JP2011124052A - Nonaqueous electrolyte secondary battery and method for charging the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一般的には非水電解質二次電池およびその充電方法に関し、特定的には、スズ(Sn)を電極に用いた非水電解質二次電池およびその充電方法に関する。 The present invention generally relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery and a charging method thereof, and more particularly to a non-aqueous electrolyte secondary battery using tin (Sn) as an electrode and a charging method thereof.
携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ等の携帯用電子機器の市場拡大に伴い、これら電子機器のコードレス電源としてエネルギー密度が大きく長寿命の二次電池が待望されている。そして、このような要求に応えるべく、リチウムイオン等のアルカリ金属イオンを荷電担体とし、その電荷授受に伴う電気化学反応を利用した二次電池が開発されている。その中でも、エネルギー密度の大きなリチウムイオン二次電池は広く普及している。 With the expansion of the market for portable electronic devices such as mobile phones, notebook computers, and digital cameras, secondary batteries with high energy density and long life are expected as cordless power sources for these electronic devices. In order to meet such demands, secondary batteries have been developed that use an alkali metal ion such as lithium ion as a charge carrier and use an electrochemical reaction associated with charge exchange. Among them, lithium ion secondary batteries having a large energy density are widely used.
上記のリチウムイオン二次電池では、正極活物質としてコバルト酸リチウムやマンガン酸リチウムなどのリチウム含有遷移金属酸化物が使用されている。また、負極活物質として、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な炭素材料が使用されている。 In the above lithium ion secondary battery, a lithium-containing transition metal oxide such as lithium cobaltate or lithium manganate is used as the positive electrode active material. In addition, a carbon material capable of inserting and extracting lithium ions is used as the negative electrode active material.
ところで、携帯用電子機器の機能が多くなるに伴って、その消費電力が著しく増加している。この消費電力の増大に対応するために大容量のリチウムイオン二次電池が必要になってきている。しかしながら、上記のように負極活物質として炭素材料を用いている限り、リチウムイオン二次電池の大容量化には限界がある。 By the way, as the functions of portable electronic devices increase, the power consumption thereof has increased remarkably. In order to cope with this increase in power consumption, a large-capacity lithium ion secondary battery has become necessary. However, as long as the carbon material is used as the negative electrode active material as described above, there is a limit to increasing the capacity of the lithium ion secondary battery.
そこで、炭素の約2.7倍の理論エネルギー密度を有するスズ(Sn)またはスズ合金が負極活物質として検討されている。 Therefore, tin (Sn) or a tin alloy having a theoretical energy density about 2.7 times that of carbon has been studied as a negative electrode active material.
たとえば、特開2008−41347号公報(以下、特許文献1という)では、Cu箔またはCu合金箔からなる負極集電体の表面にSnめっきを施した後、所定の熱処理を施してSnめっきをCu−Sn合金化することにより、Cu−Sn合金層を形成してリチウムイオン二次電池用負極を製造する方法が提案されている。 For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-41347 (hereinafter referred to as Patent Document 1), Sn plating is performed on the surface of a negative electrode current collector made of Cu foil or Cu alloy foil, and then predetermined heat treatment is performed to perform Sn plating. A method for producing a negative electrode for a lithium ion secondary battery by forming a Cu—Sn alloy layer by forming a Cu—Sn alloy has been proposed.
特許文献1で作製されたCu−Sn合金層を負極として用いたリチウムイオン二次電池では、0.01〜1Vの範囲で充放電試験が行われている。しかしながら、充放電サイクルに伴う容量低下が大きくなるという問題がある。 In the lithium ion secondary battery using the Cu—Sn alloy layer produced in Patent Document 1 as a negative electrode, a charge / discharge test is performed in the range of 0.01 to 1V. However, there is a problem in that the capacity reduction associated with the charge / discharge cycle becomes large.
そこで、この発明の目的は、スズ(Sn)を含む材料を電極に用いた非水電解質二次電池において、充放電サイクルに伴う容量低下を小さくすることが可能な非水電解質二次電池とその充電方法を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is a nonaqueous electrolyte secondary battery using a material containing tin (Sn) as an electrode, and a nonaqueous electrolyte secondary battery capable of reducing a decrease in capacity caused by a charge / discharge cycle and its It is to provide a charging method.
本発明者は、従来技術の問題点を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、本発明者は、Snを含む材料からなる電極を使用する場合、上記の電極の電位がLi/Li+基準で0〜0.2V未満で、Snの剥離と脆化が急激に起こることが考えられ、0.2V以上の電位で充放電を繰り返すことにより、Snの剥離と脆化を抑制することができ、充放電サイクルによる容量低下を小さくすることができることを見出した。この知見に基づいて、本発明に従った非水電解質二次電池は、次のような特徴を備えている。 The present inventor has intensively studied to solve the problems of the prior art. As a result, when the inventor uses an electrode made of a material containing Sn, the potential of the electrode is less than 0 to 0.2 V on the basis of Li / Li + , and Sn peeling and embrittlement occur rapidly. Thus, it was found that by repeating charge and discharge at a potential of 0.2 V or higher, Sn peeling and embrittlement can be suppressed, and the capacity drop due to the charge and discharge cycle can be reduced. Based on this knowledge, the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention has the following characteristics.
