JP2011228293A - 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.
非水電解質二次電池は、その高エネルギー密度という利点を活かして、携帯電話に代表されるモバイル機器の電源として近年幅広く普及している。また、小形機器用電源だけでなく、電力貯蔵用、電気自動車用及びハイブリッド自動車用等の中大型産業用途への展開が見込まれている。 Nonaqueous electrolyte secondary batteries have been widely used in recent years as power sources for mobile devices typified by mobile phones, taking advantage of their high energy density. In addition to power supplies for small devices, it is expected to be used for medium and large-sized industrial applications such as power storage, electric vehicles and hybrid vehicles.
非水電解質二次電池は、一般に、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、セパレータと、非水溶媒及びリチウム塩を含有する非水電解質とを備えている。
非水電解質二次電池を構成する正極活物質としてはリチウム遷移金属複合酸化物が、負極活物質としてはグラファイトに代表される炭素材料が、非水電解質としては、エチレンカーボネートを主構成成分とする非水溶媒に六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)等の電解質を溶解したものが広く知られている。
A nonaqueous electrolyte secondary battery generally includes a positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material, a separator, and a nonaqueous electrolyte containing a nonaqueous solvent and a lithium salt.
The positive electrode active material constituting the nonaqueous electrolyte secondary battery is a lithium transition metal composite oxide, the negative electrode active material is a carbon material typified by graphite, and the nonaqueous electrolyte is mainly composed of ethylene carbonate. A solution in which an electrolyte such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) is dissolved in a non-aqueous solvent is widely known.
現在、非水電解質二次電池、特にリチウムイオン二次電池用の正極活物質としては数多くのものが存在するが、最も一般的に知られているのは、作動電圧が4V付近のリチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2)やリチウムニッケル複合酸化物(LiNiO2)又
はスピネル構造を持つリチウムマンガン複合酸化物(LiMn2O4)等を基本構成とするリチウム遷移金属複合酸化物である。中でもLiCoO2は、充放電特性とエネルギー密度に優れることから、電池容量2Ahまでの小容量リチウムイオン二次電池の正極活物質として広く採用されている。
At present, there are many positive electrode active materials for non-aqueous electrolyte secondary batteries, particularly lithium ion secondary batteries, but the most commonly known is a lithium cobalt composite whose operating voltage is around 4V. It is a lithium transition metal composite oxide having a basic structure of oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel composite oxide (LiNiO 2 ), lithium manganese composite oxide (LiMn 2 O 4 ) having a spinel structure, or the like. Among them, LiCoO 2 is widely adopted as a positive electrode active material for small-capacity lithium ion secondary batteries up to a battery capacity of 2 Ah because of its excellent charge / discharge characteristics and energy density.
しかしながら、コバルトは資源量が少なく、高価であるため、LiCoO2中のコバルトの一部をニッケルやマンガンで置換したリチウム遷移金属複合酸化物LiNixMnyCozO2(0≦x<1、0≦y<1、0<z<1、x+y+z=1)の開発が進められているが、LiCoO2に比べて高率放電性能に劣るという課題を有する。そこで、LiNixMnyCozO2の高率放電性能を改善する手段として、比表面積を増大させたり、微粒子化したりすることによって、リチウムイオンの拡散性を向上させる手法が検討されているが、充放電容量が低下したり、安全性が著しく低下したりするという問題点があった。 However, since cobalt has less abundance, is expensive, lithium-transition metal composite oxide part of the cobalt in LiCoO 2 was replaced with nickel and manganese LiNi x Mn y Co z O 2 (0 ≦ x <1, Development of 0 ≦ y <1, 0 <z <1, x + y + z = 1) is in progress, but has a problem that it is inferior in high rate discharge performance compared to LiCoO 2 . Therefore, as a means for improving the high rate discharge performance of LiNi x Mn y Co z O 2 , a technique for improving the diffusibility of lithium ions by increasing the specific surface area or by making fine particles has been studied. There is a problem that the charge / discharge capacity is lowered and the safety is remarkably lowered.
また、今後の中型・大型、特に大きな需要が見込まれる産業用途への展開を考えた場合、産業用途では小型民生用では使用されないような高温環境において電池が使用される用途も存在するため、電池の安全性が非常に重要視される。 In addition, considering the development of medium-sized and large-sized products in the future, especially industrial applications where large demand is expected, there are applications where batteries are used in high-temperature environments that are not used in small-sized consumer products. Safety is very important.
そこで、高い安全性を有する正極活物質である、リチウム遷移金属リン酸化合物を単独で、またはリチウム遷移金属複合酸化物と混合して用いることが提案されている。オリビン型結晶構造を有するLiFePO4に代表されるリチウム遷移金属リン酸化合物は、酸素がリンと共有結合を形成しているため、充電状態で高温環境に曝されても酸素が発生せず、高い安全性を得ることができる。 Therefore, it has been proposed to use a lithium transition metal phosphate compound, which is a positive electrode active material having high safety, alone or in combination with a lithium transition metal composite oxide. Lithium transition metal phosphate compounds typified by LiFePO 4 having an olivine type crystal structure are high in oxygen because they form a covalent bond with phosphorus, so that oxygen is not generated even when exposed to a high temperature environment in a charged state. Safety can be obtained.
特許文献1には、「複雑な電子回路を使用することなく充電状態を容易に検知することができる非水電解液二次電池を提供する」(段落0006)ことを目的として、「リチウムイオンを挿入離脱可能な正極と負極とを備えた非水電解液二次電池において、前記正極は2種以上の正極活物質を含み、かつ、前記非水電解液二次電池を充放電したときの電池残容量と電池電圧との関係を表す充放電曲線が、前記電池残容量を横軸にとり前記電池電圧を縦軸にとったときに前記電池電圧が略フラットとなり前記電池残容量の変化に対する前記電池電圧の変化の小さい2つ以上のフラット部を有し、前記フラット部間には、前記フラット部より前記電池残容量の変化に対する前記電池電圧の変化の大きいスロープ部が介在していることを特徴とする。」(段落0007)という発明が開示されている。特許文献1には、「この場合において、正極活物質が、オリビン結晶構造を有するリチウム含有遷移金属複合酸化物と、層状結晶構造を有するリチウム含有遷移金属複合酸化物及びスピネル結晶構造を有するリチウム含有遷移金属複合酸化物の少なくとも一方とを含んでいてもよい。このとき、オリビン結晶構造を有するリチウム含有遷移金属複合酸化物を化学式Li1+yM1−yPO4(Mは、Mn、Co、Ni、Cr、Al、Mg、Feから選択される1種以上の遷移金属元素である。)で表される化合物及び化学式Li1+yM1−yPO4で表される化合物に炭素を担持させた化合物の少なくとも1種とし、層状結晶構造を有するリチウム含有遷移金属複合酸化物を化学式Li1+xM1−xO2で表される化合物とし、スピネル結晶構造を有するリチウム含有遷移金属複合酸化物を化学式Li1+xM2−xO4で表される化合物としてもよい。」(段落0009)との記載がある。特許文献1の実施例には、「化学式LiCo0.33Mn0.33Ni0.34O2で表される層状結晶構造を有するリチウム含有遷移金属複合酸化物と、化学式LiFePO4で表されるオリビン結晶構造を有するリチウム含有遷移金属複合酸化物に重量比で10%の炭素を担持させた化合物とを2:1の重量比で混合した混合系正極活物質を使用しラミネートフィルム外装電池1を作製した。」(段落0033)との記載があり、このラミネートフィルム外装電池を用いると、「電池残容量に余力がある段階で電池の充電状態を検知することができるので、機器を直ちに停止させずにすむ。すなわち、精度の低い電圧検出でも充電状態を検知しやすく、検知した後でも機器の動作を確保することができる。」(段落0037)ことが示されている。 For the purpose of “providing a non-aqueous electrolyte secondary battery that can easily detect a charged state without using a complicated electronic circuit” (paragraph 0006), Patent Document 1 describes “lithium ions. A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode and a negative electrode that can be inserted and removed, and the positive electrode includes two or more positive electrode active materials, and the non-aqueous electrolyte secondary battery is charged and discharged. When the charge / discharge curve representing the relationship between the remaining capacity and the battery voltage has the remaining battery capacity on the horizontal axis and the battery voltage on the vertical axis, the battery voltage becomes substantially flat and the battery with respect to the change in the remaining battery capacity It has two or more flat parts with a small voltage change, and the slope part where the change of the battery voltage with respect to the change of the battery remaining capacity is larger than the flat part is interposed between the flat parts. To Invention is disclosed that "(paragraph 0007). Patent Document 1 states that, in this case, the positive electrode active material includes a lithium-containing transition metal composite oxide having an olivine crystal structure, a lithium-containing transition metal composite oxide having a layered crystal structure, and a lithium containing spinel crystal structure. In this case, the lithium-containing transition metal composite oxide having an olivine crystal structure may be represented by the chemical formula Li 1 + y M 1-y PO 4 (M is Mn, Co, Ni). , Cr, Al, Mg, Fe, or a transition metal element selected from the group consisting of a compound represented by the chemical formula Li 1 + y M 1-y PO 4 and carbon. And a lithium-containing transition metal composite oxide having a layered crystal structure as a compound represented by the chemical formula Li 1 + x M 1-x O 2 The lithium-containing transition metal composite oxide having a spinel crystal structure may be a compound represented by the chemical formula Li 1 + x M 2−x O 4 ”(paragraph 0009). Examples of Patent Document 1 include “a lithium-containing transition metal composite oxide having a layered crystal structure represented by a chemical formula LiCo 0.33 Mn 0.33 Ni 0.34 O 2 , and a chemical formula LiFePO 4. A laminated film-covered battery 1 using a mixed positive electrode active material obtained by mixing a lithium-containing transition metal composite oxide having an olivine crystal structure with a compound supporting carbon of 10% by weight in a weight ratio of 2: 1. When the laminated film exterior battery is used, “the battery charge state can be detected at a stage where the remaining battery capacity is sufficient, so the device is immediately stopped. That is, it is easy to detect the state of charge even with low-accuracy voltage detection, and the operation of the device can be ensured even after detection. "(Paragraph 0037) It is shown.
特許文献2には、「本発明による電池は、正極および負極と共に電解質を備えたものであって、負極の容量は、リチウムの吸蔵および放出による容量成分と、リチウムの析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和で表され、正極は、リチウムおよび鉄(Fe)を含み、かつオリビン構造を有するリン酸化物よりなる第1の正極活物質を含有するものである。」(段落0008)という発明が開示されており、「また、正極に、更に、リチウム,ニッケル,第1の元素および酸素(O)を含み、第1の元素は、鉄,コバルト(Co),マンガン(Mn),銅(Cu),亜鉛(Zn),アルミニウム(Al),スズ(Sn),ホウ素(B),ガリウム(Ga),クロム(Cr),バナジウム(V),チタン(Ti),マグネシウム(Mg),カルシウム(Ca)およびストロンチウム(Sr)からなる群のうちの少なくとも1種であり、ニッケルおよび第1の元素におけるニッケルの割合が50mol%以上である第2の正極活物質を含有するようにし、第1の正極活物質と第2の正極活物質との質量比による割合(第1の正極活物質:第2の正極活物質)を、30:70から90:10の範囲内とするようにすれば、熱安定性をより向上させることができると共に、容量を高くすることもできる。」(段落0010)こと、また「第1の正極活物質の含有量は、全正極活物質に対して、30質量%以上90質量%以下の範囲内であることが好ましく、30質量%以上55質量%以下の範囲内であればより好ましい。第1の正極活物質の含有量が少ないと、熱安定性を向上させる効果が十分ではなく、含有量が多いと、容量が低下してしまうからである。」(段落0023)ことが記載されている。特許文献2の実施例には、正極と負極材料の容量比が120:100となるようにした二次電池において、第1の活物質としてLiFePO4を、第2の活物質としてLiNi0.6Co0.2Mn0.2O2又はLiNi0.5Co0.3Mn0.2O2を用いた場合、「第1の正極活物質の割合が多くなり、第2の正極活物質の割合が少なくなるに伴い、釘さし試験において良好な結果が得られた。また、第2の正極活物質の割合が多くなり、第1の正極活物質の割合が少なくなるに伴い、放電容量が大きくなった。更に、第1の正極活物質と第2の正極活物質との質量比による割合(第1の正極活物質:第2の正極活物質)を30:70から90:10の範囲内とした各実施例では、負極の容量が、リチウムの吸蔵および放出による容量成分で表される、いわゆるリチウムイオン二次電池とした比較例1−3よりも高い放電容量が得られた。」(段落0093)ことが示されている。 Patent Document 2 states that “the battery according to the present invention includes an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, and the capacity of the negative electrode includes a capacity component due to insertion and extraction of lithium and a capacity component due to lithium precipitation and dissolution. The positive electrode contains lithium and iron (Fe) and contains a first positive electrode active material made of a phosphorus oxide having an olivine structure ”(paragraph 0008). "The positive electrode further contains lithium, nickel, a first element and oxygen (O), and the first element is iron, cobalt (Co), manganese (Mn), Copper (Cu), zinc (Zn), aluminum (Al), tin (Sn), boron (B), gallium (Ga), chromium (Cr), vanadium (V), titanium (Ti), magnesium (M ), Calcium (Ca), and strontium (Sr), and a second positive electrode active material in which the proportion of nickel and nickel in the first element is 50 mol% or more is included. The ratio by mass ratio of the first positive electrode active material and the second positive electrode active material (first positive electrode active material: second positive electrode active material) is set within the range of 30:70 to 90:10. In this case, the thermal stability can be further improved and the capacity can be increased. "(Paragraph 0010), and" the content of the first positive electrode active material is relative to the total amount of the positive electrode active material. In the range of 30% by mass or more and 90% by mass or less, and more preferably in the range of 30% by mass or more and 55% by mass or less, if the content of the first positive electrode active material is small, Improved stability That effect is not sufficient, the content is large, capacity is lowered. "(Paragraph 0023) that have been described. In an example of Patent Document 2, in a secondary battery in which the capacity ratio between the positive electrode and the negative electrode material is 120: 100, LiFePO 4 is used as the first active material, and LiNi 0.6 is used as the second active material. When Co 0.2 Mn 0.2 O 2 or LiNi 0.5 Co 0.3 Mn 0.2 O 2 is used, “the ratio of the first positive electrode active material increases, As the ratio decreased, good results were obtained in the nail cutting test, and the discharge capacity was increased as the ratio of the second cathode active material increased and the ratio of the first cathode active material decreased. Furthermore, the ratio (first positive electrode active material: second positive electrode active material) by the mass ratio between the first positive electrode active material and the second positive electrode active material was changed from 30:70 to 90:10. In each of the examples within the range, the capacity of the negative electrode is lithium insertion and extraction. Represented by a capacity component by the higher discharge capacity than the comparative example 1-3 was called lithium ion secondary battery were obtained. "(Paragraph 0093) that has been shown.
