JP2011129352A - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非水電解質二次電池に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery.
近年、環境や燃費の観点から、ハイブリッド自動車や電気自動車、さらには燃料電池自動車が製造・販売され、新たな開発が続けられている。これらのいわゆる電動車両においては、放電・充電ができる電源装置の活用が不可欠である。この電源装置としては、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池や、電気二重層キャパシタ等が利用される。特に、リチウムイオン二次電池はそのエネルギー密度の高さや繰り返し充放電に対する耐久性の高さから、電動車両に好適と考えられ、各種の開発が鋭意進められている。 In recent years, hybrid vehicles, electric vehicles, and fuel cell vehicles have been manufactured and sold from the viewpoints of environment and fuel efficiency, and new developments are continuing. In these so-called electric vehicles, it is indispensable to use a power supply device capable of discharging and charging. As the power supply device, a secondary battery such as a lithium ion battery or a nickel metal hydride battery, an electric double layer capacitor, or the like is used. In particular, lithium ion secondary batteries are considered suitable for electric vehicles because of their high energy density and high durability against repeated charging and discharging, and various developments have been intensively advanced.
従来、リチウムイオン二次電池の電解質層を構成する電解質として、一般的には、揮発性の可燃性有機溶媒(例えばエチレンカーボネートなど)にリチウム塩(例えばLiPF6など)を溶解させた電解液が知られている。 Conventionally, as an electrolyte constituting an electrolyte layer of a lithium ion secondary battery, generally, an electrolytic solution in which a lithium salt (for example, LiPF 6 or the like) is dissolved in a volatile flammable organic solvent (for example, ethylene carbonate or the like) is used. Are known.
一方、上述した従来の電解液の耐熱性や安全性をより一層改善することを目的として、イオン液体を電解質として用いることが試みられている。イオン液体とは常温でも液体状を示すイオン性物質の総称であり、不揮発性・難燃性という優れた特長を持っている。この特長を利用し、リチウム塩とイオン液体とから構成される電解液を電解質層として適用することで、安全性の高いリチウムイオン二次電池が期待できる。 On the other hand, it has been attempted to use an ionic liquid as an electrolyte for the purpose of further improving the heat resistance and safety of the above-described conventional electrolytic solution. An ionic liquid is a general term for ionic substances that are liquid even at room temperature, and has excellent characteristics such as non-volatility and flame retardancy. By utilizing this feature and applying an electrolytic solution composed of a lithium salt and an ionic liquid as an electrolyte layer, a highly safe lithium ion secondary battery can be expected.
かような技術として、特許文献1には、チタン酸リチウム系負極を用いた電池において、イオン液体に難燃性のフッ素系有機溶媒を添加し、電解液を低粘度化する技術が報告されている(特許文献1)。この方法では、電解液の低粘度化により、電解液の電極への含浸性、すなわち、電極と電解液との接触性を向上させることで、充放電性能を改善している。
As such a technique,
しかしながら、カーボン系負極を用いた電池において、フッ素系有機溶媒はリチウムイオンを溶媒和する傾向が強い。そのため、充電反応の際に、イオン液体を構成するカチオンが負極へ優先的にインターカレーションされる現象が生じる。このインターカレーションは不可逆的であるために、これによって電池容量が低下するという問題があった。 However, in a battery using a carbon-based negative electrode, the fluorine-based organic solvent has a strong tendency to solvate lithium ions. Therefore, a phenomenon occurs in which the cation constituting the ionic liquid is preferentially intercalated into the negative electrode during the charging reaction. Since this intercalation is irreversible, there is a problem in that the battery capacity is reduced.
そこで、本発明は、カーボン系負極を用いた非水電解質二次電池において、電解液の粘度の増大を抑えつつ、電池容量の低下を抑制しうる手段を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a means capable of suppressing a decrease in battery capacity while suppressing an increase in the viscosity of an electrolytic solution in a nonaqueous electrolyte secondary battery using a carbon-based negative electrode.
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意研究を行った。その結果、負極活物質層にリチウムイオン選択透過部を配置することにより、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成するに至った。 The present inventors have intensively studied to solve the above problems. As a result, it has been found that the above problem can be solved by disposing a lithium ion selective transmission part in the negative electrode active material layer, and the present invention has been completed.
すなわち、本発明の非水電解質二次電池は、集電体の表面に正極活物質層が形成されてなる正極と、集電体の表面にカーボン材料からなる負極活物質を含む負極活物質層が形成されてなる負極と、電解質層とを有する。そして、電解質層は、カチオン成分およびアニオン成分を有するイオン液体、ならびに当該イオン液体よりも粘度の低いフッ素原子またはリン原子を含有する有機溶媒を含む。また、負極活物質層は、リチウムイオンを前記カチオン成分よりも選択的に透過させるリチウムイオン選択透過部を有することを特徴とする。 That is, the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention includes a positive electrode in which a positive electrode active material layer is formed on the surface of a current collector, and a negative electrode active material layer that includes a negative electrode active material made of a carbon material on the surface of the current collector. And a negative electrode formed with an electrolyte layer. The electrolyte layer includes an ionic liquid having a cation component and an anion component, and an organic solvent containing a fluorine atom or a phosphorus atom having a viscosity lower than that of the ionic liquid. In addition, the negative electrode active material layer has a lithium ion selective permeation portion that allows lithium ions to permeate more selectively than the cation component.
本発明によれば、カーボン系負極を用いた非水電解質二次電池において、リチウムイオンが選択的に負極界面を移動することができる。このため、イオン液体のカチオン成分の負極への優先的なインターカレーションが抑えられる。その結果、電池容量の低下を抑制することができる。 According to the present invention, in a non-aqueous electrolyte secondary battery using a carbon-based negative electrode, lithium ions can selectively move on the negative electrode interface. For this reason, the preferential intercalation to the negative electrode of the cation component of an ionic liquid is suppressed. As a result, a decrease in battery capacity can be suppressed.
以下、本発明の実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、下記の形態のみに制限されることはない。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described, but the technical scope of the present invention should be determined based on the description of the scope of claims, and is not limited to the following forms. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.
[非水電解質二次電池]
図1は、本発明の電池の一実施形態である積層型電池の概要を模式的に表した断面概略図である。なお、本明細書においては、図1に示す積層型のリチウムイオン二次電池を例に挙げて詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はかような形態のみに制限されない。
[Nonaqueous electrolyte secondary battery]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing an outline of a stacked battery as an embodiment of the battery of the present invention. In the present specification, the laminated lithium ion secondary battery shown in FIG. 1 will be described in detail as an example, but the technical scope of the present invention is not limited to such a form.
まず、本発明のリチウムイオン二次電池の全体構造について、図面を用いて説明する。 First, the overall structure of the lithium ion secondary battery of the present invention will be described with reference to the drawings.
[電池の全体構造]
図1に示すように、本実施形態の積層型リチウムイオン二次電池10は、電池外装材22を用いて、発電要素17を収納し密封した構成を有している。ここで発電要素17は、負極集電体11の両面(発電要素の最下層および最上層用は片面)に負極活物質層12が形成された負極、電解質層13、および正極集電体14の両面に正極活物質層15が形成された正極を積層した構成を有している。積層の際、一の負極片面の負極活物質層12と前記一の負極に隣接する一の正極片面の正極活物質層15とが電解質層13を介して向き合うようにして、負極、電解質層13、正極の順に複数積層されている。
[Battery overall structure]
As shown in FIG. 1, the laminated lithium ion
これにより、隣接する負極活物質層12、電解質層13、および正極活物質層15は、一つの単電池層16を構成する。従って、本実施形態のリチウムイオン二次電池10は、単電池層16が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。なお、発電要素17の両最外層に位置する最外層負極集電体11aには、いずれも片面のみに負極活物質層12が形成されている。なお、図1と負極板および正極板の配置を入れ替えてもよい。その際は、発電要素17の両最外層に最外層正極集電体(図示せず)が位置するようにし、該最外層正極集電体の場合にも片面のみに正極活物質層15が形成されているようにする。
Thus, the adjacent negative electrode
また、前記の各電極(正極及び負極)と導通される負極集電板18および正極集電板19が、それぞれ負極端子リード20および正極端子リード21を介して各電極の負極集電体11及び正極集電体14に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられている。これにより、負極集電体11及び正極集電体14に電気的に接続された負極集電板18および正極集電板19は、電池外装材22の外部に露出される構造を有している。
Further, the negative electrode
次に、本実施形態のリチウム二次電池を構成する各部材について説明する。 Next, each member which comprises the lithium secondary battery of this embodiment is demonstrated.