本発明に従った非水電解質二次電池は、金属スズを電極に用いた非水電解質二次電池であって、充電時における電極の電位がLi/Li+基準で0.2V以上である。 The nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is a nonaqueous electrolyte secondary battery using metallic tin as an electrode, and the potential of the electrode at the time of charging is 0.2 V or more on the basis of Li / Li + .
また、本発明に従った非水電解質二次電池は、リチウムを含む物質を正極、金属スズを負極に用いた非水電解質二次電池であって、充電時における負極の電位がLi/Li+基準で0.2V以上である。 The nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is a nonaqueous electrolyte secondary battery using a lithium-containing substance as a positive electrode and metal tin as a negative electrode, and the potential of the negative electrode during charging is Li / Li +. The reference voltage is 0.2 V or higher.
本発明の非水電解質二次電池では、充電時の電位が0.2V以上であるので、充放電を繰り返しても、Snの剥離と脆化を抑制することができる。これにより、充放電サイクルによる容量低下を小さくすることができる。 In the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, since the potential at the time of charging is 0.2 V or more, even if charging and discharging are repeated, Sn peeling and embrittlement can be suppressed. Thereby, the capacity | capacitance fall by a charging / discharging cycle can be made small.
本発明の非水電解質二次電池において、リチウム遷移金属複合酸化物を正極に用いることが好ましい。 In the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, it is preferable to use a lithium transition metal composite oxide for the positive electrode.
上記の場合、リチウム遷移金属複合酸化物が組成式Li1+αNixMnyCozMeβO2(ただし、α、β、x、yおよびzは−1<α≦0.5、0≦β<0.3、0<x<1、0<y<1、0<z<1、x+y+z=1を満たし、MeはNi、Mn、Co以外の金属元素である)で表わされる層状岩塩構造を有する材料であることが好ましい。 In the above case, the lithium transition metal composite oxide has the composition formula Li 1 + α Ni x Mn y Co z Me β O 2 (where α, β, x, y, and z are −1 <α ≦ 0.5, 0 ≦ β <0.3, 0 <x <1, 0 <y <1, 0 <z <1, x + y + z = 1, Me is a metal element other than Ni, Mn, and Co). It is preferable that it is the material which has.
上記の場合、充電時における電池電圧が4.1V以下であることが好ましい。 In the above case, the battery voltage during charging is preferably 4.1 V or less.
本発明の非水電解質二次電池において、負極が、リチウムと合金化しない金属箔上に形成された金属スズであることが好ましい。 In the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the negative electrode is preferably metallic tin formed on a metal foil that is not alloyed with lithium.
上記の場合、負極が、銅箔上に形成された、密度が6g/cm3以上である金属スズであることが好ましい。 In the above case, the negative electrode is preferably metallic tin formed on a copper foil and having a density of 6 g / cm 3 or more.
本発明に従った非水電解質二次電池の充電方法は、リチウムを含む物質を正極、金属スズを負極に用いた非水電解質二次電池の充電方法であって、充電時における負極の電位がLi/Li+基準で0.2V以上である。 A non-aqueous electrolyte secondary battery charging method according to the present invention is a non-aqueous electrolyte secondary battery charging method using a lithium-containing substance as a positive electrode and metallic tin as a negative electrode. It is 0.2 V or more on the basis of Li / Li + .
本発明の非水電解質二次電池の充電方法において、リチウム遷移金属複合酸化物を正極に用いることが好ましい。なお、リチウム遷移金属複合酸化物が組成式Li1+αNixMnyCozMeβO2(ただし、α、β、x、yおよびzは−1<α≦0.5、0≦β<0.3、0<x<1、0<y<1、0<z<1、x+y+z=1を満たし、MeはNi、Mn、Co以外の金属元素である)で表わされる層状岩塩構造を有する材料を用いた場合、充電時における電池電圧が4.1V以下であることが好ましい。 In the method for charging a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, it is preferable to use a lithium transition metal composite oxide for the positive electrode. Note that the lithium transition metal composite oxide has the composition formula Li 1 + α Ni x Mn y Co z Me β O 2 (where α, β, x, y, and z are −1 <α ≦ 0.5, 0 ≦ β <0. .3, 0 <x <1, 0 <y <1, 0 <z <1, x + y + z = 1, and Me is a metal element other than Ni, Mn, and Co) When is used, it is preferable that the battery voltage during charging is 4.1 V or less.
本発明によれば、Snを含む材料を電極に用いた非水電解質二次電池において、充放電サイクルに伴う容量低下を小さくすることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the capacity | capacitance fall accompanying a charging / discharging cycle can be made small in the nonaqueous electrolyte secondary battery using the material containing Sn for an electrode.
本発明の非水電解質二次電池で用いられる電極(負極)は、リチウムと合金化しない金属箔上に形成された金属スズの一例としてスズの金属膜であることが好ましい。この場合、リチウムと合金化しない金属箔としては、銅(Cu)、ステンレス鋼、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)などを挙げることができる。リチウムと合金化しない金属箔として銅箔を用いる場合、スズの金属膜の密度が6g/cm3以上であることが好ましい。 The electrode (negative electrode) used in the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is preferably a tin metal film as an example of metal tin formed on a metal foil that is not alloyed with lithium. In this case, examples of the metal foil that is not alloyed with lithium include copper (Cu), stainless steel, titanium (Ti), molybdenum (Mo), nickel (Ni), and iron (Fe). When a copper foil is used as the metal foil that is not alloyed with lithium, the density of the tin metal film is preferably 6 g / cm 3 or more.
