JP2010146808A - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は非水電解液二次電池に係り、特に、集電体にリチウムイオンを吸蔵放出可能な活物質を含む正極合材層が塗着された正極板と集電体にリチウムイオンを吸蔵放出可能な活物質を含む負極合材層が塗着された負極板とがセパレータを介して配置された電極群と、非水電解液と、電池容器とを備えた車載用の非水電解液二次電池に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery, and more particularly, to a positive electrode plate on which a positive electrode mixture layer containing an active material capable of occluding and releasing lithium ions is applied to a current collector and a current collector that stores lithium ions. A vehicle-mounted non-aqueous electrolyte comprising an electrode group in which a negative electrode plate coated with a negative electrode mixture layer containing a releasable active material is disposed via a separator, a non-aqueous electrolyte, and a battery container The present invention relates to a secondary battery.
非水電解液二次電池の中でも、リチウムイオンの吸蔵放出を利用したリチウムイオン二次電池は高エネルギー密度を有するため、VTRカメラやノート型パソコン、携帯電話などのポータブル機器の電源等の民生用として広く使用されている。一方、地球温暖化などの環境問題の顕在化により、自動車からの二酸化炭素排出量削減が求められており、二酸化炭素を排出しない電気エネルギーを動力とする電気自動車(EV)や、自動車の減速時に生じるエネルギーを回生し動力の一部として使用するハイブリッド自動車(HEV)や、家庭用電源を用いた電力での走行を可能とするプラグインハイブリッド自動車(PHEV)の開発が急ピッチで進められている。リチウムイオン二次電池は、EV、HEVおよびPHEVの車載用電源としても注目されている。 Among non-aqueous electrolyte secondary batteries, lithium ion secondary batteries that use the absorption and release of lithium ions have high energy density, so they are for consumer use such as power supplies for portable devices such as VTR cameras, notebook computers, and mobile phones. As widely used. On the other hand, due to the emergence of environmental problems such as global warming, reduction of carbon dioxide emissions from automobiles is required. Electric vehicles (EV) powered by electric energy that does not emit carbon dioxide, Development of a hybrid vehicle (HEV) that regenerates the generated energy and uses it as part of the power, and a plug-in hybrid vehicle (PHEV) that can be driven by electric power using a household power source is proceeding at a rapid pace. . Lithium ion secondary batteries are also attracting attention as in-vehicle power supplies for EV, HEV, and PHEV.
従来、リチウムイオン二次電池では、リチウムイオンを吸蔵放出可能な活物質を含む合材層が正負極集電体にそれぞれ塗着されている。合材層には活物質の他に、活物質の結着性や集電体および合材層間の結着性を向上させるためにバインダ(結着剤)が含有されている。一般に、バインダとしてポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFと略記する。)等が用いられている。また、正極活物質にはリチウム含有複酸化物が用いられており、負極活物質には天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛炭素材料や、難黒鉛化性炭素材料、易黒鉛化性炭素材料等の非黒鉛炭素材料が用いられている。負極活物質に黒鉛炭素材料を用いた場合は、高結晶性、高真密度のため、合材層の充填性が高くなり、また、非黒鉛炭素材料と比べて単位重量あたりの容量が大きい(不可逆容量が小さい)ため、リチウムイオン二次電池の高容量化を図ることができる。これに対し、非黒鉛炭素材料を用いた場合は、充放電時のリチウムイオンの拡散や吸蔵放出反応が起こりやすく、また、充放電に伴う結晶の体積変化が黒鉛炭素材料と比べて小さいため、高入出力特性、高サイクル特性のリチウムイオン二次電池を得ることができる。ところが、非黒鉛炭素材料は低結晶度、低真密度のため、合材層の充填性が低くなり、また、不可逆容量が大きいため、リチウムイオン二次電池の高容量化を図ることが難しくなる。 Conventionally, in a lithium ion secondary battery, a mixture layer containing an active material capable of occluding and releasing lithium ions is applied to the positive and negative electrode current collectors, respectively. In addition to the active material, the composite layer contains a binder (binder) in order to improve the binding property of the active material and the binding property between the current collector and the composite material layer. In general, polyvinylidene fluoride (hereinafter abbreviated as PVDF) or the like is used as a binder. In addition, lithium-containing composite oxides are used for the positive electrode active material, and for the negative electrode active material, graphite carbon materials such as natural graphite and artificial graphite, non-graphitizable carbon materials, graphitizable carbon materials, etc. Non-graphitic carbon material is used. When a graphite carbon material is used for the negative electrode active material, the filling property of the composite layer is high due to high crystallinity and high true density, and the capacity per unit weight is larger than that of the non-graphite carbon material ( Since the irreversible capacity is small, the capacity of the lithium ion secondary battery can be increased. On the other hand, when non-graphitic carbon material is used, lithium ion diffusion and occlusion / release reactions are likely to occur during charge / discharge, and the volume change of crystals accompanying charge / discharge is small compared to graphite carbon material, A lithium ion secondary battery having high input / output characteristics and high cycle characteristics can be obtained. However, non-graphitic carbon materials have low crystallinity and low true density, so the filling property of the composite layer is low, and the irreversible capacity is large, so it is difficult to increase the capacity of the lithium ion secondary battery. .