[負極]
負極は、負極集電体11の表面に負極活物質層12が形成されてなる構成を有する。
[Negative electrode]
The negative electrode has a configuration in which the negative electrode
負極集電体11は、導電性材料から構成される。集電体を構成する導電性材料は、導電性を有するものであれば特に制限されず、例えば、金属や導電性高分子など従来公知のものを適宜利用することができる。具体的には、Fe、Cr、Ni、Mn、Ti、Mo、V、Nb、Al、Cu、Ag、Au、Ptおよびカーボンからなる群より選択されてなる少なくとも1種以上、例えば、2種以上の合金からなるステンレスなどその集電体材料が好ましく用いられうる。また本実施形態では、NiとAlのクラッド材、CuとAlのクラッド材、あるいはこれらの集電体材料の組み合わせのめっき材なども好ましく使える。また、上記集電体材料である金属(Alを除く)表面に、他の集電体材料であるAlを被覆させた集電体であってもよい。また、場合によっては、2つ以上の上記集電体材料である金属箔を張り合わせた集電体を用いてもよい。
The negative electrode
集電体の厚さは、特に限定されないが、いずれの集電体も通常は1〜100μm、好ましくは1〜50μm程度である。 The thickness of the current collector is not particularly limited, but any current collector is usually about 1 to 100 μm, preferably about 1 to 50 μm.
負極活物質層12は負極活物質を含み、必要に応じて電気伝導性を高めるための導電助剤、バインダー、電解質などをさらに含みうる。
The negative electrode
(負極活物質)
本実施形態で用いられる負極活物質は、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出できる、カーボン系の導電性材料(カーボン材料)である。このようなカーボン材料としては、ケッチェンブラック、バルカン、アセチレンブラック、ブラックパール、予め高温で熱処理したカーボン担体、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンファイバーなどからなるカーボン粒子が挙げられる。
(Negative electrode active material)
The negative electrode active material used in the present embodiment is a carbon-based conductive material (carbon material) capable of reversibly occluding and releasing lithium ions. Examples of such a carbon material include ketjen black, vulcan, acetylene black, black pearl, carbon support preliminarily heat-treated at high temperature, carbon particles including carbon nanotubes, carbon nanohorns, carbon fibers, and the like.
場合によっては、負極活物質として、リチウム金属等の金属材料、リチウム−チタン複合酸化物(チタン酸リチウム:Li4Ti5O12)等のリチウム−遷移金属複合酸化物、およびその他の従来公知の負極活物質が併用されてもよい。 In some cases, as a negative electrode active material, a metal material such as lithium metal, a lithium-transition metal composite oxide such as lithium-titanium composite oxide (lithium titanate: Li 4 Ti 5 O 12 ), and other conventionally known materials A negative electrode active material may be used in combination.
負極活物質層に含まれる負極活物質の平均粒子径は特に制限されないが、高出力化の観点からは、好ましくは1〜20μm、さらに好ましくは1〜5μmである。なお、本明細書中において、「粒子径」とは、活物質の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離Lを意味する。「平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。他の構成成分の粒子径や平均粒子径も同様に定義することができる。 The average particle size of the negative electrode active material contained in the negative electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably 1 to 20 μm, more preferably 1 to 5 μm from the viewpoint of increasing the output. In the present specification, the “particle diameter” means the maximum distance L among the distances between any two points on the contour line of the active material. As the value of “average particle diameter”, the average particle diameter of particles observed in several to several tens of fields using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). The calculated value shall be adopted. The particle diameters and average particle diameters of other components can be defined in the same manner.
(導電助剤)
導電助剤とは、導電性を向上させるために配合される添加物をいう。本実施形態において用いられうる導電助剤は特に制限されず、従来公知の形態が適宜参照されうる。例えば、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト、炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。活物質層が導電助剤を含むと、活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上に寄与しうる。なお、本実施形態において負極活物質として用いられるカーボン材料はそれ自体が導電性を有することもあるが、かような場合には導電助剤の使用は必ずしも必要ではない。
(Conductive aid)
A conductive assistant means the additive mix | blended in order to improve electroconductivity. The conductive auxiliary agent that can be used in the present embodiment is not particularly limited, and conventionally known forms can be appropriately referred to. Examples thereof include carbon materials such as carbon black such as acetylene black, graphite, and carbon fiber. When the active material layer contains a conductive additive, an electronic network inside the active material layer is effectively formed, which can contribute to improvement of the output characteristics of the battery. In addition, although the carbon material used as a negative electrode active material in this embodiment may have electroconductivity itself, in such a case, use of a conductive support agent is not necessarily required.
(バインダー)
バインダーは、活物質同士または活物質と集電体や導電助剤とを結着させて電極構造(3次元ネットワーク)を維持する目的で活物質層に加えられる。
(binder)
The binder is added to the active material layer for the purpose of maintaining the electrode structure (three-dimensional network) by binding the active materials to each other or the active material and the current collector or conductive additive.
バインダーとしては、以下に制限されることはないが、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、四フッ化エチレン・パーフルオロビニルエーテル系共重合体、ポリ酢酸ビニル、ポリイミド、およびアクリル樹脂などの熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、およびユリア樹脂などの熱硬化性樹脂、ならびにスチレンブタジエンゴム(SBR)などのゴム系材料が挙げられる。これらをそれぞれ単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。なお、これらバインダーは、製造過程では、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)など、バインダーが可溶な有機溶媒に溶解させたものを使用することもできる。 Examples of the binder include, but are not limited to, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene / vinylidene fluoride copolymer, hexafluoride Heat such as propylene / vinylidene fluoride copolymer, tetrafluoroethylene / perfluorovinyl ether copolymer, thermoplastic resin such as polyvinyl acetate, polyimide, and acrylic resin, epoxy resin, polyurethane resin, and urea resin Examples thereof include curable resins and rubber materials such as styrene butadiene rubber (SBR). These may be used alone or in combination of two or more. In addition, these binders can also use what was melt | dissolved in the organic solvent in which binders are soluble, such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), in a manufacture process.
(電解質)
負極活物質層12に含まれうる電解質の具体的な形態については、後述の[電解質層]の欄に記載のものと同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
(Electrolytes)
Since the specific form of the electrolyte that can be included in the negative electrode
(添加剤)
本実施形態の負極活物質層12に含まれうるその他の添加剤としては、例えば、イオン伝導性ポリマー等が挙げられる。
(Additive)
Examples of other additives that can be included in the negative electrode
負極活物質層12中に含まれうる上記の成分の配合比は、特に限定されない。配合比は、非水電解質二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。負極活物質層の厚さについても特に制限はなく、電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、負極活物質層の厚さは、2〜100μm程度である。
The compounding ratio of the above components that can be included in the negative electrode
(リチウムイオン選択透過部)
本実施形態のリチウムイオン二次電池10において、負極活物質層12は、リチウムイオン選択透過部を有することを特徴とする。
(Lithium ion selective transmission part)
In the lithium ion
リチウムイオン選択透過部とは、リチウムイオンを選択的に透過可能な被膜のことである。ここで、「リチウムイオンを選択的に透過可能」とは、電解質を構成するイオン液体のカチオン成分よりもリチウムイオンを選択的に透過することを意味する。これにより、充電反応の際、電解質を構成するイオン液体のカチオン成分に先立って、リチウムイオンが優先的にリチウムイオン選択透過部を透過し、負極へインターカレーションされうる。リチウムイオン二次電池におけるリチウムイオンの負極へのインターカレーションは可逆的であるため、上述の構成とすることによって、電池容量が維持されうる。 A lithium ion selective transmission part is a film which can permeate | transmit lithium ion selectively. Here, “selectively permeate lithium ions” means that lithium ions are selectively permeated over the cation component of the ionic liquid constituting the electrolyte. Thereby, prior to the cation component of the ionic liquid constituting the electrolyte, lithium ions can preferentially permeate the lithium ion selective permeation portion and be intercalated to the negative electrode during the charging reaction. Since the intercalation of lithium ions into the negative electrode in a lithium ion secondary battery is reversible, the battery capacity can be maintained by employing the above-described configuration.