また、本発明の非水電解質二次電池では、充電時における電極(負極)の電位がLi/Li+基準で0.2V以上である。このため、充放電を繰り返しても、Snの剥離と脆化を抑制することができる。これにより、充放電サイクルによる容量低下を小さくすることができる。 In the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the potential of the electrode (negative electrode) during charging is 0.2 V or more on the basis of Li / Li + . For this reason, even if charging / discharging is repeated, Sn peeling and embrittlement can be suppressed. Thereby, the capacity | capacitance fall by a charging / discharging cycle can be made small.
さらに、本発明の非水電解質二次電池では、リチウムを含む物質を正極、金属スズを負極に用いることが好ましい。また、リチウム遷移金属複合酸化物を正極に用いることが好ましい。さらに、リチウム遷移金属複合酸化物が組成式Li1+αNixMnyCozMeβO2(ただし、α、β、x、yおよびzは−1<α≦0.5、0≦β<0.3、0<x<1、0<y<1、0<z<1、x+y+z=1を満たし、MeはNi、Mn、Co以外の金属元素である)で表わされる層状岩塩構造を有する材料を用いた場合、電池電圧が4.1V以下であることが好ましい。この場合、充放電を繰り返しても、Snの剥離と脆化を抑制することができ、さらに正極の劣化を抑制することが可能となる。これにより、充放電サイクルによる容量低下を小さくすることができる。 Furthermore, in the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, it is preferable to use a substance containing lithium for the positive electrode and metal tin for the negative electrode. Moreover, it is preferable to use a lithium transition metal complex oxide for the positive electrode. Further, the lithium transition metal composite oxide has the composition formula Li 1 + α Ni x Mn y Co z Me β O 2 (where α, β, x, y, and z are −1 <α ≦ 0.5, 0 ≦ β <0. .3, 0 <x <1, 0 <y <1, 0 <z <1, x + y + z = 1, and Me is a metal element other than Ni, Mn, and Co) When is used, the battery voltage is preferably 4.1 V or less. In this case, even if charge and discharge are repeated, it is possible to suppress Sn peeling and embrittlement, and to further suppress deterioration of the positive electrode. Thereby, the capacity | capacitance fall by a charging / discharging cycle can be made small.
次に、本発明の金属スズを負極に用いた場合の非水電解質二次電池の製造方法の一例を以下で詳細に説明する。 Next, an example of a method for producing a nonaqueous electrolyte secondary battery when the metal tin of the present invention is used for a negative electrode will be described in detail below.
まず、負極を形成する。たとえば、銅箔上にスズめっき膜を形成することにより、負極を形成する。 First, a negative electrode is formed. For example, a negative electrode is formed by forming a tin plating film on a copper foil.
次に、正極を形成する。例えば、正極活物質を導電助剤、及び結合剤と共に混合し、有機溶剤または水を加えて正極活物質スラリーとし、該正極活物質スラリーを電極集電体上に任意の塗工方法で塗工し、乾燥することにより正極を形成する。 Next, a positive electrode is formed. For example, a positive electrode active material is mixed with a conductive additive and a binder, an organic solvent or water is added to form a positive electrode active material slurry, and the positive electrode active material slurry is coated on the electrode current collector by an arbitrary coating method. And drying to form a positive electrode.
本発明において、正極活物質は特に限定されるものではなく、コバルト酸リチウム複合酸化物(LCO)、マンガン酸リチウム複合酸化物(LMO)、ニッケル酸リチウム複合酸化物(LNO)、リチウム−ニッケル−マンガン−コバルト複合酸化物(LNMCO)、リチウム−マンガン−ニッケル複合酸化物(LMNO)、リチウム−マンガン−コバルト複合酸化物(LMCO)、リチウム−ニッケル−コバルト複合酸化物(LNCO)等のリチウム遷移金属複合酸化物を用いることができる。たとえば、正極活物質として、組成式Li1+αNixMnyCozMeβO2(ただし、α、β、x、yおよびzは−1<α≦0.5、0≦β<0.3、0<x<1、0<y<1、0<z<1、x+y+z=1を満たし、MeはNi、Mn、Co以外の金属元素である)で表わされるリチウム遷移金属複合酸化物を用いることができる。さらに、正極活物質は、上記の材料を混合したものでもよい。正極活物質は、LiFePO4といったオリビン系材料でもよい。 In the present invention, the positive electrode active material is not particularly limited, and lithium cobaltate composite oxide (LCO), lithium manganate composite oxide (LMO), lithium nickelate composite oxide (LNO), lithium-nickel- Lithium transition metals such as manganese-cobalt composite oxide (LNMCO), lithium-manganese-nickel composite oxide (LMNO), lithium-manganese-cobalt composite oxide (LMCO), lithium-nickel-cobalt composite oxide (LNCO) A composite oxide can be used. For example, as the positive electrode active material, the composition formula Li 1 + α Ni x Mn y Co z Me β O 2 (where α, β, x, y, and z are −1 <α ≦ 0.5, 0 ≦ β <0.3, , 0 <x <1, 0 <y <1, 0 <z <1, x + y + z = 1, and Me is a metal element other than Ni, Mn, and Co). be able to. Further, the positive electrode active material may be a mixture of the above materials. The positive electrode active material may be an olivine-based material such as LiFePO 4 .
