JP2011090876A - Lithium secondary battery and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウム二次電池とその製造方法に関する。詳しくは、該電池の製造に用いられる電極活物質に関する。 The present invention relates to a lithium secondary battery and a method for manufacturing the same. In detail, it is related with the electrode active material used for manufacture of this battery.
近年、リチウム二次電池やニッケル水素電池等の二次電池は、電気を駆動源とする車両搭載用電源、あるいはパソコン及び携帯端末その他の電気製品等に搭載される電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウム二次電池は、車両(例えば自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車)搭載用高出力電源として好ましく用いられるものとして期待されている。この種のリチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン電池)は、大まかに言って電荷担体となる化学種(リチウムイオン)を可逆的に吸蔵および放出し得る電極活物質を有する電極(具体的には正極および負極)と、該電荷担体の移動経路となる電解液(典型的には非水電解液)とを電池ケースに収容された構成を備える。 In recent years, secondary batteries such as lithium secondary batteries and nickel metal hydride batteries have become increasingly important as power sources mounted on vehicles using electricity as a drive source, or power sources mounted on personal computers, portable terminals, and other electrical products. . In particular, a lithium secondary battery that is lightweight and obtains a high energy density is expected to be preferably used as a high-output power source for mounting on a vehicle (for example, an automobile, particularly a hybrid automobile or an electric automobile). This type of lithium secondary battery (typically a lithium ion battery) is roughly an electrode having an electrode active material capable of reversibly occluding and releasing a chemical species (lithium ion) serving as a charge carrier. Has a configuration in which a positive electrode and a negative electrode) and an electrolytic solution (typically a non-aqueous electrolytic solution) serving as a movement path of the charge carrier are accommodated in a battery case.
上記リチウム二次電池の負極活物質としてカーボン粒子などの炭素材料を使用する場合、電池の充電状態において負極活物質は強還元剤として機能し、電解液と極めて反応しやすくなる。そのため、初回の充電で負極(典型的には負極活物質)の表面に電解液の分解反応による被膜(SEI:Solid Electrolite Interface)が生成される。かかる被膜で負極活物質が覆われることにより、負極上での還元分解反応が抑制され、その結果、電池特性(例えばサイクル特性またはハイレート特性)に影響を与える劣化や過充電などが抑制され電池の耐久性能が向上する。しかしながら、過剰量の被膜が生成されると、導電経路(導電パス)が部分的に遮断されることにより内部抵抗が増加し充電効率が低下する。また、この分解反応は電池の自己放電になり、それに消費される電荷は不可逆容量となるため容量が低下する虞がある。 When a carbon material such as carbon particles is used as the negative electrode active material of the lithium secondary battery, the negative electrode active material functions as a strong reducing agent in the state of charge of the battery, and becomes extremely easy to react with the electrolytic solution. For this reason, a coating (SEI: Solid Electrolite Interface) is generated on the surface of the negative electrode (typically, the negative electrode active material) by the decomposition reaction of the electrolytic solution by the first charge. By covering the negative electrode active material with such a film, the reductive decomposition reaction on the negative electrode is suppressed, and as a result, deterioration and overcharge that affect battery characteristics (for example, cycle characteristics or high rate characteristics) are suppressed, and the battery Durability performance is improved. However, when an excessive amount of film is formed, the conductive path (conductive path) is partially blocked, thereby increasing the internal resistance and reducing the charging efficiency. In addition, this decomposition reaction results in self-discharge of the battery, and the electric charge consumed by the battery becomes an irreversible capacity, so that the capacity may be reduced.
このようなリチウム二次電池の負極上の還元分解反応抑制を目的とした被膜の生成に関する従来技術として、電解液に添加剤を加えた電池が知られる。特許文献1には、電解質または電極に必要な所望量の添加剤を一定のレベルで連続的に放出する徐放性カプセルを電解質及び/または電極材料中に配合されたリチウム二次電池が開示されている。また、こうした添加剤を電解液に加えることによって被膜生成を制御するその他の従来技術として、特許文献2が挙げられる。
As a conventional technique related to the generation of a coating intended to suppress the reductive decomposition reaction on the negative electrode of such a lithium secondary battery, a battery in which an additive is added to an electrolytic solution is known.
特許文献1および2に記載されるように、添加剤を電解液に加えるという技術によると負極表面の電解液の還元分解反応をある程度抑制することが可能にされているが、未だ十分なレベルのものとはいえない。また、安定電位領域(電位窓)が比較的狭いため高い正電位でも添加剤が分解し、正極の表面(典型的には正極活物質の表面)に酸化分解された被膜が過剰に生成されたり、ガスが発生したりするなどの好ましくない余剰反応を招く虞がある。すなわち、一方の電極(例えば負極)における被膜生成を期待して添加された添加剤が、他方の電極(例えば正極)においても分解し、過剰に被膜を生成してしまう虞があった。
As described in
そこで、本発明はリチウム二次電池に関する上述した電極における余剰反応の抑制に関する課題を解決すべく創出されたものであり、その目的とするところは負極上に被膜を生成して耐還元性を向上させつつ、正極側にも同様な被膜を生成することにより酸化分解を防止し、優れた電池特性(例えばサイクル特性またはハイレート特性)を備えるリチウム二次電池を提供することである。また、このようなリチウム二次電池を備える車両を提供することを他の目的とする。 Therefore, the present invention was created to solve the above-described problem relating to suppression of excess reaction in the electrode related to the lithium secondary battery, and the object is to produce a coating on the negative electrode to improve reduction resistance. Thus, it is to provide a lithium secondary battery having excellent battery characteristics (for example, cycle characteristics or high-rate characteristics) by generating a similar coating on the positive electrode side to prevent oxidative decomposition. Another object is to provide a vehicle including such a lithium secondary battery.
上記目的を実現するべく本発明により、正極活物質層を有する正極と、負極活物質層を有する負極と、電池の充放電に伴い正極側及び/又は負極側において酸化還元反応により分解し、該正極側及び/又は負極側の活物質の表面に被膜を生成する添加剤を少なくとも一種含有する非水電解液と、を備えるリチウム二次電池が提供される。本発明に係るリチウム二次電池は、上記正極活物質層と上記負極活物質層の少なくともいずれか一方において自己犠牲型補助物質を含んでおり、上記自己犠牲型補助物質は、電池の充放電に伴った酸化還元反応により分解される上記添加剤と反応する物質であって、該反応によって上記正極側及び/又は負極側の活物質の表面に生成する被膜生成量の調節を可能とすることを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a positive electrode having a positive electrode active material layer, a negative electrode having a negative electrode active material layer, and a positive electrode side and / or a negative electrode side are decomposed by an oxidation-reduction reaction with charge / discharge of the battery, There is provided a lithium secondary battery comprising: a non-aqueous electrolyte solution containing at least one additive that forms a film on the surface of the active material on the positive electrode side and / or the negative electrode side. The lithium secondary battery according to the present invention includes a self-sacrificial auxiliary material in at least one of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer, and the self-sacrificial auxiliary material is used for charging and discharging the battery. It is a substance that reacts with the additive that is decomposed by the accompanying oxidation-reduction reaction, and enables the adjustment of the amount of film produced on the surface of the active material on the positive electrode side and / or the negative electrode side by the reaction. Features.
なお、本明細書において「リチウム二次電池」とは、電解質イオンとしてリチウムイオンを利用し、正負極間のリチウムイオンの移動により充放電が実現される二次電池をいう。一般に、リチウムイオン電池と称される二次電池は、本明細書におけるリチウム二次電池に包含される典型例である。
また、本明細書において「正極活物質層」または「負極活物質層」とは、二次電池において電荷担体となる化学種(すなわちリチウムイオン)を可逆的に吸蔵および放出(典型的には挿入および脱離)可能な電極活物質(正極活物質または負極活物質)を含む電極(正極または負極)の構成要素の一つである。
In the present specification, the “lithium secondary battery” refers to a secondary battery that uses lithium ions as electrolyte ions and is charged and discharged by movement of lithium ions between the positive and negative electrodes. In general, a secondary battery referred to as a lithium ion battery is a typical example included in the lithium secondary battery in this specification.
In this specification, the term “positive electrode active material layer” or “negative electrode active material layer” refers to reversibly occlusion and release (typically insertion) of chemical species (ie, lithium ions) that serve as charge carriers in a secondary battery. And an electrode active material (positive electrode active material or negative electrode active material) that can be detached).
本発明によって提供されるリチウム二次電池は、電池の充放電に伴って正極側及び/又は負極側の活物質の表面に被膜を生成する(生成には、損傷した部分の被膜を回復するための生成を含む。以下同様とする。)添加剤を少なくとも一種含有する非水電解液を備える。一般に非水電解液中に電池性能を向上させるような添加剤を含有させることにより、初回の充電時にかかる添加剤のすべて若しくはその一部が正極活物質及び/又は負極活物質との酸化還元反応で分解し、正極及び/又は負極(典型的には正極活物質及び/又は負極活物質)の表面において被膜が生成される。こうして生成される被膜は、上記正極及び/又は負極上のその後の電解液の分解反応を抑制し、劣化や過充電などが抑制されるため電池特性(サイクル特性またはハイレート特性)の向上に寄与する。しかしながら、かかる被膜の厚さが厚くなりすぎると、導電経路(導電パス)が部分的に遮断されることにより内部抵抗が増加したり、充放電効率を低下したりすることが問題とされていた。また、こうした電解液は電位窓が比較的狭いため、一方の電極(例えば正極)における被膜生成を期待して添加された添加剤が、他方の電極(例えば負極)においても分解し、過剰に被膜を生成してしまう虞があった。
そこで、本発明は、電池の充放電に伴った酸化還元反応により分解される上記添加剤と反応する物質として、正極活物質層と負極活物質層の少なくともいずれか一方に自己犠牲型補助物質を含ませることにより、上記正極側及び/又は負極側の活物質の表面に生成する被膜生成量を調節することを可能とする。このように、上記自己犠牲型補助物質を含む電極では、上記添加剤の酸化還元による分解反応を電極活物質のみではなく、自己犠牲型補助物質とも反応を起こさせる。そのため、従来のように電極活物質の表面に過剰の被膜が生成されることによる電池容量の低下を抑制することができる。これにより、本発明では、正極及び/又は負極側の活物質の表面に過剰とならない好適量の被膜が生成され、内部抵抗の上昇が抑制された、車両搭載用高出力電源として優れた電池特性(サイクル特性またはハイレート特性)を有するリチウム二次電池を提供することができる。
The lithium secondary battery provided by the present invention generates a film on the surface of the active material on the positive electrode side and / or the negative electrode side as the battery is charged / discharged (in order to recover the film in the damaged portion) The same shall apply hereinafter.) A non-aqueous electrolyte containing at least one additive is provided. In general, by adding an additive that improves battery performance in the non-aqueous electrolyte, all or part of the additive during the initial charge is oxidized / reduced with the positive electrode active material and / or the negative electrode active material. And a film is formed on the surface of the positive electrode and / or the negative electrode (typically, the positive electrode active material and / or the negative electrode active material). The coating thus produced suppresses the subsequent decomposition reaction of the electrolyte solution on the positive electrode and / or negative electrode, and contributes to the improvement of battery characteristics (cycle characteristics or high-rate characteristics) because deterioration and overcharge are suppressed. . However, if the thickness of the coating becomes too thick, the conductive path (conductive path) is partially blocked, which increases internal resistance and decreases charge / discharge efficiency. . In addition, since the potential window of such an electrolyte is relatively narrow, an additive added in anticipation of film formation at one electrode (for example, the positive electrode) is decomposed at the other electrode (for example, the negative electrode) and excessively coated. There was a possibility of generating.
Therefore, the present invention provides a self-sacrificial auxiliary material for at least one of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer as a material that reacts with the additive that is decomposed by the oxidation-reduction reaction accompanying charging and discharging of the battery. By including it, it is possible to adjust the amount of coating produced on the surface of the active material on the positive electrode side and / or the negative electrode side. As described above, in the electrode including the self-sacrificial auxiliary substance, the decomposition reaction of the additive by oxidation-reduction is caused to react not only with the electrode active material but also with the self-sacrificial auxiliary substance. Therefore, it is possible to suppress a decrease in battery capacity due to the formation of an excessive film on the surface of the electrode active material as in the past. As a result, in the present invention, a suitable amount of a coating that does not become excessive is generated on the surface of the active material on the positive electrode and / or negative electrode side, and an increase in internal resistance is suppressed, and the battery characteristics are excellent as a high-output power supply for vehicles. A lithium secondary battery having (cycle characteristics or high rate characteristics) can be provided.
また、本発明によって提供されるリチウム二次電池の好ましい一態様では、上記正極側及び/又は負極側の活物質の容量(A[mAh/cm2])と、上記自己犠牲型補助物質の容量(S[mAh/cm2])との容量比(A:S)が90:10〜97:3を満たすように上記正極活物質層及び/又は負極活物質層が構成されている。
正極側及び/又は負極側の活物質の容量と、自己犠牲型補助物質の容量との容量比が上記範囲内になるように構成されている活物質層は、自己犠牲型補助物質を含むことによる導電性の低下をもたらすことなく、高出力条件下の充放電の繰り返しでも高い容量を維持することができる。例えば、上記正極側又は負極側の活物質の容量(A[mAh/cm2])と、上記自己犠牲型補助物質の容量(S[mAh/cm2])との容量比(A:S)が90:10〜97:3を満たすように上記正極活物質層又は負極活物質層が構成されている。
In a preferred embodiment of the lithium secondary battery provided by the present invention, the positive electrode side and / or negative electrode side active material capacity (A [mAh / cm 2 ]) and the self-sacrificial auxiliary material capacity are provided. The positive electrode active material layer and / or the negative electrode active material layer are configured so that the capacity ratio (A: S) to (S [mAh / cm 2 ]) satisfies 90:10 to 97: 3.