特許文献3には、「電気化学的活物質が、I)リチウムと、Mg、Al、B、Ti、Si、Zr、Fe、Zn、およびCuから選択された1種の元素によって置換されてもいる、NiおよびCoから選択された少なくとも1種の遷移金属との複合酸化物と、II)リン、リチウム、および少なくとも1種の遷移金属からの一般式LitM2 zPO4(式中、0≦t≦3、およびz=1または2)の複合酸化物との混合物を含むこと、ならびにリン、リチウム、および少なくとも1種の遷移金属からの前記複合酸化物の含有量が前記混合物の重量の1%から50%の範囲にあることを特徴とする、液状電解質および正極用の前記電気化学的活物質を含むリチウム充電式電気化学的電池を提供する。」(段落0005)という発明が開示されており、「リン、リチウム、および遷移金属の前記複合酸化物は、LiFePO4、LiVPO4F、およびLi3Fe2PO4から選択されることが好ましい。」(段落0013)との記載がある。特許文献3の実施例には、LiFePO4とLiNi0.80Co0.15Al0.05O2を20:80の割合で含有する電気化学電池が記載され、該電気化学電池は、LiFePO4を単独で、又はLiNi0.80Co0.15Al0.05O2を単独で用いた場合から予想されるよりも高い可逆容量を示すこと、また酷使的過充電試験を行った際に、「リチウム電池に本発明の活物質を使用すると、従来技術の電池と比べて、放出されるガスの総量を約2分の1にすることができる。」(段落0043)ことが示されている。 Patent Document 3 states that “an electrochemically active material is replaced by I) lithium and one element selected from Mg, Al, B, Ti, Si, Zr, Fe, Zn, and Cu. A composite oxide of at least one transition metal selected from Ni and Co, and II) a general formula Li t M 2 z PO 4 from phosphorus, lithium, and at least one transition metal, wherein 0 ≦ t ≦ 3, and a mixture with a composite oxide of z = 1 or 2), and the content of the composite oxide from phosphorus, lithium, and at least one transition metal is the weight of the mixture A lithium rechargeable electrochemical cell comprising a liquid electrolyte and the electrochemically active material for a positive electrode is provided, characterized in that it is in the range of 1% to 50%. Is “It is preferable that the composite oxide of phosphorus, lithium, and a transition metal is selected from LiFePO 4 , LiVPO 4 F, and Li 3 Fe 2 PO 4 ” (paragraph 0013). . In an example of Patent Document 3, an electrochemical cell containing LiFePO 4 and LiNi 0.80 Co 0.15 Al 0.05 O 2 in a ratio of 20:80 is described, and the electrochemical cell is LiFePO 4. Or a reversible capacity higher than expected from the case of using LiNi 0.80 Co 0.15 Al 0.05 O 2 alone, and when performing an overuse overcharge test, "Using the active material of the present invention for a lithium battery can reduce the total amount of gas released by about one-half compared to prior art batteries" (paragraph 0043). .
特許文献4には、「優れた過放電性能を有し、充放電時に連続的な電位変化を示す非水電解質二次電池を提供する」(段落0009)ことを目的として、「正極活物質を含む正極と、炭素材料を含む負極と、非水電解質とからなる非水電解質二次電池において、正極活物質が、LiCoO2と、LiMnO2と、一般式LiFe1−xMxPO4(但し、0≦x≦0.13、MはMg、Co、Ni、Mn、Znから選ばれる少なくとも一種の金属)で表される化合物とを含有し、正極活物質に対して、LiCoO2の割合が50重量%以上80重量%以下であり、LiMnO2の割合が10重量%以上30重量%以下であり、LiFe1−xMxPO4の割合が10重量%以上30重量%以下であることを特徴とする。」(段落0010)発明が開示されている。特許文献4の実施例には、LiCoO2と、LiMnO2と、LiFePO4と、を重量比70:20:10から50:20:30の範囲で混合した正極活物質を用いた非水電解質二次電池が示され、「LiCoO2と、LiMnO2と、LiFePO4との3成分系では、約3.6Vと、約3.3Vと、約2.5Vに平坦領域を有する、4Vから2.5Vまで連続的な放電曲線を示した。」(段落0069)ことが示されている。 For the purpose of providing a non-aqueous electrolyte secondary battery having excellent overdischarge performance and showing a continuous potential change during charging and discharging (paragraph 0009), Patent Document 4 describes, In a non-aqueous electrolyte secondary battery including a positive electrode including, a negative electrode including a carbon material, and a non-aqueous electrolyte, the positive electrode active material is LiCoO 2 , LiMnO 2, and a general formula LiFe 1-x M x PO 4 (however, , 0 ≦ x ≦ 0.13, M is a compound represented by at least one metal selected from Mg, Co, Ni, Mn, and Zn), and the ratio of LiCoO 2 to the positive electrode active material is 50% by weight to 80% by weight, the ratio of LiMnO 2 is 10% by weight to 30% by weight, and the ratio of LiFe 1-x M x PO 4 is 10% by weight to 30% by weight. It is characterized. "(Paragraph 0 10) the invention is disclosed. In an example of Patent Document 4, a non-aqueous electrolyte using a positive electrode active material in which LiCoO 2 , LiMnO 2 , and LiFePO 4 are mixed in a weight ratio of 70:20:10 to 50:20:30. A secondary battery is shown, “In a ternary system of LiCoO 2 , LiMnO 2 and LiFePO 4 , a flat region of about 3.6 V, about 3.3 V, and about 2.5 V has a flat region of 4 V to 2. It showed a continuous discharge curve up to 5V "(paragraph 0069).
特許文献5には、「上記層状岩塩構造のLiCoO2、LiNiO2やスピネル構造のLiMn2O4等を正極活物質に用いた二次電池は、その充電状態(SOC)によって、入力密度および出力密度が変化するという問題があった」(段落0004)という課題を解決するために、「リチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質として用いた正極と、負極と、リチウム塩を有機溶媒に溶解した非水電解液とを備えてなるリチウム二次電池であって、SOC50%における出力密度および入力密度がそれぞれ1500W/kg以上であり、かつ、SOCが25%以上80%以下の範囲における出力密度の変化率および入力密度の変化率がそれぞれ20%以下であることを特徴とする。」(段落0007)という発明が開示されている。特許文献5には、「二次電池の正極活物質として用いるリチウム遷移金属複合酸化物は、特に限定されるものではない。入力密度や出力密度が高く、それらがSOCに依存しない二次電池を構成し得るものを採用すればよい。例えば、組成式LiMePO4で表され、その結晶構造はオリビン構造を有するものを用いることが好適である。」(段落0014)、「この場合、組成式LiMePO4において、Meは2価の遷
移金属から選ばれる少なくとも1種であり、例えば、Fe、Mn、Ni、Co、Mg等が挙げられる。なかでも、資源的に豊富で安価であり、環境負荷も小さいという理由から、MeをFeとすることが望ましい。」(段落0015)との記載がある。特許文献5の実施例には、炭素物質微粒子を複合化したLiFe0.85Mn0.15PO4を正極活物質とした
ものを#3の二次電池、「LiNiO2を正極活物質としたものを#5の二次電池、Li
Mn2O4を正極活物質としたものを#6の二次電池とした。」(段落0061)場合に、「#5および#6の二次電池は、#3の二次電池と比較して、SOCによって出力密度が大幅に変化した。」(段落0062)ことが示され、「このように、オリビン構造のリチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質として用いた本発明の二次電池は、出力密度、入力密度がともに高く、かつSOCによる入出力密度の変化の少ない二次電池であることが確認できた。」(段落0064)と記載されている。
Patent Document 5 states that “a secondary battery using the above-described layered rock salt structure LiCoO 2 , LiNiO 2 , spinel structure LiMn 2 O 4, or the like as a positive electrode active material depends on its charge state (SOC). In order to solve the problem of “the density changed” (paragraph 0004), “a positive electrode using a lithium transition metal composite oxide as a positive electrode active material, a negative electrode, and a lithium salt dissolved in an organic solvent” A lithium secondary battery comprising a non-aqueous electrolyte, wherein an output density at an SOC of 50% and an input density are 1500 W / kg or more, respectively, and an output density in an SOC range of 25% to 80% The invention is disclosed that the rate of change and the rate of change of input density are each 20% or less. "(Paragraph 0007). Patent Document 5 states that “a lithium transition metal composite oxide used as a positive electrode active material of a secondary battery is not particularly limited. A secondary battery that has high input density and high output density and does not depend on SOC. For example, it is preferable to use one having a composition formula LiMePO 4 and a crystal structure having an olivine structure ”(paragraph 0014),“ in this case, the composition formula LiMePO 4 , Me is at least one selected from divalent transition metals, and examples thereof include Fe, Mn, Ni, Co, Mg, etc. Among them, they are abundant and inexpensive in terms of resources and have an environmental burden. It is desirable that Me be Fe because it is small ”(paragraph 0015). In the example of Patent Document 5, a LiFe 0.85 Mn 0.15 PO 4 compounded with carbon material fine particles was used as a positive electrode active material # 3, and “LiNiO 2 was used as a positive electrode active material # 5 Secondary battery, Li
The Mn 2 O 4 was secondary battery # 6 those as the positive electrode active material. (Paragraph 0061), "the power density of the secondary batteries of # 5 and # 6 was significantly changed by the SOC as compared with the secondary battery of # 3." (Paragraph 0062). "As described above, the secondary battery of the present invention using the olivine-structured lithium transition metal composite oxide as the positive electrode active material has both high output density and high input density, and little change in input / output density due to SOC. It was confirmed that the battery was a secondary battery ”(paragraph 0064).
ハイブリッド自動車や電気自動車などに用いられる非水電解質二次電池には、高エネルギー密度、高安全性に加えて、どの充電状態(SOC)においても、高い出力性能を有することが求められている。即ち、高SOCでの出力に対する低SOCでの出力の比が高い非水電解質二次電池が望まれている。
特許文献5には、正極活物質としてLiFePO4を用いることによって、SOCによる入出力密度の変化を少なくした電池が示されているが、LiFePO4は活物質の質量あたり及び体積あたりのエネルギー密度が低いため、これを正極に用いた電池は、充分なエネルギー密度を有しないという課題がある。
Non-aqueous electrolyte secondary batteries used in hybrid vehicles and electric vehicles are required to have high output performance in any state of charge (SOC) in addition to high energy density and high safety. That is, a nonaqueous electrolyte secondary battery having a high ratio of output at low SOC to output at high SOC is desired.
Patent Document 5 discloses a battery in which the change in input / output density due to SOC is reduced by using LiFePO 4 as a positive electrode active material, but LiFePO 4 has an energy density per mass and per volume of the active material. Since it is low, the battery using this for a positive electrode has the subject that it does not have sufficient energy density.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高SOCでの出力に対する低SOCでの出力の比が高く、かつ高いエネルギー密度を有する非水電解質二次電池を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high ratio of output at low SOC to output at high SOC and high energy density. To do.
本発明の技術的構成及びその作用効果は、以下の通りである。ただし、作用機構については推定を含んでおり、その正否は、本発明を制限するものではない。 The technical configuration and operational effects of the present invention are as follows. However, the action mechanism includes estimation, and its correctness does not limit the present invention.
本発明に係る非水電解質二次電池は、一般式LiNixMnyCozO2(x+y+z=1、x>0、y>0、z>0)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含む第1の活物質とLiFePO4を含む第2の活物質とを含有する正極を備え、1kHzのインピーダンスが1.27mΩ以下であることを特徴とする非水電解質二次電池である。
すなわち、本発明の非水電解質二次電池は、一般式LiNixMnyCozO2(x+y+z=1、x>0、y>0、z>0)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含むことにより、高いエネルギー密度を有し、LiFePO4を含むことにより、高い安全性と優れた入出力性能を備え、さらに、1kHzのインピーダンスが1.27mΩ以下であることによって、SOCの変化による入出力密度の変化が小さい非水電解質二次電池とすることができる。
The nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention includes a lithium transition metal composite oxide represented by a general formula LiNi x Mn y Co z O 2 (x + y + z = 1, x> 0, y> 0, z> 0). A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode containing a first active material containing and a second active material containing LiFePO 4 and having an impedance of 1 kHz of 1.27 mΩ or less.
That is, the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is a lithium transition metal composite oxide represented by the general formula LiNi x Mn y Co z O 2 (x + y + z = 1, x> 0, y> 0, z> 0). By including LiFePO 4 , it has high safety and excellent input / output performance, and further, the impedance of 1 kHz is 1.27 mΩ or less, which is due to the change in SOC. A non-aqueous electrolyte secondary battery having a small change in input / output density can be obtained.
また、本発明の非水電解質二次電池は、前記正極に含まれる、前記第1の活物質と前記第2の活物質との和に対する前記第2の活物質の割合が5質量%以上25質量%以下であることを特徴とする。
本発明の非水電解質二次電池において、前記第1の活物質と前記第2の活物質との和に対する前記第2の活物質の割合が5質量%以上とすることにより、高い安全性を確保できると共に、出力性能を優れたものとし、高SOCでの出力に対する低SOCでの出力の割合を顕著に高いものとすることができる。また、前記第1の活物質と前記第2の活物質との和に対する前記第2の活物質の割合が25質量%以下とすることで、高いエネルギー密度を有する非水電解質二次電池とすることができる。
In the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the ratio of the second active material to the sum of the first active material and the second active material contained in the positive electrode is 5% by mass or more and 25%. It is characterized by being not more than mass%.