車載用リチウムイオン二次電池(例えば、容量3Ah以上)では、出力特性とともに、入力特性やサイクル特性が重要である。例えば、HEVでは発進時や加速時の動力アシストにモーターが使用されるため、電源として使用されるリチウムイオン二次電池には、短時間で大電流を放電可能な高出力特性が要求される。一方、HEVでは自動車の減速時に生じるエネルギーを回生して使用するため、短時間で生じた大電流を充電可能な高入力特性も要求される。これらの特性が負極活物質に依存するため、車載用リチウムイオン二次電池の負極活物質には、高入出力特性を有する非黒鉛炭素材料を用いることが好ましい。ところが、EVやPHEVでは定常走行時にもモーターが使用されるため、高容量のリチウムイオン二次電池が必要とされるが、上述したように負極活物質に非黒鉛炭素材料を用いると高容量化が難しくなる。非黒鉛炭素材料を用いたリチウムイオン二次電池の高容量化に関し、少なくとも難黒鉛化性炭素材料および昜黒鉛化性炭素材料の一方からなる非黒鉛炭素材料と、黒鉛炭素材料との共存体を負極活物質として用いる技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。また、民生用リチウムイオン二次電池(例えば、容量3Ah未満)では、バインダとしてPVDFの代わりにゴムバインダを用いる技術もある。ここでいうゴムバインダは、二重結合部位を有する1種類以上の単量体混合物を重合して得られるバインダである。 In an in-vehicle lithium ion secondary battery (for example, a capacity of 3 Ah or more), input characteristics and cycle characteristics are important as well as output characteristics. For example, in HEV, a motor is used for power assist when starting or accelerating. Therefore, a lithium ion secondary battery used as a power source is required to have high output characteristics capable of discharging a large current in a short time. On the other hand, since HEV regenerates and uses energy generated when a vehicle is decelerated, high input characteristics capable of charging a large current generated in a short time are also required. Since these characteristics depend on the negative electrode active material, it is preferable to use a non-graphitic carbon material having high input / output characteristics for the negative electrode active material of the in-vehicle lithium ion secondary battery. However, since EV and PHEV use a motor even during steady running, a high-capacity lithium ion secondary battery is required. As described above, the use of non-graphitic carbon material for the negative electrode active material increases the capacity. Becomes difficult. Regarding the increase in capacity of lithium ion secondary batteries using non-graphitic carbon materials, a coexistent of non-graphitic carbon materials consisting of at least one of non-graphitizable carbon materials and non-graphitizable carbon materials and graphite carbon materials The technique used as a negative electrode active material is disclosed (for example, refer patent document 1). Further, in consumer lithium-ion secondary batteries (for example, with a capacity of less than 3 Ah), there is a technology that uses a rubber binder instead of PVDF as a binder. The rubber binder here is a binder obtained by polymerizing at least one monomer mixture having a double bond site.
しかしながら、特許文献1の技術では、非黒鉛炭素材料と比べて単位重量あたりの容量の大きい黒鉛炭素材料を、非黒鉛炭素材料と共存させることで電池容量の増大を図る技術であり、非黒鉛炭素材料そのものの実効容量を増加させる技術ではない。換言すれば、非黒鉛炭素材料自体の実効容量を増加させることで非水電解液二次電池を高容量化する技術はこれまで知られていない。また、ゴムバインダは民生用リチウムイオン二次電池の負極バインダとして使用されているものの、これまでに容量特性より入出力特性が重視されてきた車載用リチウムイオン二次電池の負極バインダとして使用される例は報告されていない。さらに、車載用リチウムイオン二次電池では、振動や衝撃等による合材層の剥落を抑制するために合材層の結着性を確保することも重要である。
However, the technique of
本発明は上記事案に鑑み、合剤層の結着性を確保し高容量化することができる車載用の非水電解液二次電池を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide an in-vehicle non-aqueous electrolyte secondary battery capable of securing the binding property of the mixture layer and increasing the capacity, in view of the above-mentioned cases.
上記課題を解決するために、本発明は、集電体にリチウムイオンを吸蔵放出可能な活物質を含む正極合材層が塗着された正極板と、集電体にリチウムイオンを吸蔵放出可能な非黒鉛炭素材料の活物質およびゴムバインダを含む負極合材層が塗着された負極板とがセパレータを介して配置された電極群と、前記電極群を浸潤する非水電解液と、前記電極群および前記非水電解液を収容する電池容器と、を備えたことを特徴とする車載用の非水電解液二次電池である。 In order to solve the above problems, the present invention is capable of absorbing and releasing lithium ions in a current collector and a positive electrode plate coated with a positive electrode mixture layer containing an active material capable of inserting and extracting lithium ions. A non-graphite carbon material active material and a negative electrode plate coated with a negative electrode composite layer containing a rubber binder are disposed via a separator, a non-aqueous electrolyte infiltrating the electrode group, and the electrode An on-vehicle nonaqueous electrolyte secondary battery comprising: a group; and a battery container containing the nonaqueous electrolyte solution.
本発明では、負極合材層にゴムバインダを含有させたことで、負極合材層中に占めるゴムバインダの割合を減少させても負極合材層の結着性を確保することができ、ゴムバインダの割合を減少させた分で相対的に活物質の割合が増大するので、車載用として高容量化を図ることができる。 In the present invention, by including a rubber binder in the negative electrode mixture layer, the binding property of the negative electrode mixture layer can be ensured even if the proportion of the rubber binder in the negative electrode mixture layer is reduced, and the ratio of the rubber binder Since the ratio of the active material is relatively increased by the amount reduced, the capacity can be increased for in-vehicle use.
