, the oxidation resistance is improved, thereby preventing the occurrence of side reactions.

1、X2、X3は、それぞれ独立で、O、S、又はNR4であり、これらのヘテロ原子を介して配位子がMに結合する。ここで、O、S、N以外で結合することが、不可能ではないが、合成上非常に煩雑なものとなる。上記一般式(1)で表される化合物の特徴として、同一の配位子内におけるX1とX2によるMとの結合があり、これらの配位子はMとキレート構造を形成している。この配位子中の定数qは、0又は1である。q=0の場合には、キレートリングが五員環となり、上記第2電解質の錯体構造が安定化する。そのため、この場合には、上記第2電解質が上記被覆物の形成以外の副反応を起こすことを防止することができる。 X 1 , X 2 , and X 3 are each independently O, S, or NR 4 , and the ligand is bonded to M through these heteroatoms. Here, it is not impossible to combine other than O, S, and N, but it becomes very complicated in synthesis. As a feature of the compound represented by the general formula (1), there is a bond between X 1 and M by X 2 in the same ligand, and these ligands form a chelate structure with M. . The constant q in this ligand is 0 or 1. When q = 0, the chelate ring becomes a five-membered ring, and the complex structure of the second electrolyte is stabilized. Therefore, in this case, the second electrolyte can be prevented from causing side reactions other than the formation of the coating.

3、R4は、それぞれが独立で、水素、C1〜C10のアルキル、C1〜C10のハロゲン化アルキル、C6〜C20のアリール、C6〜C20のハロゲン化アリールであり、これらのアルキル及びアリールはその構造中に置換基、ヘテロ原子を持ってもよく、またR3、R4が複数個存在する場合には、それぞれが結合して環を形成してもよい。 R 3 and R 4 are each independently hydrogen, C 1 to C 10 alkyl, C 1 to C 10 alkyl halide, C 6 to C 20 aryl, or C 6 to C 20 aryl halide. There, the alkyl and aryl substituents in their structures, may have a hetero atom, and if R 3, R 4 is plurally present, may each bind to other to form a ring .

また、上述した配位子の数に関係する定数m及びnは、中心のMの種類によって決まってくるものであるが、mは1〜4、nは0〜8である。好ましくはn=1〜8がよい。
また、上述のR1、R2、R3、R4において、C1〜C10は炭素数が1〜10であることを示し、C6〜C20は炭素数が6〜20であることを示す。
The constants m and n related to the number of ligands described above are determined by the type of M at the center, and m is 1 to 4 and n is 0 to 8. Preferably n = 1-8.
It in R 1, R 2, R 3 , R 4 described above, C 1 -C 10 indicates 1 to 10 carbon atoms, C 6 -C 20 is 6 to 20 carbon atoms Indicates.

上記一般式(1)で表される上記第2電解質としては、下記の式(2)〜(5)で表される少なくとも1種の化合物を用いることが好ましい(請求項5)。

Figure 2009021102
Figure 2009021102
Figure 2009021102
Figure 2009021102
As the second electrolyte represented by the general formula (1), it is preferable to use at least one compound represented by the following formulas (2) to (5) (Claim 5).
Figure 2009021102
Figure 2009021102
Figure 2009021102
Figure 2009021102

上記式(2)〜式(5)で表される化合物は、比較的容易に合成することができる。また、上記式(2)〜式(5)で表される化合物を上記第2電解質として用いることにより、上記リチウムイオン二次電池は、容量維持率の低下及び内部抵抗の増加に対する上述の抑制効果をより顕著に発揮することができる。より好ましくは、上記第2電解質は、式(3)〜(5)のように、一般式(1)における元素MとしてPを含有する化合物であることが好ましい。   The compounds represented by the above formulas (2) to (5) can be synthesized relatively easily. In addition, by using the compounds represented by the above formulas (2) to (5) as the second electrolyte, the lithium ion secondary battery has the above-described suppressing effect on the decrease in capacity retention rate and the increase in internal resistance. Can be exhibited more remarkably. More preferably, the second electrolyte is a compound containing P as the element M in the general formula (1) as in the formulas (3) to (5).

特に好ましくは、上記第2電解質は、上記式(4)で表される化合物を用いることがよい(請求項6)。
上記式(4)で表される化合物においては、構造中のキレートリングが対象に配置されているため、錯体構造が安定化する。そのためこの場合には、上記リチウムイオン二次電池の充放電効率及び容量維持率をより向上させることができる。
Particularly preferably, the second electrolyte is a compound represented by the above formula (4).
In the compound represented by the above formula (4), since the chelate ring in the structure is arranged as a target, the complex structure is stabilized. Therefore, in this case, the charge / discharge efficiency and capacity retention rate of the lithium ion secondary battery can be further improved.

また、上記第2電解質の合成方法としては、例えば上記式(2)に示した化合物の場合には、非水溶媒中でLiBF4と2倍モルのリチウムアルコキシドを反応させた後、シュウ酸を添加して、ホウ素に結合しているアルコキシドをシュウ酸で置換する方法等がある。 In addition, as a method for synthesizing the second electrolyte, for example, in the case of the compound represented by the above formula (2), after reacting LiBF 4 and 2 moles of lithium alkoxide in a non-aqueous solvent, oxalic acid is used. There is a method of adding and replacing alkoxide bonded to boron with oxalic acid.