The active material layer configured so that the capacity ratio between the capacity of the positive electrode side and / or the negative electrode side active material and the capacity of the self-sacrificial auxiliary material is within the above range includes a self-sacrificial auxiliary material. A high capacity can be maintained even when charging and discharging are repeated under high output conditions without causing a decrease in electrical conductivity. For example, the capacity ratio (A: S) between the capacity of the active material on the positive electrode side or the negative electrode side (A [mAh / cm 2 ]) and the capacity of the self-sacrificial auxiliary material (S [mAh / cm 2 ]) The positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer is configured to satisfy 90:10 to 97: 3.
ここで開示されるリチウム二次電池の好ましい他の一態様では、上記自己犠牲型補助物質は、上記正極側及び/又は負極側の活物質の表面の少なくとも一部に付着した状態で存在する。
また、他の好ましい一態様では、上記自己犠牲型補助物質は、上記正極側及び/又は負極側の活物質の表面に均一な層厚で被覆した状態で存在する。
上記正極活物質層と上記負極活物質層の少なくともいずれか一方において含まれる自己犠牲型補助物質は、粉体混合などの固相法により上記正極側及び/又は負極側の活物質の表面の少なくとも一部に付着した態様、あるいは化学蒸着(CVD)法などの気相法または溶媒に浸漬させて乾燥(焼成)する液相法等により正極側及び/又は負極側の活物質の表面を均一な層厚で被覆した態様で活物質層中に存在し得る。これにより、自己犠牲型補助物質を含む電極では、活物質の表面に安定な被膜が生成される。その結果、内部抵抗の上昇が抑制された、車両搭載用高出力電源として優れた電池特性(サイクル特性またはハイレート特性)を有するリチウム二次電池を提供することができる。
In another preferable aspect of the lithium secondary battery disclosed herein, the self-sacrificial auxiliary material is present in a state of being attached to at least a part of the surface of the active material on the positive electrode side and / or the negative electrode side.
In another preferred embodiment, the self-sacrificial auxiliary material is present in a state where the surface of the active material on the positive electrode side and / or the negative electrode side is coated with a uniform layer thickness.
The self-sacrificial auxiliary material contained in at least one of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer is at least on the surface of the active material on the positive electrode side and / or the negative electrode side by a solid phase method such as powder mixing. The surface of the active material on the positive electrode side and / or the negative electrode side can be made uniform by a vapor deposition method such as a chemical vapor deposition (CVD) method or a liquid phase method of dipping in a solvent and drying (baking). It can be present in the active material layer in a manner coated with a layer thickness. Thereby, in the electrode containing the self-sacrificial auxiliary material, a stable film is generated on the surface of the active material. As a result, it is possible to provide a lithium secondary battery having excellent battery characteristics (cycle characteristics or high-rate characteristics) as a vehicle-mounted high-output power supply in which an increase in internal resistance is suppressed.
ここで開示されるリチウム二次電池のさらに好ましい一態様では、上記自己犠牲型補助物質は少なくとも正極活物質層に含まれており、該正極活物質層に含まれる自己犠牲型補助物質は、電池の放電に伴い上記添加剤を酸化分解する物質であって、上記正極活物質より電位(具体的には、リチウム基準電極に対する電位)が卑であることを特徴とする。
正極活物質より電位が低い自己犠牲型補助物質が用いられたリチウム二次電池では、上記添加剤と自己犠牲型補助物質との酸化分解反応が、正極活物質との反応より優先的に起こる。これにより、添加剤の大半は自己犠牲型補助物質によって分解され、正極活物質の表面に過剰の被膜が生成されるのを抑制する。
In a further preferred aspect of the lithium secondary battery disclosed herein, the self-sacrificial auxiliary material is contained in at least the positive electrode active material layer, and the self-sacrificial auxiliary material contained in the positive electrode active material layer is a battery. A material that oxidizes and decomposes the additive in accordance with the discharge, and has a potential lower than that of the positive electrode active material (specifically, a potential with respect to a lithium reference electrode).
In a lithium secondary battery in which a self-sacrificial auxiliary material having a lower potential than the positive electrode active material is used, the oxidative decomposition reaction between the additive and the self-sacrificial auxiliary material occurs preferentially over the reaction with the positive electrode active material. As a result, most of the additive is decomposed by the self-sacrificial auxiliary material, thereby suppressing the formation of an excessive film on the surface of the positive electrode active material.
また、好ましくは、上記正極活物質層は、上記正極活物質として層状構造またはスピネル構造のリチウム遷移金属複合酸化物と、上記自己犠牲型補助物質としてオリビン型構造のリチウム含有リン酸塩とを含む。
層状構造のリチウム遷移金属複合酸化物(例えば、LiNiO2、LiNi1/2Co1/2O2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2など)またはスピネル構造のリチウム遷移金属複合酸化物(例えばLiMn2O4など)からなる正極活物質よりも、電位の低いオリビン型構造のリチウム含有リン酸塩(例えば、LiFePO4など)を自己犠牲型補助物質として正極活物質層中に含むリチウム二次電池では、上記添加剤と自己犠牲型補助物質との酸化分解反応が、該添加剤と正極活物質との酸化分解反応より選択的に優先されて起こる。これにより、正極活物質と添加剤との分解反応がより一層抑制され、正極活物質の表面に過剰の被膜が生成されることを抑制することができる。その結果、車両搭載用高出力電源として優れた電池特性(サイクル特性またはハイレート特性)、特に低温ハイレート条件下において良好な低温サイクル特性を有するリチウム二次電池を提供することができる。
Preferably, the positive electrode active material layer includes a lithium transition metal composite oxide having a layered structure or a spinel structure as the positive electrode active material, and a lithium-containing phosphate having an olivine structure as the self-sacrificial auxiliary material. .
Layered lithium transition metal composite oxide (eg, LiNiO 2 , LiNi 1/2 Co 1/2 O 2 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ) or spinel structure lithium transition metal composite In the positive electrode active material layer, a lithium-containing phosphate (for example, LiFePO 4 ) having a lower olivine structure than a positive electrode active material made of an oxide (eg, LiMn 2 O 4 ) is used as a self-sacrificial auxiliary material. In the lithium secondary battery including the oxidative decomposition reaction between the additive and the self-sacrificial auxiliary material, the oxidative decomposition reaction between the additive and the positive electrode active material is selectively given priority. Thereby, the decomposition reaction between the positive electrode active material and the additive can be further suppressed, and the formation of an excessive film on the surface of the positive electrode active material can be suppressed. As a result, it is possible to provide a lithium secondary battery having excellent battery characteristics (cycle characteristics or high rate characteristics) as a vehicle-mounted high-output power source, particularly good low temperature cycle characteristics under low temperature high rate conditions.
また、好ましい他の一態様では、上記正極活物質層に含まれる自己犠牲型補助物質によって酸化分解される上記添加剤としてビニレンカーボネートを含有する非水電解液が使用される。
上記非水電解液に添加されるビニレンカーボネートは、負極側に極めて薄く好適な被膜を生成することで知られるが、場合によっては正極側で分解され過剰量の被膜を生成することがある。そのため、自己犠牲型補助物質が少なくとも正極活物質層に含まれているリチウム二次電池において、ビニレンカーボネートを含有する非水電解液を用いることにより、正極活物質とビニレンカーボネートとの分解反応をより一層抑制し、過剰の被膜生成を抑制することができる。
In another preferred embodiment, a nonaqueous electrolytic solution containing vinylene carbonate is used as the additive that is oxidatively decomposed by the self-sacrificial auxiliary material contained in the positive electrode active material layer.
Vinylene carbonate added to the non-aqueous electrolyte is known to produce a very thin and suitable film on the negative electrode side, but in some cases, it may be decomposed on the positive electrode side to produce an excessive amount of film. Therefore, in a lithium secondary battery in which a self-sacrificial auxiliary material is included in at least the positive electrode active material layer, the decomposition reaction between the positive electrode active material and vinylene carbonate can be further improved by using a non-aqueous electrolyte containing vinylene carbonate. Further suppression and excessive film formation can be suppressed.
ここで開示されるリチウム二次電池の好ましい他の一態様では、上記自己犠牲型補助物質は少なくとも負極活物質層に含まれており、該負極活物質層に含まれる自己犠牲型補助物質は、電池の充電に伴い上記添加剤を還元分解する物質であって、上記負極活物質より電位(具体的には、リチウム基準電極に対する電位)が貴であることを特徴とする。
負極活物質より電位が高い自己犠牲型補助物質が用いられたリチウム二次電池では、上記添加剤と自己犠牲型補助物質との還元分解反応が、負極活物質との反応より優先的に起こる。これにより、添加剤の大半は自己犠牲型補助物質によって分解され、負極活物質の表面に過剰の被膜が生成されることを抑制することができる。
In another preferred embodiment of the lithium secondary battery disclosed herein, the self-sacrificial auxiliary material is included in at least the negative electrode active material layer, and the self-sacrificial auxiliary material included in the negative electrode active material layer includes: It is a substance that reduces and decomposes the additive as the battery is charged, and is characterized in that the potential (specifically, the potential with respect to the lithium reference electrode) is higher than that of the negative electrode active material.
In a lithium secondary battery using a self-sacrificial auxiliary material having a higher potential than the negative electrode active material, the reductive decomposition reaction between the additive and the self-sacrificial auxiliary material occurs preferentially over the reaction with the negative electrode active material. As a result, most of the additive is decomposed by the self-sacrificial auxiliary material, and it is possible to suppress the formation of an excessive film on the surface of the negative electrode active material.
また、好ましくは、上記負極活物質として炭素材料と、上記自己犠牲型補助物質としてチタン酸リチウムとを含む。
カーボン粒子等の炭素材料からなる負極活物質よりも電位の高いチタン酸リチウムを自己犠牲型補助物質として負極活物質層中に含むリチウム二次電池では、上記添加剤と自己犠牲型補助物質との還元分解反応が、該添加剤と負極活物質との還元分解反応より選択的に優先されて起こる。これにより、負極活物質と添加剤との分解反応が抑制され、負極活物質の表面に過剰の被膜が生成されることを抑制することができる。その結果、車両搭載用高出力電源として優れた電池特性(サイクル特性またはハイレート特性)、特に低温ハイレート条件下において良好な低温サイクル特性を有するリチウム二次電池を提供することができる。
Preferably, the negative electrode active material includes a carbon material, and the self-sacrificial auxiliary material includes lithium titanate.
In a lithium secondary battery including, as a self-sacrificial auxiliary material, lithium titanate having a higher potential than a negative electrode active material made of a carbon material such as carbon particles in a negative electrode active material layer, the additive and the self-sacrificial auxiliary material The reductive decomposition reaction occurs with priority over the reductive decomposition reaction between the additive and the negative electrode active material. Thereby, the decomposition reaction between the negative electrode active material and the additive is suppressed, and the formation of an excessive film on the surface of the negative electrode active material can be suppressed. As a result, it is possible to provide a lithium secondary battery having excellent battery characteristics (cycle characteristics or high rate characteristics) as a vehicle-mounted high-output power source, particularly good low temperature cycle characteristics under low temperature high rate conditions.
また、好ましい他の一態様では、上記負極活物質層に含まれる自己犠牲型補助物質によって還元分解される上記添加剤として、LiPF2(C2O4)2を含有する非水電解液が使用される。
上記非水電解液に添加されるLiPF2(C2O4)2(以下、単に「LPFO」呼称する場合もある)は、正極側に極めて薄く好適な被膜を生成することで知られるが、場合によっては負極側で分解され過剰量の被膜を生成することがある。そのため、自己犠牲型補助物質が少なくとも負極活物質層に含まれているリチウム二次電池において、LPFOを含有する非水電解液を用いることにより、自己犠牲型補助物質とLPFOとの分解反応が負極活物質とLPFOとの分解反応よりも優先的に進行し、負極活物質の表面に過剰量の被膜が生成されるのを抑制することができる。
In another preferred embodiment, a non-aqueous electrolyte containing LiPF 2 (C 2 O 4 ) 2 is used as the additive that is reduced and decomposed by the self-sacrificial auxiliary material contained in the negative electrode active material layer. Is done.
LiPF 2 (C 2 O 4 ) 2 (hereinafter sometimes simply referred to as “LPFO”) added to the non-aqueous electrolyte is known to produce a very thin and suitable film on the positive electrode side, In some cases, it may be decomposed on the negative electrode side to produce an excessive amount of coating. Therefore, in a lithium secondary battery in which the self-sacrificial auxiliary material is included in at least the negative electrode active material layer, the decomposition reaction between the self-sacrificial auxiliary material and LPFO is prevented by using a non-aqueous electrolyte containing LPFO. It progresses preferentially over the decomposition reaction of the active material and LPFO, and it is possible to suppress the formation of an excessive amount of film on the surface of the negative electrode active material.
また、本発明によると、ここに開示されるリチウム二次電池を備える車両を提供する。本発明によって提供される二次電池は、内部抵抗の上昇が抑制された、特に車両に搭載される電池の電源として適した品質および電池性能(サイクル特性またはハイレート特性)、特に低温ハイレート条件下において良好な低温サイクル特性を示すものであり得る。したがって、ここに開示される二次電池は、ハイブリッド自動車、電気自動車のような電動機を備える自動車等の車両に搭載されるモータ(電動機)用の電源として好適に使用され得る。 Moreover, according to this invention, the vehicle provided with the lithium secondary battery disclosed here is provided. The secondary battery provided by the present invention has a suppressed internal resistance, particularly suitable as a power source for a battery mounted on a vehicle and battery performance (cycle characteristics or high rate characteristics), particularly under low temperature and high rate conditions. It may exhibit good low temperature cycle characteristics. Therefore, the secondary battery disclosed herein can be suitably used as a power source for a motor (electric motor) mounted on a vehicle such as an automobile equipped with an electric motor such as a hybrid vehicle or an electric vehicle.
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. Note that matters other than matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.
ここで開示されるリチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン電池)は、上述のとおり正極活物質層を有する正極と、負極活物質層を有する負極と、電池の充放電に伴い正極側及び/又は負極側において酸化還元反応により分解し、該正極側及び/又は負極側の活物質の表面に被膜を生成する添加剤を少なくとも一種含有する非水電解液と、を備えている。 The lithium secondary battery (typically a lithium ion battery) disclosed herein includes a positive electrode having a positive electrode active material layer, a negative electrode having a negative electrode active material layer, a positive electrode side as the battery is charged and discharged, as described above. And / or a non-aqueous electrolyte solution containing at least one additive that decomposes by an oxidation-reduction reaction on the negative electrode side and forms a film on the surface of the active material on the positive electrode side and / or the negative electrode side.