本発明において結合剤は特に限定されるものではなく、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンオキサイド、カルボキシメチルセルロース等の各種樹脂を使用することができる。 In the present invention, the binder is not particularly limited, and various resins such as polyethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polytetrafluoroethylene, polyethylene oxide, and carboxymethyl cellulose can be used.
また、有機溶剤についても、特に限定されるものではなく、例えば、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、γ−ブチロラクトン等の塩基性溶媒、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、ニトロベンゼン、アセトン等の非水溶媒、メタノール、エタノール等のプロトン性溶媒等を使用することができる。また、有機溶剤の種類、有機化合物と有機溶剤との配合比、添加剤の種類とその添加量等は、二次電池の要求特性や生産性等を考慮し、任意に設定することができる。 The organic solvent is not particularly limited, and examples thereof include basic solvents such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, N-methylpyrrolidone, propylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, and γ-butyrolactone, acetonitrile, tetrahydrofuran, Nonaqueous solvents such as nitrobenzene and acetone, and protic solvents such as methanol and ethanol can be used. Moreover, the kind of organic solvent, the compounding ratio of the organic compound and the organic solvent, the kind of additive and the amount of addition thereof, and the like can be arbitrarily set in consideration of the required characteristics and productivity of the secondary battery.
次いで、図1に示すように、上記で得られた正極14を電解質に含浸させることにより、この正極14に電解質を染み込ませた後、正極端子を兼ねたケース11の底部中央の正極集電体上に正極14を載置する。その後、電解質を含浸させたセパレータ16を正極14上に積層し、さらに負極15と集電板17を順次積層し、内部空間に電解質を注入する。そして、集電板17上に金属製のばね部材18を載置すると共に、ガスケット13を周縁に配し、かしめ機等で負極端子を兼ねた封口板12をケース11に固着して外装封止することによってコイン型非水電解質二次電池1が作製される。
Next, as shown in FIG. 1, the
なお、電解質は、正極14と対向電極である負極15との間に介在して両電極間の荷電担体輸送を行う。このような電解質としては、室温で10−5〜10−1S/cmのイオン伝導度を有するものを使用することができる。例えば、電解質塩を有機溶剤に溶解させた電解液を使用することができる。ここで、電解質塩としては、例えば、LiPF6、LiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N、Li(CF3SO2)3C、Li(C2F5SO2)3C等を単独で用いることができ、または、2種以上組み合わせて用いることができる。
The electrolyte is interposed between the
上記の有機溶剤としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、γ‐ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、スルホラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン等を使用することができる。 As the organic solvent, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, dioxolane, sulfolane, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, etc. are used. be able to.
また、電解質には、固体電解質を使用してもよい。固体電解質に用いられる高分子化合物としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン共重合体、フッ化ビニリデン−モノフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン三元共重合体等のフッ化ビニリデン系重合体、アクリロニトリル−メチルメタクリレート共重合体、アクリロニトリル−メチルアクリレート共重合体、アクリロニトリル−エチルメタクリレート共重合体、アクリロニトリル−エチルアクリレート共重合体、アクリロニトリル−メタクリル酸共重合体、アクリロニトリル−アクリル酸共重合体、アクリロニトリル−ビニルアセテート共重合体等のアクリルニトリル系重合体、さらにはポリエチレンオキサイド、エチレンオキサイド−プロピレンオキサイド共重合体、及びこれらのアクリレート体やメタクリレート体の重合体等を挙げることができる。また、これらの高分子化合物に電解液を含ませてゲル状にしたものを電解質として使用してもよい。あるいは電解質塩を含有させた高分子化合物のみをそのまま電解質に使用してもよい。なお、電解質として、Li2S−P2S5系、Li2S−B2S3系、Li2S−SiS2系に代表される硫化物ガラスなどの無機固体電解質を用いてもよい。 Moreover, you may use a solid electrolyte for electrolyte. Examples of the polymer compound used in the solid electrolyte include polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-ethylene copolymer, vinylidene fluoride-monofluoroethylene copolymer, and fluoride. Vinylidene fluoride-based polymers such as vinylidene-trifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene terpolymer, and acrylonitrile-methyl methacrylate copolymer Polymer, acrylonitrile-methyl acrylate copolymer, acrylonitrile-ethyl methacrylate copolymer, acrylonitrile-ethyl acrylate copolymer, acrylonitrile-methacrylic acid copolymer, acrylonitrile-acrylic Acrylic nitrile polymers such as formic acid copolymer, acrylonitrile-vinyl acetate copolymer, polyethylene oxide, ethylene oxide-propylene oxide copolymer, and polymers of these acrylates and methacrylates. Can do. Moreover, you may use what made these polymer compounds contain electrolyte solution and made it gelatinous as electrolyte. Alternatively, only a polymer compound containing an electrolyte salt may be used as an electrolyte as it is. An inorganic solid electrolyte such as sulfide glass represented by Li 2 S—P 2 S 5 system, Li 2 S—B 2 S 3 system, and Li 2 S—SiS 2 system may be used as the electrolyte.