本実施形態において、リチウムイオン選択透過部の具体的な配置形態について特に制限はないが、図2に示す形態が例示される。図2に示すように、負極1は、負極集電体11の表面に負極活物質層12が形成されてなる構成を有する。本発明は、リチウムイオン選択透過部の形態としては、例えば、負極活物質層本体の表面にリチウムイオン選択透過部2が配置された形態(図2(A))が挙げられる。また、負極活物質粒子3の表面がリチウムイオン選択透過部2により被覆された形態(図2(B))も採用されうる。さらには負極活物質層12の内部にリチウムイオン選択透過部2が存在する形態(図2(C))であってもよい。リチウムイオンの選択性を高めるという観点から好ましくは、負極活物質層本体の表面にリチウムイオン選択透過部が配置された形態、または負極活物質粒子の表面がリチウムイオン選択透過部により被覆された形態である。さらに好ましくは、負極活物質粒子の表面がリチウムイオン選択透過部により被覆された形態である。
In the present embodiment, the specific arrangement form of the lithium ion selective transmission unit is not particularly limited, but the form shown in FIG. 2 is exemplified. As shown in FIG. 2, the
本実施形態において、リチウムイオン選択透過部は、無機酸化物もしくは無機硫化物を含む無機固体電解質、またはポリアルキレンオキサイド構造を含む高分子固体電解質から形成される。かような形態は、簡便にリチウムイオン選択透過部を形成することができ、またリチウムイオン選択性に優れるので好ましい。ただし、かような形態のみに限定されるわけではない。 In this embodiment, the lithium ion selective permeation part is formed from an inorganic solid electrolyte containing an inorganic oxide or an inorganic sulfide, or a polymer solid electrolyte containing a polyalkylene oxide structure. Such a form is preferable because a lithium ion selective permeation portion can be easily formed and the lithium ion selectivity is excellent. However, it is not necessarily limited to such a form.
本実施形態においてリチウムイオン選択透過部を形成するのに用いられる、無機固体電解質としての無機酸化物としては、例えば、B2O3−LiO、LiPON(Li2.9PO3.3N0.46)、Li2O−V2O5−SiO2、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3、Li0.35La0.55TiO3などが挙げられる。好ましくは、Li2O−V2O5−SiO2、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3、Li0.35La0.55TiO3、特に好ましくは、Li0.35La0.55TiO3である。また、無機固体電解質としての無機硫化物としては、Li2S−P2S5、Li2S−B2S3、Li2S−SiS2、Li2S−GeS2−P2S5が挙げられる。リチウムイオン選択透過部の調製のしやすさとリチウムイオン選択性の観点から、好ましくは、Li2S−B2S3、Li2S−SiS2、Li2S−GeS2−P2S5、特に好ましくは、Li2S−GeS2−P2S5である。
As an inorganic oxide as an inorganic solid electrolyte used for forming a lithium ion selective permeation part in the present embodiment, for example, B 2 O 3 —LiO, LiPON (Li 2.9 PO 3.3 N 0. 46), Li 2 O-V 2 O 5 -
本実施形態においてリチウムイオン選択透過部を形成するのに用いられる高分子固体電解質としては、例えば、重量平均分子量5,000〜1,000,000のポリアルキレンオキサイド化合物が挙げられる。リチウムイオン選択透過部の調製のしやすさとリチウムイオン選択性の観点から、ポリアルキレンオキサイド化合物の重量平均分子量は、好ましくは10,000〜500,000、特に好ましくは100,000〜500,000である。また、ポリアルキレンオキサイド化合物のアルキレン基は、炭素数2〜5、好ましくは炭素数2〜3、特に好ましくは炭素数2のアルキレン基である。 Examples of the polymer solid electrolyte used for forming the lithium ion selective permeation portion in the present embodiment include a polyalkylene oxide compound having a weight average molecular weight of 5,000 to 1,000,000. From the viewpoint of easy preparation of the lithium ion selective permeation part and lithium ion selectivity, the weight average molecular weight of the polyalkylene oxide compound is preferably 10,000 to 500,000, particularly preferably 100,000 to 500,000. is there. The alkylene group of the polyalkylene oxide compound is an alkylene group having 2 to 5 carbon atoms, preferably 2 to 3 carbon atoms, and particularly preferably 2 carbon atoms.
ポリアルキレンオキサイド化合物の例としては、例えば、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリブチレンオキサイドが挙げられる。また、好ましくはポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイドであり、特に好ましくはポリエチレンオキサイドである。 Examples of the polyalkylene oxide compound include polyethylene oxide, polypropylene oxide, and polybutylene oxide. Also preferred are polyethylene oxide and polypropylene oxide, and particularly preferred is polyethylene oxide.
リチウムイオン選択透過部の厚さとしては、5〜2,000nmが好ましく、10〜1,000nmがさらに好ましく、20〜500nmが特に好ましい。 The thickness of the lithium ion selective transmission part is preferably 5 to 2,000 nm, more preferably 10 to 1,000 nm, and particularly preferably 20 to 500 nm.
[電解質層]
電解質層13は、負極活物質層12と正極活物質層15との間の空間的な隔壁(スペーサ)として機能する。また、これと併せて、充放電時における正負極間でのリチウムイオンの移動媒体である電解質を保持する機能をも有する。本実施形態において、電解質層13は、イオン液体、リチウム塩、および有機溶媒を含む。
[Electrolyte layer]
The
(イオン液体)
イオン液体は、常温溶融塩とも称される、カチオン成分およびアニオン成分からなる塩であって、常温で液体状態を示す。イオン液体自体はよく知られた材料であり、非常に多数の文献も頒布されている。本実施形態において電解質層を構成するのに好ましく用いられるイオン液体の例を挙げると、イオン液体を構成するカチオン成分としては、例えば、アンモニウム(イミダゾリウム、ピリジニウム、脂肪族系第四級アンモニウム[ピペリジニウム、ピロリジニウム、第四級アルキルアンモニウム、アルコキシ基を有する第四級アルキルアンモニウム])、ホスホニウムカチオンおよびスルホニウムカチオンなどが挙げられる。イミダゾリウムカチオンの具体例としては、1,3−ジメチルイミダゾリウム、1,3−ジエチルイミダゾリウム、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム、1−プロピル−3−メチルイミダゾリウム、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウム、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムが挙げられる。ピリジニウムカチオンの具体例としては、N−エチル−N−メチルピリジニウム、N−メチル−N−プロピルピリジニウム、N−ブチル−N−メチルピリジニウム、N−ヘキシル−N−メチルピリジニウムが挙げられる。ピロリジニウムカチオンの具体例としては、N−エチル−N−メチルピロリジニウム、N−メチル−N−プロピルピロリジニウム、N−ブチル−N−メチルピロリジニウム、N−ヘキシル−N−メチルピロリジニウムが挙げられる。ピペリジニウムの具体例としては、N−エチル−N−メチルピペリジニウム、N-メチル−N−プロピルピペリジニウム、N-ブチル−N−メチルピペリジニウム、N-ヘキシル−N−メチルピペリジニウムが挙げられる。ピロリジニウムカチオンの具体例としては、N−エチル−N−メチルピロリジニウム、N−メチル−N−プロピルピロリジニウム、N−ブチル−N−メチルピロリジニウム、N−ヘキシル−N−メチルピロリジニウムが挙げられる。第四級アルキルアンモニウムの具体例としては、N,N,N−トリメチル−N−エチルアンモニウム、N,N,N−トリメチル−N−プロピルアンモニウム、N,N,N−トリメチル−N−ブチルアンモニウム、N,N,N−トリメチル−N−ヘキシルアンモニウム、N,N,N−トリエチル−N−メチルアンモニウムが挙げられる。アルコキシ基を有する第四級アルキルアンモニウムの具体例としては、N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニムなどが例示される。ホスホニウムカチオンの具体例としては、トリエチルメチルホスホニウム、トリエチルヘキシルホスホニウムなどが挙げられる。スルホニウムカチオンの具体例としては、トリエチルメチルスルホニウム、トリエチルヘキシルスルホニウムなどが挙げられる。
(Ionic liquid)