ここで開示されるリチウム二次電池に備えられる非水電解液は、少なくとも非水溶媒と、正極側及び/又は負極側の活物質の表面に被膜を生成する添加剤とを構成成分として含むことによって特徴付けられる。ここで、リチウム二次電池は、充電状態において負極活物質が強還元剤として機能し、初回の充電時に電解液が還元分解され活物質の表面に被膜(SEI:Solid Electrolite Interface)が生成される。かかる被膜は電解液の分解を阻止する物理的バリヤーとなり、負極上での還元分解反応が抑制され、電池特性(例えばサイクル特性またはハイレート特性)の向上に寄与することが知られる。しかしながら、過剰量の被膜が生成されると、容量の低下や充電効率の低下につながるため好ましくない。そこで、ここに開示される非水電解液には、かかる被膜生成を制御するための添加剤が含有されている。 The non-aqueous electrolyte provided in the lithium secondary battery disclosed herein includes at least a non-aqueous solvent and an additive that forms a film on the surface of the active material on the positive electrode side and / or the negative electrode side as constituent components. Is characterized by Here, in the lithium secondary battery, the negative electrode active material functions as a strong reducing agent in a charged state, and the electrolytic solution is reduced and decomposed at the first charge, and a film (SEI: Solid Electrolite Interface) is generated on the surface of the active material. . It is known that such a film serves as a physical barrier that prevents decomposition of the electrolytic solution, suppresses the reductive decomposition reaction on the negative electrode, and contributes to improvement of battery characteristics (for example, cycle characteristics or high rate characteristics). However, if an excessive amount of coating is generated, it is not preferable because it leads to a decrease in capacity and a decrease in charging efficiency. Therefore, the non-aqueous electrolyte disclosed herein contains an additive for controlling the formation of such a film.
上記非水電解液に含有される添加剤としては、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、プロピルエチレンカーボネート、ジメチルビニレンカーボネート、ジエチルビニレンカーボネート、ジプロピルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネート、フェニルエチレンカーボネート及びエリスリタンカーボネート等のエチレン性不飽和結合を有するカーボネート化合物、あるいはリチウムを含有するアルカリ金属塩のLiPF2(C2O4)2(所謂LPFO)、Li[(C2O4)2B]、Li(C2O4)BF2等が挙げられる。特に好ましくは、ビニレンカーボネートまたはLiPF2(C2O4)2である。なお、これらの添加剤は一種を単独で用いても良く、二種以上を混合して用いても構わない。 Additives contained in the non-aqueous electrolyte include vinylene carbonate, methyl vinylene carbonate, ethyl vinylene carbonate, propyl ethylene carbonate, dimethyl vinylene carbonate, diethyl vinylene carbonate, dipropyl vinylene carbonate, vinyl ethylene carbonate, fluoroethylene carbonate, Carbonate compounds having an ethylenically unsaturated bond, such as trifluoropropylene carbonate, phenylethylene carbonate and erythritan carbonate, or lithium-containing alkali metal salt LiPF 2 (C 2 O 4 ) 2 (so-called LPFO), Li [( C 2 O 4 ) 2 B], Li (C 2 O 4 ) BF 2 and the like. Particularly preferred is vinylene carbonate or LiPF 2 (C 2 O 4 ) 2 . In addition, these additives may be used individually by 1 type, and 2 or more types may be mixed and used for them.
上記非水溶媒としては、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類等の非プロトン性溶媒を用いることができる。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)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等のカーボネート類のほか、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、1,3−ジオキソラン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、アセトニトリル、プロピオニトリル、ニトロメタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン等の、一般にリチウム二次電池の電解液に使用し得るものとして知られている非水溶媒から選択される一種または二種以上を用いることができる。 As the non-aqueous solvent, aprotic solvents such as carbonates, esters, ethers, nitriles, sulfones, and lactones can be used. For example, in addition to carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), 1,2-dimethoxyethane, 1,2- Diethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dioxane, 1,3-dioxolane, diethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, acetonitrile, propionitrile, nitromethane, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, sulfolane, γ-butyrolactone, etc. One kind or two or more kinds selected from non-aqueous solvents that are generally known as those that can be used for an electrolytic solution of a lithium secondary battery can be used.
上記非水電解液は、典型的には、その構成成分として、支持電解質(支持塩)としてのリチウム塩をさらに含む。例えば、LiPF6,LiBF4,LiN(SO2CF3)2,LiN(SO2C2F5)2,LiCF3SO3,LiC4F9SO3,LiC(SO2CF3)3,LiClO4等のリチウム二次電池の電解液において支持電解質として機能し得ることが知られている各種のリチウム塩から選択される一種または二種以上を用いることができる。特にLiPF6が好ましい。支持電解質の濃度は特に制限されず、従来のリチウム二次電池で使用される非水電解液と同様とすることができる。通常は、支持電解質を凡そ0.1mol/L〜5mol/L(例えば凡そ0.8mol/L〜1.5mol/L)程度の濃度で含む非水電解液が好ましい。 The non-aqueous electrolyte typically further includes a lithium salt as a supporting electrolyte (supporting salt) as a constituent component. For example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiClO One or two or more selected from various lithium salts known to be capable of functioning as a supporting electrolyte in the electrolyte solution of a lithium secondary battery such as 4 can be used. LiPF 6 is particularly preferable. The concentration of the supporting electrolyte is not particularly limited, and can be the same as the nonaqueous electrolytic solution used in the conventional lithium secondary battery. Usually, a nonaqueous electrolytic solution containing a supporting electrolyte at a concentration of about 0.1 mol / L to 5 mol / L (for example, about 0.8 mol / L to 1.5 mol / L) is preferable.
ここで、非水電解液に含有する添加剤として、例えばビニレンカーボネートが用いられる場合、負極活物質による還元分解反応が添加剤ビニレンカーボネートによってある程度抑制されることが知られる。しかしながら、電位窓が比較的狭いため、高い正電位で分解する虞がある。すなわち、正極の表面(典型的には正極活物質の表面)に酸化分解によって被膜が過剰に生成されたり、ガスが発生したりするなどの好ましくない余剰反応を招く虞がある。
また、非水電解液に含有する添加剤として、LiPF2(C2O4)2(即ち、上記LPFO)が用いられる場合、正極活物質による酸化分解反応が添加剤LPFOによってある程度抑制されるが、電位窓が比較的狭いことから負極の表面(典型的には負極活物質の表面)に還元分解によって過剰に被膜を生成する虞がある。すなわち、一方の電極(例えば正極)における被膜生成を期待して添加された添加剤が、他方の電極(例えば負極)においても分解されて過剰に被膜を生成してしまい、好適量の被膜を生成するのが困難であった。
しかしながら、ここで開示されるリチウム二次電池では、上記非水電解液に含有する添加剤と反応する物質として、正極活物質層と負極活物質層の少なくともいずれか一方に自己犠牲型補助物質を含まれている。かかる自己犠牲型補助物質とは、リチウム二次電池の充放電に伴い非水電解液に含有される添加剤と酸化還元反応により分解する物質であって、該反応によって正極活物質及び/又は負極活物質の表面に生成する被膜生成量の調節を可能とするものである。このように、自己犠牲型補助物質を含む電極では、添加剤の酸化還元による分解反応を電極活物質のみではなく、自己犠牲型補助物質とも反応を起こさせる。そのため、従来のように電極活物質の表面に過剰の被膜が生成される虞がなくなり、電池容量の低下を抑制することができる。
Here, as an additive contained in the non-aqueous electrolyte, for example, when vinylene carbonate is used, it is known that the reductive decomposition reaction by the negative electrode active material is suppressed to some extent by the additive vinylene carbonate. However, since the potential window is relatively narrow, there is a risk of decomposition at a high positive potential. That is, there is a possibility of causing an undesirable surplus reaction such as excessive formation of a film on the surface of the positive electrode (typically, the surface of the positive electrode active material) due to oxidative decomposition or generation of gas.
Further, when LiPF 2 (C 2 O 4 ) 2 (that is, the above LPFO) is used as an additive contained in the non-aqueous electrolyte, the oxidative decomposition reaction by the positive electrode active material is suppressed to some extent by the additive LPFO. In addition, since the potential window is relatively narrow, there is a possibility that an excessive film is formed on the surface of the negative electrode (typically, the surface of the negative electrode active material) by reductive decomposition. That is, an additive added in the hope of forming a film on one electrode (eg, positive electrode) is decomposed on the other electrode (eg, negative electrode) to produce an excessive film, thereby producing a suitable amount of film. It was difficult to do.
However, in the lithium secondary battery disclosed herein, as a substance that reacts with the additive contained in the non-aqueous electrolyte, a self-sacrificial auxiliary material is provided on at least one of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. include. Such a self-sacrificial auxiliary substance is a substance that decomposes by an oxidation-reduction reaction with an additive contained in the non-aqueous electrolyte accompanying charging / discharging of the lithium secondary battery, and the positive electrode active material and / or the negative electrode by the reaction This makes it possible to adjust the amount of film produced on the surface of the active material. As described above, in the electrode including the self-sacrificial auxiliary substance, the decomposition reaction due to the oxidation / reduction of the additive causes not only the electrode active material but also the self-sacrificial auxiliary substance to react. Therefore, there is no possibility that an excessive film is generated on the surface of the electrode active material as in the conventional case, and the decrease in battery capacity can be suppressed.
以下、正極活物質層および負極活物質層の両層において自己犠牲型補助物質を含むリチウム二次電池について説明するが、本発明をかかる実施形態に限定することを意図したものではない。すなわち、正極側のみに自己犠牲型補助物質を含むリチウム二次電池、または負極側のみに自己犠牲型補助物質を含むリチウム二次電池のいずれにおいても、本発明の好適な実施形態となり得る。 Hereinafter, a lithium secondary battery including a self-sacrificial auxiliary material in both the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer will be described, but the present invention is not intended to be limited to such an embodiment. That is, any of the lithium secondary battery including the self-sacrificial auxiliary material only on the positive electrode side or the lithium secondary battery including the self-sacrificial auxiliary material only on the negative electrode side can be a preferred embodiment of the present invention.
まず、本実施形態に係るリチウム二次電池の負極の各構成要素について説明する。ここで開示される負極は、負極集電体の表面に負極活物質層が形成された構成を備える。上記負極の基材となる負極集電体としては、導電性の良好な金属からなる導電性部材が好ましく用いられる。例えば、銅、または銅を主成分とする合金を用いることができる。負極集電体の形状は、リチウム二次電池の形状等に応じて異なり得るため特に制限はなく、棒状、板状、シート状、箔状、メッシュ状等の種々の形態であり得る。車両搭載用高出力電源として用いられるリチウム二次電池の負極の集電体としては、厚さが5〜100μm程度の銅箔が好適に用いられる。 First, each component of the negative electrode of the lithium secondary battery according to the present embodiment will be described. The negative electrode disclosed here has a configuration in which a negative electrode active material layer is formed on the surface of a negative electrode current collector. As the negative electrode current collector serving as the base material of the negative electrode, a conductive member made of a highly conductive metal is preferably used. For example, copper or an alloy containing copper as a main component can be used. The shape of the negative electrode current collector may vary depending on the shape of the lithium secondary battery and the like, and thus is not particularly limited, and may be various forms such as a rod shape, a plate shape, a sheet shape, a foil shape, and a mesh shape. A copper foil having a thickness of about 5 to 100 μm is suitably used as a negative electrode current collector of a lithium secondary battery used as a high-output power source for mounting on a vehicle.
上記負極集電体の表面に形成された負極活物質層には、電荷担体となるリチウムイオンを吸蔵および放出可能な負極活物質と、自己犠牲型補助物質とが含まれる。負極活物質層に含まれる自己犠牲型補助物質は、リチウム二次電池の充電に伴い非水電解液に含有される添加剤と還元反応により分解する物質であって、該反応によって負極活物質の表面に生成する被膜生成量の調節を可能とするものである。このように、上記非水電解液に含有する添加剤と反応する物質として、自己犠牲型補助物質を負極活物質層に含ませることにより、添加剤が負極活物質のみではなく、自己犠牲型補助物質とも反応して分解するため、負極活物質表面に生成する被膜生成量が過剰になるのを防ぐことができる。 The negative electrode active material layer formed on the surface of the negative electrode current collector includes a negative electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions serving as charge carriers and a self-sacrificial auxiliary material. The self-sacrificial auxiliary material contained in the negative electrode active material layer is a substance that decomposes by a reduction reaction with the additive contained in the non-aqueous electrolyte as the lithium secondary battery is charged. This makes it possible to adjust the amount of coating produced on the surface. Thus, by including the self-sacrificial auxiliary material in the negative electrode active material layer as a substance that reacts with the additive contained in the non-aqueous electrolyte, the additive is not only the negative electrode active material but also the self-sacrificial auxiliary material. Since it reacts with the substance and decomposes, it is possible to prevent an excessive amount of coating from being generated on the surface of the negative electrode active material.
また、ここで開示される負極活物質としては、本発明の目的を実現し得る限りにおいて従来からリチウム二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。例えば、カーボン粒子が挙げられる。少なくとも一部にグラファイト構造(層状構造)を含む粒子状の炭素材料(カーボン粒子)が好ましく用いられる。いわゆる黒鉛質のもの(グラファイト)、難黒鉛化炭素質のもの(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素質のもの(ソフトカーボン)、これらを組み合わせた構造を有するもののいずれの炭素材料も好適に使用され得る。中でも特に、黒鉛粒子を好ましく使用することができる。黒鉛粒子(例えばグラファイト)は、電荷担体としてのリチウムイオンを好適に吸蔵することができるため導電性に優れる。また、粒径が小さく単位体積当たりの表面積が大きいことからよりハイレートのパルス充放電に適した負極活物質となり得る。 Moreover, as a negative electrode active material disclosed here, as long as the objective of this invention is realizable, 1 type, or 2 or more types of the substance conventionally used for a lithium secondary battery can be used without limitation. An example is carbon particles. A particulate carbon material (carbon particles) containing a graphite structure (layered structure) at least partially is preferably used. Any carbon material of a so-called graphitic material (graphite), a non-graphitizable carbonaceous material (hard carbon), a graphitizable carbonaceous material (soft carbon), or a combination of these materials is preferably used. obtain. Among these, graphite particles can be preferably used. Graphite particles (eg, graphite) are excellent in conductivity because they can suitably occlude lithium ions as charge carriers. Further, since the particle size is small and the surface area per unit volume is large, it can be a negative electrode active material suitable for high-rate pulse charge / discharge.