In the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, when the ratio of the second active material to the sum of the first active material and the second active material is 5% by mass or more, high safety is achieved. In addition to ensuring the output performance, the output performance at the low SOC with respect to the output at the high SOC can be remarkably increased. Moreover, it is set as the nonaqueous electrolyte secondary battery which has a high energy density because the ratio of the said 2nd active material with respect to the sum of a said 1st active material and a said 2nd active material shall be 25 mass% or less. be able to.
また、本発明の非水電解質二次電池は、前記第1の活物質が、LiNixMnyCozO2(x+y+z=1、1/4≦x≦1/3、1/4≦y≦1/3、1/3≦z≦1/2)で表されるリチウム遷移金属複合化合物を含有することが好ましい。前記リチウム遷移金属複合酸化物におけるx、y及びzをこれらの値の範囲とすることにより、本発明の効果が顕著なものとなるため好ましい。 The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the first active material, LiNi x Mn y Co z O 2 (x + y + z = 1,1 / 4 ≦ x ≦ 1 / 3,1 / 4 ≦ y ≦ It is preferable to contain a lithium transition metal composite compound represented by 1/3, 1/3 ≦ z ≦ 1/2). It is preferable that x, y, and z in the lithium transition metal composite oxide be in the range of these values because the effects of the present invention become remarkable.
また、本発明の非水電解質二次電池は、前記第2の活物質に炭素質材料が配されていることが好ましい。前記第2の活物質に炭素質材料が配されていることによって、電気伝導性が向上し、本発明の効果をより顕著なものとすることができる。 In the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, it is preferable that a carbonaceous material is disposed on the second active material. By arranging the carbonaceous material in the second active material, the electrical conductivity is improved and the effect of the present invention can be made more remarkable.
本発明によれば、高SOCでの出力に対する低SOCでの出力の比が高く、かつ高いエネルギー密度を有する非水電解質二次電池を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the ratio of the output in low SOC with respect to the output in high SOC can be high, and the nonaqueous electrolyte secondary battery which has a high energy density can be provided.
以下に、本発明の実施の形態を例示するが、本発明は、これらの記述に限定されるものではない。 Embodiments of the present invention are illustrated below, but the present invention is not limited to these descriptions.
本発明に係る非水電解質二次電池は、一般式LiNixMnyCozO2(x+y+z=1、x>0、y>0、z>0)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含む第1の活物質とLiFePO4を含む第2の活物質とを含有する正極を備え、1kHzのインピーダンスが1.27mΩ以下であることを特徴とする非水電解質二次電池である。
詳しくは、本発明の非水電解質二次電池は、一般式LiNixMnyCozO2(x+y+z=1、x>0、y>0、z>0)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含む第1の活物質とLiFePO4を含む第2の活物質とを含有する正極と、負極と、電解質塩及び非水溶媒を含有する非水電解質とを備え、1kHzのインピーダンスが1.27mΩ以下であるものである。
さらに、本発明の非水電解質二次電池は、正極と負極との間にセパレータが備えられ得る。また、これらの構成物を包装する外装体が備えられ得る。
また、前記非水電解質二次電池の態様としては、特に限定されるものではなく、例えば、正極、負極及び単層又は複層のセパレータを有するコイン電池やボタン電池、さらに、正極、負極及びロール状のセパレータを有する円筒型電池、角型電池、扁平型電池などが挙げられる。
The nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention includes a lithium transition metal composite oxide represented by a general formula LiNi x Mn y Co z O 2 (x + y + z = 1, x> 0, y> 0, z> 0). A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode containing a first active material containing and a second active material containing LiFePO 4 and having an impedance of 1 kHz of 1.27 mΩ or less.
Specifically, the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is a lithium transition metal composite oxide represented by the general formula LiNi x Mn y Co z O 2 (x + y + z = 1, x> 0, y> 0, z> 0). A positive electrode containing a first active material containing a material and a second active material containing LiFePO 4 , a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte containing an electrolyte salt and a non-aqueous solvent, and an impedance of 1 kHz is 1. 27 mΩ or less.
Furthermore, the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention may be provided with a separator between the positive electrode and the negative electrode. Moreover, the exterior body which packages these structures may be provided.
In addition, the aspect of the non-aqueous electrolyte secondary battery is not particularly limited. For example, a coin battery or a button battery having a positive electrode, a negative electrode, and a single-layer or multi-layer separator, a positive electrode, a negative electrode, and a roll. And a cylindrical battery, a square battery, a flat battery, and the like having a cylindrical separator.
前記第1の活物質は、一般式LiNixMnyCozO2(x+y+z=1、x>0、y>0、z>0)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物の群から選ばれる少なくとも1種類の化合物を含み、α−NaFeO2型結晶構造を有するものである。
前記リチウム遷移金属複合酸化物は、上記一般式におけるLi、Ni、Mn及び/又はCoの一部が、本発明の効果を損なわない範囲で、Fe、Al、Cr、Mg、V、Ti等の金属元素で置換されていてもよく、また酸素の一部がF、Sなどで置換されていてもよい。また、LiNixMnyCozO2(x+y+z=1、1/4≦x≦1/3、1/4≦y≦1/3、1/3≦z≦1/2)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物は、本発明の効果が顕著となるため好ましい。また、|x−y|≦0.05であるものが、熱的安定性及び充放電サイクル性能に優れる点で好ましい。
上記第1の活物質としては、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、LiNi1/6Mn1/6Co2/3O2、LiNi1/4Mn1/4Co1/2O2、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2、などが挙げられ、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、LiNi1/4Mn1/4Co1/2O2が好ましい。
The first active material is selected from the group of lithium transition metal composite oxides represented by the general formula LiNi x Mn y Co z O 2 (x + y + z = 1, x> 0, y> 0, z> 0). It contains at least one compound and has an α-NaFeO 2 type crystal structure.
In the lithium transition metal composite oxide, a part of Li, Ni, Mn and / or Co in the above general formula does not impair the effects of the present invention, such as Fe, Al, Cr, Mg, V and Ti It may be substituted with a metal element, and a part of oxygen may be substituted with F, S or the like. In addition, lithium represented by LiNi x Mn y Co z O 2 (x + y + z = 1, 1/4 ≦ x ≦ 1/3, 1/4 ≦ y ≦ 1/3, 1/3 ≦ z ≦ 1/2) The transition metal composite oxide is preferable because the effect of the present invention becomes remarkable. Moreover, it is preferable that | x−y | ≦ 0.05 because it is excellent in thermal stability and charge / discharge cycle performance.
Examples of the first active material include LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 , LiNi 1/6 Mn 1/6 Co 2/3 O 2 , LiNi 1/4 Mn 1/4 Co 1 / 2 O 2 , LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 , etc., and LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 , LiNi 1/4 Mn 1/4 Co 1 / 2 O 2 is preferred.
前記第2の活物質は、一般式LiFePO4で表される。本発明に係る第2の活物質は、上記一般式におけるFe及び/又はLiの一部が、本発明の効果を損なわない範囲で、Co、Al、Cr、Mg、Mn、Ni、Ti等の、Fe又はLi以外の金属元素で置換されているものを排除するものではない。また、リン酸部分(PO4)は、微量の(BO3)、(WO4)、(MoO4)、(SiO4)等の他のアニオンが固溶していてもよく、そのようなものも本発明の権利範囲に含まれる。 The second active material is represented by the general formula LiFePO 4 . The second active material according to the present invention includes Co, Al, Cr, Mg, Mn, Ni, Ti, and the like as long as a part of Fe and / or Li in the above general formula does not impair the effects of the present invention. It does not exclude those substituted with a metal element other than Fe or Li. In addition, the phosphoric acid moiety (PO 4 ) may contain a small amount of other anions such as (BO 3 ), (WO 4 ), (MoO 4 ), (SiO 4 ), and the like Is also included in the scope of rights of the present invention.
本発明に係る非水電解質二次電池において、1kHzのインピーダンスを1.27mΩ以下とするためには、種々の方法が用いられる。1kHzのインピーダンスの値は、内部抵抗の大きさを表す指標として用いることができる。一般に、物質の抵抗は厚みに比例し、電気伝導率と面積に反比例する。ここで、電池においては、厚みは電極間距離に相当し、電極若しくはセパレータの厚み又は集電構造により変化する。内部抵抗を低くするためには、電極の厚みを薄くし、セパレータとして厚みが薄いものを用いるとよい。また、集電構造については、活物質塗布部から集電板までの距離を短くすることや、集電板及び/又は集電端子の断面積を大きくすることにより、内部抵抗が低減できる。電気伝導率は活物質の組成や形状、合材組成、電解液組成又は集電構造により変化し、例えば、活物質に導電性材料を被覆すること、集電体にアンダーコートを施すこと、集電体の厚みを厚くすること、電極の合材中に含まれる導電剤の割合を増やすこと、粘度が低い若しくは誘電率の高い非水溶媒を用いること、又は、集電体と集電板若しくは集電板と集電端子との間の抵抗を低減すること等が、電気伝導率を高くするために有効である。また、面積は電極面積に相当し、電極面積を大きくすることで内部抵抗を低減できる。後述する実施例においては、集電板と活物質との最大距離、電極面積及び電極の厚みを変更した場合について示すが、電池の1kHzのインピーダンスを1.27mΩ以下とするための手法であれば、ここに記載した以外の手段を用いてもよく、そのようなものも本発明の範囲内である。 In the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, various methods are used in order to set the impedance at 1 kHz to 1.27 mΩ or less. The impedance value of 1 kHz can be used as an index representing the magnitude of the internal resistance. In general, the resistance of a material is proportional to thickness and inversely proportional to electrical conductivity and area. Here, in the battery, the thickness corresponds to the distance between the electrodes, and varies depending on the thickness of the electrode or separator or the current collecting structure. In order to reduce the internal resistance, it is preferable to reduce the thickness of the electrode and use a thin separator. Moreover, about a current collection structure, internal resistance can be reduced by shortening the distance from an active material application part to a current collection board, or enlarging the cross-sectional area of a current collection board and / or a current collection terminal. The electrical conductivity varies depending on the composition and shape of the active material, the composition of the mixture, the composition of the electrolyte solution, or the current collecting structure. For example, the active material is coated with a conductive material, the current collector is undercoated, Increasing the thickness of the electric body, increasing the proportion of the conductive agent contained in the electrode mixture, using a non-aqueous solvent having a low viscosity or a high dielectric constant, or a current collector and a current collector plate or Reducing the resistance between the current collector plate and the current collector terminal is effective for increasing the electrical conductivity. The area corresponds to the electrode area, and the internal resistance can be reduced by increasing the electrode area. In the examples described later, the maximum distance between the current collector plate and the active material, the electrode area, and the electrode thickness will be described. However, if the technique is to reduce the 1 kHz impedance of the battery to 1.27 mΩ or less. Means other than those described herein may be used, and such are within the scope of the present invention.
本発明に係る非水電解質二次電池の1kHzのインピーダンスは、市販のインピーダンス計測器により測定することができる。インピーダンスの測定は、電池に負荷をかけていない開回路状態(電流を流していない状態)で測定されなければならず、本発明における1kHzのインピーダンスとは、SOC0%の電池に負荷をかけていない状態のときに測定した値を指す。また、測定時の振幅は、10mV以下が好ましい。なお、SOCとは、
電池がどれだけ充電された状態であるかを示し、可逆的に充放電可能な電池電圧の範囲において、その上限となる電池電圧が得られる充電状態を100%、つまり満充電状態とし、下限となる電池電圧が得られる充電状態を0%、つまり放電状態としたときの充電状態を意味する。通常、1kHzのインピーダンスは、SOC0%において最大となることが知られている。そこで、いかなる充電状態であっても、その1kHzのインピーダンスが1.27mΩ以下の電池は、本発明の範囲内であるといえる。また、本明細書内では、インピーダンスのことを内部抵抗ということがある。
The impedance of 1 kHz of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention can be measured by a commercially available impedance measuring instrument. The impedance measurement must be performed in an open circuit state in which no load is applied to the battery (a state in which no current is passed), and the impedance of 1 kHz in the present invention means that no load is applied to the SOC 0% battery. The value measured at the time of the condition. The amplitude during measurement is preferably 10 mV or less. In addition, with SOC
Indicates how much the battery has been charged, and in the range of battery voltage that can be reversibly charged and discharged, the charging state at which the upper limit battery voltage is obtained is 100%, that is, the fully charged state, It means the state of charge when the state of charge in which the battery voltage is obtained is 0%, that is, the state of discharge. Usually, it is known that the impedance of 1 kHz becomes maximum at SOC 0%. Therefore, a battery having a 1 kHz impedance of 1.27 mΩ or less in any charged state is within the scope of the present invention. In the present specification, the impedance may be referred to as an internal resistance.
本発明に係る活物質の合成方法については、特に限定されるものではない。具体的には、固相法、液相法、ゾル−ゲル法、水熱法等が挙げられる。 The method for synthesizing the active material according to the present invention is not particularly limited. Specific examples include a solid phase method, a liquid phase method, a sol-gel method, and a hydrothermal method.