セパレータとしては、特に限定されるべきものではなく、従来から公知のものを用いることができる。なお、本発明においては、セパレータは、その名称によって限定されるべきものではなく、セパレータの代わりにセパレータとしての機能(役割)を有するような固体電解質やゲル状電解質を用いてもよい。また、アルミナやジルコニアなどの無機材料を含有させたセパレータを用いてもよい。 The separator is not particularly limited, and conventionally known separators can be used. In the present invention, the separator is not limited by its name, and a solid electrolyte or gel electrolyte having a function (role) as a separator may be used instead of the separator. Further, a separator containing an inorganic material such as alumina or zirconia may be used.
上記の実施の形態では、コイン型二次電池について説明したが、電池形状は特に限定されるものでないのはいうまでもなく、円筒型、角型、シート型等にも適用できる。また、外装方法も特に限定されず、金属ケースや、モールド樹脂、アルミラミネートフイルム等を使用してもよい。 In the above embodiment, the coin-type secondary battery has been described. However, the battery shape is not particularly limited, and can be applied to a cylindrical type, a square type, a sheet type, and the like. Also, the exterior method is not particularly limited, and a metal case, mold resin, aluminum laminate film, or the like may be used.
なお、本発明でいう「非水電解質二次電池」は、電圧を検出する機構や充放電を制御する機能を設けた電池パック、充放電を制御する機能を搭載した充電器等を含めた電池システムも意味する。 The “non-aqueous electrolyte secondary battery” in the present invention is a battery including a battery pack provided with a mechanism for detecting voltage, a function for controlling charge / discharge, a charger equipped with a function for controlling charge / discharge, and the like. System also means.
次に、本発明の実施例を具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は一例であり、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。 Next, examples of the present invention will be specifically described. In addition, the Example shown below is an example and this invention is not limited to the following Example.
以下、金属スズを電極(負極)に用いたコイン型非水電解質二次電池の実施例1〜5と比較例1について説明する。 Hereinafter, Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 of a coin-type nonaqueous electrolyte secondary battery using metal tin as an electrode (negative electrode) will be described.
(実施例1)
金属スズを電極(負極)として用いて、図1に示すようなコイン型非水電解質二次電池を作製した。
Example 1
A coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery as shown in FIG. 1 was produced using metallic tin as an electrode (negative electrode).
図1に示すように、コイン型非水電解質二次電池1は、正極端子を兼ねたケース11と、負極端子を兼ねた封口板12と、ケース11と封口板12とを絶縁するガスケット13と、正極14と、負極15と、正極14と負極15との間に介在したセパレータ16と、負極15の上に配置された集電板17と、集電板17と封口板12との間に配置されたばね部材18とから構成され、ケース11の内部には電解液が充填されている。
As shown in FIG. 1, a coin-type nonaqueous electrolyte secondary battery 1 includes a
具体的には、電解めっきにより、厚みが10μmの銅箔上にスズめっき膜を5μmの厚みで形成した。この銅箔を直径14mmの円形に打ち抜くことにより、負極(評価用電極)15を作製した。正極(対極)14には金属リチウムを用いた。電解液としては、炭酸エチレンと炭酸ジエチルを重量比で3:7で混合した溶媒に、溶媒1リットル当り1モルの6フッ化燐酸リチウムを溶解した有機電解液を用いた。セパレータ16としてポリエチレン多孔膜を用いた。このようにして、直径が20mm、厚みが3.2mmのコイン型非水電解質二次電池1を作製した。
Specifically, a tin plating film having a thickness of 5 μm was formed on a copper foil having a thickness of 10 μm by electrolytic plating. This copper foil was punched out into a circle having a diameter of 14 mm to produce a negative electrode (evaluation electrode) 15. Metal lithium was used for the positive electrode (counter electrode) 14. As the electrolytic solution, an organic electrolytic solution in which 1 mole of lithium hexafluorophosphate was dissolved per liter of the solvent in a solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a weight ratio of 3: 7 was used. A polyethylene porous membrane was used as the
以上のようにして作製されたコイン型非水電解質二次電池1を用いて充放電サイクル試験を行った。具体的には、0.1mAの電流値で、0.2Vから1.0Vの電圧範囲で1回充放電を行い、安定化させた後、0.2mAの電流値で、0.2Vから1.0Vの電圧範囲で充放電を10回繰り返してサイクル試験を行った。なお、ここでは、負極15の材料として用いられたスズめっき膜に対してリチウムを挿入することによって電池電圧が低下する場合を充電と定義した。
A charge / discharge cycle test was performed using the coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery 1 manufactured as described above. Specifically, after charging and discharging once in a voltage range of 0.2 V to 1.0 V at a current value of 0.1 mA and stabilizing, 0.2 mA to 1 at a current value of 0.2 mA. A cycle test was conducted by repeating charge and discharge 10 times in a voltage range of 0.0V. Here, the case where the battery voltage is reduced by inserting lithium into the tin plating film used as the material of the
図2に示すように、このサイクル試験の結果、初回の充電容量がスズ(Sn)の重量当たり559mAh/g、初回の放電容量がSnの重量当たり558mAh/gであり、10回目の充電容量がSnの重量当たり564mAh/g、10回目の放電容量がSnの重量当たり554mAh/gであることがわかる。したがって、容量低下が少ない良好な充放電サイクル性能が得られた。 As shown in FIG. 2, as a result of this cycle test, the initial charge capacity is 559 mAh / g per weight of tin (Sn), and the initial discharge capacity is 558 mAh / g per weight of Sn. It can be seen that the discharge capacity at the 10th time is 554 mAh / g per Sn weight and 564 mAh / g per Sn weight. Therefore, good charge / discharge cycle performance with little capacity reduction was obtained.