また、上記負極活物質層を構成する自己犠牲型補助物質として、電池の充電に伴い上記添加剤を還元分解する物質であって、上記負極活物質より電位(具体的には、リチウム基準電極に対する電位)が貴であるものを好適に用い得る。遷移金属の酸化物または硫化物(例えばチタン系酸化物または硫化物)等が例示される。例えば、チタン酸リチウム、酸化チタン(TiO2)、硫化チタン、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化コバルト、硫化鉄等が好ましい。特に好ましいのはチタン酸リチウムであり、Li4+xTi5O12(0≦x≦3)やLi2+xTi3O7(0≦x≦3)等が挙げられる。
負極活物質より電位が高い自己犠牲型補助物質が用いられることにより、上記添加剤と自己犠牲型補助物質との還元分解反応が、該添加剤と負極活物質との反応より優先的に起こる。これにより、添加剤の大半は自己犠牲型補助物質によって分解され、負極活物質の表面に過剰の被膜が生成されることを抑制することができる。
Further, as a self-sacrificial auxiliary material constituting the negative electrode active material layer, a substance that reduces and decomposes the additive as the battery is charged, and has a potential (specifically, relative to a lithium reference electrode) from the negative electrode active material. Those having noble potential can be preferably used. Examples include transition metal oxides or sulfides (for example, titanium-based oxides or sulfides). For example, lithium titanate, titanium oxide (TiO 2 ), titanium sulfide, tungsten oxide, molybdenum oxide, cobalt oxide, iron sulfide, and the like are preferable. Particularly preferred is lithium titanate, and examples include Li 4 + x Ti 5 O 12 (0 ≦ x ≦ 3) and Li 2 + x Ti 3 O 7 (0 ≦ x ≦ 3).
By using a self-sacrificial auxiliary material having a higher potential than the negative electrode active material, the reductive decomposition reaction between the additive and the self-sacrificial auxiliary material occurs preferentially over the reaction between the additive and the negative electrode active material. As a result, most of the additive is decomposed by the self-sacrificial auxiliary material, and it is possible to suppress the formation of an excessive film on the surface of the negative electrode active material.
また、上記負極活物質層は、典型的には、その構成成分として、上記負極活物質および自己犠牲型補助物質の他に、結着材等の任意成分を必要に応じて含有し得る。かかる結着材としては、一般的なリチウム二次電池の負極に使用される結着材と同様のものを適宜採用することができる。使用する溶媒に溶解または分散可溶なポリマーを選択することが好ましい。例えば、水系溶媒を用いる場合においては、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)等のセルロース系ポリマー;ポリビニルアルコール(PVA);ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等のフッ素系樹脂;酢酸ビニル共重合体;スチレンブタジエンゴム(SBR)、アクリル酸変性SBR樹脂(SBR系ラテックス)等のゴム類;等の水溶性または水分散性ポリマーを好ましく採用することができる。また、非水系溶媒を用いる場合においては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)等のポリマーを好ましく採用することができる。このような結着材は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。なお、上記で例示したポリマー材料は、結着材としての機能の他に、上記組成物の増粘材その他の添加材としての機能を発揮する目的で使用されることもあり得る。 In addition, the negative electrode active material layer can typically contain an optional component such as a binder as necessary in addition to the negative electrode active material and the self-sacrificial auxiliary material. As such a binder, the same binder as that used for the negative electrode of a general lithium secondary battery can be appropriately employed. It is preferable to select a polymer that is soluble or dispersible in the solvent used. For example, in the case of using an aqueous solvent, cellulose polymers such as carboxymethyl cellulose (CMC) and hydroxypropyl methyl cellulose (HPMC); polyvinyl alcohol (PVA); polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene Water-soluble or water-dispersible polymers such as fluorine resins such as polymers (FEP); vinyl acetate copolymers; rubbers such as styrene butadiene rubber (SBR) and acrylic acid-modified SBR resins (SBR latex); Can be adopted. When a non-aqueous solvent is used, a polymer such as polyvinylidene fluoride (PVDF) or polyvinylidene chloride (PVDC) can be preferably used. Such a binder may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type. In addition to the function as a binder, the polymer material exemplified above may be used for the purpose of exhibiting the function as a thickener or other additive of the above composition.
次いで、上記リチウム二次電池の負極の作製方法について説明する。
まず、負極活物質および自己犠牲型補助物質を用意し、負極活物質と自己犠牲型補助物質との混合体を調製する。ここで開示される負極活物質層は、負極活物質および自己犠牲型補助物質を含み、上記負極活物質の容量(A[mAh/cm2])と、上記自己犠牲型補助物質の容量(S[mAh/cm2])との容量比(A:S)が90:10〜97:3(好適には概ね94:6〜96:4)を満たすのが好ましい。負極活物質の容量と、自己犠牲型補助物質の容量との容量比が上記範囲内になるように負極活物質層を形成することにより、自己犠牲型補助物質を含むことによる導電性の低下をもたらすことなく、高出力条件下の充放電の繰り返しでも高い容量を維持することができる。
Next, a method for manufacturing the negative electrode of the lithium secondary battery will be described.
First, a negative electrode active material and a self-sacrificial auxiliary material are prepared, and a mixture of the negative electrode active material and the self-sacrificial auxiliary material is prepared. The negative electrode active material layer disclosed herein includes a negative electrode active material and a self-sacrificial auxiliary material. The negative electrode active material capacity (A [mAh / cm 2 ]) and the self-sacrificial auxiliary material capacity (S [MAh / cm 2 ]) and the volume ratio (A: S) preferably satisfies 90:10 to 97: 3 (preferably approximately 94: 6 to 96: 4). The negative electrode active material layer is formed so that the capacity ratio between the capacity of the negative electrode active material and the capacity of the self-sacrificial auxiliary material is within the above range, thereby reducing conductivity due to the inclusion of the self-sacrificial auxiliary material. Without it, a high capacity can be maintained even after repeated charging and discharging under high output conditions.
また、ここで開示される負極活物質層は、負極活物質および自己犠牲型補助物質を含む限りにおいて、特に当該物質の層内での態様(配置)について制限されるものではないが、図1および図2に示されるように、例えば、負極活物質の表面の少なくとも一部に自己犠牲型補助物質が付着した状態(図1)、あるいは負極活物質の表面に均一な層厚で自己犠牲型補助物質が被覆した状態(図2)を備えるように負極活物質層が形成されるのが好ましい。これにより、自己犠牲型補助物質が非水電解液に含有する添加剤を分解する還元反応が、該添加剤と負極活物質との分解反応より優先的に起こる。これにより、添加剤の大半は自己犠牲型補助物質によって分解され、負極活物質の表面に安定な被膜が生成される。その結果、内部抵抗の上昇が抑制された、車両搭載用高出力電源として優れた電池特性(サイクル特性またはハイレート特性)を有するリチウム二次電池を提供することができる。 Further, the negative electrode active material layer disclosed herein is not particularly limited as to the mode (arrangement) of the material in the layer as long as the negative electrode active material and the self-sacrificial auxiliary material are included. 2, for example, a state in which a self-sacrificial auxiliary material is attached to at least a part of the surface of the negative electrode active material (FIG. 1), or a self-sacrificial type with a uniform layer thickness on the surface of the negative electrode active material The negative electrode active material layer is preferably formed so as to have a state (FIG. 2) covered with the auxiliary material. Thereby, the reduction reaction in which the self-sacrificial auxiliary substance decomposes the additive contained in the non-aqueous electrolyte occurs preferentially over the decomposition reaction between the additive and the negative electrode active material. As a result, most of the additive is decomposed by the self-sacrificial auxiliary material, and a stable coating is formed on the surface of the negative electrode active material. As a result, it is possible to provide a lithium secondary battery having excellent battery characteristics (cycle characteristics or high-rate characteristics) as a vehicle-mounted high-output power supply in which an increase in internal resistance is suppressed.
図1および図2は、負極集電体42の表面に負極活物質層44(44A、44B)が形成されたリチウム二次電池の負極40(40A、40B)を示す。上記負極活物質層44(44A、44B)において負極活物質440および自己犠牲型補助物質442が図1または図2のような状態で存在するように負極活物質層が形成されるのが好ましく、例えば以下の方法を用いて負極活物質と自己犠牲型補助物質との混合体を予め調製することができる。
1 and 2 show a negative electrode 40 (40A, 40B) of a lithium secondary battery in which a negative electrode active material layer 44 (44A, 44B) is formed on the surface of a negative electrode
まず、図1に示されるように、上記負極活物質440の表面の少なくとも一部に自己犠牲型補助物質442が付着(例えば島状に点在)した状態を備える負極活物質層44Aを形成するための上記混合体の調製方法としては、用意した負極活物質および自己犠牲型補助物質を固相状態で混合または攪拌等を行う。これにより、自己犠牲型補助物質が負極活物質の表面の少なくとも一部に付着(例えば島状に点在)した混合体が得られる。なお、混合または攪拌の作業時間は限定されないが、時間を長くするほど負極活物質の表面により多くの自己犠牲型補助物質が付着した態様の負極活物質と自己犠牲型補助物質との混合体が得られる。
また、図2に示されるように、上記負極活物質440の表面に自己犠牲型補助物質442が均一な層厚で被覆した状態を備える負極活物質層44Bを形成するための上記混合体の調製方法としては、自己犠牲型補助物質を含有する溶媒に負極活物質を浸漬させて乾燥(焼成)する液相法(晶析法)、あるいは蒸着法(気相法)等の従来公知の各種成膜手法を、単独で、または適宜組み合わせて使用することができる。ここでいう蒸着法の概念には、物理蒸着法(PVD法、例えばスパッタリング法)、化学蒸着法(CVD法、例えばプラズマCVD法)、反応性蒸着法等の各種蒸着法が包含される。
なお、かかる態様を限定するものではないが、負極活物質の表面に均一な層厚で自己犠牲型補助物質が被覆した状態(図2)になるように形成されるのがより好ましい。従って、上記混合体を調製する際に、液相法または気相法を用いて混合体を調製すると、本発明の目的をより実現し得る好適な状態の負極活物質層を形成することができる。
First, as shown in FIG. 1, a negative electrode
In addition, as shown in FIG. 2, preparation of the mixture for forming a negative electrode
Although not limited to such an embodiment, it is more preferable that the surface of the negative electrode active material be coated with a self-sacrificial auxiliary material with a uniform layer thickness (FIG. 2). Accordingly, when the mixture is prepared by using a liquid phase method or a gas phase method, a negative electrode active material layer in a suitable state that can realize the object of the present invention can be formed. .
次いで、上記調製した負極活物質と自己犠牲型補助物質との混合体を、結着材等と共に上記適当な溶媒(水系溶媒または非水系溶媒)で混合して、ペーストまたはスラリー状の負極活物質層形成用組成物(以下、「負極活物質層形成用ペースト」という)を調製する。各構成材料の配合比率は、例えば、負極活物質層に占める負極活物質と自己犠牲型補助物質との混合体の割合が、凡そ50質量%以上であることが好ましく、凡そ85〜99質量%(例えば90〜97質量%)であることがより好ましい。また、負極活物質層に占める結着材の割合を例えば凡そ1〜15質量%とすることができ、通常は凡そ3〜10質量%とすることが好ましい。こうして調製したペーストを負極集電体に塗布し、溶媒を揮発させて乾燥させた後、圧縮(プレス)する。これにより該ペーストを用いて形成された負極活物質層を負極集電体上に有するリチウム二次電池の負極が得られる。 Next, the prepared mixture of the negative electrode active material and the self-sacrificial auxiliary material is mixed with the appropriate solvent (aqueous solvent or non-aqueous solvent) together with the binder or the like, and the paste or slurry negative electrode active material A layer forming composition (hereinafter referred to as “negative electrode active material layer forming paste”) is prepared. As for the blending ratio of each constituent material, for example, the ratio of the mixture of the negative electrode active material and the self-sacrificial auxiliary material in the negative electrode active material layer is preferably about 50 mass% or more, and about 85 to 99 mass%. (For example, 90 to 97% by mass) is more preferable. Further, the ratio of the binder in the negative electrode active material layer can be, for example, about 1 to 15% by mass, and is usually preferably about 3 to 10% by mass. The paste thus prepared is applied to the negative electrode current collector, the solvent is volatilized and dried, and then compressed (pressed). Thereby, the negative electrode of the lithium secondary battery which has the negative electrode active material layer formed using this paste on a negative electrode collector is obtained.
上記負極活物質層形成用ペーストを調製するために用いられる溶媒としては、水系溶媒および非水系溶媒のいずれも使用可能である。水系溶媒は、典型には水であるが、全体として水性を示すものであればよく、すなわち、水または水を主体とする混合溶媒を好ましく用いることができる。該混合溶媒を構成する水以外の溶媒としては、水と均一に混合し得る有機溶剤(低級アルコール、低級ケトン等)の一種または二種以上を適宜選択して用いることができる。例えば、水系溶媒の凡そ80質量%以上(より好ましくは凡そ90質量%以上、さらに好ましくは凡そ95質量%以上)が水である溶媒の使用が好ましい。特に好ましい例として、実質的に水からなる溶媒が挙げられる。また、非水系溶媒の好適例としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、メチルエチルケトン、トルエン等が例示される。 As a solvent used for preparing the negative electrode active material layer forming paste, either an aqueous solvent or a non-aqueous solvent can be used. The aqueous solvent is typically water, but may be any water-based solvent as a whole, that is, water or a mixed solvent mainly composed of water can be preferably used. As the solvent other than water constituting the mixed solvent, one or more organic solvents (lower alcohol, lower ketone, etc.) that can be uniformly mixed with water can be appropriately selected and used. For example, it is preferable to use a solvent in which about 80% by mass or more (more preferably about 90% by mass or more, more preferably about 95% by mass or more) of the aqueous solvent is water. A particularly preferred example is a solvent consisting essentially of water. Further, preferred examples of the non-aqueous solvent include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), methyl ethyl ketone, toluene and the like.