The ionic liquid is a salt composed of a cation component and an anion component, which is also called a room temperature molten salt, and shows a liquid state at room temperature. The ionic liquid itself is a well-known material, and a great number of documents are distributed. Examples of ionic liquids preferably used for constituting the electrolyte layer in the present embodiment include, for example, ammonium (imidazolium, pyridinium, aliphatic quaternary ammonium [piperidinium]. , Pyrrolidinium, quaternary alkyl ammonium, quaternary alkyl ammonium having an alkoxy group]), phosphonium cation and sulfonium cation. Specific examples of the imidazolium cation include 1,3-dimethylimidazolium, 1,3-diethylimidazolium, 1-ethyl-3-methylimidazolium, 1-propyl-3-methylimidazolium, and 1-butyl-3. -Methylimidazolium, 1-hexyl-3-methylimidazolium, 1-ethyl-2,3-dimethylimidazolium. Specific examples of the pyridinium cation include N-ethyl-N-methylpyridinium, N-methyl-N-propylpyridinium, N-butyl-N-methylpyridinium, and N-hexyl-N-methylpyridinium. Specific examples of the pyrrolidinium cation include N-ethyl-N-methylpyrrolidinium, N-methyl-N-propylpyrrolidinium, N-butyl-N-methylpyrrolidinium, N-hexyl-N-methyl. Pyrrolidinium is mentioned. Specific examples of piperidinium include N-ethyl-N-methylpiperidinium, N-methyl-N-propylpiperidinium, N-butyl-N-methylpiperidinium, N-hexyl-N-methylpiperidinium Is mentioned. Specific examples of the pyrrolidinium cation include N-ethyl-N-methylpyrrolidinium, N-methyl-N-propylpyrrolidinium, N-butyl-N-methylpyrrolidinium, N-hexyl-N-methyl. Pyrrolidinium is mentioned. Specific examples of the quaternary alkyl ammonium include N, N, N-trimethyl-N-ethylammonium, N, N, N-trimethyl-N-propylammonium, N, N, N-trimethyl-N-butylammonium, N, N, N-trimethyl-N-hexylammonium, N, N, N-triethyl-N-methylammonium may be mentioned. Specific examples of the quaternary alkyl ammonium having an alkoxy group include N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium. Specific examples of the phosphonium cation include triethylmethylphosphonium and triethylhexylphosphonium. Specific examples of the sulfonium cation include triethylmethylsulfonium and triethylhexylsulfonium.
また、イオン液体を構成するアニオン成分としては、例えば、BF4 −、AlF4−、PF6 −、AsF6 −、SbF6 −、ClO4 −、AlCl4 −、CF3SO3 −、C2F5SO3 − 、CF7SO3 − 、C4F9SO3 − 、CH3SO3 − 、C2H5SO3 − 、CH3OSO3 − 、C2H5OSO3 − 、(FO2S)2N−(FSI)、(CF3SO2)2N−(TFSI)、CF3CO2 − 、(C2F5SO2)2N−(BETI)、(C4F9SO2)2N−、(CF3SO2)3C−、(C2F5SO2)3C−、(CN)2N−、(CF3)3PF3 −、(C2F5)3PF3 −、(C3F7)3PF3 −および(C4F9)3PF3 −などが例示される。なお、これらのカチオン成分およびアニオン成分はそれぞれ、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が用いられてもよい。なかでも、粘度が小さく耐酸化性・耐還元性に優れるという観点から、イオン液体は、N−エチル−N−メチルピペリジニウム、N−メチル−N−プロピルピペリジニウム、N−ブチル−N−メチルピペリジニウム、N−ヘキシル−N−メチルピペリジニウム、N−エチル−N−メチルピロリジニウム、N−メチル−N−プロピルピロリジニウム、N−ブチル−N−メチルピロリジニウム、N−ヘキシル−N−メチルピロリジニウム、N,N,N−トリメチル−N−エチルアンモニウム、N,N,N−トリメチル−N−プロピルアンモニウム、N,N,N−トリメチル−N−ブチルアンモニウム、N,N,N−トリメチル−N−ヘキシルアンモニウム、N,N,N−トリエチル−N−メチルアンモニウム、N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニムからなる群から選択される1種または2種以上であり、前記イオン液体を構成するアニオンが、FSI、TFSI、BETIからなる群から選択される1種または2種以上であることが好ましい。
Examples of the anionic component constituting the ionic liquid include BF 4 − , AlF 4 −, PF 6 − , AsF 6 − , SbF 6 − , ClO 4 − , AlCl 4 − , CF 3 SO 3 − , and C 2. F 5 SO 3 − , CF 7 SO 3 − , C 4 F 9 SO 3 − , CH 3 SO 3 − , C 2 H 5 SO 3 − , CH 3 OSO 3 − , C 2 H 5 OSO 3 − , (FO 2 S) 2 N - (FSI ), (
電解質層中のイオン液体の含有量について特に制限はなく、従来公知の知見が適宜参照されうる。 There is no restriction | limiting in particular about content of the ionic liquid in an electrolyte layer, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably.
(リチウム塩)
本実施形態において電解質層に含まれるリチウム塩としては、例えば、Li(FSO2)2N)、Li(CF3SO2)2N)、Li(C2F5SO2)2N)、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6、LiCF3SO3、LiC2F5SO3、LiClO4、LiPF3(CF3)3、LiPF3(C2F5)3、LiPF3(C3F7)3、LiPF3(C4F9)3等が挙げられる。これらのリチウム塩は、1種のみが単独で使用されてもよいし、2種以上が併用されてもよい。電解質層中のリチウム塩の量についても特に制限はなく、従来公知の知見が適宜参照されうる。
(Lithium salt)
Examples of the lithium salt contained in the electrolyte layer in the present embodiment include Li (FSO 2 ) 2 N), Li (CF 3 SO 2 ) 2 N), Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N), and LiPF. 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiC 2 F 5 SO 3, LiClO 4 , LiPF 3 (CF 3 ) 3 , LiPF 3 (C 2 F 5 ) 3 , LiPF 3 (C 3 F 7) 3, LiPF 3 (C 4 F 9) 3 and the like. As for these lithium salts, only 1 type may be used independently and 2 or more types may be used together. There is no restriction | limiting in particular also about the quantity of lithium salt in an electrolyte layer, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably.
(有機溶媒)
本実施形態において電解質層には、フッ素原子またはリン原子を含有する有機溶媒が含まれる。電解質層に含まれるフッ素原子またはリン原子を含有する有機溶媒は、その粘度が上述したイオン液体よりも低い。これにより、イオン液体を用いた場合であっても電解質の粘度上昇が抑制されうる。
(Organic solvent)
In the present embodiment, the electrolyte layer includes an organic solvent containing a fluorine atom or a phosphorus atom. The organic solvent containing fluorine atoms or phosphorus atoms contained in the electrolyte layer has a viscosity lower than that of the ionic liquid described above. Thereby, even if it is a case where an ionic liquid is used, the viscosity increase of electrolyte can be suppressed.
また、本発明において、フッ素原子またはリン原子を含有する有機溶媒が、難燃性であることが好ましい。難燃性有機溶媒を電解質層に用いることで、リチウムイオン二次電池に難燃効果を付与できるためである。 In the present invention, the organic solvent containing a fluorine atom or a phosphorus atom is preferably flame retardant. This is because a flame retardant effect can be imparted to the lithium ion secondary battery by using a flame retardant organic solvent in the electrolyte layer.