本発明に係る第1の活物質であるリチウム遷移金属複合酸化物は、基本的に、活物質を構成する金属元素(Li、Ni、Mn、Co)を含む原料を、目的とする活物質の組成通りに含有する前駆体(混合物)を調整し、これを焼成することによって得ることができる。第2の活物質であるLiFePO4についても、活物質を構成する金属元素(Li、Fe)を含む原料及びリン酸源となる原料を、目的とする活物質の組成通りに含有する前駆体(混合物)を調整し、これを焼成することによって得ることができる。このとき、あらかじめLi以外の金属元素を、目的とする活物質の組成通りに含有する前駆体を調整し、後からLi源を加えてもよい。なお、実際に得られる化合物の組成は、原料の仕込み組成比から計算される組成に比べて若干変動することがある。本発明は、その技術思想又は主要な特徴から逸脱することなく実施することができるものであって、作製の結果得られたものの組成が上記一般式と厳密に一致しないことのみをもって本発明の範囲に属さないものと解釈してはならないことはいうまでもない。特にリチウム源については焼成中に一部が揮発しやすいことが知られている。このため、前駆体又は焼成前の原料に、リチウム源を化学量論比よりも多めに仕込んでおくことが通常行われる。 The lithium transition metal composite oxide which is the first active material according to the present invention basically includes a raw material containing a metal element (Li, Ni, Mn, Co) constituting the active material as a target active material. It can be obtained by adjusting the precursor (mixture) contained according to the composition and firing it. Also for LiFePO 4 as the second active material, a precursor containing a raw material containing metal elements (Li, Fe) constituting the active material and a raw material serving as a phosphoric acid source according to the composition of the target active material ( It can be obtained by adjusting the mixture) and firing it. At this time, a precursor containing a metal element other than Li according to the composition of the target active material may be prepared in advance, and a Li source may be added later. In addition, the composition of the compound actually obtained may vary slightly compared with the composition calculated from the charged composition ratio of the raw materials. The present invention can be carried out without departing from the technical idea or the main features thereof, and the scope of the present invention is only that the composition of the product obtained as a result of production does not exactly match the above general formula. Needless to say, it should not be construed as not belonging to. In particular, it is known that a part of the lithium source easily volatilizes during firing. For this reason, it is common practice to charge the precursor or raw material before firing with a lithium source larger than the stoichiometric ratio.
Liを含む原料としては、炭酸リチウム(Li2CO3)、水酸化リチウム(LiOH)、硝酸リチウム(LiNO3)、酢酸リチウム(CH3COOLi)等が使用される。Feを含む原料としては、酢酸鉄、硝酸鉄、乳酸鉄等が使用できる。リン酸源としては、リン酸アンモニウム、リン酸二水素アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム等が使用できる。また、Ni、Mn又はCoを含む原料としては、それぞれの金属の炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩又は硫酸塩などが用いられる。なお、液相法、ゾル−ゲル法等の水溶液系の合成に於いては、金属源として用いる化合物は、水に溶解するものが好ましく、水に溶解しない又は溶解しにくい場合は、混合の順番を変更したり、あらかじめそれぞれの原料を精製水などに溶解させたりするとよい。また、Liを含むリン酸源として、リン酸リチウム(Li3PO4)、リン酸二水素リチウム(LiH2PO4)を使用することもできる。 As a raw material containing Li, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), lithium hydroxide (LiOH), lithium nitrate (LiNO 3 ), lithium acetate (CH 3 COOLi), or the like is used. As a raw material containing Fe, iron acetate, iron nitrate, iron lactate and the like can be used. As the phosphate source, ammonium phosphate, ammonium dihydrogen phosphate, diammonium hydrogen phosphate, and the like can be used. Moreover, as a raw material containing Ni, Mn or Co, carbonate, nitrate, acetate or sulfate of each metal is used. In addition, in the synthesis of an aqueous solution system such as a liquid phase method and a sol-gel method, the compound used as a metal source is preferably one that dissolves in water. It is good to change the above or to dissolve each raw material in purified water beforehand. Furthermore, as the phosphoric acid source containing Li, lithium phosphate (Li 3 PO 4), it is also possible to use lithium dihydrogen phosphate (LiH 2 PO 4).
また、電子伝導性を補う目的で活物質粒子表面にカーボンを機械的にあるいは有機物の熱分解等により付着及び被覆させることが好ましい。
特に、本発明に係る第2の活物質であるLiFePO4においては、本発明の効果を充分に発現させるため、カーボン等により粒子同士の電子伝導を十分に確保することが重要である。
Moreover, it is preferable to adhere and coat carbon on the surface of the active material particles mechanically or by thermal decomposition of organic matter for the purpose of supplementing electron conductivity.
In particular, in LiFePO 4 which is the second active material according to the present invention, it is important to sufficiently ensure the electron conduction between particles with carbon or the like in order to sufficiently develop the effects of the present invention.
本発明において、電極に用いる活物質粒子の表面にカーボンを付着又は被覆させる方法としては限定されるものではないが、例えば、固体又は液体の有機物やカーボンなどのカーボン源と正極活物質粒子とを熱処理することにより得ることができる。前記熱処理温度は、前記カーボン源が熱分解する温度以上とする必要がある。前記カーボン源としては、ショ糖、ポリビニルアルコール、アセチレンブラックなどが挙げられる。あるいは、昇温雰囲気中に正極活物質粒子を載置し、ガス状の有機物を導入することによって活物質粒子表面にカーボンを析出並びに気相成長させる方法を採用しても良い。前記ガス状の有機物としては、気化したメタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール等の1価アルコールやエチレンガス、プロピレンガス等が挙げられる。また、水熱法などで合成する場合においては、水浴中に酸化防止の目的でクエン酸、アスコルビン酸等の有機物を添加することがあるが、このような場合には最終生成物である活物質表面に前記有機物に由来するカーボンが付着又は被覆されることがあるので、これをこのまま使用する事もできる。もちろん、さらに上記した固体若しくは液体の有機物又はガス状の有機物を用いる処方を併用しても良い。以上のいずれの処方についても、例えば国際公開第2007/043665号パンフレットの各実施例、比較例が参考になる。 In the present invention, the method for adhering or coating the carbon on the surface of the active material particles used for the electrode is not limited. For example, a solid or liquid organic substance or carbon source such as carbon and the positive electrode active material particles It can be obtained by heat treatment. The heat treatment temperature needs to be equal to or higher than the temperature at which the carbon source is thermally decomposed. Examples of the carbon source include sucrose, polyvinyl alcohol, and acetylene black. Alternatively, a method may be employed in which positive electrode active material particles are placed in a temperature rising atmosphere and carbon is deposited and vapor-phase grown on the surface of the active material particles by introducing a gaseous organic material. Examples of the gaseous organic substance include vaporized monohydric alcohols such as methanol, ethanol, isopropanol, and butanol, ethylene gas, propylene gas, and the like. In addition, when synthesizing by a hydrothermal method or the like, organic substances such as citric acid and ascorbic acid may be added to the water bath for the purpose of preventing oxidation. In such a case, the active material which is the final product is used. Since carbon derived from the organic matter may adhere or be coated on the surface, it can be used as it is. Of course, you may use together the prescription using the above-mentioned solid or liquid organic substance or gaseous organic substance. For any of the above-mentioned prescriptions, for example, Examples and Comparative Examples in International Publication No. 2007/043665 pamphlet are useful.
本発明に係る第1の活物質であるリチウム遷移金属複合酸化物及び第2の活物質であるLiFePO4は、平均粒子サイズ100μm以下の粉体であることが好ましい。特に、本発明の効果を有効に引き出すためには粒径が小さい方が好ましく、二次粒子の平均粒子径は0.5〜50μmが好ましい。二次粒子径を小さくすることで、集電体に正極ペーストを塗工する際に、均一なものとすることが可能となる。また、LiFePO4の一次粒子の粒径は50〜500nmであることがより好ましい。LiFePO4の一次粒子径を小さくすることで、固相内の電子の伝導経路長やLiイオンの拡散経路長を短くできるため、LiFePO4の性能を最大限利用することが可能となる。
なお、二次粒子の平均粒子径は液相沈降法又はレーザー回折・散乱法による粒度分布測定により、一次粒子の平均粒子径は、透過型電子顕微鏡(TEM)観察の結果を画像解析することにより求めることができる。
The lithium transition metal composite oxide as the first active material and the LiFePO 4 as the second active material according to the present invention are preferably powders having an average particle size of 100 μm or less. In particular, in order to effectively bring out the effects of the present invention, a smaller particle size is preferable, and the average particle size of secondary particles is preferably 0.5 to 50 μm. By making the secondary particle diameter small, it becomes possible to make it uniform when the positive electrode paste is applied to the current collector. The primary particle diameter of LiFePO 4 is more preferably 50 to 500 nm. By reducing the primary particle size of LiFePO 4, since it is possible to shorten the diffusion path length of the solid electron conduction path length and Li ions Aiuchi, it is possible to maximize use of the performance of LiFePO 4.
The average particle size of secondary particles is determined by particle size distribution measurement by liquid phase precipitation method or laser diffraction / scattering method, and the average particle size of primary particles is determined by image analysis of the results of transmission electron microscope (TEM) observation. Can be sought.
第1の活物質であるリチウム遷移金属複合酸化物の窒素吸着法によるBET比表面積は、本発明の効果を顕著に奏させるためには大きい方が良く、0.1m2/g以上が好ましく、0.5m2/g以上がより好ましい。また、リチウム遷移金属複合酸化物の比表面積を好ましくは20m2/g以下、より好ましくは10m2/g以下とすることにより、充電状態における正極の熱安定性が向上すると共に、充放電容量を充分に高いものとすることができる。
第2の活物質であるLiFePO4の窒素吸着法によるBET比表面積は、本発明の効果を顕著に奏させるために大きい方が良く、1m2/g以上が好ましく、5m2/g以上がより好ましい。また、前記BET比表面積が大きすぎると、電極作製時にペーストに含有させる結着剤の量を増やす必要が生じ、活物質の充填密度が低下するため、100m2/g以下が好ましく、80m2/g以下がより好ましい。
本発明においては、LiFePO4の粒子の比表面積は、リチウム遷移金属複合酸化物の比表面積よりも大きいことが好ましい。
The BET specific surface area by the nitrogen adsorption method of the lithium transition metal composite oxide as the first active material is preferably large in order to achieve the effects of the present invention significantly, preferably 0.1 m 2 / g or more, 0.5 m 2 / g or more is more preferable. Further, by making the specific surface area of the lithium transition metal composite oxide preferably 20 m 2 / g or less, more preferably 10 m 2 / g or less, the thermal stability of the positive electrode in the charged state is improved and the charge / discharge capacity is reduced. It can be made sufficiently high.
The BET specific surface area by the nitrogen adsorption method of LiFePO 4 as the second active material is preferably large so that the effects of the present invention are remarkably exhibited, preferably 1 m 2 / g or more, and more preferably 5 m 2 / g or more. preferable. Further, if the BET specific surface area is too large, it is necessary to increase the amount of the binder to be contained in the paste at the time of producing the electrode, and the packing density of the active material is reduced. Therefore, it is preferably 100 m 2 / g or less, 80 m 2 / g or less is more preferable.
In the present invention, the specific surface area of the LiFePO 4 particles is preferably larger than the specific surface area of the lithium transition metal composite oxide.
本発明の電極に含有される活物質の粉体を所定の形状で得るため、粉砕機や分級機を用いることができる。例えば乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、遊星ボールミル、ジェットミル、カウンタージェットミル、旋回気流型ジェットミルや篩等を用いることができる。粉砕時には水、あるいはアルコール、ヘキサン等の有機溶剤を共存させた湿式粉砕を用いてもよい。分級方法としては、特に限定はなく、必要に応じて篩や風力分級機等を乾式あるいは湿式にて用いることができる。 In order to obtain the powder of the active material contained in the electrode of the present invention in a predetermined shape, a pulverizer or a classifier can be used. For example, a mortar, a ball mill, a sand mill, a vibrating ball mill, a planetary ball mill, a jet mill, a counter jet mill, a swirling air flow type jet mill, a sieve, or the like can be used. At the time of pulverization, wet pulverization in which an organic solvent such as water or alcohol or hexane coexists may be used. The classification method is not particularly limited, and a sieve, an air classifier or the like can be used in a dry or wet manner as necessary.
本発明に係る第1の活物質及び第2の活物質の一般式は、従来知られている各種分析法により、酸素以外の含有される元素(Li、Ni、Mn、Co又はLi、Fe、P)の比を調べることにより求められる。分析手法としては、例えば、ICP発光分光、ICP質量分析、原子吸光、蛍光エックス線分析などが挙げられる。また、前記第1の活物質及び前記第2の活物質の結晶構造は、エックス線回折(XRD)測定により調べることが可能である。
また、本発明に係る電極に用いられる活物質に配された導電性炭素質材料の量は、酸素気流中高周波過熱焼成−赤外線吸収法、熱重量測定(TG)などにより求めることができる。また、前記導電性炭素質材料が活物質に配されていることは、透過型電子顕微鏡(TEM)をもちいた観察などによって確かめることができる。
The general formulas of the first active material and the second active material according to the present invention can be obtained by analyzing elements other than oxygen (Li, Ni, Mn, Co or Li, Fe, It is obtained by examining the ratio of P). Examples of analysis techniques include ICP emission spectroscopy, ICP mass spectrometry, atomic absorption, and fluorescent X-ray analysis. The crystal structures of the first active material and the second active material can be examined by X-ray diffraction (XRD) measurement.
Further, the amount of the conductive carbonaceous material arranged in the active material used for the electrode according to the present invention can be determined by high-frequency overheating firing in an oxygen stream-infrared absorption method, thermogravimetry (TG), or the like. Further, it can be confirmed by observation using a transmission electron microscope (TEM) that the conductive carbonaceous material is arranged in the active material.
正極には、本発明の効果を損なわない範囲で、他の正極材料を混合して用いることができる。他の正極材料としては、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、リチウム遷移金属複合酸化物等が挙げられる。遷移金属酸化物としては、マンガン酸化物、鉄酸化物、銅酸化物、ニッケル酸化物、バナジウム酸化物、遷移金属硫化物としては、モリブデン硫化物、チタン硫化物等が挙げられる。リチウム遷移金属複合酸化物としては、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物、リチウムニッケルマンガン複合酸化物等が挙げられる。さらに、ジスルフィド,ポリピロール,ポリアニリン,ポリパラスチレン,ポリアセチレン,ポリアセン系材料等の導電性高分子化合物、擬グラファイト構造炭素質材料等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 Other positive electrode materials can be mixed and used for the positive electrode as long as the effects of the present invention are not impaired. Examples of other positive electrode materials include transition metal oxides, transition metal sulfides, lithium transition metal composite oxides, and the like. Examples of the transition metal oxide include manganese oxide, iron oxide, copper oxide, nickel oxide, vanadium oxide, and examples of the transition metal sulfide include molybdenum sulfide and titanium sulfide. Examples of the lithium transition metal composite oxide include lithium manganese composite oxide, lithium nickel composite oxide, lithium cobalt composite oxide, lithium nickel cobalt composite oxide, and lithium nickel manganese composite oxide. Furthermore, conductive polymer compounds such as disulfide, polypyrrole, polyaniline, polyparastyrene, polyacetylene, and polyacene materials, pseudographite-structured carbonaceous materials, and the like are exemplified, but the invention is not limited thereto.