なお、負極集電体に上記ペーストを塗布する方法としては、従来公知の方法と同様の技法を適宜採用することができる。例えば、スリットコーター、ダイコーター、グラビアコーター、コンマコーター等の適当な塗布装置を使用することにより、負極集電体に該ペーストを好適に塗布することができる。また、溶媒を乾燥するにあたっては、自然乾燥、熱風、低湿風、真空、赤外線、遠赤外線、および電子線を、単独または組合せにて用いることにより良好に乾燥し得る。さらに、圧縮方法としては、従来公知のロールプレス法、平板プレス法等の圧縮方法を採用することができる。かかる厚さを調整するにあたり、膜厚測定器で該厚みを測定し、プレス圧を調整して所望の厚さになるまで複数回圧縮してもよい。 In addition, as a method of apply | coating the said paste to a negative electrode collector, the technique similar to a conventionally well-known method is employable suitably. For example, the paste can be suitably applied to the negative electrode current collector by using an appropriate application device such as a slit coater, a die coater, a gravure coater, or a comma coater. Moreover, when drying a solvent, it can dry favorably by using natural drying, a hot air, low-humidity air, a vacuum, infrared rays, far-infrared rays, and an electron beam individually or in combination. Furthermore, as a compression method, a conventionally known compression method such as a roll press method or a flat plate press method can be employed. In adjusting the thickness, the thickness may be measured with a film thickness measuring instrument, and the press pressure may be adjusted to compress a plurality of times until a desired thickness is obtained.
次に、ここで開示されるリチウム二次電池の正極の各構成要素について説明する。かかる正極は、正極集電体の表面に正極活物質層が形成された構成を備える。上記正極の基材となる正極集電体としては、導電性の良好な金属からなる導電性部材が好ましく用いられる。例えば、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金を用いることができる。正極集電体の形状は、負極集電体と同様にリチウム二次電池の形状等に応じて異なり得るため特に制限はない。 Next, each component of the positive electrode of the lithium secondary battery disclosed here will be described. Such a positive electrode has a configuration in which a positive electrode active material layer is formed on the surface of a positive electrode current collector. As the positive electrode current collector that becomes the base material of the positive electrode, a conductive member made of a metal having good conductivity is preferably used. For example, aluminum or an alloy containing aluminum as a main component can be used. The shape of the positive electrode current collector is not particularly limited because it can be different depending on the shape of the lithium secondary battery and the like, similarly to the negative electrode current collector.
上記正極集電体の表面に形成された正極活物質層には、電荷担体となるリチウムイオンを吸蔵および放出可能な正極活物質と、自己犠牲型補助物質とが含まれる。正極活物質層に含まれる自己犠牲型補助物質は、リチウム二次電池の放電に伴い非水電解液に含有される添加剤と酸化反応により分解する物質であって、該反応によって正極活物質の表面に生成する被膜生成量の調節を可能とするものである。このように、上記非水電解液に含有する添加剤と反応する物質として、自己犠牲型補助物質を正極活物質層に含ませることにより、添加剤が正極活物質のみではなく、自己犠牲型補助物質とも反応して分解するため、正極活物質表面に生成する被膜生成量が過剰になるのを防止することができる。 The positive electrode active material layer formed on the surface of the positive electrode current collector includes a positive electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions serving as charge carriers and a self-sacrificial auxiliary material. The self-sacrificial auxiliary material contained in the positive electrode active material layer is a substance that decomposes by an oxidation reaction with an additive contained in the non-aqueous electrolyte along with the discharge of the lithium secondary battery. This makes it possible to adjust the amount of coating produced on the surface. Thus, by including a self-sacrificial auxiliary material in the positive electrode active material layer as a substance that reacts with the additive contained in the non-aqueous electrolyte, the additive is not only a positive electrode active material but also a self-sacrificial auxiliary material. Since it reacts with the substance and decomposes, it is possible to prevent an excessive amount of film from being generated on the surface of the positive electrode active material.
また、ここで開示される正極活物質としては、本発明の目的を実現し得る限りにおいて従来からリチウム二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。典型的な正極活物質として、リチウム(Li)と少なくとも一種の遷移金属元素を含む、層状構造またはスピネル構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物が挙げられる。例えば、コバルトリチウム複合酸化物(LiCoO2)、ニッケルリチウム複合酸化物(LiNiO2)、マンガンリチウム複合酸化物(LiMn2O4)、またはニッケル・コバルト系のLiNixCo1−xO2(0<x<1)、コバルト・マンガン系のLiCoxMn1−xO2(0<x<1)、ニッケル・マンガン系のLiNixMn1−xO2(0<x<1)やLiNixMn2−xO4(0<x<2)で表わされるような、遷移金属元素を二種含むいわゆる二元系リチウム遷移金属複合酸化物でもよい。あるいは、遷移金属元素を3種含むニッケル・コバルト・マンガン系のような三元系リチウム遷移金属複合酸化物(典型的にはLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)でもよい。上記例示のリチウム遷移金属複合酸化物は、凡そ3.5〜5V(具体的には、リチウム基準電極に対する電位)の範囲内の電位を有する。
ここで、上記リチウム遷移金属複合酸化物は、リチウム(Li)と少なくとも一種の遷移金属元素のニッケル(Ni)コバルト(Co)、マンガン(Mn)を主構成金属元素とする酸化物のほか、少なくとも一種の金属元素(すなわち上記主構成金属元素以外の遷移金属元素および/または典型金属元素)を各主構成金属元素のモル比よりも少ない割合で微少構成金属元素として含む酸化物をも包含する意味である。かかる微少構成金属元素としては、例えば、アルミニウム(Al),クロム(Cr),鉄(Fe),バナジウム(V),マグネシウム(Mg),チタン(Ti),ジルコニウム(Zr),ニオブ(Nb),モリブデン(Mo),タングステン(W),銅(Cu),亜鉛(Zn),ガリウム(Ga),インジウム(In),スズ(Sn),ランタン(La)およびセリウム(Ce)からなる群から選択される一種または二種以上であり得る。
Moreover, as a positive electrode active material disclosed here, as long as the objective of this invention is realizable, 1 type, or 2 or more types of the substance conventionally used for a lithium secondary battery can be used without limitation. As a typical positive electrode active material, a lithium transition metal composite oxide having a layered structure or a spinel structure containing lithium (Li) and at least one transition metal element can be given. For example, cobalt lithium composite oxide (LiCoO 2 ), nickel lithium composite oxide (LiNiO 2 ), manganese lithium composite oxide (LiMn 2 O 4 ), or nickel-cobalt-based LiNi x Co 1-x O 2 (0 <X <1), cobalt-manganese LiCo x Mn 1-x O 2 (0 <x <1), nickel-manganese LiNi x Mn 1-x O 2 (0 <x <1) and LiNi x A so-called binary lithium transition metal composite oxide containing two kinds of transition metal elements as represented by Mn 2−x O 4 (0 <x <2) may be used. Alternatively, a ternary lithium transition metal composite oxide (typically LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ) such as nickel / cobalt / manganese containing three kinds of transition metal elements may be used. The lithium transition metal composite oxide illustrated above has a potential in the range of about 3.5 to 5 V (specifically, the potential with respect to the lithium reference electrode).
Here, the lithium transition metal composite oxide includes at least lithium (Li) and at least one transition metal element nickel (Ni) cobalt (Co), an oxide having manganese (Mn) as a main constituent metal element, and at least The meaning also includes an oxide containing one kind of metal element (that is, a transition metal element other than the main constituent metal element and / or a typical metal element) as a fine constituent metal element in a proportion smaller than the molar ratio of each main constituent metal element. It is. Examples of such minute constituent metal elements include aluminum (Al), chromium (Cr), iron (Fe), vanadium (V), magnesium (Mg), titanium (Ti), zirconium (Zr), niobium (Nb), Selected from the group consisting of molybdenum (Mo), tungsten (W), copper (Cu), zinc (Zn), gallium (Ga), indium (In), tin (Sn), lanthanum (La) and cerium (Ce). Can be one or more.
なお、このようなリチウム遷移金属酸化物としては、例えば、従来公知の方法で調製・提供されるリチウム遷移金属酸化物粉末をそのまま使用することができる。例えば、原子組成に応じて適宜選択されるいくつかの原料化合物を所定のモル比で混合し、適当な手段で焼成することによって該酸化物を調製することができる。また、焼成物を適当な手段で粉砕、造粒および分級することにより、所望する平均粒径および/または粒径分布を有する二次粒子によって実質的に構成された粒状のリチウム遷移金属酸化物粉末を得ることができる。 In addition, as such a lithium transition metal oxide, for example, a lithium transition metal oxide powder prepared and provided by a conventionally known method can be used as it is. For example, the oxide can be prepared by mixing several raw material compounds appropriately selected according to the atomic composition at a predetermined molar ratio and firing by an appropriate means. In addition, a granular lithium transition metal oxide powder substantially composed of secondary particles having a desired average particle size and / or particle size distribution by pulverizing, granulating and classifying the fired product by appropriate means Can be obtained.
また、本発明の目的を実現し得る自己犠牲型補助物質としては、上記列挙した正極活物質の電位(凡そ3.5〜4.2V)より電位(具体的には、リチウム基準電極に対する電位)が卑であるものを好適に使用することができる。例えば、一般式LiMPO4(式中のMは、Co、Ni、MnおよびFeからなる群より選択される少なくとも一種以上の遷移金属元素である)で表される、オリビン型構造のリチウム含有リン酸塩が挙げられる。かかるオリビン型リチウム含有リン酸塩の好適例として、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)、リン酸マンガンリチウム(LiMnPO4)などが例示される。電位は、凡そ3.2〜3.8V(対リチウム基準電極電位)を有する。
正極活物質より電位が低い自己犠牲型補助物質が用いられることにより、上記添加剤と自己犠牲型補助物質との酸化分解反応が、添加剤と正極活物質との反応より優先的に起こる。これにより、添加剤の大半は自己犠牲型補助物質によって分解され、正極活物質の表面に過剰の被膜が生成されることを抑制することができる。
Further, as a self-sacrificial auxiliary material capable of realizing the object of the present invention, a potential (specifically, a potential with respect to a lithium reference electrode) is higher than the potential (approximately 3.5 to 4.2 V) of the positive electrode active material listed above. Can be preferably used. For example, a lithium-containing phosphoric acid having an olivine structure represented by the general formula LiMPO 4 (wherein M is at least one transition metal element selected from the group consisting of Co, Ni, Mn, and Fe) Salt. Preferable examples of the olivine type lithium-containing phosphate include lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), lithium manganese phosphate (LiMnPO 4 ) and the like. The potential is approximately 3.2 to 3.8V (vs. lithium reference electrode potential).
By using a self-sacrificial auxiliary material having a lower potential than the positive electrode active material, the oxidative decomposition reaction between the additive and the self-sacrificial auxiliary material occurs preferentially over the reaction between the additive and the positive electrode active material. As a result, most of the additive is decomposed by the self-sacrificial auxiliary material, and it is possible to suppress the formation of an excessive film on the surface of the positive electrode active material.
上記正極活物質と上記自己犠牲補助物質との組み合わせに特に制限はないが、好適な組み合わせをいくつか例示する。例えば、層状構造のLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2を正極活物質として用い、オリビン構造のLiFePO4を自己犠牲型補助物質として用いた組み合わせが挙げられる。また、かかる組み合わせに限定されるものではなく、正極活物質層を構成する正極活物質と自己犠牲型補助物質との電位(対リチウム基準電極電位)の関係が、正極活物質>自己犠牲型補助物質を満たすものであれば制限されず、層状構造のリチウム遷移金属複合酸化物を自己犠牲型補助物質として用いてもよい。例えば、電位が高い(凡そ4.2V)スピネル構造のLiMn2O4を正極活物質として用い、それよりも電位が低い層状構造のLiNiO2を自己犠牲型補助物質として用いたものが挙げられる。 The combination of the positive electrode active material and the self-sacrificial auxiliary material is not particularly limited, but some suitable combinations are exemplified. For example, a combination using a layered structure of LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 as a positive electrode active material and a olivine-structured LiFePO 4 as a self-sacrificial auxiliary material may be mentioned. The combination of the positive electrode active material and the self-sacrificial auxiliary material constituting the positive electrode active material layer is not limited to such a combination. The lithium transition metal composite oxide having a layered structure may be used as a self-sacrificial auxiliary material as long as it satisfies the material. For example, one using LiMn 2 O 4 having a spinel structure with a high potential (approximately 4.2 V) as a positive electrode active material and using LiNiO 2 having a layered structure having a lower potential as a self-sacrificial auxiliary material can be given.
また、上記正極活物質層は、典型的には、その構成成分として、上記正極活物質および自己犠牲型補助物質の他に、導電材、結着材等の任意成分を必要に応じて含有し得る。導電材としては、カーボン粉末やカーボンファイバー等の導電性粉末材料が好ましく用いられる。カーボン粉末としては、種々のカーボンブラック、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、グラファイト粉末等が好ましい。また、炭素繊維、金属繊維などの導電性繊維類、銅、ニッケル等の金属粉末類およびポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料などを単独又はこれらの混合物として含ませることができる。なお、これらのうち一種のみを用いても、二種以上を併用してもよい。また、結着材としては、一般的なリチウム二次電池の正極に使用される結着材と同様のものを適宜採用することができ、上述の負極の構成要素で列挙した結着材として機能し得る各種のポリマー材料を好適に使用し得る。 Further, the positive electrode active material layer typically contains, as necessary, optional components such as a conductive material and a binder in addition to the positive electrode active material and the self-sacrificial auxiliary material. obtain. As the conductive material, a conductive powder material such as carbon powder or carbon fiber is preferably used. As the carbon powder, various carbon blacks such as acetylene black, furnace black, ketjen black, and graphite powder are preferable. In addition, conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers, metal powders such as copper and nickel, and organic conductive materials such as polyphenylene derivatives can be contained alone or as a mixture thereof. In addition, only 1 type may be used among these, or 2 or more types may be used together. In addition, as the binder, the same binder as that used for the positive electrode of a general lithium secondary battery can be adopted as appropriate, and functions as the binder listed in the above-described negative electrode components. Various polymer materials that can be used are preferably used.