また、Snめっき膜の密度は6.5g/cm3であった。この値から算出されるSnの体積当たりの充放電容量は、初回の充電容量が3634mAh/cm3、初回の放電容量が3627mAh/cm3と高い値を示した。 Further, the density of the Sn plating film was 6.5 g / cm 3 . Discharge capacity per volume of Sn calculated from this value, the charge capacity of the first-time 3634mAh / cm 3, the initial discharge capacity showed a high value and 3627mAh / cm 3.
以上のことから、本発明の実施例1として作製されたコイン型非水電解質二次電池1では、充放電サイクルによる容量低下を抑制できることがわかる。 From the above, it can be seen that in the coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery 1 manufactured as Example 1 of the present invention, capacity reduction due to charge / discharge cycles can be suppressed.
(実施例2)
充放電サイクル試験時の充放電範囲を0.3Vから1.0Vとした以外は、実施例1と同様にしてコイン型非水電解質二次電池1を作製し、作製されたコイン型非水電解質二次電池1を用いて充放電サイクル試験を行った。
(Example 2)
A coin-type nonaqueous electrolyte secondary battery 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the charge / discharge range during the charge / discharge cycle test was changed from 0.3 V to 1.0 V. A charge / discharge cycle test was performed using the secondary battery 1.
図2に示すように、このサイクル試験の結果、初回の充電容量がSnの重量当たり521mAh/g、初回の放電容量がSnの重量当たり515mAh/gであり、10回目の充電容量がSnの重量当たり525mAh/g、10回目の放電容量がSnの重量当たり510mAh/gであることがわかる。したがって、容量低下が少ない良好な充放電サイクル性能が得られた。 As shown in FIG. 2, as a result of this cycle test, the initial charge capacity was 521 mAh / g per Sn weight, the first discharge capacity was 515 mAh / g per Sn weight, and the 10th charge capacity was Sn weight. It can be seen that the discharge capacity at the 10th time is 525 mAh / g per weight and 510 mAh / g per weight of Sn. Therefore, good charge / discharge cycle performance with little capacity reduction was obtained.
また、Snめっき膜の密度は6.5g/cm3であった。この値から算出されるSnの体積当たりの充放電容量は、初回の充電容量が3387mAh/cm3、初回の放電容量が3348mAh/cm3と高い値を示した。 Further, the density of the Sn plating film was 6.5 g / cm 3 . Discharge capacity per volume of Sn calculated from this value, the charge capacity of the first-time 3387mAh / cm 3, the initial discharge capacity showed a high value and 3348mAh / cm 3.
以上のことから、本発明の実施例2として作製されたコイン型非水電解質二次電池1では、充放電サイクルによる容量低下を抑制できることがわかる。 From the above, it can be seen that in the coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery 1 manufactured as Example 2 of the present invention, capacity reduction due to charge / discharge cycles can be suppressed.
(比較例1)
充放電サイクル試験時の充放電範囲を0.1Vから1.0Vとした以外は、実施例1と同様にしてコイン型非水電解質二次電池1を作製し、作製されたコイン型非水電解質二次電池1を用いて充放電サイクル試験を行った。
(Comparative Example 1)
A coin-type nonaqueous electrolyte secondary battery 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the charge / discharge range during the charge / discharge cycle test was changed from 0.1 V to 1.0 V. A charge / discharge cycle test was performed using the secondary battery 1.
図2に示すように、このサイクル試験の結果、実施例1、2と比較して、初回の充電容量がSnの重量当たり680mAh/gと増加したが、初回の放電容量がSnの重量当たり430mAh/gであり、3回目の充電容量がSnの重量当たり208mAh/g、3回目の放電容量がSnの重量当たり88mAh/gと大きく容量が低下した。 As shown in FIG. 2, as a result of this cycle test, the initial charge capacity increased to 680 mAh / g per Sn weight as compared with Examples 1 and 2, but the initial discharge capacity was 430 mAh per Sn weight. The charge capacity at the third time was 208 mAh / g per Sn weight, and the discharge capacity at the third time was as large as 88 mAh / g per Sn weight.