上記非水電解液中には、上記第1電解質と上記第2電解質とが、モル比で、第1電解質:第2電解質=98〜20:2〜80となるように添加されていることが好ましい(請求項7)。
上記第1電解質に対する上記第2電解質のモル比が2未満の場合、又は上記第2電解質に対する上記第1電解質のモル比が98を越える場合には、高温条件下で充放電を繰り返し行ったときに、上記リチウムイオン二次電池の容量が低下し易くなるおそれがある。一方、上記第1電解質に対する上記第2電解質のモル比が80を越える場合、又は上記第2電解質に対する上記第1電解質のモル比が20未満の場合には、リチウムイオン二次電池の初期出力が低下するおそれがある。より好ましくは、上記第1電解質が上記電解質の主成分であり、上記第2電解質が副成分であることが好ましい。さらに好ましくは、第1電解質:第2電解質=97〜80:3〜20がよい。
In the non-aqueous electrolyte, the first electrolyte and the second electrolyte may be added in a molar ratio such that the first electrolyte: second electrolyte = 98-20: 2-80. Preferred (claim 7).
When the molar ratio of the second electrolyte to the first electrolyte is less than 2 or when the molar ratio of the first electrolyte to the second electrolyte exceeds 98, when charge and discharge are repeated under high temperature conditions In addition, the capacity of the lithium ion secondary battery may be easily reduced. On the other hand, when the molar ratio of the second electrolyte to the first electrolyte exceeds 80, or when the molar ratio of the first electrolyte to the second electrolyte is less than 20, the initial output of the lithium ion secondary battery is May decrease. More preferably, the first electrolyte is a main component of the electrolyte, and the second electrolyte is a subcomponent. More preferably, 1st electrolyte: 2nd electrolyte = 97-80: 3-20 is good.

また、上記リチウムイオン二次電池の形状としては、例えばシート状の電極(正極及び負極)及びセパレータをスパイラル状にした円筒型、ペレット電極及びセパレータを組み合わせたインサイドアウト構造の円筒型、ペレット電極及びセパレータを積層したコイン型等がある。   In addition, as the shape of the lithium ion secondary battery, for example, a cylindrical electrode having a sheet-like electrode (positive electrode and negative electrode) and a spiral spiral separator, a cylindrical electrode having an inside-out structure in which a pellet electrode and a separator are combined, a pellet electrode, There are coin types with separators.

(実施例1)
次に、本発明の実施例につき、図1を用いて説明する。
本例においては、負極活物質の種類、第2電解質の種類等が異なる7種類のリチウムイオン二次電池(電池E1〜電池E7)を作製し、その特性の評価を行う。
Example 1
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In this example, seven types of lithium ion secondary batteries (battery E1 to battery E7) having different types of negative electrode active materials, second electrolytes, and the like are manufactured, and their characteristics are evaluated.

図1に示すごとく、本例のリチウムイオン二次電池1は、正極2及び負極3を捲回してなるロール状電極体7を有し、このロール状電極体7を電池ケース6としての18650型円筒ケースに挿入してなる円筒型の電池である。ロール状電極体7において、正極2と負極3との間にはセパレータ4が狭装されており、セパレータ4は正極2と負極3との間に狭装された状態で捲回されている。また、電池ケース6内には、非水電解液が注入されている。   As shown in FIG. 1, the lithium ion secondary battery 1 of this example has a roll electrode body 7 formed by winding a positive electrode 2 and a negative electrode 3, and the roll electrode body 7 is a 18650 type as a battery case 6. It is a cylindrical battery inserted into a cylindrical case. In the rolled electrode body 7, a separator 4 is sandwiched between the positive electrode 2 and the negative electrode 3, and the separator 4 is wound in a state of being sandwiched between the positive electrode 2 and the negative electrode 3. In addition, a non-aqueous electrolyte is injected into the battery case 6.

本例のリチウムイオン二次電池1において、正極2は、正極活物質として、ニッケル酸リチウム(リチウムニッケル複合酸化物)を含有する。
また、本例のリチウムイオン二次電池(電池E1〜電池E7)1において、負極3は、負極活物質として、CoO(平均粒径1.0μm)、Co34(平均粒径1.0μm)、又はCu2O(平均粒径1.0μm)からなる金属酸化物ナノ微粒子を含有する。
また、リチウムイオン二次電池(電池E1〜電池E7)において、非水電解液は、非水溶媒として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒を含有し、電解質として、LiPF6からなる第1電解質と、下記の式(3)〜式(5)のいずれか一種の第2電解質を含有している。

Figure 2009021102
Figure 2009021102
Figure 2009021102
In the lithium ion secondary battery 1 of this example, the positive electrode 2 contains lithium nickelate (lithium nickel composite oxide) as a positive electrode active material.
Further, in the lithium ion secondary battery (battery E1 to battery E7) 1 of this example, the negative electrode 3 has CoO (average particle diameter of 1.0 μm), Co 3 O 4 (average particle diameter of 1.0 μm) as the negative electrode active material. Or metal oxide nanoparticles comprising Cu 2 O (average particle size 1.0 μm).
In the lithium ion secondary batteries (battery E1 to battery E7), the non-aqueous electrolyte contains a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate as the non-aqueous solvent, and the first electrolyte made of LiPF 6 as the electrolyte. And a second electrolyte of any one of the following formulas (3) to (5).
Figure 2009021102
Figure 2009021102
Figure 2009021102

本例のリチウムイオン二次電池(電池E1)1の製造方法につき、説明する。
まず、正極活物質として、ニッケル酸リチウムを準備し、この正極活物質85重量部と、導電剤としてのカーボンブラック10重量部と、結着材としてのポリフッ化ビニリデン5重量部とを混合した。この混合物に、分散剤としてのN−メチル−2−ピロリドンを適量添加し、分散剤に混合物を分散させてスラリー状の正極合材を作製した。
The manufacturing method of the lithium ion secondary battery (battery E1) 1 of this example will be described.
First, lithium nickelate was prepared as a positive electrode active material, and 85 parts by weight of the positive electrode active material, 10 parts by weight of carbon black as a conductive agent, and 5 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder were mixed. An appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone as a dispersant was added to this mixture, and the mixture was dispersed in the dispersant to produce a slurry-like positive electrode mixture.