この場合において、ゴムバインダが粒子径0.1〜1.0μmの範囲の粒子状であることが好ましい。このとき、粒子径を0.1〜0.3μmの範囲としてもよい。負極合材層には塗着時に配合された粘度調整用の増粘材が含有されていてもよい。このとき、増粘材をカルボキシメチルセルロースとすることができる。また、負極合材層を集電体の両面に塗着し、かつ、片面あたりの厚さを50μm以下とし、電池容量を3.5Ah以上とすることができる。 In this case, the rubber binder is preferably in the form of particles having a particle size in the range of 0.1 to 1.0 μm. At this time, the particle diameter may be in the range of 0.1 to 0.3 μm. The negative electrode mixture layer may contain a thickener for viscosity adjustment blended at the time of coating. At this time, the thickener can be carboxymethylcellulose. Moreover, the negative electrode mixture layer can be applied to both sides of the current collector, the thickness per side can be 50 μm or less, and the battery capacity can be 3.5 Ah or more.
本発明によれば、負極合材層にゴムバインダを含有させたことで、負極合材層中に占めるゴムバインダの割合を減少させても負極合材層の結着性を確保することができ、ゴムバインダの割合を減少させた分で相対的に活物質の割合が増大するので、車載用として高容量化を図ることができる、という効果を得ることができる。 According to the present invention, by including a rubber binder in the negative electrode mixture layer, the binding property of the negative electrode mixture layer can be ensured even if the proportion of the rubber binder in the negative electrode mixture layer is reduced. Since the ratio of the active material is relatively increased by reducing the ratio, the effect that the capacity can be increased for in-vehicle use can be obtained.
以下、図面を参照して、本発明を適用した円柱状リチウムイオン二次電池の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of a cylindrical lithium ion secondary battery to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings.
本実施形態の円柱状リチウムイオン二次電池60は、図1に示すように、電池容器となるニッケルメッキを施された鉄製で有底円筒状の電池缶41を有している。電池缶41内には、正極板および負極板が捲回された捲回群(電極群)5が収容されている。
As shown in FIG. 1, the columnar lithium ion
捲回群5の上側には、アルミニウム製でリボン状の正極リード3が露出している。正極リード3は、一端部が正極板を構成する正極集電体シート1に接合されており、他端部が捲回群5の上側に配置された正極端子51の下面に接合されている。正極端子51は、アルミニウム製で円盤状に形成されており、電池缶41の開口部を封止する電池蓋を兼ねている。正極端子51の下面と捲回群5の上端面との間には、捲回群5および正極端子51間を絶縁する(短絡を防止する)ためにポリエチレン製のインシュレータ31が配置されている。正極端子51には、電池内圧の上昇に応じて開裂して電池内部の圧力を開放するための安全弁(不図示)が組み込まれている。
On the upper side of the
一方、捲回群5の下側には、ニッケル製でリボン状の負極リード13が露出している。負極リード13は、一端部が負極板を構成する負極集電体シート11に接合されており、他端部が電池缶41の内底面に接合されている。このため、負極板と電池缶41とが電気的に接続され、電池缶41が負極端子を兼ねている。電池缶41の内底面と捲回群5の下端面との間には、捲回群5と電池缶41の内底面との間を絶縁するためにインシュレータ31が配置されている。
On the other hand, a ribbon-like
捲回群5は、帯状の正極板および負極板がセパレータ21を介して断面渦巻状に捲回されている。セパレータ21には、本例では、ポリエチレン多孔膜が用いられており、厚さが25μm、長手方向と交差する幅方向の大きさが58mmに設定されている。捲回群5の外周面には、全周にわたり図示を省略した絶縁被覆が施されている。
In the
(正極板)
捲回群5を構成する正極板は、正極集電体シート1の両面に正極活物質を含む正極合材が塗着され、正極合材層2が形成されている。本例では、正極集電体シート1として厚さ20μmのアルミニウム箔が用いられている。正極合材には、正極活物質のマンガン酸リチウムと、導電材として黒鉛およびアセチレンブラックの混合物と、バインダとしてポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFと略記する。)と、が80:10:10の重量比率で混合されている。正極集電体シート1に正極合材を塗布するときは、分散溶媒のN−メチルピロリドン(以下、NMPと略記する。)に各材料を略均一に分散させた正極合材スラリーが作製される。正極合材スラリーは、ロール塗工法により、正極集電体シート1の両面に略均一に塗布される。120℃で乾燥させた後、プレスで一体化され、正極集電体シート1の両面に正極合材層2がそれぞれ形成される。本例では、正極板(正極合材層2を形成した部分)の厚さが90μmにプレスされており、幅方向の大きさが54mm、長さが450mmに設定されている。すなわち、正極合材層2の厚さは、正極集電体シート1の片面あたりで、(90−20)/2=35μmである。また、正極板の長手方向の一方の端部(捲回群5の捲回中心側に位置する端部)には、正極合材層2が塗着されていない正極集電体シート1の露出部が形成されており、その露出部に正極リード3が接合されている。
(Positive electrode plate)
In the positive electrode plate constituting the
(負極板)
一方、負極板は、負極集電体シート11の両面に負極活物質を含む負極合材が塗着され、負極合材層12が形成されている。本例では、負極集電体シート11として厚さ10μmの銅箔が用いられている。負極合材には、負極活物質の非黒鉛炭素材料と、導電材のアセチレンブラックと、ゴムバインダとしてのスチレン−ブタジエン共重合体ゴム(以下、SBRと略記する。)粒子と、増粘材としてのカルボキシメチルセルロース(以下、CMCと略記する。)と、が91:4:4:1の重量比率で混合されている。
(Negative electrode plate)
On the other hand, in the negative electrode plate, a negative electrode mixture containing a negative electrode active material is applied to both surfaces of the negative electrode