フッ素原子またはリン原子を含有する有機溶媒としては、一分子当たり一つ以上のフッ素原子またはリン原子を有する有機化合物からなる有機溶媒であればよい。かかる有機溶媒は、実質的に一種類のフッ素化合物またはリン化合物から構成されていてもよく、二種以上のフッ素化合物またはリン化合物を含む混合物であってもよい。前記有機溶媒を構成するフッ素化合物またはリン化合物は、環状および鎖状のいずれでもよく、これらの混合物でもよい。 The organic solvent containing a fluorine atom or a phosphorus atom may be an organic solvent composed of an organic compound having one or more fluorine atoms or phosphorus atoms per molecule. Such an organic solvent may be substantially composed of one kind of fluorine compound or phosphorus compound, or may be a mixture containing two or more kinds of fluorine compounds or phosphorus compounds. The fluorine compound or phosphorus compound constituting the organic solvent may be either cyclic or chain-like, or a mixture thereof.
フッ素化合物としては、炭化水素基がすべてフルオロアルキル基に置換されていてもよいし、部分的にフルオロアルキル基に置換されていてもよい。また、本願においては、全ての炭化水素基がフルオロアルキル基であるものを、「パーフルオロ化合物」と称し、炭化水素基が残存したものを「ハイドロフルオロ化合物」と称する。 As a fluorine compound, all the hydrocarbon groups may be substituted with a fluoroalkyl group, or may be partially substituted with a fluoroalkyl group. In the present application, those in which all hydrocarbon groups are fluoroalkyl groups are referred to as “perfluoro compounds”, and those in which hydrocarbon groups remain are referred to as “hydrofluoro compounds”.
フッ素原子を含有する有機溶媒として、具体的には、CF3OCOOCH3、CF3OCOOCF3、CF3CH2OCOOCH3、C2F5OCOOCH3、C2F5OCOOC2H5、C2F5OCOOC2F5、C3F7OCOOCH3、C3F7OCOOCF3、C3F7OCOOC2H5、C3F7OCOOC2F5、C4F9OCOOCH3、C4F9OCOOC2H5、C4F9OCOOC3F7、C4F9OCOOC4H9等の炭素数2〜10の鎖状のパーフルオロまたはハイドロフルオロカーボネート類、フッ素置換エチレンカーボネート、フッ素置換メチルエチレンカーボネート、フッ素置換1,1−ジメチル−1’,1’−ジエチルエチレンカーボネート等の炭素数2〜10の環状のパーフルオロまたはハイドロフルオロカーボネート類、CF3OCH3、CF3OCF3、CF3CH2OCH3、C2F5OCH3、C2F5OCF3、CF3CH2OC2H5、C2F5OC2H5、C2F5OC2F5、C3F7OCH3、C3F7OC2H5、C3F7OC3H7、C4F9OCH3、C4F9OC2H5、C4F9OC3H7、C4F9OC4H9、C5F11OCH3、C5F11OC2H5、C6F13OCH3、C6F13OC2H5、C6F13OC3H7、C6F13OC4F9等の炭素数2〜10のパーフルオロまたはハイドロフルオロエーテル類が挙げられる。これらの炭化水素基およびフルオロアルキル基は、直鎖構造であっても分岐構造であっても良い。 Specific examples of the organic solvent containing a fluorine atom include CF 3 OCOOCH 3 , CF 3 OCOOCF 3 , CF 3 CH 2 OCOOCH 3 , C 2 F 5 OCOOCH 3 , C 2 F 5 OCOOC 2 H 5 , and C 2 F. 5 OCOOC 2 F 5, C 3 F 7 OCOOCH 3, C 3 F 7 OCOOCF 3, C 3 F 7 OCOOC 2 H 5, C 3 F 7 OCOOC 2 F 5, C 4 F 9 OCOOCH 3, C 4 F 9 OCOOC 2 H 5 , C 4 F 9 OCOOC 3 F 7 , C 4 F 9 OCOOC 4 H 9 and the like chain-like perfluoro or hydrofluorocarbonates having 2 to 10 carbon atoms, fluorine-substituted ethylene carbonate, fluorine-substituted methylethylene carbonate , Fluorine-substituted 1,1-dimethyl-1 ′, 1′-diethylethylene carbonate Perfluoro or hydrofluorocarbons carbonates annular 2-10 carbon atoms such bets, CF 3 OCH 3, CF 3 OCF 3, CF 3 CH 2 OCH 3, C 2 F 5 OCH 3, C 2 F 5 OCF 3, CF 3 CH 2 OC 2 H 5 , C 2 F 5 OC 2 H 5, C 2 F 5 OC 2 F 5, C 3 F 7 OCH 3, C 3 F 7 OC 2 H 5, C 3 F 7 OC 3 H 7 , C 4 F 9 OCH 3 , C 4 F 9 OC 2 H 5 , C 4 F 9 OC 3 H 7 , C 4 F 9 OC 4 H 9 , C 5 F 11 OCH 3 , C 5 F 11 OC 2 H 2 , C 6 F 13 OCH 3 , C 6 F 13 OC 2 H 5 , C 6 F 13 OC 3 H 7 , C 6 F 13 OC 4 F 9 and other perfluoro or hydrofluoroethers having 2 to 10 carbon atoms Is mentioned . These hydrocarbon group and fluoroalkyl group may have a linear structure or a branched structure.
リン原子を含有する有機溶媒として、具体的には、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸トリブチル、リン酸トリフェニル、リン酸トリトリルなどのリン酸エステル系有機溶媒、トリフェニルホスフィン(Ph3P)などのホスフィン系有機溶媒が挙げられる。 Specific examples of the organic solvent containing a phosphorus atom include phosphoric acid ester organic solvents such as trimethyl phosphate, triethyl phosphate, tributyl phosphate, triphenyl phosphate, and tolyl phosphate, triphenylphosphine (Ph 3 P ) -Based phosphine organic solvents.
本実施形態において、フッ素原子またはリン原子を含有する有機溶媒としては、電解液の低粘度化と難燃性の観点から、好ましくは、CF3OCOOCH3、CF3OCOOCF3、CF3CH2OCOOCH3、C2F5OCOOCH3、C2F5OCOOC2H5、C2F5OCOOC2F5等の鎖状のパーフルオロまたはハイドロフルオロカーボネート、フッ素置換エチレンカーボネート、フッ素置換メチルエチレンカーボネート等の環状のパーフルオロまたはハイドロフルオロカーボネート、C4F9OCH3、C4F9OC2H5、C4F9OC3H7、C6F13OCH3、C6F13OC2H5、C6F13OC3H7等のハイドロフルオロエーテル、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸トリブチル、トリフェニルホスフィンである。また、特に好ましくは、C4F9OC2H5で表されるハイドロフルオロエーテル、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、トリフェニルホスフィンである。
In the present embodiment, the organic solvent containing a fluorine atom or a phosphorus atom is preferably CF 3 OCOOCH 3 , CF 3 OCOOCF 3 , CF 3 CH 2 OCOOCH, from the viewpoint of reducing the viscosity of the electrolyte and flame retardancy. 3 , chain perfluoro or hydrofluorocarbonate such as C 2 F 5 OCOOCH 3 , C 2 F 5 OCOOC 2 H 5 , C 2 F 5 OCOOC 2 F 5 , fluorine-substituted ethylene carbonate, fluorine-substituted methyl ethylene carbonate, etc. cyclic perfluoro or hydrofluoroether carbonate, C 4 F 9 OCH 3, C 4 F 9 OC 2 H 5, C 4 F 9 OC 3 H 7, C 6
上述した有機溶媒は2種、あるいはそれ以上を混合して用いてもよい。この組合せは、各有機溶媒の物性により適宜選択することができる。 Two or more of the organic solvents described above may be used in combination. This combination can be appropriately selected depending on the physical properties of each organic solvent.