この正極合材を厚み20μmのアルミニウム箔集電体の両面に、均一に塗布し、加熱乾燥させた。その後、ロールプレスで高密度化し、シート状の正極を作製した。上記のようにして作製したシート状の正極を、幅52mm×長さ450mmのサイズに切り出し、ロール状電極体7用の正極2とした(図1参照)。   This positive electrode mixture was uniformly applied to both sides of an aluminum foil current collector having a thickness of 20 μm and dried by heating. Then, it densified with the roll press and produced the sheet-like positive electrode. The sheet-like positive electrode produced as described above was cut into a size of 52 mm in width and 450 mm in length to obtain a positive electrode 2 for the roll-shaped electrode body 7 (see FIG. 1).

次に、負極活物質として、CoOからなる金属酸化物ナノ微粒子(平均粒径1μm)を準備した。この負極活物質85重量部と、導電剤としてのカーボンブラック10重量部と、結着材としてのポリフッ化ビニリデン5重量部とを混合し、分散剤としてのN−メチル−2−ピロリドンを適量添加し、分散させてスラリー状の負極合材を作製した。この負極合材を厚み10μmの銅箔集電体の両面に均一に塗布し、加熱乾燥させた。その後、ロールプレスで高密度化し、幅54mm×長さ500mmの大きさに切り出し、シート状の負極3を作製した。   Next, metal oxide nanoparticles (average particle size 1 μm) made of CoO were prepared as the negative electrode active material. 85 parts by weight of the negative electrode active material, 10 parts by weight of carbon black as a conductive agent, and 5 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder are mixed, and an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone as a dispersant is added. And dispersed to prepare a slurry-like negative electrode mixture. This negative electrode mixture was uniformly applied to both surfaces of a 10 μm thick copper foil current collector and dried by heating. Then, it densified with the roll press and cut out to the magnitude | size of width 54mm x length 500mm, and produced the sheet-like negative electrode 3. FIG.

次に、以下のようにして、上記非水電解液を準備した。
即ち、まずエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを3:7の体積比で混合してなる有機溶媒に、第1電解質としてのLiPF6を濃度1mol/Lとなるように加えて第1電解質溶液を作製した。また、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを3:7の体積比で混合してなる有機溶媒に、上記の式(4)で表される化合物(LiPF2(C24)2)を濃度1mol/Lとなるように加えて第2電解質溶液を作製した。
次いで、上記第1電解質溶液と上記第2電解質溶液とを混合し、非水電解液を作製した。このとき、第1電解質と第2電解質とがそれぞれ95:5(モル比)となるように混合した。
Next, the non-aqueous electrolyte was prepared as follows.
That is, first, LiPF 6 as the first electrolyte is added to an organic solvent obtained by mixing ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) at a volume ratio of 3: 7 so that the concentration becomes 1 mol / L. One electrolyte solution was prepared. In addition, an organic solvent obtained by mixing ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) at a volume ratio of 3: 7 is mixed with a compound represented by the above formula (4) (LiPF 2 (C 2 O 4 )). 2 ) was added to a concentration of 1 mol / L to prepare a second electrolyte solution.
Next, the first electrolyte solution and the second electrolyte solution were mixed to prepare a non-aqueous electrolyte. At this time, the 1st electrolyte and the 2nd electrolyte were mixed so that it might become 95: 5 (molar ratio), respectively.

次に、図1に示すごとく、上記のようにして得られたシート状の正極2及び負極3にそれぞれ正極集電リード28及び負極集電リード38を熔接した。
これらの正極2及び負極3の間に、幅56mm、厚さ25μmのポリエチレン製のセパレータ4を挟み、正極2、負極3、及びセパレータ4を捲回し、スパイラル状のロール電極体7を作製した。
Next, as shown in FIG. 1, a positive electrode current collecting lead 28 and a negative electrode current collecting lead 38 were welded to the sheet-like positive electrode 2 and negative electrode 3 obtained as described above, respectively.
A polyethylene-made separator 4 having a width of 56 mm and a thickness of 25 μm was sandwiched between the positive electrode 2 and the negative electrode 3, and the positive electrode 2, the negative electrode 3, and the separator 4 were wound to produce a spiral roll electrode body 7.

続いて、このロール電極体7を、外装缶62及びキャップ61よりなる18650型の円筒形状の電池ケース6に挿入した。このとき、電池ケース6のキャップ61側に配置した正極集電タブ285に、正極集電リード28を熔接により接続すると共に、外装缶62の底に配置した負極集電タブ385に負極集電リード38を熔接により接続した。   Subsequently, the roll electrode body 7 was inserted into an 18650-type cylindrical battery case 6 including an outer can 62 and a cap 61. At this time, the positive electrode current collecting lead 28 is connected to the positive electrode current collecting tab 285 disposed on the cap 61 side of the battery case 6 by welding, and the negative electrode current collecting lead 385 is disposed on the negative electrode current collecting tab 385 disposed on the bottom of the outer can 62. 38 were connected by welding.