負極活物質の非黒鉛炭素材料として、本例では、難黒鉛化性炭素材料が用いられている。難黒鉛化性炭素材料は、例えば、フルフリルアルコール樹脂などの有機高分子材料を不活性ガス気流中にて300〜700℃で炭化した後、900〜1500℃まで昇温し、到達温度にて0〜30時間保持する方法で作製することができる。負極合材層12の形成に用いられるゴムバインダは、二重結合部位を有する1種以上の単量体の混合物を重合して得られるものである。ゴムバインダのSBR粒子は、本例では、数平均粒子径が0.15μmに調整されている。数平均粒子径は、例えば、分級等により調整することができる。負極集電体シート11に負極合材を塗布するときは、分散溶媒の水に各材料を略均一に分散させた負極合材スラリーが作製される。負極合材スラリーは、ロール塗工法により、負極集電体シート11の両面に略均一に塗布される。120℃で乾燥させた後、プレスで一体化され、負極集電体シート11の両面に負極合材層12がそれぞれ形成される。本例では、負極板(負極合材層12を形成した部分)の厚さが80μmにプレスされており、幅方向の大きさが56mm、長さが500mmに設定されている。すなわち、負極合材層12の厚さは、負極集電体シート11の片面あたりで、(80−10)/2=35μmである。また、負極板の長手方向の一方の端部(捲回群5の外周側に位置する端部)には、負極合材層12が塗着されない負極集電体シート11の露出部が形成されており、その露出部に負極リード13が接合されている。
In this example, a non-graphitizable carbon material is used as the non-graphitic carbon material of the negative electrode active material. The non-graphitizable carbon material, for example, carbonizes an organic polymer material such as furfuryl alcohol resin at 300 to 700 ° C. in an inert gas stream, and then raises the temperature to 900 to 1500 ° C. It can produce by the method of hold | maintaining for 0 to 30 hours. The rubber binder used for forming the negative
また、図1に示すように、電池蓋を兼ねる正極端子51は、絶縁性のガスケットを介して電池缶41の上部にカシメ固定されている。このため、リチウムイオン二次電池60の内部は密封されている。また、電池缶41内には、図示を省略した非水電解液が注液されている。非水電解液には、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)およびジエチルカーボネート(DEC)が体積比1:1:1の割合で混合された混合溶媒中に、リチウム塩として6フッ化リン酸リチウム(LiPF6)が1モル/リットル溶解されたものが用いられている。なお、得られたリチウムイオン二次電池60は、直径18mm、長さ65mmに形成されている。
Moreover, as shown in FIG. 1, the
(作用等)
次に、本実施形態のリチウムイオン二次電池60の作用等について説明する。
(Action etc.)
Next, the operation and the like of the lithium ion
本実施形態のリチウムイオン二次電池60では、負極活物質として非黒鉛炭素材料の難黒鉛化性炭素材料が用いられ、バインダとしてゴムバインダのSBR粒子が用いられている。一般的に用いられるバインダのPVDFでは、主として分子鎖のからみ合いにより正負極合材等を結着させる。これに対して、ゴムバインダでは、主として粒子表面で結着性が発揮される。ゴムバインダの粒子径を活物質や導電材等の粒子径と比べて小さくすることで、表面積が増大し結着性が高められる。このため、負極合材のゴムバインダを減量しても、活物質および導電材の結着性、負極合材層12と負極集電体シート11との結着性を確保することができる。
In the lithium ion
また、負極合材層12のバインダにゴムバインダを用いることで、ゴムバインダの割合を小さくしても結着性を確保することができることから、相対的に負極活物質の割合を増大することができる。このため、電池容量の向上を図ることができる。更に驚くべきことに、ゴムバインダを用いることで、負極活物質として用いた非黒鉛炭素材料の不可逆容量の形成量が減少することが判った。この理由は明らかではないが、理由の一つとして、負極合材層12中のゴムバインダの分布がPVDFの分布と異なることが考えられる。非黒鉛炭素材料の不可逆容量の形成量が減少することで、実効容量が増大するため、電池容量の向上を図ることができる。
In addition, by using a rubber binder as the binder of the negative
更に、本実施形態のリチウムイオン二次電池60では、ゴムバインダとして用いたSBR粒子の数平均粒子径が0.15μmに調整されている。粒子径を小さくすることで表面積が増大し結着性を向上させることができる。ゴムバインダの粒子径が1.0μmより大きい場合は、負極合材を分散させた分散溶液中でゴムバインダの粒子が沈降しやすくなり、また、負極合材層12内で活物質と導電材との接触がゴムバインダ粒子により阻害されやすくなる。反対に、ゴムバインダの粒子径が0.1μm未満の場合には、表面積としては増大するものの分散溶液中でゴムバインダが凝集しやすくなる。従って、ゴムバインダの粒子径を0.1〜1.0μmの範囲にすることで、ゴムバインダの分散性や結着性を確保しつつ、活物質や導電材を高密度化することができる。これにより、導電性が向上するので、リチウムイオン二次電池60の入出力特性を向上させることができる。分散溶液中での分散性を向上させ、入出力特性の更なる向上を考慮すれば、ゴムバインダの粒子径を0.1〜0.3μmの範囲に調整することが好ましい。
Furthermore, in the lithium ion
また更に、本実施形態のリチウムイオン二次電池60では、正極集電体シート1の両面に塗着された正極合材層2の厚さが片面あたり35μmに設定されており、負極集電体シート11の両面に塗着された負極合材層12の厚さが片面あたり35μmに設定されている。すなわち、正負極合材層2、12は、それぞれ正負極集電体シート1、11の片面あたりの厚さが50μm以下である。正負極合材層2、12の片面あたりの厚さが50μmより大きくなると、正負極合材層2、12の厚さ方向でリチウムイオンの伝達が阻害されることがある。正負極合材層2、12の片面あたりの厚さをそれぞれ50μm以下にすることで、リチウムイオンの授受が容易となる。また、正負極合材層2、12の厚さを制限することで、一定体積あたりの電池内で正負極板の対向面積を増加させることができる。これにより、リチウムイオン二次電池60の入出力特性を向上させることができる。
Furthermore, in the lithium ion
更にまた、本実施形態のリチウムイオン二次電池60では、上述したようにゴムバインダを用いることで正負極合材層2、12の結着性が確保されている。このため、例えば、車載時の振動や衝撃等により正負極合材層2、12が正負極集電体シート1、11から剥落する等の問題を抑制することができる。高入出力特性や高容量特性を有するうえに、振動時でも正負極合剤層2、12の剥落が抑制されるリチウムイオン二次電池60は、例えば、EV、HEVまたはPHEVの車載用電源等に好適に使用することができる。車載用電源としては、例えば、複数個のリチウムイオン二次電池60を直並列に接続することで構成することができる。