本発明に係る非水電解質二次電池に含有される非水電解質を構成する有機溶媒は、限定されるものではなく、一般に非水電解質二次電池に供される非水電解質に使用される有機溶媒が使用できる。
例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、スチレンカーボネート、カテコールカーボネート、1−フェニルビニレンカーボネート、1,2−ジフェニルビニレンカーボネート等の環状カーボネート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、プロピオラクトン等の環状カルボン酸エステル、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の鎖状カーボネート、酢酸メチル、酪酸メチル等の鎖状カルボン酸エステル、テトラヒドロフランまたはその誘導体、1,3−ジオキサン、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、メトキシエトキシエタン、メチルジグライム等のエーテル類、アセトニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル類、ジオキサランまたはその誘導体等の単独またはそれら2種以上の混合物等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
また、これらの有機溶媒は、任意の割合で混合して用いることができる。
The organic solvent constituting the nonaqueous electrolyte contained in the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is not limited, and is generally an organic solvent used in a nonaqueous electrolyte provided for a nonaqueous electrolyte secondary battery. A solvent can be used.
For example, cyclic carbonate such as propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, styrene carbonate, catechol carbonate, 1-phenyl vinylene carbonate, 1,2-diphenyl vinylene carbonate, cyclic such as γ-butyrolactone, γ-valerolactone, propiolactone, etc. Carboxylic acid esters, linear carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate, linear carboxylic acid esters such as methyl acetate and methyl butyrate, tetrahydrofuran or derivatives thereof, 1,3-dioxane, dimethoxyethane, diethoxyethane, Simple substances such as ethers such as methoxyethoxyethane and methyldiglyme, nitriles such as acetonitrile and benzonitrile, dioxalane or derivatives thereof Examples thereof include, but are not limited to, one or a mixture of two or more thereof.
Moreover, these organic solvents can be mixed and used in arbitrary ratios.
非水電解質を構成するリチウム塩としては、限定されるものではなく、一般に非水電解質二次電池に使用される、広電位領域において安定であるリチウム塩が使用できる。例えば、LiBF4、LiPF6、LiClO4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3等が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、2種以上混合して用いてもよい。 The lithium salt constituting the non-aqueous electrolyte is not limited, and lithium salts that are generally used in non-aqueous electrolyte secondary batteries and that are stable in a wide potential region can be used. For example, LiBF 4 , LiPF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ), LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiC (C 2 F 5 SO 2 ) 3 and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
非水電解質における電解質塩の濃度としては、優れた高率放電特性を有する非水電解質二次電池を確実に得るために、0.1mol/l〜5.0mol/lが好ましく、さらに好ましくは、0.8mol/l〜2.0mol/lである。 The concentration of the electrolyte salt in the nonaqueous electrolyte is preferably 0.1 mol / l to 5.0 mol / l, more preferably, in order to reliably obtain a nonaqueous electrolyte secondary battery having excellent high rate discharge characteristics. 0.8 mol / l to 2.0 mol / l.
本発明に係る非水電解質二次電池に含まれる非水電解質は、本発明の効果を損なわない範囲で、上記有機溶媒とリチウム塩以外の化合物を任意の量で含有させることができる。
このような他の化合物としては、例えば、ビフェニル、アルキルビフェニル、ターフェニル、ターフェニルの部分水素化体、シクロヘキシルベンゼン、t−ブチルベンゼン、t−アミルベンゼン、ジフェニルエーテル、ジベンゾフラン等の芳香族化合物;2−フルオロビフェニル、o−シクロヘキシルフルオロベンゼン、p−シクロヘキシルフルオロベンゼン等の前記芳香族化合物の部分フッ素化物;2,4−ジフルオロアニソール、2,5−ジフルオロアニソール、2,6−ジフルオロアニソール、3,5−ジフルオロアニソール等の含フッ素アニソール化合物等の過充電防止剤;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、無水コハク酸、無水グルタル酸、無水マレイン酸、無水シトラコン酸、無水グルタコン酸、無水イタコン酸、シクロヘキサンジカルボン酸無水物等の負極被膜形成剤;亜硫酸エチレン、亜硫酸プロピレン、亜硫酸ジメチル、プロパンスルトン、プロペンスルトン、ブタンスルトン、メタンスルホン酸メチル、ブスルファン、トルエンスルホン酸メチル、硫酸ジメチル、硫酸エチレン、スルホラン、ジメチルスルホン、ジエチルスルホン、ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド、テトラメチレンスルホキシド、ジフェニルスルフィド、チオアニソール、ジフェニルジスルフィド、ジピリジニウムジスルフィド等の正極保護剤等が挙げられる。
The nonaqueous electrolyte contained in the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention can contain an arbitrary amount of a compound other than the organic solvent and the lithium salt as long as the effects of the present invention are not impaired.
Examples of such other compounds include aromatic compounds such as biphenyl, alkylbiphenyl, terphenyl, partially hydrogenated terphenyl, cyclohexylbenzene, t-butylbenzene, t-amylbenzene, diphenyl ether, and dibenzofuran; Partially fluorinated products of the above aromatic compounds such as -fluorobiphenyl, o-cyclohexylfluorobenzene, p-cyclohexylfluorobenzene; 2,4-difluoroanisole, 2,5-difluoroanisole, 2,6-difluoroanisole, 3,5 -Overcharge inhibitors such as fluorine-containing anisole compounds such as difluoroanisole; vinylene carbonate, vinyl ethylene carbonate, fluoroethylene carbonate, trifluoropropylene carbonate, succinic anhydride, glutar anhydride Negative electrode film forming agents such as maleic anhydride, citraconic anhydride, glutaconic anhydride, itaconic anhydride, cyclohexanedicarboxylic anhydride; ethylene sulfite, propylene sulfite, dimethyl sulfite, propane sultone, propene sultone, butane sultone, methyl methanesulfonate Cathodic protective agents such as, busulfan, methyl toluene sulfonate, dimethyl sulfate, ethylene sulfate, sulfolane, dimethyl sulfone, diethyl sulfone, dimethyl sulfoxide, diethyl sulfoxide, tetramethylene sulfoxide, diphenyl sulfide, thioanisole, diphenyl disulfide, dipyridinium disulfide, etc. Is mentioned.
上記化合物は2種以上を併用して用いてもかまわない。負極被膜形成剤と正極保護剤との併用や、過充電防止剤と負極被膜形成剤と正極保護剤との併用が特に好ましい。 Two or more of the above compounds may be used in combination. The combined use of a negative electrode film forming agent and a positive electrode protective agent, or the combined use of an overcharge inhibitor, a negative electrode film forming agent and a positive electrode protective agent is particularly preferred.
非水系電解質中におけるこれらのその他の化合物の含有割合は特に限定はないが、非水系電解質全体に対し、それぞれ、0.01質量%以上が好ましく、より好ましくは0.1質量%以上、更に好ましくは0.2質量%以上であり、上限は、5質量%以下が好ましく、より好ましくは3質量%以下、更に好ましくは2質量%以下である。これらの化合物を添加することにより、安全性をより向上させたり、高温保存後の容量維持性能やサイクル性能を向上させたりすることができる。 The content ratio of these other compounds in the non-aqueous electrolyte is not particularly limited, but is preferably 0.01% by mass or more, more preferably 0.1% by mass or more, and still more preferably, with respect to the entire non-aqueous electrolyte. Is 0.2% by mass or more, and the upper limit is preferably 5% by mass or less, more preferably 3% by mass or less, and still more preferably 2% by mass or less. By adding these compounds, safety can be further improved, and capacity maintenance performance and cycle performance after high-temperature storage can be improved.
正極集電体の材質としては特に制限は無く、公知のものを任意に用いることができる。具体例としては、アルミニウム、ニッケルメッキ鋼、チタン、タンタル等の金属材料;カーボンクロス、カーボンペーパー等の炭素質材料が挙げられる。中でも特にアルミニウムが好ましい。 There is no restriction | limiting in particular as a material of a positive electrode electrical power collector, A well-known thing can be used arbitrarily. Specific examples include metal materials such as aluminum, nickel-plated steel, titanium, and tantalum; and carbonaceous materials such as carbon cloth and carbon paper. Of these, aluminum is particularly preferable.
本発明の非水電解質二次電池に用いる負極活物質としては、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵・放出可能なものであれば、特に制限はなく、炭素質材料、酸化錫や酸化ケイ素等の金属酸化物、チタン酸リチウム等のリチウム遷移金属複合酸化物、リチウム単体やリチウムアルミニウム合金等のリチウム合金、SnやSi等のリチウムと合金形成可能な金属等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。なかでも炭素質材料又はリチウム遷移金属複合酸化物が安全性の点から好ましく用いられる。 The negative electrode active material used in the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is not particularly limited as long as it can electrochemically occlude and release lithium ions, such as carbonaceous materials, tin oxide and silicon oxide. Examples thereof include metal oxides, lithium transition metal composite oxides such as lithium titanate, lithium alloys such as lithium alone and lithium aluminum alloys, metals that can form alloys with lithium such as Sn and Si, and the like. These may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio. Of these, carbonaceous materials or lithium transition metal composite oxides are preferably used from the viewpoint of safety.
炭素質材料としては、天然グラファイト、人造グラファイト、コークス類、難黒鉛化性炭素、低温焼成易黒鉛化性炭素、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、活性炭等が挙げられる。 Examples of the carbonaceous material include natural graphite, artificial graphite, coke, non-graphitizable carbon, low-temperature calcinable graphitizable carbon, fullerene, carbon nanotube, carbon black, activated carbon and the like.
負極の集電体としては、公知のものを任意に用いることができる。例えば、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼、クロムメッキ鋼等の金属材料が挙げられ、中でも加工し易さとコストの点から特に銅が好ましい。 As the current collector for the negative electrode, a known one can be arbitrarily used. For example, metal materials such as copper, nickel, stainless steel, nickel-plated steel, and chrome-plated steel can be used, and copper is particularly preferable from the viewpoint of ease of processing and cost.
本発明に係る非水電解質二次電池における正極と負極との容量のバランスについては、負極の充電電気量が正極の充電電気量の1.05倍以上1.50倍未満となるように設計することが好ましい。充電時に正極から放出されるLi量を負極が受けきれずに負極上でLiが析出する危険性を回避するために、負極の充電電気量は正極の充電電気量の1.05倍以上が好ましい。負極の充電電気量が多すぎると、利用されない負極が増え、その結果、重量エネルギー密度・体積エネルギー密度が低下するため、負極の充電電気量は正極の充電電気量の1.50倍未満が好ましい。したがって、負極の充電電気量は正極の充電電気量の1.05倍〜1.50倍未満が好ましく、1.05〜1.30倍がより好ましく、1.10〜1.20倍がさらに好ましい。 The capacity balance between the positive electrode and the negative electrode in the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is designed so that the amount of charged electricity in the negative electrode is 1.05 times or more and less than 1.50 times the amount of charged electricity in the positive electrode. It is preferable. In order to avoid the risk of Li deposition on the negative electrode without receiving the amount of Li released from the positive electrode during charging, the negative charge is preferably 1.05 times or more of the positive charge. . If the amount of charged electricity in the negative electrode is too large, the number of negative electrodes that are not used increases, and as a result, the weight energy density and volume energy density decrease. . Therefore, the amount of charge in the negative electrode is preferably 1.05 to less than 1.50 times the amount of charge in the positive electrode, more preferably 1.05 to 1.30 times, and even more preferably 1.10 to 1.20 times. .
セパレータとして、微多孔性膜や不織布等を、単独あるいは併用することが好ましい。セパレータを構成する材料としては、例えばポリエチレン,ポリプロピレン等に代表されるポリオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート,ポリブチレンテレフタレート等に代表されるポリエステル系樹脂、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−パーフルオロビニルエーテル共重合体、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−トリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−フルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロアセトン共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン共重合体、フッ化ビニリデン−プロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−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−テトラフルオロエチレン共重合体等を挙げることができる。なかでも本発明においては、ポリエチレン,ポリプロピレン等に代表されるポリオレフィン系樹脂を主成分とする微多孔性膜であることが好ましい。 As the separator, it is preferable to use a microporous membrane or a nonwoven fabric alone or in combination. Examples of the material constituting the separator include polyolefin resins typified by polyethylene and polypropylene, polyester resins typified by polyethylene terephthalate and polybutylene terephthalate, polyvinylidene fluoride, and vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer. , Vinylidene fluoride-perfluorovinyl ether copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-fluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoro Acetone copolymer, vinylidene fluoride-ethylene copolymer, vinylidene fluoride-propylene copolymer, vinylidene fluoride-trifluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoro Ethylene - hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride - ethylene - can be mentioned tetrafluoroethylene copolymer. In particular, in the present invention, a microporous film mainly composed of a polyolefin resin typified by polyethylene, polypropylene or the like is preferable.
その他の電池の構成要素としては、正負極に用いられる導電剤及び/又は結着剤、端子、絶縁板、電池ケース等があるが、これらの部品は従来用いられてきたものをそのまま用いて差し支えない。 Other battery components include conductive agents and / or binders used for positive and negative electrodes, terminals, insulating plates, battery cases, etc., but these components may be used as they are. Absent.
以下、実施例及び比較例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail using an Example and a comparative example, this invention is not limited to the following embodiment.