次に、非水電解液を電池ケース6内に含浸させた。そして、キャップ61の内側にガスケット5を配置すると共に、このキャップ61を外装缶62の開口部に配置した。続いて、キャップ61にかしめ加工を施すことにより電池ケース6を密閉し、円筒型のリチウムイオン二次電池1を作製した。これを電池E1とする。   Next, the battery case 6 was impregnated with a nonaqueous electrolytic solution. The gasket 5 was disposed inside the cap 61, and the cap 61 was disposed in the opening of the outer can 62. Subsequently, the battery case 6 was hermetically sealed by caulking the cap 61, and the cylindrical lithium ion secondary battery 1 was produced. This is referred to as a battery E1.

また、本例においては、電池E1とは負極活物質の種類、第2電解質の種類の異なるリチウムイオン二次電池(電池E2〜電池E7)を作製した。
電池E2及び電池E3は、上記電池E1とは異なる第2電解質を用いて作製したリチウムイオン二次電池である。
即ち、電池E2は、第2電解質として、上記式(3)で表される化合物(LiPF4(C24))を用いた点を除いては上記電池E1と同様にして作製した。
電池E3は、第2電解質として上記式(5)で表される化合物(LiP(C24)3)を用いた点を除いては上記電池E1と同様にして作製した。
Further, in this example, lithium ion secondary batteries (battery E2 to battery E7) that are different from the battery E1 in the type of the negative electrode active material and the type of the second electrolyte were produced.
The battery E2 and the battery E3 are lithium ion secondary batteries manufactured using a second electrolyte different from the battery E1.
That is, the battery E2 was produced in the same manner as the battery E1 except that the compound (LiPF 4 (C 2 O 4 )) represented by the above formula (3) was used as the second electrolyte.
The battery E3 was produced in the same manner as the battery E1, except that the compound (LiP (C 2 O 4 ) 3 ) represented by the above formula (5) was used as the second electrolyte.

電池E4は、上記電池E1とは異なる負極活物質(Co34)を用いて作製したリチウムイオン二次電池である。電池E4は、負極活物質として、Co34からなる平均粒径1.0μmの金属酸化物ナノ微粒子を用いた点を除いては、上記電池E1と同様にして作製した。
また、電池E5は、上記電池E1とは異なる負極活物質(Co34)及び第2電解質(LiP(C24)3)を用いて作製したリチウムイオン二次電池である。電池E5は、負極活物質としてCo34からなる平均粒径1.0μmの金属酸化物ナノ微粒子を用い、第2電解質として(LiP(C24)3)を用いた点を除いては上記電池E1と同様に作製した。
The battery E4 is a lithium ion secondary battery manufactured using a negative electrode active material (Co 3 O 4 ) different from the battery E1. Battery E4 was produced in the same manner as Battery E1, except that metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 1.0 μm made of Co 3 O 4 were used as the negative electrode active material.
The battery E5 is the above battery E1 is a lithium ion secondary battery manufactured using the different negative electrode active material (Co 3 O 4) and the second electrolyte (LiP (C 2 O 4) 3). Battery E5 uses metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 1.0 μm made of Co 3 O 4 as the negative electrode active material and (LiP (C 2 O 4 ) 3 ) as the second electrolyte. Was prepared in the same manner as the battery E1.

電池E6は、上記電池E1とは異なる負極活物質(Cu2O)を用いて作製したリチウムイオン二次電池である。電池E6は、負極活物質として、Cu2Oからなる平均粒径1.0μmの金属酸化物ナノ微粒子を用いた点を除いては、上記電池E1と同様にして作製した。
電池E7は、上記電池E1とは異なる負極活物質(Cu2O)及び第2電解質(LiP(C24)3)を用いて作製したリチウムイオン二次電池である。電池E7は、負極活物質として、Cu2Oからなる平均粒径1.0μmの金属酸化物ナノ微粒子を用い、第2電解質としてLiP(C24)3を用いた点を除いては上記電池E1と同様に作製した。
The battery E6 is a lithium ion secondary battery manufactured using a negative electrode active material (Cu 2 O) different from the battery E1. Battery E6 was produced in the same manner as Battery E1, except that metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 1.0 μm made of Cu 2 O were used as the negative electrode active material.
The battery E7 is a lithium ion secondary battery manufactured using a negative electrode active material (Cu 2 O) and a second electrolyte (LiP (C 2 O 4 ) 3 ) different from the battery E1. Battery E7 described above except that metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 1.0 μm made of Cu 2 O were used as the negative electrode active material, and LiP (C 2 O 4 ) 3 was used as the second electrolyte. It was produced in the same manner as the battery E1.

また、本例においては、上記電池E1〜電池E7の優れた特性を明らかにするために、比較用のリチウムイオン二次電池(電池C1〜電池C8)を作製した。
電池C1は、第2電解質を含有しておらず、電池E1〜電池E3と同様の負極活物質を用いたリチウムイオン二次電池である。具体的には、電池C1は、負極活物質として、CoOからなる金属酸化物ナノ微粒子(平均粒径1.0μm)を用い、上記第1電解質溶液、即ち、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを3:7の体積比で混合した有機溶媒にLiPF6を濃度1mol/Lとなるように加えて作製した溶液を非水電解液として用いたリチウムイオン二次電池である。電池C1は、上記非水電解液として上記第1電解質溶液を用いた点を除いては、上記電池E1と同様にして作製した。
In this example, in order to clarify the excellent characteristics of the batteries E1 to E7, comparative lithium ion secondary batteries (batteries C1 to C8) were produced.
The battery C1 is a lithium ion secondary battery that does not contain the second electrolyte and uses the same negative electrode active material as the batteries E1 to E3. Specifically, the battery C1 uses metal oxide nanoparticles (average particle diameter: 1.0 μm) made of CoO as a negative electrode active material, and the first electrolyte solution, that is, ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate ( DEC) is a lithium ion secondary battery using a solution prepared by adding LiPF 6 at a concentration of 1 mol / L to an organic solvent mixed with a volume ratio of 3: 7 as a non-aqueous electrolyte. Battery C1 was produced in the same manner as Battery E1, except that the first electrolyte solution was used as the non-aqueous electrolyte.