本実施形態において、電解質層中の上述した有機溶媒の含有量は、電解液の低粘度化の観点から、イオン液体の質量100質量%に対して、好ましくは0.1〜15質量%であり、さらに好ましくは0.5〜10質量%であり、特に好ましくは1〜7質量%である。上記有機溶媒の含有量が0.1質量%以上であれば、イオン液体のリチウムイオン伝導性を阻害することなしにイオン液体の粘度を下げることができる。また、上記有機溶媒の含有量が15質量%以下であれば、十分効率よく、レート特性および容量維持率を向上させることが可能となる。なお、本実施形態の作用効果に悪影響を及ぼさない限りで、上述した有機溶媒以外の有機溶媒が電解質層に含まれていてもよい。 In the present embodiment, the content of the organic solvent described above in the electrolyte layer is preferably 0.1 to 15% by mass with respect to 100% by mass of the ionic liquid from the viewpoint of lowering the viscosity of the electrolytic solution. More preferably, it is 0.5-10 mass%, Most preferably, it is 1-7 mass%. If content of the said organic solvent is 0.1 mass% or more, the viscosity of an ionic liquid can be reduced, without inhibiting the lithium ion conductivity of an ionic liquid. In addition, when the content of the organic solvent is 15% by mass or less, it is possible to improve the rate characteristics and the capacity retention rate sufficiently efficiently. Note that an organic solvent other than the organic solvents described above may be included in the electrolyte layer as long as the effects of the present embodiment are not adversely affected.
[正極]
正極は、正極集電体14の表面に正極活物質層15が形成されてなる構成を有する。
[Positive electrode]
The positive electrode has a configuration in which the positive electrode
正極集電体14は、導電性材料から構成される。正極集電体を構成する導電性材料の種類やその厚さについては、負極集電体11について上述したのと同様の形態が採用されうるため、ここでは詳細な説明を省略する。
The positive electrode
正極活物質層15は正極活物質を含み、必要に応じて電気伝導性を高めるための導電助剤、バインダー、電解質などをさらに含みうる。なお、正極活物質以外の成分については、負極活物質層12について上述したのと同様の形態が採用されうる。
The positive electrode
正極活物質は、リチウムの吸蔵放出が可能な材料であれば特に限定されず、リチウムイオン二次電池に通常用いられる正極活物質が利用されうる。具体的には、リチウム−遷移金属複合酸化物が好ましく、例えば、LiMn2O4などのLi−Mn系複合酸化物、LiNiO2などのLi−Ni系複合酸化物、LiNi0.5Mn0.5O2などのLi−Ni−Mn系複合酸化物が挙げられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。 The positive electrode active material is not particularly limited as long as it is a material capable of occluding and releasing lithium, and a positive electrode active material usually used for a lithium ion secondary battery can be used. Specifically, a lithium-transition metal composite oxide is preferable. For example, a Li—Mn composite oxide such as LiMn 2 O 4, a Li—Ni composite oxide such as LiNiO 2 , LiNi 0.5 Mn 0. A Li—Ni—Mn based composite oxide such as 5 O 2 can be given. In some cases, two or more positive electrode active materials may be used in combination.
正極活物質層中に含まれる上記成分の配合比は、特に限定されない。配合比は、非水電解二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。また、正極活物質層の厚さについても特に制限はなく、電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、正極活物質層の厚さは、2〜100μm程度である。 The compounding ratio of the above components contained in the positive electrode active material layer is not particularly limited. The blending ratio can be adjusted by appropriately referring to known knowledge about non-aqueous electrolytic secondary batteries. Moreover, there is no restriction | limiting in particular also about the thickness of a positive electrode active material layer, The conventionally well-known knowledge about a battery can be referred suitably. For example, the thickness of the positive electrode active material layer is about 2 to 100 μm.
[集電板]
集電板(正極集電板18および負極集電板19)の材質は、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス鋼、これらの合金などを用いることができる。これらは特に制限されず、集電板として従来用いられている公知の材質が用いられうる。
[Current collector]
As the material of the current collector plates (the positive electrode
[電池外装材]
本実施形態のリチウムイオン二次電池10では、使用時の外部からの衝撃や環境劣化を防止するために、発電要素17全体が電池外装材22の内部に収容される。電池外装材22としては、ラミネートシートが用いられうる。ラミネートシートは、例えば、ポリプロピレン、アルミニウム、ナイロンがこの順に積層されてなる3層構造として構成されうる。なお、場合によっては、従来公知の金属缶ケースもまた、外装として用いられうる。
[Battery exterior materials]
In the lithium ion
[非水電解質二次電池の製造方法]
本実施形態のリチウムイオン二次電池10は、従来公知の製造方法により製造することができる。以下、本実施形態の特徴的な構成であるリチウムイオン選択透過部の作製手法について、簡単に説明する。
[Method for producing non-aqueous electrolyte secondary battery]
The lithium ion
上述したように、本実施形態の電池における好ましい形態は、負極活物質層本体の表面にリチウムイオン選択透過部が配置された形態、または負極活物質粒子の表面がリチウムイオン選択透過部により被覆された形態である。以下、これらのそれぞれの形態を作製するための手法を例に挙げて、説明する。 As described above, the preferred form of the battery of the present embodiment is a form in which the lithium ion selective transmission part is disposed on the surface of the negative electrode active material layer body, or the surface of the negative electrode active material particles is covered with the lithium ion selective transmission part. It is a form. Hereinafter, a method for producing each of these forms will be described as an example.
まず、リチウムイオン選択透過部を形成するための成分(すなわち、高分子固体電解質または無機固体電解質)を、適当な溶媒に溶解または分散させて、溶液を得る。 First, a component for forming a lithium ion selective permeation portion (that is, a polymer solid electrolyte or an inorganic solid electrolyte) is dissolved or dispersed in an appropriate solvent to obtain a solution.
次いで、この溶液に、別途準備した負極活物質粒子を添加し、混合する。その後、溶液をろ過で除去した後、乾燥させることで、負極活物質粒子の表面にリチウムイオン選択透過部を作製することができる。 Next, separately prepared negative electrode active material particles are added to the solution and mixed. Then, after removing a solution by filtration, a lithium ion selective permeation | transmission part can be produced on the surface of negative electrode active material particle | grains by making it dry.
また、高分子固体電解質または無機固体電解質を溶解または分散させた溶液を、負極活物質粒子の表面に噴霧し、乾燥させて、負極活物質粒子の表面にリチウムイオン選択透過部を作製してもよい。 Alternatively, a solution in which a polymer solid electrolyte or an inorganic solid electrolyte is dissolved or dispersed is sprayed on the surface of the negative electrode active material particles and dried to produce a lithium ion selective permeation portion on the surface of the negative electrode active material particles. Good.
この際に用いられる溶媒としては、高分子固体電解質または無機固体電解質を溶解または分散可能なものであれば特に制限はなく、例えば、メタノール、エタノール、1−プロパノールなどのアルコール系溶媒:アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン系溶媒;アセトニトリル;n−ヘキサン、2−メチルペンタン、シクロペンタンなどの炭化水素系溶媒;テトラヒドロフラン、ジイソプロピルエーテルなどのエーテル系溶媒などが用いられうる。これらの溶媒は、電池の作製後に電解質中に残存しても、電極やセパレータ等の他の構成成分に対して不活性であるため好ましい。 The solvent used in this case is not particularly limited as long as it can dissolve or disperse the polymer solid electrolyte or the inorganic solid electrolyte. For example, alcohol solvents such as methanol, ethanol, 1-propanol: acetone, methyl ethyl ketone Ketone solvents such as acetonitrile; hydrocarbon solvents such as acetonitrile; n-hexane, 2-methylpentane, and cyclopentane; ether solvents such as tetrahydrofuran and diisopropyl ether can be used. Even if these solvents remain in the electrolyte after the production of the battery, they are preferable because they are inactive to other components such as electrodes and separators.
乾燥は、真空乾燥、窒素等のフローにより乾燥させる等の従来公知の方法で行うことができる。乾燥の温度としては、溶媒の種類にもよるが、60〜170℃が好ましく、80〜120℃がより好ましい。かような温度であれば、高温によりリチウムが融解されることなく、被覆された負極活物質粒子がすばやく乾燥される。 Drying can be performed by a conventionally known method such as vacuum drying or drying by a flow of nitrogen or the like. The drying temperature is preferably from 60 to 170 ° C, more preferably from 80 to 120 ° C, although it depends on the type of solvent. At such a temperature, the coated negative electrode active material particles are quickly dried without melting lithium at a high temperature.