以下の実施例及び比較例に用いたリチウム遷移金属複合酸化物LiNixMnyCozO2(x+y+z=1、x>0、y>0、z>0)、及び、カーボンコートされたLiFePO4は、周知の方法により合成した。前記LiFePO4には合成された時点において既にカーボンコートが施された状態となっている。前記カーボンコートの量は前記LiFePO4全体の1.1質量%を占める。前記LiFePO4の平均粒子径は10.0μmであり、窒素吸着法によるBET比表面積は10.5m2/gであった。 Lithium transition metal composite oxide LiNi x Mn y Co z O 2 (x + y + z = 1, x> 0, y> 0, z> 0) used in the following examples and comparative examples, and carbon-coated LiFePO 4 Was synthesized by a known method. The LiFePO 4 is already carbon coated at the time of synthesis. The amount of the carbon coat occupies 1.1 mass% of the entire LiFePO 4 . The average particle diameter of the LiFePO 4 was 10.0 μm, and the BET specific surface area determined by the nitrogen adsorption method was 10.5 m 2 / g.
[実施例1]
(正極の作製)
第1の活物質であるLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2と、第2の活物質である前記LiFePO4とを、質量比90:10で混合した。なお、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2の平均粒子径及び窒素吸着法によるBET比表面積は、それぞれ12.1μm及び1.1m2/gであった。この活物質混合物を本実施例における正極活物質とした。前記正極活物質と、導電剤であるカーボン材料と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを、活物質混合物:カーボン材料:PVdF=88:7:5の質量比で含有し、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)を溶媒とする正極ペーストを調整した。該正極ペーストを、厚み15μmのアルミニウム箔の両面に塗布し、80℃で乾燥させてNMPを除去した。正極の塗布質量は13.16mg/cm2とした。該正極を120℃に加熱したローラープレス機により加圧成型して正極活物質層を成型した後、150℃で12時間減圧乾燥して、極板中の水分を除去した。ローラープレス後のアルミニウム箔と正極活物質層の厚みの合計は119μmであった。このときの極板の空孔率は35%であった。このようにして作製した正極を正極aとする。
[Example 1]
(Preparation of positive electrode)
LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 as the first active material and the LiFePO 4 as the second active material were mixed at a mass ratio of 90:10. The average particle diameter of LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 and the BET specific surface area determined by the nitrogen adsorption method were 12.1 μm and 1.1 m 2 / g, respectively. This active material mixture was used as the positive electrode active material in this example. The positive electrode active material, a carbon material as a conductive agent, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder are contained in a mass ratio of active material mixture: carbon material: PVdF = 88: 7: 5, N -A positive electrode paste using methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent was prepared. The positive electrode paste was applied to both surfaces of a 15 μm thick aluminum foil and dried at 80 ° C. to remove NMP. The coating mass of the positive electrode was 13.16 mg / cm 2 . The positive electrode was pressure-molded with a roller press heated to 120 ° C. to form a positive electrode active material layer, and then dried under reduced pressure at 150 ° C. for 12 hours to remove moisture in the electrode plate. The total thickness of the aluminum foil and the positive electrode active material layer after the roller press was 119 μm. At this time, the porosity of the electrode plate was 35%. The positive electrode produced in this way is designated as positive electrode a.
(負極の作製)
負極活物質であるグラファイトと、結着剤であるPVdFとを、グラファイト:PVdF=94:6の質量比で含有し、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)を溶媒とする負極ペーストを調整した。該負極ペーストを、厚み10μmの銅箔の両面に塗布し、80℃で乾燥させてNMPを除去した。負極の塗布質量は、6.85mg/cm2である。該負極を120℃に加熱したローラープレス機により加圧成型して負極活物質層を成型した後、150℃で12時間減圧乾燥して、極板中の水分を除去した。ローラープレス後の銅箔と正極活物質層の厚みの合計は106μmであった。このときの極板の空孔率は35%であった。このようにして作製した負極を負極aとする。
(Preparation of negative electrode)
A negative electrode paste containing graphite as a negative electrode active material and PVdF as a binder in a mass ratio of graphite: PVdF = 94: 6 and using N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent was prepared. . The negative electrode paste was applied to both sides of a 10 μm thick copper foil and dried at 80 ° C. to remove NMP. The coating mass of the negative electrode is 6.85 mg / cm 2 . The negative electrode was pressure-molded with a roller press heated to 120 ° C. to form a negative electrode active material layer, and then dried under reduced pressure at 150 ° C. for 12 hours to remove moisture in the electrode plate. The total thickness of the copper foil and the positive electrode active material layer after the roller press was 106 μm. At this time, the porosity of the electrode plate was 35%. The negative electrode produced in this way is referred to as negative electrode a.
(非水電解質の作製)
エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート及びエチルメチルカーボネートを体積比1:1:1の割合で混合した混合溶媒に、含フッ素系電解質塩であるLiPF6を1.0mol/lの濃度で溶解させ、非水電解質を作製した。該非水電解質中の水分量は50ppm未満とした。
(Preparation of non-aqueous electrolyte)
In a mixed solvent in which ethylene carbonate, dimethyl carbonate and ethyl methyl carbonate are mixed at a volume ratio of 1: 1: 1, LiPF 6 which is a fluorine-containing electrolyte salt is dissolved at a concentration of 1.0 mol / l, and a non-aqueous electrolyte is obtained. Was made. The amount of water in the non-aqueous electrolyte was less than 50 ppm.
(非水電解質二次電池の作製)
実施例の電池の模式図を図1に示す。セパレータとして、厚み27μm、透気度95秒及び空孔率50%のポリエチレン製微多孔膜を用い、前記セパレータ(13)が正極a(11)と負極a(12)との間に位置するようにして、上記正極、負極及びセパレータを扁平形状に巻回して発電要素(14)を作製した。このときの正極と負極の対向する面積(対向面積)は、6825cm2とした。ここで、正極及び負極は、巻回軸線に沿って互いに離れる方向にずらして巻回されている。即ち、発電要素(14)の軸線方向両端部のうちの一方はセパレータ(13)から正極を構成する金属箔がはみ出し、発電要素(14)の軸線方向両端部のうちの他方は負極を構成する金属箔がはみ出している。アルミニウム製の正極集電板を、正極を構成する金属箔の、セパレータからはみ出した部分に、発電要素に対して厚み方向にまたがるような位置(15)に配置した後、金属箔と溶接した。負極側も同様に、銅製の負極集電板を、負極を構成する金属箔の、セパレータからはみ出した部分に、発電要素に対して厚み方向にまたがるような位置(16)に配置した後、金属箔と溶接した。このとき、集電板から最も離れた活物質までの距離(17)は、発電要素の幅方向の長さとなり、この距離は10cm以内であった。このようにして作製した正極、負極、セパレータからなる発電要素(14)に正負極集電板を溶接したものをアルミニウム製の角型電槽缶(高さ81mm、幅111.6mm、厚み20.6mm)に収納し、正負極端子を取り付けた。この容器内部に非水電解質を76g注入したのちに封口して、設計容量11.5Ahの非水電解質二次電池を作製した。この電池を本発明電池Aとする。
(Preparation of non-aqueous electrolyte secondary battery)
A schematic diagram of the battery of the example is shown in FIG. As the separator, a polyethylene microporous film having a thickness of 27 μm, an air permeability of 95 seconds and a porosity of 50% is used, and the separator (13) is positioned between the positive electrode a (11) and the negative electrode a (12). Thus, the positive electrode, the negative electrode, and the separator were wound into a flat shape to produce a power generation element (14). The area where the positive electrode and the negative electrode face each other (opposing area) was 6825 cm 2 . Here, the positive electrode and the negative electrode are wound while being shifted in a direction away from each other along the winding axis. That is, one of the axial ends of the power generation element (14) protrudes from the separator (13), and the other of the axial ends of the power generation element (14) forms the negative electrode. Metal foil sticks out. The positive electrode current collector plate made of aluminum was disposed at a position (15) across the thickness direction with respect to the power generation element on the portion of the metal foil constituting the positive electrode that protruded from the separator, and then welded to the metal foil. Similarly, on the negative electrode side, a copper negative electrode current collector plate was placed on a portion of the metal foil constituting the negative electrode that protruded from the separator at a position (16) across the thickness direction with respect to the power generation element, and then the metal Welded with foil. At this time, the distance (17) from the current collecting plate to the farthest active material was the length in the width direction of the power generation element, and this distance was within 10 cm. A power generation element (14) made of a positive electrode, a negative electrode, and a separator prepared as described above was welded with a positive and negative current collector plate, and an aluminum square battery case (height 81 mm, width 111.6 mm, thickness 20. 6 mm), and positive and negative terminals were attached. 76 g of nonaqueous electrolyte was injected into the container and then sealed to prepare a nonaqueous electrolyte secondary battery having a design capacity of 11.5 Ah. This battery is referred to as a battery A of the present invention.
[実施例2]
(正極の作製)
第1の活物質であるLiNi1/4Mn1/4Co1/2O2と、第2の活物質である前記LiFePO4とを質量比90:10で混合した活物質混合物を正極活物質として用いたこと、正極の塗布質量を13.23mg/cm2としたこと、及び、加圧成型後のアルミニウム箔と正極活物質層の厚みの合計を118μmとしたことを除いては実施例1と同様にして、正極bを作製した。なお、前記LiNi1/4Mn1/4Co1/2O2の平均粒子径及び窒素吸着法によるBET比表面積は、それぞれ6.2μm及び0.62m2/gであった。
[Example 2]
(Preparation of positive electrode)
An active material mixture obtained by mixing LiNi 1/4 Mn 1/4 Co 1/2 O 2 as the first active material and the LiFePO 4 as the second active material at a mass ratio of 90:10 is used as the positive electrode active material. Example 1 except that the coating mass of the positive electrode was 13.23 mg / cm 2 and the total thickness of the aluminum foil and the positive electrode active material layer after pressure molding was 118 μm. In the same manner as above, a positive electrode b was produced. The average particle diameter of the LiNi 1/4 Mn 1/4 Co 1/2 O 2 and the BET specific surface area determined by the nitrogen adsorption method were 6.2 μm and 0.62 m 2 / g, respectively.
(負極の作製)
負極の塗布質量を6.89mg/cm2としたことを除いては実施例1と同様にして、負極bを作製した。このときの極板の空孔率は35%であった。
(Preparation of negative electrode)
A negative electrode b was produced in the same manner as in Example 1, except that the coating mass of the negative electrode was 6.89 mg / cm 2 . At this time, the porosity of the electrode plate was 35%.
(非水電解質二次電池の作製)
正極bと負極bとを用いたことを除いては実施例1と同様にして、本発明電池Bを作製した。
(Preparation of non-aqueous electrolyte secondary battery)
A battery B of the present invention was produced in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode b and the negative electrode b were used.
[実施例3] [Example 3]
(非水電解質二次電池の作製)
正極と負極の対向面積を7037cm2としたことを除いては実施例2と同様にして、本発明電池Cを作製した。
(Preparation of non-aqueous electrolyte secondary battery)
A battery C of the present invention was produced in the same manner as in Example 2 except that the facing area between the positive electrode and the negative electrode was 7037 cm 2 .
[実施例4]
(正極の作製)
正極の塗布質量を14.20mg/cm2としたこと、及び、加圧成型後のアルミニウム箔と正極活物質層の厚みの合計を125μmとしたことを除いては実施例2と同様にして、正極dを作製した。
[Example 4]
(Preparation of positive electrode)
Except that the coating mass of the positive electrode was 14.20 mg / cm 2 and the total thickness of the aluminum foil and the positive electrode active material layer after pressure molding was 125 μm, the same as in Example 2, A positive electrode d was produced.
(負極の作製)
負極の塗布質量を7.40mg/cm2としたこと、及び、加圧成型後の銅箔と負極活物質層の厚みの合計を113μmとしたことを除いては実施例2と同様にして、負極dを作製した。このときの極板の空孔率は35%であった。
(Preparation of negative electrode)
Except that the coating mass of the negative electrode was 7.40 mg / cm 2 and the total thickness of the copper foil and the negative electrode active material layer after pressure molding was 113 μm, the same as in Example 2, A negative electrode d was produced. At this time, the porosity of the electrode plate was 35%.
(非水電解質二次電池の作製)
正極dと負極dとを用い、正負極の対向面積を6675cm2としたことを除いては実施例1と同様にして、本発明電池Dを作製した。
(Preparation of non-aqueous electrolyte secondary battery)
A battery D of the present invention was produced in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode d and the negative electrode d were used and the opposing area of the positive and negative electrodes was 6675 cm 2 .
[実施例5]
(正極の作製)
第1の活物質である前記LiNi1/4Mn1/4Co1/2O2と、第2の活物質である前記LiFePO4とを質量比92:8で混合した活物質混合物を正極活物質として用いたこと、正極の塗布質量を13.52mg/cm2としたこと、及び、加圧成型後のアルミニウム箔と正極活物質層の厚みの合計を120μmとしたことを除いては実施例1と同様にして、正極eを作製した。
[Example 5]
(Preparation of positive electrode)
An active material mixture obtained by mixing the LiNi 1/4 Mn 1/4 Co 1/2 O 2 as the first active material and the LiFePO 4 as the second active material at a mass ratio of 92: 8 is used as the positive electrode active material. Example except that it was used as a substance, the coating mass of the positive electrode was 13.52 mg / cm 2 , and the total thickness of the aluminum foil and the positive electrode active material layer after pressure molding was 120 μm In the same manner as in Example 1, a positive electrode e was produced.
(負極の作製)
負極の塗布質量を7.05mg/cm2としたこと、及び、加圧成型後の銅箔と負極活物質層の厚みの合計を108μmとしたことを除いては実施例1と同様にして、負極eを作製した。このときの極板の空孔率は35%であった。
(Preparation of negative electrode)
Except that the coating mass of the negative electrode was 7.05 mg / cm 2 and that the total thickness of the copper foil and the negative electrode active material layer after pressure molding was 108 μm, the same as in Example 1, A negative electrode e was produced. At this time, the porosity of the electrode plate was 35%.