(実施例3)
電解メッキにより厚みが10μmの銅箔上にスズめっき膜を6μmの厚みで形成した。この銅箔を直径14mmの円形に打ち抜くことにより、負極15を作製した。
(Example 3)
A tin plating film having a thickness of 6 μm was formed on a copper foil having a thickness of 10 μm by electrolytic plating. The copper foil was punched out into a circle having a diameter of 14 mm to produce a
正極14は以下のようにして作製した。まず、Li(Ni0.8Co0.2)O2で示されるリチウムニッケルコバルト複合酸化物とアセチレンブラックとポリフッ化ビニリデンとを重量比で85:7.5:7.5となるように秤量し、これらとNメチルピロリドンとを、回転羽根式撹拌装置を用いて混合して電極スラリーを作製した。この電極スラリーをドクターブレード法により厚みが20μmのアルミニウム集電箔上に均一に塗布し、140℃の温度に加熱することによってNメチルピロリドンを揮発させて乾燥させた。その後、電極スラリーが塗布されたアルミニウム集電箔をロールプレスすることにより、合材シートを作製した。この合材シートを直径が12mmの円形に打ち抜くことにより、正極14を作製した。
The
ここで、単位面積あたりの電極重量(アルミニウム集電箔、銅箔の重量を除く)は正極14が6.3mg/cm2、負極15が4.0mg/cm2であり、電極密度は(アルミニウム集電箔、銅箔の重量を除く)は正極14が2.8g/cm3、負極15が6.7g/cm3であった。
Here, the electrode weight per unit area (aluminum collector foil, excluding the weight of the copper foil) is
電解液としては、炭酸エチレンと炭酸ジエチルを重量比で3:7で混合した溶媒に、溶媒1リットル当り1モルの6フッ化燐酸リチウムを溶解した有機電解液を用いた。セパレータ16としてポリエチレン多孔膜を用いた。このようにして、直径が20mm、厚みが3.2mmのコイン型非水電解質二次電池1を作製した。
As the electrolytic solution, an organic electrolytic solution in which 1 mol of lithium hexafluorophosphate was dissolved per liter of the solvent in a solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a weight ratio of 3: 7 was used. A polyethylene porous membrane was used as the
以上のようにして作製されたコイン型非水電解質二次電池1を用いて充放電サイクル試験を行った。具体的には、0.2mAの電流値で、3.0Vから4.1Vの電圧範囲で3回充放電を行い、安定化させた後、0.4mAの電流値で、3.0Vから4.1Vの電圧範囲で充放電を20回繰り返してサイクル試験を行った。なお、ここでは、電池電圧が上昇する方向に電流を流した場合を充電、その反対を放電と定義した。 A charge / discharge cycle test was performed using the coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery 1 manufactured as described above. Specifically, after charging and discharging three times in a voltage range of 3.0 V to 4.1 V at a current value of 0.2 mA and stabilizing, a current value of 0.4 mA is set to 3.0 V to 4 A cycle test was performed by repeating charge and discharge 20 times in a voltage range of 1 V. Here, the case where a current is passed in the direction in which the battery voltage increases is defined as charging, and the opposite is defined as discharging.
図3に示すように、このサイクル試験の結果、初回の放電容量が545μAh、20回目の放電容量が531μAhであることがわかる。したがって、容量低下が少ない良好な充放電サイクル性能が得られた。 As shown in FIG. 3, as a result of this cycle test, it can be seen that the initial discharge capacity is 545 μAh and the 20th discharge capacity is 531 μAh. Therefore, good charge / discharge cycle performance with little capacity reduction was obtained.
以上のことから、本発明の実施例3として作製されたコイン型非水電解質二次電池1では、充放電サイクルによる容量低下を抑制できることがわかる。 From the above, it can be seen that in the coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery 1 manufactured as Example 3 of the present invention, capacity reduction due to charge / discharge cycles can be suppressed.
(実施例4)
電解メッキにより厚みが10μmの銅箔上にスズめっき膜を6μmの厚みで形成した。この銅箔を直径14mmの円形に打ち抜くことにより、負極15を作製した。
Example 4
A tin plating film having a thickness of 6 μm was formed on a copper foil having a thickness of 10 μm by electrolytic plating. The copper foil was punched out into a circle having a diameter of 14 mm to produce a
正極14は以下のようにして作製した。まず、Li(Ni0.34Mn0.33Co0.33)O2で示されるリチウムニッケルコバルト複合酸化物とアセチレンブラックとポリフッ化ビニリデンとを重量比で85:7.5:7.5となるように秤量し、これらとNメチルピロリドンとを、回転羽根式撹拌装置を用いて混合して電極スラリーを作製した。この電極スラリーをドクターブレード法により厚みが20μmのアルミニウム集電箔上に均一に塗布し、140℃の温度に加熱することによってNメチルピロリドンを揮発させて乾燥させた。その後、電極スラリーが塗布されたアルミニウム集電箔をロールプレスすることにより、合材シートを作製した。この合材シートを直径が12mmの円形に打ち抜くことにより、正極14を作製した。
The
ここで、単位面積あたりの電極重量(アルミニウム集電箔、銅箔の重量を除く)は正極14が7.7mg/cm2、負極15が4.0mg/cm2であり、電極密度は(アルミニウム集電箔、銅箔の重量を除く)は正極14が2.8g/cm3、負極15が6.7g/cm3であった。
Here, the electrode weight per unit area (aluminum collector foil, excluding the weight of the copper foil) is
電解液としては、炭酸エチレンと炭酸ジエチルを重量比で3:7で混合した溶媒に、溶媒1リットル当り1モルの6フッ化燐酸リチウムを溶解した有機電解液を用いた。セパレータ16としてポリエチレン多孔膜を用いた。このようにして、直径が20mm、厚みが3.2mmのコイン型非水電解質二次電池1を作製した。
As the electrolytic solution, an organic electrolytic solution in which 1 mol of lithium hexafluorophosphate was dissolved per liter of the solvent in a solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a weight ratio of 3: 7 was used. A polyethylene porous membrane was used as the
以上のようにして作製されたコイン型非水電解質二次電池1を用いて充放電サイクル試験を行った。具体的には、0.2mAの電流値で、3.0Vから4.1Vの電圧範囲で3回充放電を行い、安定化させた後、0.4mAの電流値で、3.0Vから4.1Vの電圧範囲で充放電を20回繰り返してサイクル試験を行った。なお、ここでは、電池電圧が上昇する方向に電流を流した場合を充電、その反対を放電と定義した。 A charge / discharge cycle test was performed using the coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery 1 manufactured as described above. Specifically, after charging and discharging three times in a voltage range of 3.0 V to 4.1 V at a current value of 0.2 mA and stabilizing, a current value of 0.4 mA is set to 3.0 V to 4 A cycle test was performed by repeating charge and discharge 20 times in a voltage range of 1 V. Here, the case where a current is passed in the direction in which the battery voltage increases is defined as charging, and the opposite is defined as discharging.