以上の手順により、表面にリチウムイオン選択透過部を有した負極活物質粒子が得られる。かような負極活物質粒子を用いて従来公知の手法により集電体の表面に負極活物質層を形成することで、リチウムイオン選択透過部を有する負極活物質層を作製することができる。 Through the above procedure, negative electrode active material particles having a lithium ion selective permeation portion on the surface are obtained. By forming such a negative electrode active material layer on the surface of the current collector using such negative electrode active material particles, a negative electrode active material layer having a lithium ion selective transmission part can be produced.
他の形態の負極活物質層を作製するには、まず、上記と同様に高分子固体電解質または無機固体電解質が溶解または分散されてなる溶液を調製する。 In order to produce another form of the negative electrode active material layer, first, a solution in which a polymer solid electrolyte or an inorganic solid electrolyte is dissolved or dispersed is prepared in the same manner as described above.
その一方で、従来公知の手法により、集電体の表面に負極活物質層を形成しておく。そして、この負極活物質層の表面に、上記で調製した溶液を塗布または噴霧し、乾燥させる。これにより、リチウムイオン選択透過部は、負極活物質層の表面を覆っている形態となる。 On the other hand, a negative electrode active material layer is formed on the surface of the current collector by a conventionally known method. And the solution prepared above is apply | coated or sprayed on the surface of this negative electrode active material layer, and it is made to dry. Thereby, the lithium ion selective transmission part is in a form covering the surface of the negative electrode active material layer.
本発明の作用効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。以下では、リチウムイオン選択透過部を有する負極活物質層を調整後、該負極活物質層を用いたリチウムイオン二次電池を作製した。そして、該リチウムイオン二次電池の充放電特性試験を行った。 The effect of this invention is demonstrated using a following example and a comparative example. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples. Below, after adjusting the negative electrode active material layer which has a lithium ion selective permeation | transmission part, the lithium ion secondary battery using this negative electrode active material layer was produced. And the charge / discharge characteristic test of this lithium ion secondary battery was done.
[実施例1]
(1)正極スラリーの調製および正極の作製
正極活物質としてLiNiO2(平均粒子径:5μm) 85質量%、導電助剤としてアセチレンブラック(平均粒径:0.1μm) 5質量%、およびバインダーとしてPVDF 10質量%からなる固形分を準備した。この固形分に対し、スラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量添加して、正極スラリーを作製した。得られた正極スラリーを集電体であるAl箔(厚さ:15μm)の両面に塗布し、乾燥後プレスして、正極を作製した。
[Example 1]
(1) Preparation of positive electrode slurry and preparation of positive electrode LiNiO 2 (average particle size: 5 μm) as a positive electrode active material 85% by mass, acetylene black (average particle size: 0.1 μm) as a conductive auxiliary agent 5% by mass, and as a binder A solid content consisting of 10% by mass of PVDF was prepared. An appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), which is a slurry viscosity adjusting solvent, was added to the solid content to prepare a positive electrode slurry. The obtained positive electrode slurry was applied on both sides of an Al foil (thickness: 15 μm) as a current collector, dried and pressed to prepare a positive electrode.
(2)負極スラリーの調製および負極の作製
まず、負極活物質として、グラファイト(平均粒子径:5μm) 95質量%の表面を、重量平均分子量500,000のポリエチレングリコール(PEO溶液、アルドリッチ) 5質量%(固形分換算)を用いて100nmの厚さで被覆した。これにより、表面にリチウムイオン選択透過部が設けられてなる負極活物質を得た。活物質をPEOで被覆する際には、アセトニトリルで10倍に希釈したPEO溶液100gと負極活物質50gとを混合した後、ろ過して、過剰のPEO活物質及びアセトニトリルを除去した。質量を測定し、目標の質量のPEOが被覆されるまで、上記操作を繰り返した。目標の質量のPEOが被覆された後、80℃、8時間の真空乾燥を実施した。
(2) Preparation of negative electrode slurry and preparation of negative electrode First, as a negative electrode active material, a graphite (average particle size: 5 μm) surface of 95% by mass, polyethylene glycol (PEO solution, Aldrich) having a weight average molecular weight of 500,000 5 mass % (Solid content conversion) was used to coat with a thickness of 100 nm. This obtained the negative electrode active material by which the lithium ion selective permeation | transmission part was provided in the surface. When coating the active material with PEO, 100 g of the PEO solution diluted 10-fold with acetonitrile and 50 g of the negative electrode active material were mixed and then filtered to remove excess PEO active material and acetonitrile. The mass was measured and the above operation was repeated until the target mass of PEO was coated. After the target mass of PEO was coated, vacuum drying was performed at 80 ° C. for 8 hours.
上記で得られた負極活物質被覆物 90質量%、およびバインダーとしてPVdF 10質量%からなる固形分を準備した。この固形分に対し、スラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量添加して、負極スラリーを作製した。得られた負極スラリーを集電体であるCu箔(厚さ:10μm)の両面に塗布し、乾燥後プレスして、負極を作製した。 A solid content consisting of 90% by mass of the negative electrode active material coating obtained above and 10% by mass of PVdF as a binder was prepared. An appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), which is a slurry viscosity adjusting solvent, was added to the solid content to prepare a negative electrode slurry. The obtained negative electrode slurry was applied to both surfaces of a Cu foil (thickness: 10 μm) as a current collector, dried and pressed to prepare a negative electrode.
(3)電解液の調製
1−メチル−1−プロピルピロリジニウムビスフルオロスルホニルイミドに1.0モル/Lのビストリフルオロスルホニルイミドリチウム(LiTFSI)を溶かして、リチウム含有イオン液体を調製した。このリチウム含有イオン液体100質量%に、有機溶媒としてハイドロフルオロエーテル(C4F9OC2H5)を5質量%混合することにより電解質を調製した。
(3) Preparation of electrolytic solution 1.0 mol / L bistrifluorosulfonylimide lithium (LiTFSI) was dissolved in 1-methyl-1-propylpyrrolidinium bisfluorosulfonylimide to prepare a lithium-containing ionic liquid. An electrolyte was prepared by mixing 5% by mass of hydrofluoroether (C 4 F 9 OC 2 H 5 ) as an organic solvent with 100% by mass of this lithium-containing ionic liquid.
(4)電池の作製
上記で作製した正極、セパレータ(シリカ粒子を分散させたポリエチレン製微多孔膜)、および上記で作製した負極をこの順に積層し、アルミラミネート成型体に入れることにより、電解質未含浸のセルを作製した。その後、上記で作製した電解質を真空含浸した後、封止・成型することにより、積層型のリチウムイオン二次電池を作製した。
(4) Production of battery The positive electrode produced above, a separator (a polyethylene microporous membrane in which silica particles are dispersed), and the negative electrode produced above are laminated in this order, and placed in an aluminum laminate molded body, so that the electrolyte is not deposited. An impregnation cell was prepared. Thereafter, the electrolyte prepared above was vacuum-impregnated and then sealed and molded to produce a stacked lithium ion secondary battery.
[実施例2]
リチウム含有イオン液体100質量%に対して、有機溶媒としてハイドロフルオロエーテル(C4F9OC2H5) 12質量%を混合したこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
[Example 2]
A lithium ion secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that 12% by mass of hydrofluoroether (C 4 F 9 OC 2 H 5 ) was mixed as an organic solvent with respect to 100% by mass of the lithium-containing ionic liquid. Produced.
[実施例3]
リチウム含有イオン液体100質量%に対して、有機溶媒としてトリフェニルホスフィン 3質量%を混合したこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
[Example 3]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that 3% by mass of triphenylphosphine was mixed as an organic solvent with respect to 100% by mass of the lithium-containing ionic liquid.
[実施例4]
リチウム含有イオン液体100質量%に対して、有機溶媒としてトリフェニルホスフィン 15質量%を混合したこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
[Example 4]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that 15% by mass of triphenylphosphine as an organic solvent was mixed with 100% by mass of the lithium-containing ionic liquid.
[実施例5]
リチウム含有イオン液体100質量%に対して、有機溶媒としてリン酸トリエチル 5質量%を混合したこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
[Example 5]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that 5% by mass of triethyl phosphate as an organic solvent was mixed with 100% by mass of the lithium-containing ionic liquid.