Furthermore, in the lithium ion
なお、本実施形態では、負極活物質として非黒鉛炭素材材料の難黒鉛化性炭素材料を単独で用いる例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、リチウムイオンを吸蔵放出可能な非黒鉛炭素材料であればよい。難黒鉛化性炭素材料に代えて易黒鉛化性炭素材料を用いてもよい。この易黒鉛化性炭素材料は、例えば、石炭やピッチなどを不活性ガス気流中にて300〜700℃で炭化した後、900〜1500℃まで昇温して到達温度にて0〜30時間保持する方法で作製することができる。また、難黒鉛化性炭素材料および昜黒鉛化性炭素材料を混合して用いてもよく、炭素材料の形状においても、特に制限されるものではない。負極合材には、非黒鉛炭素材料の他に、非黒鉛炭素材料の30重量%以下の割合で黒鉛を含有させることもできる。黒鉛は非黒鉛炭素材料と比べて充放電時のリチウムイオンの拡散や吸蔵放出反応が起こりにくいことから、30重量%を超える割合で配合すると、リチウムイオン二次電池60の充放電特性を損なうこととなる。
In the present embodiment, an example of using a non-graphitizable carbon material of non-graphitic carbon material alone as a negative electrode active material has been shown, but the present invention is not limited to this, and lithium ions are occluded and released. Any non-graphitic carbon material may be used. An easily graphitizable carbon material may be used instead of the non-graphitizable carbon material. This graphitizable carbon material is, for example, carbonized at 300 to 700 ° C. in an inert gas stream, and then heated to 900 to 1500 ° C. and held at the ultimate temperature for 0 to 30 hours. It can produce by the method to do. Further, a non-graphitizable carbon material and a non-graphitizable carbon material may be used in combination, and the shape of the carbon material is not particularly limited. In addition to the non-graphitic carbon material, the negative electrode mixture can contain graphite in a proportion of 30% by weight or less of the non-graphitic carbon material. Compared with non-graphite carbon materials, graphite is less susceptible to lithium ion diffusion and occlusion / release reactions during charge / discharge, so if it exceeds 30% by weight, the charge / discharge characteristics of the lithium ion
また、本実施形態では、負極合材層12中に占める負極活物質の割合を91重量%とする例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。負極活物質の割合が90重量%より少ないと活物質量が少なくなりすぎて電池容量を低下させ、反対に、99.5重量%より多いと相対的にバインダ量が減少し結着性を損なうことから、電池の信頼性が低下してしまう。従って、負極活物質の割合を90〜99.5重量%の範囲とすることが好ましい。
In the present embodiment, the example in which the proportion of the negative electrode active material in the negative
更に、本実施形態では、負極合材層12に含有させるゴムバインダとしてSBR粒子を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。SBR粒子以外に用いることができるゴムバインダとしては、SBRの変性体、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体ゴムおよびその変性体、アクリルゴムおよびその変性体等を挙げることができる。ゴムバインダを含む負極合材スラリーを作製する際に用いる分散溶媒についても特に制限はなく、例えば、水、メタノール、エタノールやこれらの混合溶媒を用いることができる。ゴムバインダの場合、分散溶媒としてメタノール等の有機溶媒ではなく水系溶媒を用いると、疎水性のゴムバインダが凝集して水系溶媒中に分散しにくくなる。ゴムバインダの凝集を抑制し分散性を向上させるために、ゴムバインダの表面にカルボキシル基等の親水性官能基を導入してもよい。また、分散性向上を図るために界面活性剤を添加してもよい。この場合、界面活性剤の添加による塗工時の泡立ちを抑制するために消泡剤を添加することもできる。界面活性剤としては、例えば、n−ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)等を挙げることができ、消泡剤としては、例えば、n−オクタノール、ポリシロキサン等を挙げることができる。
Furthermore, in this embodiment, although SBR particle | grains were illustrated as a rubber binder contained in the
また更に、本実施形態では、負極合材層12にゴムバインダのSBR粒子を4重量%含有させる例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、0.5〜10重量%の範囲で調整することができる。ゴムバインダの量が10重量%より多い場合は、相対的に活物質量が減少するため、リチウムイオン二次電池60の容量が低下する。反対に、0.5重量%より少ない場合は、結着性を確保することが難しくなり、リチウムイオン二次電池60の信頼性を損なうこととなる。
Furthermore, in the present embodiment, an example in which the negative
更にまた、本実施形態では、正負極合材スラリーを正負極集電体シート1、11にロール塗工法により塗布する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。正負極合材スラリーを正負極集電シート1、11に塗布する方法としては、ロール塗工法以外に、例えば、スリットダイ塗工法を挙げることができる。また、分散溶液の溶媒としては、NMPや水を用いることができる。更に、本実施形態では、負極集電体シート11に負極合材スラリーを塗布する際の粘度調整用として増粘材のCMCを例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。CMC以外の増粘材としては、例えば、CMCの誘導体、ポリビニルピロリドン(PVP)およびその誘導体、ポリビニルアルコール(PVA)およびその誘導体を挙げることができる。また、増粘材を用いることなく負極合剤スラリーを塗布するようにしてもよい。更に、本実施形態では、負極合材層12に導電材のアセチレンブラックを含有させる例を示したが、本発明で用いることのできる導電材はこれに限定されるものではない。導電材としては、リチウムイオンの吸蔵放出に伴い生じた電位の負極集電体シート11への伝達を補助することができれば特に制限されるものではなく、通常、リチウムイオン二次電池に使用される導電材を用いることができる。