次いで、上記リチウム二次電池の正極の作製方法について説明する。
まず、正極活物質および自己犠牲型補助物質を用意し、正極活物質と自己犠牲型補助物質との混合体を調製する。すなわち、ここで開示される正極活物質層は、正極活物質および自己犠牲型補助物質を含み、上述の負極と同様に、上記正極活物質の容量(A[mAh/cm2])と、上記自己犠牲型補助物質の容量(S[mAh/cm2])との容量比(A:S)が90:10〜97:3(好適には概ね94:6〜96:4)を満たすようにそれぞれ秤量する。そして、秤量した後、正極活物質と自己犠牲型補助物質との混合体を調製する。ここで開示される正極活物質層は、正極活物質の表面の少なくとも一部に自己犠牲型補助物質が付着した状態、あるいは正極活物質の表面に均一な層厚で自己犠牲型補助物質が被覆した状態を備えるように形成されるのが好ましい。よって、上記負極と同様の方法を用いて正極活物質と自己犠牲型補助物質との混合体を調製する。なお、正極活物質および自己犠牲型補助物質を含む限りにおいて、特に当該物質の層内での態様(配置)について制限されるものではないが、自己犠牲型補助物質が正極活物質の表面の少なくとも一部に付着(例えば島状に点在)した状態(図1参照)になるように上記混合体を調製すると、本発明の目的をより実現し得る好適な状態の正極活物質層を形成することができる。
Next, a method for manufacturing the positive electrode of the lithium secondary battery will be described.
First, a positive electrode active material and a self-sacrificial auxiliary material are prepared, and a mixture of the positive electrode active material and the self-sacrificial auxiliary material is prepared. That is, the positive electrode active material layer disclosed herein includes a positive electrode active material and a self-sacrificial auxiliary material. Similarly to the negative electrode, the positive electrode active material capacity (A [mAh / cm 2 ]) and the above The capacity ratio (A: S) with the capacity of the self-sacrificial auxiliary substance (S [mAh / cm 2 ]) satisfies 90:10 to 97: 3 (preferably approximately 94: 6 to 96: 4). Weigh each. Then, after weighing, a mixture of the positive electrode active material and the self-sacrificial auxiliary material is prepared. The positive electrode active material layer disclosed herein is a state in which a self-sacrificial auxiliary material is attached to at least a part of the surface of the positive electrode active material, or the surface of the positive electrode active material is coated with the self-sacrificial auxiliary material with a uniform layer thickness. It is preferable to be formed so as to have the above state. Therefore, a mixture of the positive electrode active material and the self-sacrificial auxiliary material is prepared using the same method as that for the negative electrode. In addition, as long as the positive electrode active material and the self-sacrificial auxiliary material are included, the aspect (arrangement) in the layer of the material is not particularly limited, but the self-sacrificial auxiliary material is at least on the surface of the positive electrode active material. When the above mixture is prepared so as to be partly attached (for example, scattered in an island shape) (see FIG. 1), a positive electrode active material layer in a suitable state capable of realizing the object of the present invention is formed. be able to.
次いで、上記調製した正極活物質と自己犠牲型補助物質との混合体を、導電材と結着材等と共に上記適当な溶媒(水系溶媒または非水系溶媒)で混合して、ペーストまたはスラリー状の正極活物質層形成用組成物(以下、「正極活物質層形成用ペースト」という)を調製する。各構成材料の配合比率は、例えば、正極活物質層に占める正極活物質と自己犠牲型補助物質との混合体の割合は、凡そ50質量%以上(典型的には50〜95質量%)であることが好ましく、凡そ70〜95質量%(例えば75〜90質量%)であることがより好ましい。また、正極活物質層に占める導電材の割合は、例えば凡そ2〜20質量%とすることができ、通常は凡そ2〜15質量%とすることが好ましい。さらに、結着材を使用する組成では、正極活物質層に占める結着材の割合を例えば凡そ1〜10質量%とすることができ、通常は凡そ2〜5質量%とすることが好ましい。こうして各構成材料を混合して調製したペーストを正極集電体32に塗布し、溶媒を揮発させて乾燥させた後、圧縮(プレス)する。これにより正極活物質層が正極集電体上に形成されたリチウム二次電池の正極が得られる。なお、塗布、乾燥および圧縮方法は、上述の正極の製造方法と同様に従来公知の手段を用いることができる。
Next, the prepared mixture of the positive electrode active material and the self-sacrificial auxiliary material is mixed with the appropriate solvent (aqueous solvent or non-aqueous solvent) together with the conductive material, the binder, and the like to form a paste or slurry. A composition for forming a positive electrode active material layer (hereinafter referred to as “positive electrode active material layer forming paste”) is prepared. The blending ratio of each constituent material is, for example, about 50% by mass or more (typically 50 to 95% by mass) of the mixture of the positive electrode active material and the self-sacrificial auxiliary material in the positive electrode active material layer. It is preferably about 70 to 95% by mass (for example, 75 to 90% by mass). The proportion of the conductive material in the positive electrode active material layer can be, for example, about 2 to 20% by mass, and preferably about 2 to 15% by mass. Furthermore, in the composition using the binder, the proportion of the binder in the positive electrode active material layer can be, for example, about 1 to 10% by mass, and usually about 2 to 5% by mass. The paste prepared by mixing the constituent materials in this way is applied to the positive electrode
以下、本発明に係るリチウム二次電池の一つの具体例として、捲回電極体を備える角型形状のリチウム二次電池について説明するが、本発明をかかる例に限定することを意図したものではない。また、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、電極体の構成および製造方法、セパレータの構成および製造方法、リチウム二次電池その他の電池の構築に係る一般的技術等)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。なお、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化することがある。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。 Hereinafter, as one specific example of the lithium secondary battery according to the present invention, a square-shaped lithium secondary battery including a wound electrode body will be described. However, the present invention is not intended to be limited to such an example. Absent. Further, matters other than the matters specifically mentioned in the present specification and matters necessary for carrying out the present invention (for example, the configuration and manufacturing method of the electrode body, the configuration and manufacturing method of the separator, the lithium secondary battery, etc. General techniques related to battery construction, etc.) can be grasped as design matters of those skilled in the art based on conventional techniques in the field. In addition, in the following drawings, the same code | symbol is attached | subjected to the member and site | part which show | plays the same effect | action, and the overlapping description may be abbreviate | omitted or simplified. In addition, the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each drawing do not reflect actual dimensional relationships.
図3は、一実施形態に係る角型形状のリチウム二次電池を模式的に示す斜視図であり、図4は、図3中のIV−IV線断面図である。また、図5は、電極体を捲回して作製する状態を模式的に示す斜視図である。
図3および図4に示されるように、本実施形態に係るリチウム二次電池100は、直方体形状の角型の電池ケース10と、該ケース10の開口部12を塞ぐ蓋体14とを備える。この開口部12より電池ケース10内部に扁平形状の電極体(捲回電極体20)及び電解質を収容することができる。また、蓋体14には、外部接続用の正極端子38と負極端子48とが設けられており、それら端子38,48の一部は蓋体14の表面側に突出している。また、外部端子38,48の一部はケース内部で内部正極端子37または内部負極端子47にそれぞれ接続されている。
FIG. 3 is a perspective view schematically showing a rectangular lithium secondary battery according to one embodiment, and FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV in FIG. FIG. 5 is a perspective view schematically showing a state in which the electrode body is wound and manufactured.
As shown in FIG. 3 and FIG. 4, the lithium
次に、図4および図5を参照し、本実施形態に係る捲回電極体20について説明する。図4に示されるように、捲回電極体20は、長尺状の正極集電体32の表面に正極活物質層34を有するシート状の正極シート30、長尺シート状のセパレータ50、長尺状の負極集電体42の表面に負極活物質層44を有するシート状の負極シート40とから構成される。そして、図5に示されるように、捲回軸方向Rの方向での断面視において、正極シート30及び負極シート40は、2枚のセパレータ50を介して積層されており、正極シート30、セパレータ50、負極シート40、セパレータ50の順に積層されている。該積層物は、軸芯(図示しない)の周囲に筒状に捲回され、得られた捲回電極体20を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって扁平形状に成形されている。
Next, the
また、図5に示されるように、本実施形態に係る捲回電極体20は、その捲回軸方向Rの中心部には、正極集電体32の表面上に形成された正極活物質層34と、負極集電体42の表面上に形成された負極活物質層44とが重なり合って密に積層された部分が形成されている。また、捲回軸方向Rに沿う方向での断面視において、該方向Rの一方の端部において、正極活物質層34が形成されずに正極集電体32の露出した部分(正極活物質層非形成部36)がセパレータ50および負極シート40(あるいは、正極活物質層34と負極活物質層44との密な積層部分)からはみ出た状態で積層されて構成されている。即ち、上記電極体20の端部には、正極集電体32における正極活物質層非形成部36が積層されて成る正極集電体積層部35が形成されている。また、電極体20の他方の端部も正極シート30と同様の構成であり、負極集電体42における負極活物質層非形成部46が積層されて、負極集電体積層部45が形成されている。
なお、セパレータ50は、ここでは正極活物質層34および負極活物質層44の積層部分の幅より大きく、該電極体20の幅より小さい幅を備えるセパレータが用いられ、正極集電体32と負極集電体42が互いに接触して内部短絡を生じさせないように正極活物質層34および負極活物質層44の積層部分に挟まれるように配されている。
Further, as shown in FIG. 5, the
Here, as the
セパレータ50は、正極シート30および負極シート40の間に介在するシートであって、正極シート30の正極活物質層34と、負極シート40の負極活物質層44にそれぞれ接するように配置される。そして、正極シート30と負極シート40における両活物質層34,44の接触に伴う短絡防止や、該セパレータ50の空孔内に電解質(非水電解液)を含浸させることにより電極間の伝導パス(導電経路)を形成する役割を担っている。
かかるセパレータ50の構成材料としては、樹脂からなる多孔性シート(微多孔質樹脂シート)を好ましく用いることができる。ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン等の多孔質ポリオレフィン系樹脂が特に好ましい。
The
As a constituent material of the
本実施形態に係るリチウム二次電池は、以下のように構築することができる。上記作製した正極活物質と自己犠牲型補助物質とを含む正極活物質層を有する正極(典型的には正極シート30)及び負極活物質と自己犠牲型補助物質とを含む負極活物質層を有する負極(典型的には負極シート40)を2枚のセパレータ50と共に積重ね合わせて捲回し、得られた捲回電極体20を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって扁平形状に成形する。そして、正極集電体32の正極活物質層非形成部36に内部正極端子37を、負極集電体42の負極活物質層非形成部46には内部負極端子47をそれぞれ超音波溶接、抵抗溶接等により接合し、上記扁平形状に形成された捲回電極体20の正極シート30または負極シート40と電気的に接続する。こうして得られた捲回電極体20を電池ケース10に収容した後、非水電解液を注入し、注入口を封止することによって、本実施形態のリチウム二次電池100を構築することができる。なお、電池ケース10の構造、大きさ、材料(例えば金属製またはラミネートフィルム製であり得る)、および正負極を主構成要素とする電極体の構造(例えば捲回構造や積層構造)等について特に制限はない。
The lithium secondary battery according to the present embodiment can be constructed as follows. It has the positive electrode (typically positive electrode sheet 30) which has the positive electrode active material layer containing the produced positive electrode active material and the self-sacrificial auxiliary material, and the negative electrode active material layer containing the negative electrode active material and the self-sacrificial auxiliary material. The negative electrode (typically, the negative electrode sheet 40) is stacked and wound together with the two
このようにして構築されたリチウム二次電池100は、上述したように、内部抵抗の上昇が抑制され、車両搭載用高出力電源として良好な電池特性(サイクル特性またはハイレート特性)を示すものであり得る。かかる特性により、本発明に係るリチウム二次電池100は、特に自動車等の車両に搭載されるモーター(電動機)用電源として好適に使用し得る。従って、図6に模式的に示すように、かかるリチウム二次電池100(当該リチウム二次電池100を複数個直列に接続して形成される組電池の形態であり得る。)を電源として備える車両(典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車)1を提供する。
As described above, the lithium
以下の試験例において、ここで開示されるリチウム二次電池(試験用電池)を構築し、その性能評価を行った。ただし、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。 In the following test examples, a lithium secondary battery (test battery) disclosed herein was constructed and its performance was evaluated. However, it is not intended to limit the present invention to those shown in the specific examples.
[リチウム二次電池の構築(1)]
以下のようにして、負極活物質層に自己犠牲補助物質を含む試験用リチウム二次電池を構築した。まず、負極活物質(グラファイト)および自己犠牲型補助物質(チタン酸リチウム)の混合体を、気相法(CVD法)、液相法、固相法によりそれぞれ調製した。なお、上記混合体は、いずれも負極活物質(グラファイト)および自己犠牲型補助物質(チタン酸リチウム)の容量比が95:5を満たすように調製した。
[Construction of lithium secondary battery (1)]
A test lithium secondary battery including a self-sacrificial auxiliary material in the negative electrode active material layer was constructed as follows. First, a mixture of a negative electrode active material (graphite) and a self-sacrificial auxiliary material (lithium titanate) was prepared by a gas phase method (CVD method), a liquid phase method, and a solid phase method, respectively. The above mixtures were prepared so that the volume ratio of the negative electrode active material (graphite) and the self-sacrificial auxiliary material (lithium titanate) satisfied 95: 5.