電池C2は、第2電解質を含有しておらず、上記電池E4及び電池E5と同様の負極活物質を用いたリチウムイオン二次電池である。具体的には、電池C2は、負極活物質としてCo34からなる金属酸化物ナノ微粒子(平均粒径1.0μm)を用い、上記第1電解質溶液、即ち、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを3:7の体積比で混合した有機溶媒にLiPF6を濃度1mol/Lとなるように加えて作製した溶液を非水電解液として用いたリチウムイオン二次電池である。電池C2は、上記非水電解液として上記第1電解質溶液を用い、さらに負極活物質としてCo34からなる金属酸化物ナノ微粒子を用いた点を除いては、上記電池E1と同様にして作製した。 The battery C2 is a lithium ion secondary battery that does not contain the second electrolyte and uses the same negative electrode active material as the batteries E4 and E5. Specifically, the battery C2 uses metal oxide nanoparticles (average particle size: 1.0 μm) made of Co 3 O 4 as a negative electrode active material, and the first electrolyte solution, that is, ethylene carbonate (EC) and diethyl. A lithium ion secondary battery using a solution prepared by adding LiPF 6 at a concentration of 1 mol / L to an organic solvent mixed with carbonate (DEC) at a volume ratio of 3: 7, as a non-aqueous electrolyte. The battery C2 was the same as the battery E1 except that the first electrolyte solution was used as the non-aqueous electrolyte and metal oxide nanoparticles made of Co 3 O 4 were used as the negative electrode active material. Produced.

電池C3は、第2電解質を含有しておらず、上記電池E6及び電池E7と同様の負極活物質を用いたリチウムイオン二次電池である。具体的には、電池C3は、負極活物質として、Cu2Oからなる金属酸化物ナノ微粒子(平均粒径1.0μm)を用い、上記第1電解質溶液、即ち、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを3:7の体積比で混合した有機溶媒にLiPF6を濃度1mol/Lとなるように加えて作製した溶液を非水電解液として用いたリチウムイオン二次電池である。電池C3は、上記非水電解液として上記第1電解質溶液を用い、さらに負極活物質としてCu2Oからなる金属酸化物ナノ微粒子を用いた点を除いては、上記電池E1と同様にして作製した。 The battery C3 is a lithium ion secondary battery that does not contain the second electrolyte and uses the same negative electrode active material as the batteries E6 and E7. Specifically, the battery C3 uses metal oxide nanoparticles (average particle size: 1.0 μm) made of Cu 2 O as the negative electrode active material, and the first electrolyte solution, that is, ethylene carbonate (EC) and diethyl. A lithium ion secondary battery using a solution prepared by adding LiPF 6 at a concentration of 1 mol / L to an organic solvent mixed with carbonate (DEC) at a volume ratio of 3: 7, as a non-aqueous electrolyte. The battery C3 was prepared in the same manner as the battery E1, except that the first electrolyte solution was used as the non-aqueous electrolyte and metal oxide nanoparticles made of Cu 2 O were used as the negative electrode active material. did.

また、電池C4は、非水電解液中に第2電解質を含有しておらず、負極活物質として黒鉛を用いたリチウムイオン二次電池である。具体的には、電池C4は、負極活物質として、黒鉛を用い、上記非水電解液として、上記第1電解質溶液、即ち、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを3:7の体積比で混合した有機溶媒にLiPF6を濃度1mol/Lとなるように加えて作製した溶液を用いたリチウムイオン二次電池である。電池C4は、上記非水電解液として上記第1電解質溶液を用い、さらに負極活物質として黒鉛を用いた点を除いては、上記電池E1と同様にして作製した。 Battery C4 is a lithium ion secondary battery that does not contain the second electrolyte in the non-aqueous electrolyte and uses graphite as the negative electrode active material. Specifically, the battery C4 uses graphite as the negative electrode active material, and the first electrolyte solution, that is, ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC), as the non-aqueous electrolyte, is 3: 7. This is a lithium ion secondary battery using a solution prepared by adding LiPF 6 to an organic solvent mixed at a volume ratio to a concentration of 1 mol / L. Battery C4 was produced in the same manner as Battery E1, except that the first electrolyte solution was used as the non-aqueous electrolyte and graphite was used as the negative electrode active material.

電池C5は、負極活物質として黒鉛を含有し、上記非水電解液として上記電池E1、電池E4、及び電池E6と同様の電解液を含有するリチウムイオン二次電池である。電池C5は、負極活物質として黒鉛を用いた点を除いては、上記電池E1と同様にして作製した。   The battery C5 is a lithium ion secondary battery containing graphite as a negative electrode active material and containing the same electrolyte solution as the battery E1, the battery E4, and the battery E6 as the non-aqueous electrolyte. Battery C5 was produced in the same manner as Battery E1, except that graphite was used as the negative electrode active material.