Furthermore, in this embodiment, the example in which the positive and negative electrode mixture slurry is applied to the positive and negative electrode
また、本実施形態では、正極活物質にマンガン酸リチウムを例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、リチウムイオンを吸蔵放出可能な物質であればよい。本発明で用いることができる正極活物質としては、例えば、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、リン酸鉄リチウムやリチウム複合酸化物(コバルト、ニッケル、マンガンから選ばれる2種以上を含むリチウム酸化物)を挙げることができる。また、結晶中のリチウムや遷移金属元素の一部をFe、Co、Ni、Cr、Al、Mg等の他の遷移金属元素で置換またはドープしたリチウム遷移金属複酸化物を用いてもよい。更に、結晶構造についても特に制限はなく、スピネル型、層状型、オリビン型のいずれの結晶構造を有していてもよい。また、正極合材層2に含有される導電材やバインダについても特に制限されるものではなく、通常リチウムイオン二次電池に使用される材料を用いることができる。例えば、正極導電材として黒鉛やアセチレンブラック等を挙げることができ、バインダとしてPVDFやフッ素ゴムを挙げることができる。正極合材層2のバインダにゴムバインダを用いてもよいことはもちろんである。
In the present embodiment, lithium manganate is exemplified as the positive electrode active material, but the present invention is not limited to this, and any material that can occlude and release lithium ions may be used. Examples of the positive electrode active material that can be used in the present invention include lithium cobaltate, lithium nickelate, lithium iron phosphate, and lithium composite oxide (lithium oxide containing two or more selected from cobalt, nickel, and manganese). Can be mentioned. Alternatively, a lithium transition metal double oxide in which a part of lithium or a transition metal element in a crystal is substituted or doped with another transition metal element such as Fe, Co, Ni, Cr, Al, or Mg may be used. Further, there is no particular limitation on the crystal structure, and the crystal structure may be any of spinel type, layered type, and olivine type. Further, the conductive material and binder contained in the positive
更に、本実施形態では、正極集電体シート1に厚さ20μmのアルミニウム箔、負極集電体シート11に厚さ10μmの銅箔を例示したが、本発明はこれらに限定されるものではない。正負極合材層2、12中におけるリチウムイオンの吸蔵放出反応で生じた電子をそれぞれ正負極リード3、13まで伝達可能であり、非水電解液との接触や活物質のリチウムイオンの吸蔵放出により大幅に劣化しない材料であればよく、通常、リチウムイオン二次電池の正負極板に使用される導電性を有する材料を用いることができる。正負極集電体シート1、11の形状についても、膜状、穿孔板等、特に制限されるものではない。
Furthermore, in the present embodiment, the positive electrode
また更に、本実施形態では、非水電解液としてEC、DMC、DECの混合溶媒にリチウム塩のLiPF6を1モル/リットル溶解させたものを例示したが、本発明で用いることのできる非水電解液は特に制限されるものではない。有機溶媒としては、通常リチウムイオン二次電池に使用されるものであればよい。例えば、カーボネート系有機溶媒のプロピレンカーボネート(PC)、メチルエチルカーボネート(MEC)等を用いてもよく、これらの有機溶媒を単体または混合して用いてもよい。リチウム塩としても、通常リチウムイオン二次電池に使用されるものであればよく、例えば、LiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiB(C6H5)4、CH3SO3Li、CF3SO3Li等やこれらの混合物を用いることができる。また、有機溶媒の混合比やリチウム塩の含有量にも特に制限されないことはもちろんである。 Furthermore, in the present embodiment, the non-aqueous electrolyte solution in which 1 mol / liter of lithium salt LiPF 6 is dissolved in a mixed solvent of EC, DMC, and DEC is exemplified. The electrolytic solution is not particularly limited. As an organic solvent, what is normally used for a lithium ion secondary battery may be used. For example, carbonate organic solvents such as propylene carbonate (PC) and methyl ethyl carbonate (MEC) may be used, and these organic solvents may be used alone or in combination. Even lithium salt, as long as it is used in conventional lithium ion secondary battery, for example, LiClO 4, LiAsF 6, LiBF 4, LiB (C 6 H 5) 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li or the like or a mixture thereof can be used. Needless to say, the mixing ratio of the organic solvent and the content of the lithium salt are not particularly limited.