<負極活物質および自己犠牲型補助物質の混合体の調製:気相法(実施例1)>
負極活物質および自己犠牲型補助物質の混合体を気相法(CVD法)により調製した。すなわち、グラファイト(平均粒径10μm)を反応槽内に設置し、反応槽内の圧力(10−7Pa)および温度(300℃)を設定した。チタン原料としてのテトライソプロポキシチタネート(Ti[OCH(CH3)2]4)を300℃で加熱昇華し、リチウム原料としての硫酸リチウム(Li2SO4)を600℃で加熱昇華して原料ガスを調整し、キャリアガスである酸素を流しながら反応槽に導入した。そして、15時間の熱処理を行い、グラファイトの表面にチタン酸リチウムを成長させることにより混合体を調製した。
<Preparation of mixture of negative electrode active material and self-sacrificial auxiliary material: gas phase method (Example 1)>
A mixture of the negative electrode active material and the self-sacrificial auxiliary material was prepared by a vapor phase method (CVD method). That is, graphite (
<負極活物質および自己犠牲型補助物質の混合体の調製:液相法(実施例2)>
負極活物質および自己犠牲型補助物質の混合体を液相法(晶析法)により調製した。すなわち、炭酸アンモニウム水溶液((NH4)2SO4)にグラファイト(平均粒径10μm)を添加して攪拌した。そこに、塩化チタン(TiCl4)を投入し、反応温度25℃で攪拌してチタン酸原料液を用意した。原料液を十分に混合した後、60℃に加温し、水酸化リチウム(LiOH)を添加して混合することにより混合体を調製した。
<Preparation of Mixture of Negative Electrode Active Material and Self-Sacrificial Auxiliary Material: Liquid Phase Method (Example 2)>
A mixture of the negative electrode active material and the self-sacrificial auxiliary material was prepared by a liquid phase method (crystallization method). That is, graphite (
<負極活物質および自己犠牲型補助物質の混合体の調製:固相法(実施例3)>
負極活物質および自己犠牲型補助物質の混合体を固相法により調製した。すなわち、グラファイト(平均粒径10μm)およびチタン酸リチウムを攪拌槽に投入し、ボールミル装置を用いて攪拌することにより混合体を調製した。攪拌条件は、ボール充填率:30%、ボール径:Φ10、公転数:300rpm、攪拌時間:3時間とした。
<Preparation of mixture of negative electrode active material and self-sacrificial auxiliary material: solid phase method (Example 3)>
A mixture of a negative electrode active material and a self-sacrificial auxiliary material was prepared by a solid phase method. That is, graphite (average particle diameter: 10 μm) and lithium titanate were charged into a stirring tank, and the mixture was prepared by stirring using a ball mill apparatus. The stirring conditions were as follows: ball filling rate: 30%, ball diameter: Φ10, revolution number: 300 rpm, stirring time: 3 hours.
次に、リチウム二次電池の負極を作製した。すなわち、負極における負極活物質層を形成するにあたり負極活物質層形成用ペーストを調製した。該ペーストは、上記調製した混合体と、結着材としてのスチレンブタジエンブロック共重合体(SBR)と、カルボキシメチルセルロース(CMC)とを、これら材料の質量%比が98:1:1となるようにイオン交換水と混合することにより調製した。なお、負極活物質として、混合体の代わりに負極活物質としてグラファイトのみ(比較例1)またはチタン酸リチウムのみ(比較例2)を用いた負極活物質層形成用ペーストを同様にそれぞれ用意した。 Next, the negative electrode of the lithium secondary battery was produced. That is, when forming the negative electrode active material layer in the negative electrode, a negative electrode active material layer forming paste was prepared. The paste is prepared by mixing the prepared mixture, a styrene butadiene block copolymer (SBR) as a binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) with a mass% ratio of these materials of 98: 1: 1. Prepared by mixing with ion exchange water. In addition, the negative electrode active material layer formation paste which used only graphite (comparative example 1) or only lithium titanate (comparative example 2) as a negative electrode active material instead of the mixture as a negative electrode active material was prepared similarly.
グラファイトとチタン酸リチウムの混合体(実施例1:気相法、実施例2:液相法、実施例3:固相法)、グラファイトのみ(比較例1)、チタン酸リチウムのみ(比較例2)をそれぞれ用いて調製したペーストを、負極集電体としての銅箔(厚さ10μm)に単位面積あたりの負極活物質の被覆量が凡そ6.5mg/cm2になるように負極集電体の両面に塗布し乾燥させた。乾燥後、ローラプレス機にてシート状に引き伸ばすことにより厚さ凡そ60μmに成形し、負極活物質層が所定の幅を有するようにスリットして負極(負極シート)をそれぞれ作製した。
Mixture of graphite and lithium titanate (Example 1: Gas phase method, Example 2: Liquid phase method, Example 3: Solid phase method), Graphite only (Comparative Example 1), Lithium titanate only (Comparative Example 2) ) To a copper foil (
続いて、試験用リチウム二次電池の正極を作製した。すなわち、正極における正極活物質層を形成するにあたり正極活物質層形成用ペーストを調製した。該ペーストは、正極活物質としてのLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)と、カルボキシメチルセルロース(CMC)とを、これら材料の質量%比が87:10:3となるようにイオン交換水と混合することにより調製した。
次いで、正極集電体としてのアルミニウム箔(厚さ15μm)に単位面積あたりの正極活物質の被覆量が凡そ12mg/cm2になるように該正極活物質層形成用ペーストを正極集電体の両面に塗布し乾燥させた。乾燥後、ローラプレス機にてシート状に引き伸ばすことにより厚さ凡そ90μmに成形し、正極活物質層が所定の幅を有するようにスリットして正極(正極シート)を作製した。
Then, the positive electrode of the lithium secondary battery for a test was produced. That is, a positive electrode active material layer forming paste was prepared for forming the positive electrode active material layer in the positive electrode. The paste comprises LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 as a positive electrode active material, acetylene black (AB) as a conductive material, and carboxymethyl cellulose (CMC) in a mass% ratio of these materials. Was prepared by mixing with ion-exchanged water so that the ratio was 87: 10: 3.
Next, the positive electrode active material layer forming paste is applied to the positive electrode current collector so that the coverage of the positive electrode active material per unit area is about 12 mg / cm 2 on the aluminum foil (thickness 15 μm) as the positive electrode current collector. It was applied to both sides and dried. After drying, the sheet was stretched into a sheet shape with a roller press to form a thickness of about 90 μm, and slit so that the positive electrode active material layer had a predetermined width to produce a positive electrode (positive electrode sheet).
上記調製した正極シートと負極シートとを用いて試験用リチウム二次電池(ラミネートセル)を構築した。すなわち、正極シート(寸法(cm)概ね4.8×4.8)と、2枚の負極シート(寸法(cm)概ね5.0×5.0)を交互に積層し、両シートの間に2枚のポリプロピレン/ポリエチレン/ポリプロピレン製の三層フィルム(PP/PE/PPフィルム)セパレータを挿入して電極体を作製した。この電極体を非水電解液とともにラミネート製の電池容器に収容し、試験用リチウム二次電池を構築した。非水電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)との3:7(体積比)混合溶媒に、リチウム塩としての1mol/LのLiPF6(LPFO)と、添加剤としての0.05mol/LのLiPF2(C2O4)2を溶解させたものを用いた。 Using the prepared positive electrode sheet and negative electrode sheet, a test lithium secondary battery (laminate cell) was constructed. That is, positive electrode sheets (dimensions (cm) approximately 4.8 × 4.8) and two negative electrode sheets (dimensions (cm) approximately 5.0 × 5.0) are alternately laminated, and between the two sheets. Two polypropylene / polyethylene / polypropylene three-layer film (PP / PE / PP film) separators were inserted to produce an electrode body. This electrode body was housed in a laminated battery container together with a non-aqueous electrolyte, and a test lithium secondary battery was constructed. As the non-aqueous electrolyte, a 1: 7 (volume ratio) mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC), 1 mol / L LiPF 6 (LPFO) as a lithium salt, and an additive A solution in which 0.05 mol / L LiPF 2 (C 2 O 4 ) 2 was dissolved was used.
[充放電カーブ]
図7〜9は、上記構築した各リチウム二次電池の1サイクル目の充放電カーブを示す。図7はグラファイト(比較例1)の充放電カーブを示し、図8はチタン酸リチウム(比較例2)の充放電カーブを示し、図9はグラファイトとチタン酸リチウムの混合体(実施例1:気相法)の充放電カーブを示す。
これによると、図8に示されるように、チタン酸リチウム(比較例2)の充放電カーブは、1.5V(対リチウム基準電極電位:以下「対Li/Li+」と呼称する)付近の電位域でリチウムイオンを吸蔵放出し、非水電解液中の添加剤(LPFO)を分解することが確認される。しかしながら、グラファイトとチタン酸リチウムの混合体(実施例1:気相法)の充放電カーブは、図9に示されるように、1.5V(対Li/Li+)付近の電位域でチタン酸リチウムによる添加剤(LPFO)の分解が起こり、それ以下の電位ではグラファイト(比較例1)と同様の充放電カーブ(図7)を描くことが確認された。したがって、負極活物質としてのグラファイトと自己犠牲型補助物質としてのチタン酸リチウムの混合体を含む負極活物質層を有するリチウム二次電池では、チタン酸リチウムが非水電解液に含有する添加剤(LPFO)を分解する反応を生じていることが明らかとなった。
[Charge / discharge curve]
7 to 9 show the charge / discharge curves of the first cycle of the lithium secondary batteries constructed as described above. FIG. 7 shows a charge / discharge curve of graphite (Comparative Example 1), FIG. 8 shows a charge / discharge curve of lithium titanate (Comparative Example 2), and FIG. 9 shows a mixture of graphite and lithium titanate (Example 1: The gas-phase method charge / discharge curve is shown.
According to this, as shown in FIG. 8, the charge / discharge curve of lithium titanate (Comparative Example 2) is around 1.5 V (reference potential to lithium: hereinafter referred to as “vs Li / Li + ”). It is confirmed that lithium ions are occluded and released in the potential range and the additive (LPFO) in the non-aqueous electrolyte is decomposed. However, the charge / discharge curve of the mixture of graphite and lithium titanate (Example 1: vapor phase method) shows titanic acid in a potential range near 1.5 V (vs. Li / Li + ) as shown in FIG. It was confirmed that the additive (LPFO) was decomposed by lithium and a charge / discharge curve (FIG. 7) similar to that of graphite (Comparative Example 1) was drawn at a potential lower than that. Therefore, in a lithium secondary battery having a negative electrode active material layer containing a mixture of graphite as a negative electrode active material and lithium titanate as a self-sacrificial auxiliary material, an additive (non-aqueous electrolyte) containing lithium titanate ( It was revealed that a reaction for decomposing LPFO) occurred.
[電池特性評価]
次に、上記構築した各リチウム二次電池の出力特性を評価する指標として、温度条件0℃でパルス充放電によるサイクル試験をし、サイクル後の出力を測定した。すなわち、0℃の温度条件下にて、定電流定電圧(CC−CV)充電によって各電池をSOC60%の充電状態に調整した。その後、0℃の温度条件下にて、16〜20Cで10秒間のパルス充放電サイクルを500サイクル繰り返した。サイクル後、電池の容量維持率が99%以上の電流値を用いて出力を測定した。また、各電池の出力は、負極活物質としてグラファイト(比較例1)を用いたリチウム二次電池の出力測定値を100とした場合の出力比に換算した。その結果を図10に示す。
[Battery characteristics evaluation]
Next, as an index for evaluating the output characteristics of each lithium secondary battery constructed as described above, a cycle test by pulse charge / discharge was performed at a temperature condition of 0 ° C., and the output after the cycle was measured. That is, each battery was adjusted to a SOC 60% charge state by constant current constant voltage (CC-CV) charging under a temperature condition of 0 ° C. After that, under a temperature condition of 0 ° C., a pulse charge / discharge cycle of 10 seconds at 16 to 20 C was repeated 500 cycles. After the cycle, the output was measured using a current value at which the capacity retention rate of the battery was 99% or more. Moreover, the output of each battery was converted into the output ratio when the output measurement value of the lithium secondary battery using graphite (Comparative Example 1) as the negative electrode active material was 100. The result is shown in FIG.
図10は、各リチウム二次電池の出力を相対的に比較したグラフである。これによると、グラファイトとチタン酸リチウムの混合体(実施例1〜3)を用いて構築したリチウム二次電池の出力比は、グラファイトのみ(比較例1)を用いて構築したリチウム二次電池の出力比よりもいずれも高い値を示した。また、グラファイトとチタン酸リチウムの混合体は、実施例1:気相法、実施例2:液相法、および実施例3:固相法の順に出力比が低下した。
このことから、負極活物質としてのグラファイトと自己犠牲型補助物質としてのチタン酸リチウムの混合体を調製した場合、リチウム二次電池の出力を向上させることが確認された。
FIG. 10 is a graph that relatively compares the outputs of the respective lithium secondary batteries. According to this, the output ratio of the lithium secondary battery constructed using a mixture of graphite and lithium titanate (Examples 1 to 3) is the same as that of the lithium secondary battery constructed using only graphite (Comparative Example 1). Both values were higher than the output ratio. Moreover, the output ratio of the graphite / lithium titanate mixture decreased in the order of Example 1: gas phase method, Example 2: liquid phase method, and Example 3: solid phase method.
From this, it was confirmed that when a mixture of graphite as the negative electrode active material and lithium titanate as the self-sacrificial auxiliary material was prepared, the output of the lithium secondary battery was improved.
[リチウム二次電池の構築(2)]
次に、以下のようにして、正極活物質層に自己犠牲補助物質を含む試験用リチウム二次電池を構築した。まず、正極活物質(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)および自己犠牲型補助物質(LiFePO4)の混合体を、液相法、固相法によりそれぞれ調製した。なお、上記混合体は、いずれも正極活物質(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)および自己犠牲型補助物質(LiFePO4)の容量比が95:5を満たすように調製した。
[Construction of lithium secondary battery (2)]
Next, a test lithium secondary battery including a self-sacrificial auxiliary material in the positive electrode active material layer was constructed as follows. First, a mixture of a positive electrode active material (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ) and a self-sacrificial auxiliary material (LiFePO 4 ) was prepared by a liquid phase method and a solid phase method, respectively. The above mixtures were prepared so that the volume ratio of the positive electrode active material (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ) and the self-sacrificial auxiliary material (LiFePO 4 ) satisfied 95: 5. did.