図3に示すように、このサイクル試験の結果、初回の放電容量が562μAh、20回目の放電容量が554μAhであることがわかる。したがって、容量低下が少ない良好な充放電サイクル性能が得られた。 As shown in FIG. 3, as a result of this cycle test, it can be seen that the initial discharge capacity is 562 μAh and the 20th discharge capacity is 554 μAh. Therefore, good charge / discharge cycle performance with little capacity reduction was obtained.
以上のことから、本発明の実施例4として作製されたコイン型非水電解質二次電池1では、充放電サイクルによる容量低下を抑制できることがわかる。 From the above, it can be seen that in the coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery 1 manufactured as Example 4 of the present invention, capacity reduction due to charge / discharge cycles can be suppressed.
(実施例5)
充放電サイクル試験時の充放電範囲を3.0Vから4.2Vとした以外は、実施例3と同様にしてコイン型非水電解質二次電池1を作製し、作製されたコイン型非水電解質二次電池1を用いて充放電サイクル試験を行った。
(Example 5)
The coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery 1 was produced in the same manner as in Example 3 except that the charge / discharge range during the charge-discharge cycle test was changed from 3.0 V to 4.2 V. A charge / discharge cycle test was performed using the secondary battery 1.
図3に示すように、このサイクル試験の結果、実施例3、4と比較して、初回の放電容量が580μAhと増加したが、20回目の放電容量が524μAhとなり、大きく容量が低下した。しかし、実施例5では、比較例1と比べて容量低下は抑制された。これらのことから、正極材料にLi(Ni0.8Co0.2)O2で示されるようなリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物を使用した場合、電池電圧を4.1V以下とすることで、容量低下をさらに抑制できることがわかる。 As shown in FIG. 3, as a result of this cycle test, the initial discharge capacity increased to 580 μAh as compared with Examples 3 and 4, but the 20th discharge capacity became 524 μAh, and the capacity was greatly reduced. However, in Example 5, the capacity reduction was suppressed as compared with Comparative Example 1. From these things, when the lithium nickel manganese cobalt composite oxide as shown by Li (Ni 0.8 Co 0.2 ) O 2 is used as the positive electrode material, the battery voltage is set to 4.1 V or less. It turns out that a capacity | capacitance fall can be suppressed further.
今回開示された実施の形態と実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は以上の実施の形態と実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものであることが意図される。 It should be considered that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is shown not by the above embodiments and examples but by the scope of claims, and is intended to include all modifications and variations within the meaning and scope equivalent to the scope of claims. .
本発明によれば、Snを含む材料を電極に用いた非水電解質二次電池において、充放電サイクルに伴う容量低下を小さくすることができるので、たとえば、消費電力の増大に対応するために大容量のリチウムイオン二次電池を実現することができる。 According to the present invention, in a non-aqueous electrolyte secondary battery using a material containing Sn as an electrode, the capacity drop associated with the charge / discharge cycle can be reduced. A lithium ion secondary battery having a capacity can be realized.
1:コイン型非水電解質二次電池、11:ケース、12:封口板、13:ガスケット、14:正極、15:負極、16:セパレータ、17:集電板、18:ばね部材。
1: Coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery, 11: case, 12: sealing plate, 13: gasket, 14: positive electrode, 15: negative electrode, 16: separator, 17: current collector plate, 18: spring member.
Claims (9)
充電時における前記電極の電位がLi/Li+基準で0.2V以上である、非水電解質二次電池。 A nonaqueous electrolyte secondary battery using metallic tin as an electrode,
A nonaqueous electrolyte secondary battery in which the potential of the electrode during charging is 0.2 V or more on the basis of Li / Li + .
充電時における前記負極の電位がLi/Li+基準で0.2V以上である、非水電解質二次電池。 A non-aqueous electrolyte secondary battery using a lithium-containing material as a positive electrode and metal tin as a negative electrode,
A nonaqueous electrolyte secondary battery in which the potential of the negative electrode during charging is 0.2 V or more on the basis of Li / Li + .
充電時における前記負極の電位がLi/Li+基準で0.2V以上である、非水電解質二次電池の充電方法。 A method for charging a non-aqueous electrolyte secondary battery using a lithium-containing material as a positive electrode and metal tin as a negative electrode,
A method for charging a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the potential of the negative electrode during charging is 0.2 V or more on the basis of Li / Li + .
The method for charging a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 8, wherein the lithium transition metal composite oxide is used for the positive electrode, and the battery voltage during charging is 4.1 V or less.
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