電池C6は、負極活物質として、CoOからなる平均粒径20μmの金属酸化物ナノ微粒子を用いたリチウムイオン二次電池である。電池C6は、負極活物質として、CoOからなる平均粒径20μmの金属酸化物ナノ微粒子を用いた点を除いては、上記電池E1と同様にして作製した。
電池C7は、負極活物質として、Co34からなる平均粒径30μmの金属酸化物ナノ微粒子を用いたリチウムイオン二次電池である。電池C7は、負極活物質として、Co34からなる平均粒径30μmの金属酸化物ナノ微粒子を用いた点を除いては、上記電池E1と同様にして作製した。
電池C8は、負極活物質として、Cu2Oからなる平均粒径50μmの金属酸化物ナノ微粒子を用いたリチウムイオン二次電池である。電池C8は、負極活物質として、Cu2Oからなる平均粒径50μmの金属酸化物ナノ微粒子を用いた点を除いては、上記電池E1と同様にして作製した。
The battery C6 is a lithium ion secondary battery using metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 20 μm made of CoO as a negative electrode active material. Battery C6 was produced in the same manner as Battery E1, except that metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 20 μm made of CoO were used as the negative electrode active material.
The battery C7 is a lithium ion secondary battery using metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 30 μm made of Co 3 O 4 as a negative electrode active material. Battery C7 was produced in the same manner as Battery E1, except that metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 30 μm made of Co 3 O 4 were used as the negative electrode active material.
The battery C8 is a lithium ion secondary battery using metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 50 μm made of Cu 2 O as a negative electrode active material. Battery C8 was produced in the same manner as Battery E1, except that metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 50 μm made of Cu 2 O were used as the negative electrode active material.

次に、上記のようにして作製した15種類のリチウムイオン二次電池(電池E1〜電池E7及び電池C1〜電池C8)について、下記の充放電サイクル試験を行って、試験前後の容量維持率及び抵抗増加率を調べた。
「充放電サイクル試験」
電池の実使用温度範囲の上限と目される60℃の温度条件下で、各電池(電池E1〜電池E7及び電池C1〜電池C8)を、電流密度2mA/cm2の定電流で、充電上限電圧4.1Vまで充電し、次いで電流密度2mA/cm2の定電流で放電下限電圧1.0Vまで放電を行う充放電を1サイクルとし、このサイクルを合計500サイクル行った。
Next, for the 15 types of lithium ion secondary batteries (battery E1 to battery E7 and battery C1 to battery C8) produced as described above, the following charge / discharge cycle test was performed, and the capacity maintenance rate before and after the test and The resistance increase rate was examined.
"Charge / discharge cycle test"
Each battery (battery E1-battery E7 and battery C1-battery C8) is charged at a constant current density of 2 mA / cm 2 under a temperature condition of 60 ° C., which is considered to be the upper limit of the actual use temperature range of the battery. was charged to a voltage 4.1 V, then charged and discharged for performing discharge at a constant current of current density of 2 mA / cm 2 to a discharge lower limit voltage 1.0V as one cycle was performed the cycle a total of 500 cycles.

「容量維持率」
充放電サイクル試験前後に、各電池の放電電流値(mA)を測定し、この放電電流値に放電に要した時間(hr)を乗じて得られた値を、電池内の正極活物質の重量(g)で除することにより放電容量を算出した。そして、充放電サイクル試験前の放電容量を容量A(初期放電容量)、充放電サイクル試験後の放電容量を容量Bとしたとき、容量維持率(%)=容量B/容量A×100という式に基づいて、容量維持率を算出した。その結果を表1に示す。
"Capacity maintenance rate"
Before and after the charge / discharge cycle test, the discharge current value (mA) of each battery was measured, and the value obtained by multiplying this discharge current value by the time (hr) required for discharge was calculated as the weight of the positive electrode active material in the battery. The discharge capacity was calculated by dividing by (g). When the discharge capacity before the charge / discharge cycle test is capacity A (initial discharge capacity) and the discharge capacity after the charge / discharge cycle test is capacity B, capacity retention rate (%) = capacity B / capacity A × 100 Based on the above, the capacity maintenance rate was calculated. The results are shown in Table 1.

「抵抗増加率」
各電池を20℃の温度条件で電池容量の50%(SOC=50%)に調整し、0.5A、1A、2A、3A、5Aの電流を流して10秒後の電池電圧を測定した。流した電流と電圧とを直線近似し、その傾きからIV抵抗(電池の内部抵抗)を求めた。
抵抗上昇率は、充放電試験後のIV抵抗を抵抗B、充放電試験前のIV抵抗を抵抗A(初期IV抵抗)とすると、抵抗上昇率(%)=(抵抗B−抵抗A)×100/抵抗Aとう式に基づいて、算出した。その結果を表1に示す。
"Resistance increase rate"
Each battery was adjusted to 50% (SOC = 50%) of the battery capacity under a temperature condition of 20 ° C., and a battery voltage after 10 seconds was measured by flowing a current of 0.5A, 1A, 2A, 3A, and 5A. The flowing current and voltage were linearly approximated, and the IV resistance (battery internal resistance) was determined from the slope.
The rate of increase in resistance is: resistance B (%) = (resistance B−resistance A) × 100, where resistance B is the IV resistance after the charge / discharge test and resistance A (initial IV resistance) is the IV resistance before the charge / discharge test. / Calculated based on the resistance A equation. The results are shown in Table 1.