<正極活物質および自己犠牲型補助物質の混合体の調製:液相法(実施例4)>
正極活物質および自己犠牲型補助物質の混合体を液相法により調製した。すなわち、シュウ酸鉄二水和物(FeC2O4・2H2O)と、リン酸二水素アンモニウム(NH4H2PO4)と、炭酸リチウム(Li2CO3)とを粉砕し混合した後、アセトンを添加し原料液を調製した。原料液を十分に混合した後、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2を加えてさらに混合し、700℃に加熱焼成して混合体を調製した。
<Preparation of Mixture of Positive Electrode Active Material and Self-Sacrificial Auxiliary Material: Liquid Phase Method (Example 4)>
A mixture of a positive electrode active material and a self-sacrificial auxiliary material was prepared by a liquid phase method. That is, after pulverizing and mixing iron oxalate dihydrate (FeC 2 O 4 .2H 2 O), ammonium dihydrogen phosphate (NH 4 H 2 PO 4 ), and lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) Acetone was added to prepare a raw material solution. After sufficiently mixing the raw material liquid, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 was added and further mixed, and heated and fired at 700 ° C. to prepare a mixture.
<正極活物質および自己犠牲型補助物質の混合体の調製:固相法(実施例5および6)>
正極活物質および自己犠牲型補助物質の混合体を固相法により調製した。すなわち、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2およびLiFePO4を攪拌槽に投入し、ボールミル装置を用いて攪拌することにより混合体を調製した。攪拌条件は、ボール充填率:30%、ボール径:Φ10、公転数:300rpm、攪拌時間:1.5時間(実施例5)、3時間(実施例6)とした。
<Preparation of Mixture of Positive Electrode Active Material and Self-Sacrificial Auxiliary Material: Solid Phase Method (Examples 5 and 6)>
A mixture of a positive electrode active material and a self-sacrificial auxiliary material was prepared by a solid phase method. That is, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 and LiFePO 4 and LiFePO 4 were put into a stirring tank and stirred using a ball mill apparatus to prepare a mixture. The stirring conditions were as follows: ball filling rate: 30%, ball diameter: Φ10, revolution number: 300 rpm, stirring time: 1.5 hours (Example 5), 3 hours (Example 6).
次に、リチウム二次電池の正極を作製した。すなわち、正極における正極活物質層を形成するにあたり正極活物質層形成用ペーストを調製した。該ペーストは、上記調製した混合体と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)と、カルボキシメチルセルロース(CMC)とを、これら材料の質量%比が87:10:3となるようにイオン交換水と混合することにより調製した。なお、なお、正極活物質として、混合体の代わりに正極活物質としてLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2のみ(比較例3)を用いた正極活物質層形成用ペーストを同様に用意した。 Next, the positive electrode of the lithium secondary battery was produced. That is, a positive electrode active material layer forming paste was prepared for forming the positive electrode active material layer in the positive electrode. The paste is prepared by mixing the prepared mixture, acetylene black (AB) as a conductive material, and carboxymethyl cellulose (CMC) with ion-exchanged water so that the mass% ratio of these materials is 87: 10: 3. Prepared by mixing. In addition, the positive electrode active material layer forming paste using only LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (Comparative Example 3) as the positive electrode active material instead of the mixture is the same as the positive electrode active material. Prepared.
LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2とLiFePO4の混合体(実施例4:液相法、実施例5:固相法、実施例6:固相法)、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2のみ(比較例3)をそれぞれ用いて調製したペーストを、正極集電体としてのアルミニウム箔(厚さ15μm)に単位面積あたりの正極活物質の被覆量が凡そ12mg/cm2になるように正極集電体の両面に塗布し乾燥させた。乾燥後、ローラプレス機にてシート状に引き伸ばすことにより厚さ凡そ90μmに成形し、正極活物質層が所定の幅を有するようにスリットして正極(正極シート)を作製した。 Mixture of LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 and LiFePO 4 (Example 4: Liquid phase method, Example 5: Solid phase method, Example 6: Solid phase method), LiNi 1/3 A paste prepared using only Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (Comparative Example 3) was applied to an aluminum foil (thickness: 15 μm) as a positive electrode current collector with a coating amount of the positive electrode active material per unit area. It apply | coated to both surfaces of the positive electrode electrical power collector so that it might become about 12 mg / cm < 2 >, and it was made to dry. After drying, the sheet was stretched into a sheet shape with a roller press to form a thickness of about 90 μm, and slit so that the positive electrode active material layer had a predetermined width to produce a positive electrode (positive electrode sheet).
続いて、試験用リチウム二次電池の負極を作製した。すなわち、負極における負極活物質層を形成するにあたり負極活物質層形成用ペーストを調製した。該ペーストは、負極活物質としてのグラファイトと、結着材としてのスチレンブタジエンブロック共重合体(SBR)と、カルボキシメチルセルロース(CMC)とを、これら材料の質量%比が98:1:1となるようにイオン交換水と混合することにより調製した。
次いで、上記調製したペーストを、負極集電体としての銅箔(厚さ10μm)に単位面積あたりの負極活物質の被覆量が凡そ6.5mg/cm2になるように負極集電体の両面に塗布し乾燥させた。乾燥後、ローラプレス機にてシート状に引き伸ばすことにより厚さ凡そ60μmに成形し、負極活物質層が所定の幅を有するようにスリットして負極(負極シート)をそれぞれ作製した。
Then, the negative electrode of the lithium secondary battery for a test was produced. That is, when forming the negative electrode active material layer in the negative electrode, a negative electrode active material layer forming paste was prepared. The paste comprises graphite as a negative electrode active material, styrene butadiene block copolymer (SBR) as a binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) in a mass% ratio of these materials of 98: 1: 1. It was prepared by mixing with ion exchange water.
Next, the prepared paste is applied to both sides of the negative electrode current collector so that the coating amount of the negative electrode active material per unit area is about 6.5 mg / cm 2 on the copper foil (
上記調製した正極シートと負極シートとを用いて試験用リチウム二次電池(ラミネートセル)を構築した。ただし、非水電解液として、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)との3:7(体積比)混合溶媒に、リチウム塩としての1mol/LのLiPF6と、添加剤としての0.02mol/Lのビニレンカーボネート(VC)を溶解させたものを用いた以外は、上述のリチウム二次電池の構築(1)と同様の手順で構築した。 Using the prepared positive electrode sheet and negative electrode sheet, a test lithium secondary battery (laminate cell) was constructed. However, as a non-aqueous electrolyte, a 1: 7 (volume ratio) mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC), 1 mol / L LiPF 6 as a lithium salt, and 0. The lithium secondary battery was constructed in the same procedure as the above-described construction (1) of the lithium secondary battery except that the one in which 02 mol / L vinylene carbonate (VC) was dissolved was used.
[充放電カーブ]
図11は、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2とLiFePO4の混合体(実施例5:固相法)を用いて構築したリチウム二次電池の1サイクル目の充放電カーブを示す。
図11に示されるように、3.25V(対Li/Li+)付近の電位域でLiFePO4による添加剤(VC)の分解が確認された。したがって、正極活物質としてのLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2と自己犠牲型補助物質としてのLiFePO4の混合体を含む正極活物質層を有するリチウム二次電池では、LiFePO4が非水電解液に含有する添加剤(VC)を分解する反応が生じていることが示された。
[Charge / discharge curve]
FIG. 11 shows a charge / discharge curve for the first cycle of a lithium secondary battery constructed using a mixture of LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 and LiFePO 4 (Example 5: solid phase method). Indicates.
As shown in FIG. 11, decomposition of the additive (VC) by LiFePO 4 was confirmed in a potential region near 3.25 V (vs. Li / Li + ). Therefore, in a lithium secondary battery having a positive electrode active material layer including a mixture of LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 as a positive electrode active material and LiFePO 4 as a self-sacrificial auxiliary material, LiFePO 4 It was shown that the reaction which decomposes | disassembles the additive (VC) contained in nonaqueous electrolyte solution has arisen.
[電池特性評価]
次に、上記構築した各リチウム二次電池の出力特性を評価する指標として、温度条件0℃でパルス充放電によるサイクル試験をし、サイクル後の出力を測定した。測定は上述の電池特性評価と同様の手段で行った。ただし、各電池の出力は、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2のみ(比較例3)を用いたリチウム二次電池の出力測定値を100とした場合の出力比に換算した。その結果を図12に示す。
[Battery characteristics evaluation]
Next, as an index for evaluating the output characteristics of each lithium secondary battery constructed as described above, a cycle test by pulse charge / discharge was performed at a temperature condition of 0 ° C., and the output after the cycle was measured. The measurement was performed by the same means as the battery characteristic evaluation described above. However, the output of each battery was converted into the output ratio when the output measurement value of the lithium secondary battery using only LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (Comparative Example 3) was 100. . The result is shown in FIG.
図12は、各リチウム二次電池の出力を相対的に比較したグラフである。これによると、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2とLiFePO4の混合体(実施例4〜6)を用いて構築したリチウム二次電池の出力比は、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2のみ(比較例3)を用いて構築したリチウム二次電池の出力比よりもいずれも高い値を示した。また、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2とLiFePO4の混合体(実施例5:固相法)、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2とLiFePO4の混合体(実施例6:固相法)、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2とLiFePO4の混合体(実施例4:液相法)の順に出力比が低下した。
このことから、正極活物質としてのLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2と自己犠牲型補助物質としてのLiFePO4の混合体を調製した場合、リチウム二次電池の出力を向上させることが確認された。
FIG. 12 is a graph that relatively compares the outputs of the respective lithium secondary batteries. According to this, the output ratio of the lithium secondary battery constructed using a mixture of LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 and LiFePO 4 (Examples 4 to 6) is LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 alone (Comparative Example 3) showed a value higher than the output ratio of the lithium secondary battery constructed. Also, a mixture of LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 and LiFePO 4 (Example 5: solid phase method), LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 and LiFePO 4 The output ratio decreased in the order of the mixture (Example 6: solid phase method) and the mixture of LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 and LiFePO 4 (Example 4: liquid phase method).
Therefore, when a mixture of LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 as the positive electrode active material and LiFePO 4 as the self-sacrificial auxiliary material is prepared, the output of the lithium secondary battery is improved. It was confirmed.
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。例えば、例えば、本発明は、上述した捲回型の電池に限られず、種々の形状のリチウム二次電池に適用することができる。また、該電池の大きさおよびその他の構成についても、用途(典型的には車載用)によって適切に変更することができる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated by suitable embodiment, such description is not a limitation matter and of course various modifications are possible. For example, the present invention is not limited to the above-described wound type battery, and can be applied to lithium secondary batteries having various shapes. Further, the size and other configurations of the battery can be appropriately changed depending on the application (typically for in-vehicle use).
本発明に係るリチウム二次電池は、上述したように優れた電池特性(サイクル特性またはハイレート特性)、特に低温パルス充放電条件下において良好な低温サイクル特性を示すため、自動車等の車両に搭載されるモーター(電動機)用電源として好適に使用し得る。したがって本発明は、図6に模式的に示すように、かかるリチウム二次電池(典型的には複数直列接続してなる組電池)100を電源として備える車両1(典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車)を提供する。 Since the lithium secondary battery according to the present invention exhibits excellent battery characteristics (cycle characteristics or high rate characteristics) as described above, particularly good low-temperature cycle characteristics under low-temperature pulse charge / discharge conditions, the lithium secondary battery is mounted on a vehicle such as an automobile. It can be suitably used as a power source for a motor (electric motor). Therefore, as schematically shown in FIG. 6, the present invention provides a vehicle 1 (typically an automobile, particularly a hybrid) provided with such a lithium secondary battery (typically, a battery pack formed by connecting a plurality of series batteries) 100 as a power source. Automobiles, electric vehicles, automobiles equipped with electric motors such as fuel cell vehicles).
1 車両
10 電池ケース
12 開口部
14 蓋体
20 捲回電極体
30 正極シート
32 正極集電体
34 正極活物質層
35 正極集電体積層部
36 正極活物質層非形成部
37 正極集電端子
38 外部正極集電端子
40 負極シート
42 負極集電体
44 負極活物質層
45 負極集電体積層部
46 負極活物質層非形成部
47 負極集電端子
48 外部負極集電端子
50 セパレータ
100 リチウム二次電池
440 負極活物質
442 自己犠牲型補助物質
R 捲回軸方向
DESCRIPTION OF
Claims (11)
負極活物質層を有する負極と、
電池の充放電に伴い正極側及び/又は負極側において酸化還元反応により分解し、該正極側及び/又は負極側の活物質の表面に被膜を生成する添加剤を少なくとも一種含有する非水電解液と、
を備えるリチウム二次電池であって、
前記正極活物質層と前記負極活物質層の少なくともいずれか一方において自己犠牲型補助物質を含んでおり、
前記自己犠牲型補助物質は、電池の充放電に伴った酸化還元反応により分解される前記添加剤と反応する物質であって、該反応によって前記正極側及び/又は負極側の活物質の表面に生成する被膜生成量の調節を可能とすることを特徴とする、リチウム二次電池。 A positive electrode having a positive electrode active material layer;
A negative electrode having a negative electrode active material layer;
Non-aqueous electrolyte containing at least one additive that decomposes by oxidation-reduction reaction on the positive electrode side and / or negative electrode side with charge / discharge of the battery and forms a film on the surface of the active material on the positive electrode side and / or negative electrode side When,
A lithium secondary battery comprising:
A self-sacrificial auxiliary material is included in at least one of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer;
The self-sacrificial auxiliary material is a material that reacts with the additive that is decomposed by a redox reaction associated with charging / discharging of the battery, and is caused on the surface of the active material on the positive electrode side and / or the negative electrode side by the reaction. A lithium secondary battery, characterized in that it enables adjustment of the amount of film produced.
A vehicle comprising the lithium secondary battery according to claim 1.
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