更にまた、本実施形態では、セパレータ21としてポリエチレン多孔膜を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。正極板と負極板とを隔離しつつ、非水電解液中を移動するリチウムイオンが通過可能な多孔質シート状であり、非水電解液との接触で大幅に劣化しない材料であればよく、通常リチウムイオン二次電池に使用されるものを用いることができる。例えば、ポリプロピレン多孔膜等を挙げることができる。また、インシュレータ31としてポリエチレン板を例示したが、非水電解液との接触で大幅に劣化せず、捲回群5と正極端子51との間および捲回群5と電池缶41(内底面)との間を(電気的に)絶縁することができるものであれば特に制限されるものではない。
Furthermore, in this embodiment, although the polyethylene porous membrane was illustrated as the
また、本実施形態では、捲回式の円柱状リチウムイオン二次電池60を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。また、比較的小型のリチウムイオン二次電池60を例示したが、本発明はこれに制限されるものではない。換言すれば、本発明は、電池の容量、サイズ、形状等に制限されるものではないが、車載用のリチウムイオン二次電池としては、電池容量を概ね3.5Ah以上に設定することが好ましい。電池容量は、正負極活物質の含有量や正負極合材層2、12の面積等により設定することができる。また、捲回式以外の電池としては、例えば、集電体に活物質層が塗着された正負極板をセパレータを介して積層した積層式の電池を挙げることができる。電池構造としては、上述した電池缶41に正極端子51がカシメ固定されて封口されている構造のリチウムイオン二次電池60以外であっても構わない。このような構造の一例として正負極外部端子が電池蓋を貫通し電池容器内で軸芯を介して押し合っている状態の電池を挙げることができる。
In the present embodiment, the wound columnar lithium ion
次に、本実施形態に従い作製したリチウムイオン二次電池60の実施例について説明する。なお、比較のために作製した比較例のリチウムイオン二次電池についても併記する。
Next, examples of the lithium ion
(実施例1、実施例2)
実施例1では、負極活物質に非黒鉛炭素材料の難黒鉛化性炭素材料を用いたリチウムイオン二次電池60として電池Aを作製した。難黒鉛化性炭素材料は、フルフリルアルコール樹脂を窒素気流中、温度500℃で5時間保持した後、1200℃まで昇温し、1時間熱処理して作製した。実施例2では、負極活物質に非黒鉛炭素材料の昜黒鉛化性炭素材料を用いたリチウムイオン二次電池60として電池Bを作製した。昜黒鉛化性炭素材料は、石炭ピッチを窒素気流中、温度500℃で5時間保持した後、1400℃まで昇温し、1時間熱処理して作製した。
(Example 1, Example 2)
In Example 1, a battery A was produced as a lithium ion
(比較例1、比較例2)
比較例1では、負極合材の配合を変えたこと以外は実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。すなわち、負極活物質の難黒鉛化性炭素材料と、導電材のアセチレンブラックと、バインダのPVDFとを91:4:5の重量比率で混合した合材を用いたリチウムイオン二次電池として電池Cを作製した。比較例2では、負極活物質として黒鉛を用いたこと以外は比較例1と同様にしリチウムイオン二次電池として電池Dを作製した。すなわち、比較例1および比較例2の負極合材層には、ゴムバインダの代わりにPVDFが含有されており、増粘材のCMCが含有されていない。
(Comparative Example 1 and Comparative Example 2)
In Comparative Example 1, a lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the composition of the negative electrode mixture was changed. That is, the battery C as a lithium ion secondary battery using a composite material obtained by mixing a non-graphitizable carbon material as a negative electrode active material, acetylene black as a conductive material, and PVDF as a binder in a weight ratio of 91: 4: 5. Was made. In Comparative Example 2, a battery D was produced as a lithium ion secondary battery in the same manner as in Comparative Example 1 except that graphite was used as the negative electrode active material. That is, the negative electrode composite layers of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 contain PVDF instead of the rubber binder, and do not contain CMC as a thickener.