Figure 2009021102
Figure 2009021102

表1において、電池E1〜電池E3と電池C1、電池E4及び電池E5と電池C2、電池E6及び電池E7と電池C3とをそれぞれ比較して知られるごとく、負極活物質として各種金属酸化物ナノ微粒子を用いた場合において、非水電解液中に、第1電解質(LiPF6)の他に第2電解質を添加することにより、容量維持率を向上させる共に抵抗増加率を抑制することができる。
また、電池C4及び電池C5の結果から知られるごとく、負極活物質として黒鉛を用いた場合においても、第2電解質を用いることによって容量維持率を向上させ、抵抗増加率を抑制することはできる。しかし、負極活物質に金属酸化物ナノ微粒子を用いた場合(電池E1〜電池E7)には、黒鉛を用いた場合に比べて(電池C5)、第2電解質による容量維持率の向上効果及び抵抗増加率の抑制効果が顕著に増大していた(表1参照)。
In Table 1, as is known by comparing the batteries E1 to E3 and the battery C1, the battery E4 and the battery E5 and the battery C2, the battery E6 and the batteries E7 and the battery C3, various metal oxide nanoparticles as the negative electrode active material. In this case, by adding the second electrolyte in addition to the first electrolyte (LiPF 6 ) in the non-aqueous electrolyte, it is possible to improve the capacity retention rate and suppress the resistance increase rate.
Further, as known from the results of the batteries C4 and C5, even when graphite is used as the negative electrode active material, the capacity retention rate can be improved and the resistance increase rate can be suppressed by using the second electrolyte. However, when the metal oxide nanoparticle is used as the negative electrode active material (battery E1 to battery E7), the capacity retention rate improvement effect and resistance by the second electrolyte are higher than when graphite is used (battery C5). The suppression effect of the increase rate was remarkably increased (see Table 1).

また、表1より知られるごとく、負極活物質として、平均粒径が1μmを超える金属酸化物粒子を用いたリチウムイオン二次電池(電池C6〜電池C8)においては、平均粒径1μm以下の金属酸化物粒子を用いたリチウムイオン二次電池(電池E1〜電池E7)に比べて、初期放電容量及び容量維持率が著しく低下しており、さらに抵抗増加率も大きく増大していた。
よって、リチウムイオン二次電池においては、平均粒径1μm以下の金属酸化物ナノ微粒子を負極活物質として用い、かつ電解質として第1電解質と第2電解質とを併用することによる相乗効果により、上記リチウムイオン二次電池の容量維持率を格段に向上させると共に、抵抗増加率を顕著に抑制できることがわかる。
Further, as is known from Table 1, in lithium ion secondary batteries (batteries C6 to C8) using metal oxide particles having an average particle size exceeding 1 μm as the negative electrode active material, a metal having an average particle size of 1 μm or less. Compared to lithium ion secondary batteries (battery E1 to battery E7) using oxide particles, the initial discharge capacity and capacity retention rate were significantly reduced, and the resistance increase rate was also greatly increased.
Therefore, in the lithium ion secondary battery, the lithium oxide secondary battery uses a metal oxide nanoparticle having an average particle size of 1 μm or less as a negative electrode active material, and the lithium ion secondary battery has a synergistic effect due to the combined use of the first electrolyte and the second electrolyte. It can be seen that the capacity maintenance rate of the ion secondary battery can be remarkably improved and the resistance increase rate can be remarkably suppressed.

また、本例においては明確に示していないが、負極活物質として2種類以上の物質を用いる場合には、その内の少なくとも1種に上記金属酸化物ナノ微粒子を用いれば、添加効果はよりも小さくなる可能性はあるものの、本例と同様の効果が得られると考えられる。   Further, although not clearly shown in this example, when two or more kinds of materials are used as the negative electrode active material, if the metal oxide nanoparticles are used as at least one of them, the effect of addition is more than Although it may be reduced, it is considered that the same effect as this example can be obtained.

以上のように、本例によれば、例えば60℃程度の高温環境下にて充放電を繰り返し行ったときにおける容量の低下及び内部抵抗の増加を抑制することができるリチウムイオン二次電池(電池E1〜電池E7)を提供することができる。   As described above, according to this example, for example, a lithium ion secondary battery (battery) that can suppress a decrease in capacity and an increase in internal resistance when charging and discharging are repeatedly performed in a high temperature environment of about 60 ° C. E1-battery E7) can be provided.

実施例1にかかる、リチウムイオン二次電池の構成を示す説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Explanatory drawing which shows the structure of the lithium ion secondary battery concerning Example 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 リチウムイオン二次電池
2 正極
3 負極
4 セパレータ
6 電池ケース
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lithium ion secondary battery 2 Positive electrode 3 Negative electrode 4 Separator 6 Battery case

Claims (7)