(非水電解質二次電池の作製)
正極eと負極eとを用い、正負極の対向面積を6989cm2としたことを除いては実施例1と同様にして、本発明電池Eを作製した。
(Preparation of non-aqueous electrolyte secondary battery)
A battery E of the present invention was produced in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode e and the negative electrode e were used and the opposing area of the positive and negative electrodes was 6989 cm 2 .
[実施例6]
(非水電解質二次電池の作製)
正極と負極の対向面積を7289cm2とし、セパレータの厚みが22μmであったことを除いては実施例5と同様にして、本発明電池Fを作製した。
[Example 6]
(Preparation of non-aqueous electrolyte secondary battery)
A battery F of the present invention was produced in the same manner as in Example 5 except that the facing area between the positive electrode and the negative electrode was 7289 cm 2 and the thickness of the separator was 22 μm.
[実施例7](正極の作製)
正極ペーストが含有する質量比率を、活物質混合物:カーボン材料:PVdF=89:6:5の質量比としたこと、正極の塗布質量を13.37mg/cm2としたこと、及び、加圧成型後のアルミニウム箔と正極活物質層の厚みの合計を117μmとしたことを除いては、実施例5と同様にして、正極gを作製した。
[Example 7] (Preparation of positive electrode)
The mass ratio contained in the positive electrode paste was set to a mass ratio of active material mixture: carbon material: PVdF = 89: 6: 5, the positive electrode coating mass was set to 13.37 mg / cm 2 , and pressure molding A positive electrode g was produced in the same manner as in Example 5 except that the total thickness of the later aluminum foil and the positive electrode active material layer was 117 μm.
(非水電解質二次電池の作製)
正極gと負極eとを用い、正負極の対向面積を7049cm2としたことを除いては実施例1と同様にして、本発明電池Gを作製した。
(Preparation of non-aqueous electrolyte secondary battery)
A battery G of the present invention was produced in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode g and the negative electrode e were used and the opposing area of the positive and negative electrodes was 7049 cm 2 .
[実施例8]
(正極の作製)
正極の塗布質量を13.53mg/cm2としたことを除いては実施例5と同様にして、正極hを作製した。
[Example 8]
(Preparation of positive electrode)
A positive electrode h was produced in the same manner as in Example 5 except that the coating mass of the positive electrode was 13.53 mg / cm 2 .
(負極の作製)
加圧成型後の銅箔と負極活物質層の厚みの合計を117μmとしたことを除いては実施例5と同様にして、負極hを作製した。このときの極板の空孔率は40%であった。
(Preparation of negative electrode)
A negative electrode h was produced in the same manner as in Example 5 except that the total thickness of the copper foil after the pressure molding and the negative electrode active material layer was 117 μm. The porosity of the electrode plate at this time was 40%.
(非水電解質二次電池の作製)
正極hと負極hとを用い、正負極の対向面積を7043cm2としたことを除いては実施例1と同様にして、本発明電池Hを作製した。
(Preparation of non-aqueous electrolyte secondary battery)
A battery H of the present invention was produced in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode h and the negative electrode h were used and the facing area of the positive and negative electrodes was 7043 cm 2 .
[実施例9](正極の作製)
正極の塗布質量を12.57mg/cm2としたこと、及び、加圧成型後のアルミニウム箔と正極活物質層の厚みの合計を113μmとしたことを除いては、実施例1と同様にして、正極iを作製した。
[Example 9] (Preparation of positive electrode)
Except that the coating mass of the positive electrode was 12.57 mg / cm 2 and that the total thickness of the aluminum foil after the pressure molding and the positive electrode active material layer was 113 μm, the same as in Example 1. A positive electrode i was produced.
(負極の作製)
負極活物質であるグラファイトと、結着剤であるスチレンブタジエンゴム(SRB)及びカルボキシメチルセルロース(CMC)とを、グラファイト:結着剤=97:3の質量比で含有し、水を溶媒とする負極ペーストを調整した。該負極ペーストを、厚み10μmの銅箔の両面に塗布し、80℃で乾燥させた。負極の塗布質量は、6.37mg/cm2である。該負極を常温のローラープレス機により加圧成型して負極活物質層を成型した後、150℃で12時間減圧乾燥して、極板中の水分を除去した。ローラープレス後の銅箔と正極活物質層の厚みの合計は94μmであった。このときの極板の空孔率は30%であった。このようにして作製した負極を負極iとする。
(Preparation of negative electrode)
A negative electrode containing graphite as a negative electrode active material, styrene butadiene rubber (SRB) and carboxymethyl cellulose (CMC) as a binder in a mass ratio of graphite: binder = 97: 3, and water as a solvent. The paste was adjusted. The negative electrode paste was applied to both sides of a 10 μm thick copper foil and dried at 80 ° C. The coating mass of the negative electrode is 6.37 mg / cm 2 . The negative electrode was pressure-molded with a roller press at room temperature to form a negative electrode active material layer, and then dried under reduced pressure at 150 ° C. for 12 hours to remove moisture in the electrode plate. The total thickness of the copper foil and the positive electrode active material layer after the roller press was 94 μm. The porosity of the electrode plate at this time was 30%. The negative electrode produced in this manner is designated as negative electrode i.
(非水電解質二次電池の作製)
正極iと負極iとを用い、正負極の対向面積を7293cm2としたことを除いては実施例1と同様にして、本発明電池Hを作製した。
(Preparation of non-aqueous electrolyte secondary battery)
A battery H of the present invention was produced in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode i and the negative electrode i were used and the facing area of the positive and negative electrodes was 7293 cm 2 .
[実施例10]
(正極の作製)
第1の活物質である前記LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2と、第2の活物質である前記LiFePO4とを質量比80:20で混合した活物質混合物を正極活物質として用いたこと、正極の塗布質量を12.92mg/cm2としたこと、及び、加圧成型後のアルミニウム箔と正極活物質層の厚みの合計を118μmとしたことを除いては実施例1と同様にして、正極jを作製した。
[Example 10]
(Preparation of positive electrode)
An active material mixture obtained by mixing the LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 as the first active material and the LiFePO 4 as the second active material at a mass ratio of 80:20 is used as the positive electrode active material. Example except that it was used as a material, the coating mass of the positive electrode was 12.92 mg / cm 2 , and the total thickness of the aluminum foil and the positive electrode active material layer after pressure molding was 118 μm In the same manner as in Example 1, a positive electrode j was produced.
(負極の作製)
負極の塗布質量を6.78mg/cm2としたこと、及び、加圧成型後の銅箔と負極活物質層の厚みの合計を103μmとしたことを除いては実施例1と同様にして、負極eを作製した。このときの極板の空孔率は35%であった。
(Preparation of negative electrode)
Except that the coating mass of the negative electrode was 6.78 mg / cm 2 and the total thickness of the copper foil and the negative electrode active material layer after pressure molding was 103 μm, the same as in Example 1, A negative electrode e was produced. At this time, the porosity of the electrode plate was 35%.
(非水電解質二次電池の作製)
正極jと負極jとを用い、正負極の対向面積を7433cm2としたことを除いては実施例1と同様にして、本発明電池Jを作製した。
(Preparation of non-aqueous electrolyte secondary battery)
A battery J of the present invention was produced in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode j and the negative electrode j were used and the facing area of the positive and negative electrodes was 7433 cm 2 .
[比較例1]
(正極の作製)
正極の塗布質量を11.13mg/cm2としたこと及び加圧成型後のアルミニウム箔と正極活物質層の厚みの合計を103μmとしたことを除いては、実施例1と同様にして正極kを作製した。
[Comparative Example 1]
(Preparation of positive electrode)
The positive electrode k was the same as that of Example 1 except that the coating mass of the positive electrode was 11.13 mg / cm 2 and the total thickness of the aluminum foil after the pressure molding and the positive electrode active material layer was 103 μm. Was made.
(負極の作製)
負極の塗布質量を5.8mg/cm2としたこと及び加圧成型後の銅箔と負極活物質層の厚みの合計を91μmとしたことを除いては、実施例1と同様にして負極kを作製した。このときの極板の空孔率は35%であった。
(Preparation of negative electrode)
The negative electrode k was the same as that of Example 1, except that the coating mass of the negative electrode was 5.8 mg / cm 2 and the total thickness of the copper foil and the negative electrode active material layer after pressure molding was 91 μm. Was made. At this time, the porosity of the electrode plate was 35%.
(非水電解質二次電池の作製)
比較例1の電池の模式図を図2に示す。セパレータとして、厚み27μm、透気度95秒及び空孔率50%のポリエチレン製微多孔膜を用い、セパレータ(23)が正極e(21)と負極e(22)との間に位置するようにして、上記正極、負極及びセパレータを扁平形状に巻回して発電要素(24)を作製した。このときの正負極の対向面積は415.1cm2である。ここで、正極及び負極は、巻回軸線に沿って両端が一致するように巻回されているため、発電要素(24)の軸線方向両端部から金属箔ははみ出していない。アルミニウム製の正極集電板と銅製の負極集電板とを、発電要素の巻き終わりの端の位置(25)にそれぞれ配置し、正極及び負極と溶接した。このとき、集電板から最も離れた活物質までの距離は、正負極の巻き始めから巻き終わりまでの長さとなり、この距離は65cmであった。このようにして作製した正極、負極、セパレータからなる発電要素に正負極集電板を溶接したものをアルミニウム製の角型電槽缶(高さ49.3mm、幅33.7mm、厚み5.17mm)に収納し、正負極端子を取り付けた。この容器内部に非水電解質を3.2g注入したのちに封口して、設計容量0.65Ahの非水電解質二次電池を作製した。この電池を比較電池Kとする。
(Preparation of non-aqueous electrolyte secondary battery)
A schematic diagram of the battery of Comparative Example 1 is shown in FIG. As the separator, a polyethylene microporous film having a thickness of 27 μm, an air permeability of 95 seconds, and a porosity of 50% is used so that the separator (23) is positioned between the positive electrode e (21) and the negative electrode e (22). Then, the positive electrode, the negative electrode, and the separator were wound into a flat shape to produce a power generation element (24). The opposing area of the positive and negative electrodes at this time is 415.1 cm 2 . Here, since the positive electrode and the negative electrode are wound so that both ends coincide with each other along the winding axis, the metal foil does not protrude from both ends in the axial direction of the power generation element (24). The positive electrode current collector plate made of aluminum and the negative electrode current collector plate made of copper were respectively disposed at the end (25) of the winding end of the power generation element, and welded to the positive electrode and the negative electrode. At this time, the distance from the current collector plate to the active material farthest was the length from the start to the end of winding of the positive and negative electrodes, and this distance was 65 cm. The positive and negative current collector plates welded to the power generation element composed of the positive electrode, the negative electrode, and the separator thus produced were made of aluminum square battery case (height 49.3 mm, width 33.7 mm, thickness 5.17 mm). ) And attached positive and negative terminals. After 3.2 g of nonaqueous electrolyte was injected into the container, the container was sealed to produce a nonaqueous electrolyte secondary battery having a design capacity of 0.65 Ah. This battery is referred to as a comparative battery K.
[比較例2]
(正極の作製)
前記LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2を単独で正極活物質として用いた。前記正極活物質と、導電剤であるカーボン材料と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを、正極活物質:カーボン材料:PVdF=90:5:5の質量比で含有し、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)を溶媒とする正極ペーストを調整した。該正極ペーストを、厚み15μmのアルミニウム箔の両面に塗布し、80℃で乾燥させてNMPを除去した。正極の塗布質量は13.43mg/cm2とした。該正極を120℃に加熱したローラープレス機により加圧成型して正極活物質層を成型した後、150℃で12時間減圧乾燥して、極板中の水分を除去した。ローラープレス後のアルミニウム箔と正極活物質層の厚みの合計は116μmであった。このようにして作製した正極を正極lとする。
[Comparative Example 2]
(Preparation of positive electrode)
The LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 was used alone as a positive electrode active material. The positive electrode active material, a carbon material as a conductive agent, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder are contained in a mass ratio of positive electrode active material: carbon material: PVdF = 90: 5: 5, N -A positive electrode paste using methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent was prepared. The positive electrode paste was applied to both surfaces of a 15 μm thick aluminum foil and dried at 80 ° C. to remove NMP. The coating mass of the positive electrode was 13.43 mg / cm 2 . The positive electrode was pressure-molded with a roller press heated to 120 ° C. to form a positive electrode active material layer, and then dried under reduced pressure at 150 ° C. for 12 hours to remove moisture in the electrode plate. The total thickness of the aluminum foil and the positive electrode active material layer after the roller press was 116 μm. The positive electrode produced in this way is designated as positive electrode l.
(負極の作製)
負極の塗布質量を7.37mg/cm2としたこと、及び、加圧成型後の銅箔と負極活物質層の厚みの合計を113μmとしたことを除いては実施例1と同様にして、負極lを作製した。このときの極板の空孔率は35%であった。
(Preparation of negative electrode)
Except that the coating mass of the negative electrode was 7.37 mg / cm 2 and the total thickness of the copper foil and the negative electrode active material layer after pressure molding was 113 μm, the same as in Example 1, A negative electrode 1 was produced. At this time, the porosity of the electrode plate was 35%.
(非水電解質二次電池の作製)
正極lと負極lとを用い、正負極の対向面積を6681cm2としたことを除いては実施例1と同様にして、比較電池Lを作製した。
(Preparation of non-aqueous electrolyte secondary battery)
A comparative battery L was produced in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode 1 and the negative electrode 1 were used and the opposing area of the positive and negative electrodes was 6681 cm 2 .
[比較例3]
(正極の作製)
正極の塗布質量を10.00mg/cm2としたこと及び加圧成型後のアルミニウム箔と正極活物質層の厚みの合計を90μmとしたことを除いては、比較例2と同様にして正極mを作製した。
[Comparative Example 3]
(Preparation of positive electrode)
Positive electrode m in the same manner as in Comparative Example 2 except that the coating mass of the positive electrode was 10.00 mg / cm 2 and that the total thickness of the aluminum foil and the positive electrode active material layer after pressure molding was 90 μm. Was made.