(評価)
各実施例および比較例のリチウムイオン二次電池(電池A〜D)について、各電池を250mAで4.1Vまで充電して初回充電容量を測定した後、250mAで2.7Vまで放電して初回放電容量を測定した。このときの初回充電容量に対する初回放電容量の比を初回充放電効率として算出した。その後、上述した充電条件で充電して充電容量を測定した後、250mA、500mA、1500mA、3000mAの電流値で2.7Vまで放電してそれぞれ放電容量を測定した。各電流値での放電容量の充電容量に対する比からそれぞれ充放電効率を求めた。更に、上述した充電条件で充電した後、1週間放置した。その後、日本電動車両規格(JEVS D713:2003 ハイブリッド電気自動車用密閉形ニッケル・水素電池の出力密度および入力密度試験方法)の条件に準じて、充電深度50%の各リチウムイオン二次電池の入出力特性を評価した。また、3000mAで4.1V−2.7V間の充放電サイクルを1000回繰り返した後の放電容量を測定し、初回放電容量に対する1000サイクル後の放電容量の比から容量維持率を求めた。初回充放電効率、異なる電流値での充放電効率、入力密度、出力密度、容量維持率の測定結果を下表1にそれぞれ示す。なお、表1において、「異なる電流」は異なる電流値での充放電効率を示す。
(Evaluation)
For the lithium ion secondary batteries (Batteries A to D) of each Example and Comparative Example, each battery was charged to 4.1 V at 250 mA and the initial charge capacity was measured, and then discharged to 2.7 V at 250 mA for the first time. The discharge capacity was measured. The ratio of the initial discharge capacity to the initial charge capacity at this time was calculated as the initial charge / discharge efficiency. Then, after charging under the above-mentioned charging conditions and measuring the charge capacity, the battery was discharged to 2.7 V at a current value of 250 mA, 500 mA, 1500 mA, and 3000 mA, and the discharge capacity was measured. The charge / discharge efficiency was determined from the ratio of the discharge capacity to the charge capacity at each current value. Further, after charging under the above-mentioned charging conditions, it was left for one week. After that, according to the conditions of the Japanese Electric Vehicle Standard (JEVS D713: 2003 Power Density and Input Density Test Method for Sealed Nickel / Hydrogen Batteries for Hybrid Electric Vehicles) Characteristics were evaluated. Moreover, the discharge capacity after repeating the charging / discharging cycle between 4.1V-2.7V 1000 times at 3000 mA was measured, and the capacity maintenance ratio was determined from the ratio of the discharge capacity after 1000 cycles to the initial discharge capacity. Table 1 shows the measurement results of initial charge / discharge efficiency, charge / discharge efficiency at different current values, input density, output density, and capacity retention rate. In Table 1, “different current” indicates the charge / discharge efficiency at different current values.
表1に示すように、バインダにPVDFを用いた比較例1の電池C、比較例2の電池Dでは、初回充放電効率がそれぞれ65%、68%を示した。これに対して、バインダにゴムバインダのSBR粒子を用いた実施例1の電池A、実施例2の電池Bでは、初回充放電効率がそれぞれ73%、76%を示しており、PVDFに代えてゴムバインダを用いることでリチウムイオン二次電池60の初回充放電効率が向上することが判明した。また、電流値を変えて測定した充放電効率では各実施例、比較例ともに、どの放電電流値においても96%以上を示し、容量維持率についても各実施例、比較例でほぼ同じ値を示した。このことから、バインダにゴムバインダを用いても、充放電効率、サイクル特性を確保できることが判明した。更に、比較例1の電池C、比較例2の電池Dでは、いずれも、入力密度が2500W/kg、出力密度が2700W/kgを示したのに対して、実施例1の電池A、実施例2の電池Bでは、いずれも、入力密度が3300W/kg、出力密度が3500W/kgを示した。このことから、負極活物質として充放電時のリチウムイオンの拡散や吸蔵放出反応が起こりやすい非黒鉛炭素材料を用いることで、入力密度、出力密度共に向上したと考えられる。以上のことから、負極活物質に非黒鉛炭素材料を用い、バインダにゴムバインダを用いることで、充放電効率、サイクル特性を確保しつつ、入出力特性を向上させ、リチウムイオン二次電池60の高容量化を図ることができることが明らかとなった。
As shown in Table 1, in the battery C of Comparative Example 1 and the battery D of Comparative Example 2 using PVDF as the binder, the initial charge and discharge efficiencies were 65% and 68%, respectively. On the other hand, in the battery A of Example 1 and the battery B of Example 2 using rubber binder SBR particles as the binder, the initial charge and discharge efficiencies are 73% and 76%, respectively, and the rubber binder is used instead of PVDF. It has been found that the initial charge / discharge efficiency of the lithium ion
本発明は合剤層の結着性を確保し高容量化することができる車載用の非水電解液二次電池を提供するため、非水電解液二次電池の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。 The present invention contributes to the manufacture and sale of non-aqueous electrolyte secondary batteries in order to provide a vehicle-mounted non-aqueous electrolyte secondary battery that can secure the binding property of the mixture layer and increase the capacity. Have industrial applicability.
1 正極集電体シート(集電体)
2 正極合材層
5 捲回群(電極群)
11 負極集電体シート(集電体)
12 負極合材層
21 セパレータ
60 円柱状リチウムイオン二次電池(非水電解液二次電池)
1 Positive current collector sheet (current collector)
2 Positive
11 Negative electrode current collector sheet (current collector)
12 Negative
Claims (6)
前記電極群を浸潤する非水電解液と、
前記電極群および前記非水電解液を収容する電池容器と、
を備えたことを特徴とする車載用の非水電解液二次電池。 A positive electrode plate in which a positive electrode mixture layer containing an active material capable of occluding and releasing lithium ions is applied to a current collector, and an active material of a non-graphitic carbon material capable of occluding and releasing lithium ions and a rubber binder are included in the current collector An electrode group in which a negative electrode plate coated with a negative electrode mixture layer is disposed via a separator;
A non-aqueous electrolyte infiltrating the electrode group;
A battery container containing the electrode group and the non-aqueous electrolyte;
A non-aqueous electrolyte secondary battery for vehicle use, comprising:
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-
2008
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