[実施例6]
グラファイトの表面にチタン酸ランタンリチウム(Li0.35La0.55TiO3)を50nmの厚さに被覆した負極活物質を用いたこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
[Example 6]
A lithium ion secondary battery was carried out in the same manner as in Example 1 except that a negative electrode active material in which lithium lanthanum titanate (Li 0.35 La 0.55 TiO 3 ) was coated on the surface of graphite to a thickness of 50 nm was used. Was made.
[実施例7]
リチウム含有イオン液体100質量%に対して、有機溶媒としてトリフェニルホスフィン5質量%を混合したこと以外は、実施例6と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
[Example 7]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 6 except that 5% by mass of triphenylphosphine was mixed as an organic solvent with respect to 100% by mass of the lithium-containing ionic liquid.
[実施例8]
正極活物質として、LiMnO4を用いたこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
[Example 8]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that LiMnO 4 was used as the positive electrode active material.
[実施例9]
正極活物質として、LiFePO4を用いたこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
[Example 9]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that LiFePO 4 was used as the positive electrode active material.
[実施例10]
ハイドロフルオロエーテル(C4F9OC2H5)に代えて、末端フッ素置換ジエチルカーボネート(CF3CH2OCOOC2H5)とフルオロエチレンカーボネート(F-C3H3O3)との混合溶媒を用いたこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
[Example 10]
Instead of hydrofluoroether (C 4 F 9 OC 2 H 5 ), a mixed solvent of terminal fluorine-substituted diethyl carbonate (CF 3 CH 2 OCOOC 2 H 5 ) and fluoroethylene carbonate (F—C 3 H 3 O 3 ) A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that was used.
[比較例1]
電解液がハイドロフルオロエーテル(C4F9OC2H5)を含まないこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
[Comparative Example 1]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the electrolytic solution did not contain hydrofluoroether (C 4 F 9 OC 2 H 5 ).
[比較例2]
電解液がハイドロフルオロエーテル(C4F9OC2H5)を含まないこと以外は、実施例6と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
[Comparative Example 2]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 6 except that the electrolytic solution did not contain hydrofluoroether (C 4 F 9 OC 2 H 5 ).
[比較例3]
負極活物質をPEOで被覆しなかったこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
[Comparative Example 3]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode active material was not coated with PEO.
[比較例4]
負極活物質をチタン酸ランタンリチウムで被覆しなかったこと以外は、実施例7と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
[Comparative Example 4]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 7 except that the negative electrode active material was not coated with lithium lanthanum titanate.
[比較例5]
電解液がハイドロフルオロエーテル(C4F9OC2H5)を含まず、また、負極活物質をPEOで被覆しなかったこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
[Comparative Example 5]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the electrolytic solution did not contain hydrofluoroether (C 4 F 9 OC 2 H 5 ) and the negative electrode active material was not coated with PEO. did.
<充放電特性試験>
上記の実施例および比較例で作製したリチウムイオン二次電池について充放電試験を行った。充放電試験は、以下のように行った。
(1)定電流充電(所定の電流で所定の電圧まで充電する。その後、その電圧で充電時間のトータルが7時間になるように保持する。)
(2)休止(30分間休止)
(3)定電流放電(所定の電流で所定の電圧まで放電)
なお、充電電流:0.2C、充電電圧:2.5V(実施例1〜4では1.5V)、放電電流:0.2C、放電電圧:1V(実施例1〜4では0.5V)である。ここで1Cとは、その電流値で1時間充電すると、ちょうどその電池が満充電(100%充電)状態になる電流値のことである。例えば、0.2Cとは1Cの0.2倍の電流値であり、5時間で電池を満充電にできる電流値である。
<Charge / discharge characteristics test>
A charge / discharge test was performed on the lithium ion secondary batteries produced in the above-described Examples and Comparative Examples. The charge / discharge test was performed as follows.
(1) Constant current charging (charging to a predetermined voltage with a predetermined current. After that, the voltage is held so that the total charging time is 7 hours.)
(2) Pause (pause for 30 minutes)
(3) Constant current discharge (discharge to a predetermined voltage with a predetermined current)
In addition, charging current: 0.2 C, charging voltage: 2.5 V (1.5 V in Examples 1 to 4), discharging current: 0.2 C, discharging voltage: 1 V (0.5 V in Examples 1 to 4) is there. Here, 1C is a current value at which the battery is fully charged (100% charged) when charged at that current value for 1 hour. For example, 0.2 C is a current value that is 0.2 times that of 1 C, and is a current value that can fully charge the battery in 5 hours.
1Cレート特性は、0.2C放電容量を100%としたときの、1C放電容量の割合、即ち、1Cレート特性(%)={(1Cの放電容量)/(0.2Cの放電容量)}×100とした。 The 1C rate characteristic is a ratio of 1C discharge capacity when the 0.2C discharge capacity is 100%, that is, 1C rate characteristic (%) = {(1C discharge capacity) / (0.2C discharge capacity)} X100.
放電容量維持率は、初回の放電容量を100%としたときの、放電容量の割合、即ち、放電容量維持率(%)={(100サイクル後の放電容量)/(初回の放電容量)}×100とした。結果を表1に示す。 The discharge capacity maintenance ratio is the ratio of the discharge capacity when the initial discharge capacity is 100%, that is, the discharge capacity maintenance ratio (%) = {(discharge capacity after 100 cycles) / (initial discharge capacity)} X100. The results are shown in Table 1.
上述したように、比較例1および2では、負極活物質層においてリチウムイオン選択透過部が設けられているものの、電解液が所定の有機溶媒を含有しない。逆に、比較例3および4では、電解液が所定の有機溶媒を含有するものの、負極活物質層にはリチウムイオン選択透過部が設けられていない。これらの比較例と比較して、実施例1〜10は、優れたレート特性および容量維持率を示した。 As described above, in Comparative Examples 1 and 2, the lithium ion selective permeation portion is provided in the negative electrode active material layer, but the electrolytic solution does not contain a predetermined organic solvent. On the contrary, in Comparative Examples 3 and 4, although the electrolytic solution contains a predetermined organic solvent, the negative electrode active material layer is not provided with a lithium ion selective transmission part. Compared with these comparative examples, Examples 1 to 10 showed excellent rate characteristics and capacity retention.
1 負極、
2 リチウムイオン選択透過部、
3 負極活物質粒子、
10 積層型二次電池、
11 負極集電体、
11a 負極側の最外層集電体、
12 負極活物質層、
13 電解質層、
14 正極集電体、
15 正極活物質層、
16 単電池層、
17 発電要素、
18 負極集電板、
19 正極集電板、
20 負極端子リード、
21 正極端子リード、
22 電池外装材。
1 negative electrode,
2 Lithium ion selective transmission part,
3 negative electrode active material particles,
10 Multilayer secondary battery,
11 negative electrode current collector,
11a The outermost layer current collector on the negative electrode side,
12 negative electrode active material layer,
13 electrolyte layer,
14 positive electrode current collector,
15 positive electrode active material layer,
16 cell layer,
17 Power generation elements,
18 negative electrode current collector plate,
19 positive current collector,
20 Negative terminal lead,
21 positive terminal lead,
22 Battery exterior material.
Claims (6)
集電体の表面にカーボン材料からなる負極活物質を含む負極活物質層が形成されてなる負極と、
カチオン成分およびアニオン成分を有するイオン液体および前記イオン液体よりも粘度の低いフッ素原子またはリン原子を含有する有機溶媒を含む電解質層と、を有する非水電解質二次電池であって、
前記負極活物質層が、リチウムイオンを前記カチオン成分よりも選択的に透過させるリチウムイオン選択透過部を有することを特徴とする、非水電解質二次電池。 A positive electrode in which a positive electrode active material layer is formed on the surface of the current collector;
A negative electrode in which a negative electrode active material layer including a negative electrode active material made of a carbon material is formed on the surface of a current collector;
An electrolyte layer comprising an ionic liquid having a cationic component and an anionic component and an organic solvent containing a fluorine atom or a phosphorus atom having a viscosity lower than that of the ionic liquid, and a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising:
The non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the negative electrode active material layer has a lithium ion selective permeation part that allows lithium ions to selectively permeate through the cation component.
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