(負極の作製)
負極の塗布質量を5.51mg/cm2としたこと、及び、加圧成型後の銅箔と負極活物質層の厚みの合計を87μmとしたことを除いては実施例1と同様にして、負極mを作製した。このときの極板の空孔率は35%であった。
(Preparation of negative electrode)
Except that the coating mass of the negative electrode was 5.51 mg / cm 2 and that the total thickness of the copper foil and the negative electrode active material layer after pressure molding was 87 μm, the same as in Example 1, A negative electrode m was produced. At this time, the porosity of the electrode plate was 35%.
(非水電解質二次電池の作製)
正極mと負極mとを用い、正負極の対向面積を471.9cm2としたことを除いては比較例1と同様にして、比較電池Mを作製した。
(Preparation of non-aqueous electrolyte secondary battery)
A comparative battery M was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the positive electrode m and the negative electrode m were used and the opposing area of the positive and negative electrodes was 471.9 cm 2 .
<容量確認試験>
設計どおりの充放電容量が得られることを確認するために、上記のようにして作製した本発明電池及び比較電池について、容量確認試験を行った。
全ての本発明電池及び比較電池Lについては、充電電流11.5A、充電電圧4.2V、総充電時間3時間の定電流定電圧充電、及び、放電電流11.5A、終止電圧2.0Vの定電流放電からなる3サイクルの充放電を行った。比較例K及び比較電池Mについては、充電電流0.65A、充電電圧4.2V、総充電時間3時間の定電流定電圧充電、及び、放電電流0.65A、終止電圧2.0Vの定電流放電からなる3サイクルの充放電を行った。それぞれの充放電における3サイクル目の放電容量を定格容量とし、定格容量が設計容量とほぼ等しいことを確認した。定格放電容量を1時間で放電する電流の値を1CAといい、本発明電池及び比較電池Lにおいて1CA=11.5A、比較例K及び比較電池Mにおいては1CA=0.65Aである。
<Capacity confirmation test>
In order to confirm that the designed charge / discharge capacity was obtained, a capacity confirmation test was performed on the battery of the present invention and the comparative battery produced as described above.
For all the batteries of the present invention and comparative batteries L, charging current 11.5A, charging voltage 4.2V, constant current constant voltage charging with a total charging time 3 hours, discharging current 11.5A, end voltage 2.0V Three cycles of charging / discharging consisting of constant current discharge were performed. For Comparative Example K and Comparative Battery M, charging current 0.65A, charging voltage 4.2V, constant current constant voltage charging with a total charging time 3 hours, and discharging current 0.65A, constant voltage with end voltage 2.0V Three cycles of charging / discharging consisting of discharge were performed. The discharge capacity at the third cycle in each charge / discharge was defined as the rated capacity, and it was confirmed that the rated capacity was substantially equal to the design capacity. The value of the current for discharging the rated discharge capacity in one hour is referred to as 1CA. In the battery of the present invention and the comparative battery L, 1CA = 11.5A, and in the comparative example K and the comparative battery M, 1CA = 0.65A.
<1kHzのインピーダンス測定>
全ての本発明電池及び比較電池に対して、SOC0%の状態で、日置電機株式会社製のACミリオームハイテスタを用いて、1kHzのインピーダンスを測定した。その結果を表1に示す。
ここで、「充電状態(SOC:State of Charge)」とは、可逆的に充放電可能な電池
電圧の範囲において、電池がどれだけ充電された状態であるかを示し、本実施例においては、SOC100%とは充電電流1CA、充電電圧4.2V、総充電時間3時間の定電流定電圧充電を行った直後の満充電状態をいい、SOC0%とは放電電流1CA、終止電圧2.0Vの定電流放電を行った直後の充電状態をいう。
<Impedance measurement at 1 kHz>
With respect to all the present invention batteries and comparative batteries, an impedance of 1 kHz was measured using an AC milliohm high tester manufactured by Hioki Electric Co., Ltd. with a SOC of 0%. The results are shown in Table 1.
Here, the “state of charge (SOC)” indicates how much the battery is charged in a reversibly chargeable / dischargeable battery voltage range, and in this embodiment, SOC 100% means a fully charged state immediately after a constant current and constant voltage charge with a charging current of 1 CA, a charging voltage of 4.2 V, and a total charging time of 3 hours. SOC 0% means a discharging current of 1 CA and a final voltage of 2.0 V. The state of charge immediately after performing constant current discharge.
表1からわかるように、正負極の対向面積を大きくし、集電板と活物質との間の最大距離を短くした本発明電池本発明電池及び比較電池Lは、比較例K及び比較電池Mに比べて1kHzのインピーダンスが顕著に低下した。第1の活物質であるLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2と、第2の活物質であるLiFePO4とを、質量比90:10で混合した正極活物質を用いた本発明電池Aと、第1の活物質であるLiNi1/4Mn1/4Co1/2O2と、第2の活物質であるLiFePO4とを質量比90:10で混合した正極活物質を用いた本発明電池Bとを比較すると、本発明電池Aの方がわずかではあるがインピーダンスは低い値を示したことから、第1の活物質としてLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2を用いることが好ましいことがわかる。また、本発明電池Bに比べて、本発明電池Dはインピーダンスが上昇していることから、電極面積を大きくするとともに、活物質層の厚みを小さくすることが、1kHzのインピーダンスの低減に好ましいことがわかった。以上のことから、正負極の対向面積、即ち電極面積を大きくし、集電板と活物質との間の最大距離を短くすることによって、1kHzのインピーダンス、即ち内部抵抗が低減されることがわかった。 As can be seen from Table 1, the present invention battery and the comparative battery L in which the opposing area of the positive and negative electrodes is increased and the maximum distance between the current collector and the active material is shortened are the comparative example K and the comparative battery M. The impedance at 1 kHz was significantly reduced as compared with FIG. A book using a positive electrode active material in which LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 as a first active material and LiFePO 4 as a second active material are mixed at a mass ratio of 90:10. A positive electrode active material in which the inventive battery A, LiNi 1/4 Mn 1/4 Co 1/2 O 2 as the first active material, and LiFePO 4 as the second active material are mixed at a mass ratio of 90:10 In comparison with the present invention battery B using the present invention, the present invention battery A had a lower impedance but a lower impedance. Therefore, as the first active material, LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1 / It can be seen that 3 O 2 is preferably used. In addition, since the impedance of the present invention battery D is higher than that of the present invention battery B, it is preferable to reduce the impedance of 1 kHz by increasing the electrode area and reducing the thickness of the active material layer. I understood. From the above, it can be seen that the impedance of 1 kHz, that is, the internal resistance can be reduced by increasing the opposing area of the positive and negative electrodes, that is, the electrode area, and shortening the maximum distance between the current collector and the active material. It was.
ここで、内部抵抗は、正負極活物質や非水電解質に用いられる物質の性質、即ち化学的処方によって変化する抵抗と、電極面積や集電板の取り付け位置といった物理的処方によって変化する集電抵抗との和として考えることができる。本実施例においては、電池の物理的処方を変化させることによって、集電抵抗を低減させ、内部抵抗を低下させる例を示したが、活物質や非水電解質の組成や形状などを変化させることによっても内部抵抗を低減させることができ、このような方法でも本発明を実施することができる。 Here, the internal resistance refers to the property of the material used for the positive and negative electrode active materials and the nonaqueous electrolyte, that is, the resistance that varies depending on the chemical prescription, and the current collector that varies depending on the physical prescription such as the electrode area and the current collector mounting position It can be considered as the sum of resistance. In this example, the example in which the current collection resistance is reduced and the internal resistance is reduced by changing the physical prescription of the battery is shown. However, the composition and shape of the active material and the nonaqueous electrolyte are changed. Therefore, the internal resistance can be reduced, and the present invention can be implemented by such a method.
<出力試験>
上記本発明電池及び比較電池のいくつかについて、SOC10%、SOC20%及びSOC50%の充電状態における出力性能試験を実施した。SOC10%、SOC20%及びSOC50%の充電状態における電池電圧は、それぞれ、3.49V、3.53V及び3.68Vである。
<Output test>
For some of the above-described batteries of the present invention and comparative batteries, output performance tests were performed in a charged state of SOC 10%, SOC 20%, and SOC 50%. The battery voltages in the charged state of SOC 10%, SOC 20% and SOC 50% are 3.49V, 3.53V and 3.68V, respectively.
各SOCの充電状態における出力性能試験は次の手順で行った。まず、供試電池を、充電電流1CA、充電電圧3.49V、総充電時間2時間の定電流定電圧充電により、SOC10%の充電状態とした。その後、放電電流1CAにて30秒間放電したのち、直前の放電電流と同じ電流値で30秒間充電した。同様に、放電電流値を3、5及び10CAに変更したこと以外は同様にして、前記放電及び充電をおこなった。それぞれの放電電流における10秒後の電圧と、そのときの放電電流値とをプロットしてV−I特性を描画した。そのV−I特性において、最小二乗法で直線近似をおこなった後、放電終止電圧に対応する最大出力電流値を算出し、さらに、前記最大出力電流値と前記放電終止電圧とを乗算することによってSOC10%出力を求めた。なお、前記放電終止電圧は2.0Vとした。 The output performance test in the state of charge of each SOC was performed according to the following procedure. First, the test battery was charged to a SOC of 10% by constant current and constant voltage charging with a charging current of 1 CA, a charging voltage of 3.49 V, and a total charging time of 2 hours. Thereafter, the battery was discharged at a discharge current of 1CA for 30 seconds, and then charged for 30 seconds at the same current value as the previous discharge current. Similarly, the discharge and charge were performed in the same manner except that the discharge current value was changed to 3, 5 and 10 CA. The VI characteristic was drawn by plotting the voltage after 10 seconds in each discharge current and the discharge current value at that time. In the VI characteristic, after performing linear approximation by the least square method, a maximum output current value corresponding to the discharge end voltage is calculated, and further, the maximum output current value is multiplied by the discharge end voltage. The SOC 10% output was determined. The discharge final voltage was 2.0V.
充電電圧を3.53Vとすることにより、SOC20%の充電状態としたことを除いては、前記出力試験と同様にしてSOC20%出力を求めた。 The SOC 20% output was obtained in the same manner as the output test, except that the charging voltage was 3.53 V, and the SOC was charged to 20%.
充電電圧を3.68Vとし、SOC50%の充電状態としたことを除いては、前記出力試験と同様にしてSOC50%出力を求めた。 The SOC 50% output was determined in the same manner as the output test except that the charging voltage was 3.68V and the SOC was 50% charged.
SOC20%出力をSOC50%出力で除して100を乗ずることによって、出力比A(%)を算出した。SOC10%出力をSOC50%出力で除して100を乗ずることによって、出力比B(%)を算出した。 The output ratio A (%) was calculated by dividing the SOC 20% output by the SOC 50% output and multiplying by 100. The output ratio B (%) was calculated by dividing the SOC 10% output by the SOC 50% output and multiplying by 100.
以上の結果を表2に示す。なお、表2において数字を記していない欄は、試験を行っていない。 The results are shown in Table 2. It should be noted that the test is not performed on the columns in Table 2 where no numbers are written.
表2に示されるように、1kHzのインピーダンスが37.6mΩと高い比較電池Kに比べて、1kHzのインピーダンスが1.27mΩ以下である本発明電池A〜Jは、高い出力比と高いSOC20%出力あるいはSOC10%出力とを示した。なかでも、第1の活物質としてLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2を用いた本発明電池Aは、72.3%という高い出力比Aと、2.76W/ccという高いSOC20%出力、74.7%という高い出力比Bと、2.85W/ccという高いSOC10%出力、とを示した。 As shown in Table 2, the batteries A to J of the present invention in which the impedance at 1 kHz is 1.27 mΩ or less as compared with the comparative battery K having a high impedance of 1 kHz of 37.6 mΩ are high in output ratio and high SOC 20% output. Alternatively, SOC 10% output was shown. In particular, the battery A of the present invention using LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 as the first active material has a high output ratio A of 72.3% and a high power of 2.76 W / cc. An SOC 20% output, a high output ratio B of 74.7%, and a high SOC 10% output of 2.85 W / cc were shown.
また、比較例2との比較から分かるように、1kHzのインピーダンスが1.27mΩ以下であっても、一般式LiNixMnyCozO2(x+y+z=1、x>0、y>0、z>0)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を単独で用いた場合には、出力性能が優れたものとはならなかった。 Further, as can be seen from the comparison with Comparative Example 2, even when the impedance at 1 kHz is 1.27 mΩ or less, the general formula LiNi x Mn y Co z O 2 (x + y + z = 1, x> 0, y> 0, z When the lithium transition metal composite oxide represented by> 0) was used alone, the output performance was not excellent.
以上のことから、一般式LiNixMnyCozO2(x+y+z=1、x>0、y>0、z>0)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含む第1の活物質とLiFePO4を含む第2の活物質とを含有する正極を備え、1kHzのインピーダンスが1.27mΩ以下である非水電解質二次電池とすることで、高SOCでの出力に対する低SOCでの出力の比が高く、かつ高いエネルギー密度を有する非水電解質二次電池を提供できることがわかった。 From the above, the first active material containing the lithium transition metal composite oxide represented by the general formula LiNi x Mn y Co z O 2 (x + y + z = 1, x> 0, y> 0, z> 0) By providing a non-aqueous electrolyte secondary battery having a positive electrode containing a second active material containing LiFePO 4 and having an impedance of 1 kHz of 1.27 mΩ or less, an output at a low SOC relative to an output at a high SOC is achieved. It was found that a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high ratio and a high energy density can be provided.
11 正極
12 負極
13 セパレータ
14 発電要素
15 正極集電板取り付け位置
16 負極集電板取り付け位置
17 集電板から最も離れた活物質までの距離
21 正極
22 負極
23 セパレータ
24 発電要素
25 集電板取り付け位置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Positive electrode 12 Negative electrode 13 Separator 14 Electric power generation element 15 Positive electrode current collection board attachment position 16 Negative electrode current collection board attachment position 17 Distance to the active material furthest from the current collection board 21 Positive electrode 22 Negative electrode 23 Separator 24 Electric power generation element 25 Current collection board attachment position
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