正極と、負極と、非水溶媒中に電解質を溶解してなる非水電解液とを少なくとも備えたリチウムイオン二次電池において、
上記非水電解液は、上記電解質として、フッ素を含有するリチウム塩からなる第1電解質と、下記の一般式(1)で表される第2電解質とを含有し、
上記正極は、正極活物質として、リチウム遷移金属複合酸化物を含有し、
上記負極は、負極活物質として、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Nb、Pb、又はWから選ばれる金属元素の酸化物からなる金属酸化物ナノ微粒子を含有し、
充放電を行う前の上記リチウムイオン二次電池において、上記金属酸化物ナノ微粒子の平均粒径は0.1μm〜1μmであることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
Figure 2009021102
{但し、Mは、遷移金属、周期律表のIII族、IV族、又はV族元素、Aa+は、金属イオン、プロトン、又はオニウムイオン、aは1〜3、bは1〜3、pはb/a、mは1〜4、nは0〜8、qは0又は1をそれぞれ表し、R1は、C1〜C10のアルキレン、C1〜C10のハロゲン化アルキレン、C6〜C20のアリーレン、又はC6〜C20のハロゲン化アリーレン(これらのアルキレン及びアリーレンはその構造中に置換基、ヘテロ原子を持ってもよく、またm個存在するR1はそれぞれが結合してもよい。)、R2は、ハロゲン、C1〜C10のアルキル、C1〜C10のハロゲン化アルキル、C6〜C20のアリール、C6〜C20のハロゲン化アリール、又はX33(これらのアルキル及びアリールはその構造中に置換基、ヘテロ原子を持ってもよく、またn個存在するR2はそれぞれが結合して環を形成してもよい。)、X1、X2、X3は、O、S、又はNR4、R3、R4は、それぞれが独立で、水素、C1〜C10のアルキル、C1〜C10のハロゲン化アルキル、C6〜C20のアリール、C6〜C20のハロゲン化アリールをそれぞれ示す(これらのアルキル及びアリールはその構造中に置換基、ヘテロ原子を持ってもよく、また複数個存在するR3、R4はそれぞれが結合して環を形成してもよい。)。}
In a lithium ion secondary battery comprising at least a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte obtained by dissolving an electrolyte in a non-aqueous solvent,
The non-aqueous electrolyte contains, as the electrolyte, a first electrolyte made of a lithium salt containing fluorine, and a second electrolyte represented by the following general formula (1),
The positive electrode contains a lithium transition metal composite oxide as a positive electrode active material,
The negative electrode includes, as a negative electrode active material, metal oxide nanoparticles comprising a metal element oxide selected from Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Nb, Pb, or W Containing
In the lithium ion secondary battery before charge / discharge, the metal oxide nanoparticle has an average particle size of 0.1 μm to 1 μm.
Figure 2009021102
{However, M is a transition metal, Group III, IV, or V element of the periodic table, A a + is a metal ion, proton, or onium ion, a is 1 to 3, b is 1 to 3, p Is b / a, m is 1 to 4, n is 0 to 8, q is 0 or 1, R 1 is C 1 to C 10 alkylene, C 1 to C 10 alkylene halide, C 6 arylene -C 20, or C 6 -C 20 arylene halide (these alkylene and arylene substituent group in its structure, may have a hetero atom, and R 1 binds each of the m exist and may be.), R 2 is halogen, C 1 -C alkyl 10, C 1 -C 10 halogenated alkyl, aryl C 6 -C 20, an aryl halide of C 6 -C 20, or X 3 R 3 (the alkyl and aryl substituents in their structures, even with a heteroatom And the n R 2 each may combine with each other to form a ring present.), X 1, X 2 , X 3 is O, S, or NR 4, R 3, R 4 are each Are independently hydrogen, C 1 -C 10 alkyl, C 1 -C 10 alkyl halide, C 6 -C 20 aryl, C 6 -C 20 aryl halide (these alkyl and aryl May have a substituent or a heteroatom in the structure, and a plurality of R 3 and R 4 may be bonded to each other to form a ring). }
請求項1において、上記金属酸化物ナノ微粒子は、TiO2、Ti23、VO2、V23、V25、Cr23、MnO、Mn23、Mn34、MnO2、FeO、Fe23、Fe34、CoO、Co34、NiO、Ni23、CuO、Cu2O、ZnO、MoO2、MoO3、NbO、Nb25、PbO、PbO2、Pb34、WO3、W25から選ばれる1種以上からなることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 In claim 1, the metal oxide nanoparticles is, TiO 2, Ti 2 O 3 , VO 2, V 2 O 3, V 2 O 5, Cr 2 O 3, MnO, Mn 2 O 3, Mn 3 O 4 , MnO 2, FeO, Fe 2 O 3, Fe 3 O 4, CoO, Co 3 O 4, NiO, Ni 2 O 3, CuO, Cu 2 O, ZnO, MoO 2, MoO 3, NbO, Nb 2 O 5 , PbO, PbO 2 , Pb 3 O 4 , WO 3 , W 2 O 5 請求項1又は2において、上記第1電解質は、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、及びLiSbF6から選ばれる少なくとも1種の上記リチウム塩からなることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 According to claim 1 or 2, the first electrolyte, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, and at least one lithium ion secondary battery, characterized by comprising the above lithium salt selected from LiSbF 6. 請求項1〜3のいずれか一項において、上記一般式(1)におけるAa+は、Li+、Na+、K+から選ばれる少なくとも一種であり、Mは、Al、B、V、Ti、Si、Zr、Ge、Sn、Cu、Y、Zn、Ga、Nb、Ta、Bi、P、As、Sc、Hf、またはSbのいずれかであることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 In any one of claims 1 to 3, A a + is in the above general formula (1), Li +, Na +, are at least one selected from K +, M is, Al, B, V, Ti , A lithium ion secondary battery, which is any one of Si, Zr, Ge, Sn, Cu, Y, Zn, Ga, Nb, Ta, Bi, P, As, Sc, Hf, or Sb. 請求項1〜4のいずれか一項において、上記一般式(1)で表される上記第2電解質としては、下記の式(2)〜(5)で表される少なくとも1種の化合物を用いることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
Figure 2009021102
Figure 2009021102
Figure 2009021102
Figure 2009021102
5. The at least one compound represented by the following formulas (2) to (5) is used as the second electrolyte represented by the general formula (1) according to claim 1. The lithium ion secondary battery characterized by the above-mentioned.
Figure 2009021102
Figure 2009021102
Figure 2009021102
Figure 2009021102
請求項5において、上記第2電解質としては、上記式(4)で表される化合物を用いることを特徴とするリチウムイオン二次電池。   6. The lithium ion secondary battery according to claim 5, wherein a compound represented by the formula (4) is used as the second electrolyte. 請求項1〜6のいずれか一項において、上記非水電解液中には、上記第1電解質と上記第2電解質とが、モル比で、第1電解質:第2電解質=98〜20:2〜80となるように添加されていることを特徴とするリチウムイオン二次電池。   7. The electrolyte according to claim 1, wherein the first electrolyte and the second electrolyte are in a molar ratio of the first electrolyte: second electrolyte = 98-20: 2 in the non-aqueous electrolyte. A lithium ion secondary battery, wherein the lithium ion secondary battery is added so as to be ˜80.
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