JP2012252797A - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

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Tomo Otsuka
友 大塚
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonaqueous electrolyte secondary battery that enhances an output characteristic, particularly a pulse discharge characteristic without greatly reducing energy density.SOLUTION: A nonaqueous electrolyte secondary battery has a positive electrode containing a first active material capable of occluding and discharging lithium ions and a second active material capable of occluding and discharging anions, a negative electrode containing a negative electrode active material capable of occluding and discharging lithium ions and nonaqueous electrolyte containing lithium ions and anions. The second active material is an organic compound, and the first active material has a particular shape. (a) The second active material has a particular shape or (b) the first active material is coated with a non-redox material, so that the nonaqueous electrolyte comes into direct contact with particles of the (a) first active material or particles comprising the (b) first active material and the non-redox material, and the second active material.

Description

本発明は、非水電解質二次電池に関する。   The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery.

近年、携帯オーディオデバイス、携帯電話、ラップトップコンピュータといった携帯型電子機器が広く普及している。また、省エネルギーの観点、あるいは、二酸化炭素の排出量を低減する観点から、内燃機関と電気による駆動力とを併用するハイブリッド自動車が普及し始めている。これらの普及に伴い、電源として用いられる蓄電デバイスに対する高性能化への要求が高まっている。特に、リチウム二次電池に代表される非水電解質二次電池に対する研究開発が盛んに行われている。リチウム二次電池は電圧が3V以上と高く、またエネルギー密度も大きいことが特徴である。リチウム二次電池の特徴である高いエネルギー密度を維持したまま、出力特性、特に、瞬時の大電流特性であるパルス放電特性を向上させることが要望されている。   In recent years, portable electronic devices such as portable audio devices, cellular phones, and laptop computers have become widespread. In addition, hybrid vehicles using an internal combustion engine and an electric driving force in combination are beginning to spread from the viewpoint of energy saving or the reduction of carbon dioxide emissions. With these popularizations, there is an increasing demand for higher performance of power storage devices used as power sources. In particular, research and development on non-aqueous electrolyte secondary batteries represented by lithium secondary batteries has been actively conducted. A lithium secondary battery is characterized by a high voltage of 3 V or more and a high energy density. There is a demand for improving output characteristics, particularly pulse discharge characteristics, which are instantaneous large-current characteristics, while maintaining the high energy density that is characteristic of lithium secondary batteries.

エネルギー密度を大きく低下させることなく、出力特性を向上させるアプローチとして、活性炭を正極に添加することが提案されている(例えば、特許文献1〜5参照)。活性炭は、その表面におけるアニオンまたはカチオンの吸着または脱離による電気二重層容量を有する。電気二重層容量への充電および電気二重層容量からの放電が高速であることから、正極への活性炭の添加により、高エネルギー密度と高出力とを両立できる可能性がある。   As an approach for improving the output characteristics without greatly reducing the energy density, it has been proposed to add activated carbon to the positive electrode (see, for example, Patent Documents 1 to 5). Activated carbon has an electric double layer capacity due to adsorption or desorption of anions or cations on its surface. Since charging to the electric double layer capacity and discharging from the electric double layer capacity are fast, there is a possibility that both high energy density and high output can be achieved by adding activated carbon to the positive electrode.

しかし、活性炭は非常に大きい表面積を有し、その表面は非常に活性である。このため、活性炭を正極に含むリチウム二次電池を充電状態にて保存している間に、活性炭の表面において電解液の分解が進行する傾向にある。   However, activated carbon has a very large surface area and its surface is very active. For this reason, decomposition | disassembly of electrolyte solution tends to advance on the surface of activated carbon while the lithium secondary battery which contains activated carbon in a positive electrode is preserve | saved in a charged state.

また、活性炭は微量のガス成分および空気中の水分の吸着能が極めて高い。したがって、活性炭を正極材料として使用するためには、活性炭の吸着水分を真空乾燥および熱処理などの工程により除去する必要がある。この除去工程は長時間を要する。この除去工程を経てもなお、吸着水分を完全に除去することは難しい。表面に吸着水分が残存する活性炭を用いてリチウム二次電池の正極を作製した場合、充放電に伴う電池内におけるガス発生、充放電サイクル特性の劣化などが起こり易い。   In addition, activated carbon has a very high ability to adsorb trace gas components and moisture in the air. Therefore, in order to use activated carbon as the positive electrode material, it is necessary to remove the adsorbed moisture of the activated carbon by processes such as vacuum drying and heat treatment. This removal process takes a long time. Even after this removal step, it is difficult to completely remove the adsorbed moisture. When a positive electrode of a lithium secondary battery is produced using activated carbon having adsorbed moisture remaining on the surface, gas generation in the battery accompanying charge / discharge, deterioration of charge / discharge cycle characteristics, etc. are likely to occur.

特許文献5には、擬似容量型の有機系キャパシタ材で表面が被覆された活性炭からなる正極が開示されている。擬似容量型の有機系キャパシタ材として導電性高分子が開示されている。   Patent Document 5 discloses a positive electrode made of activated carbon whose surface is coated with a pseudo-capacitance type organic capacitor material. A conductive polymer is disclosed as a pseudo-capacitance type organic capacitor material.

しかし、特許文献5のキャパシタは活性炭を用いているため、上述の課題を有する。さらに、擬似容量型の有機系キャパシタ材として提案されている導電性高分子は、分子全体に電子共役が広がっているため、取り出せる電子数が小さく、出力特性を向上させる効果が不十分である。   However, since the capacitor of Patent Document 5 uses activated carbon, it has the above-described problems. Furthermore, the conductive polymer proposed as a pseudo-capacitance type organic capacitor material has a small number of electrons that can be extracted because the electron conjugation spreads throughout the molecule, and the effect of improving output characteristics is insufficient.

特許文献6では、アニオンを吸蔵可能な炭素材を導電材の一部に代えて用いることにより、高容量化することが提案されている。この場合、アニオンを吸蔵可能な炭素材が充放電反応に寄与することによる高容量化は達せられるものの、リチウム二次電池の出力特性の改善までは期待できない。   In Patent Document 6, it is proposed to increase the capacity by using a carbon material capable of occluding anions instead of a part of the conductive material. In this case, although the capacity can be increased by the carbon material capable of occluding anions contributing to the charge / discharge reaction, it cannot be expected to improve the output characteristics of the lithium secondary battery.

特開2002−260634号公報JP 2002-260634 A 特開2003−77458号公報JP 2003-77458 A 国際公開第02/041420号International Publication No. 02/041420 特開2008−34215号公報JP 2008-34215 A 特開2003−92104号公報JP 2003-92104 A 特開平5−159773号公報JP-A-5-159773

以上のように、リチウムイオンを吸蔵および放出することができる活物質とともに、第二成分である活物質を正極に添加することにより、リチウム二次電池の出力特性を向上させる取り組みはなされているものの、最適な第一活物質と第二活物質との組み合わせ、および電極構造に関する知見は不十分であった。   As described above, although an active material that can occlude and release lithium ions and an active material that is a second component are added to the positive electrode, efforts have been made to improve the output characteristics of the lithium secondary battery. The knowledge about the optimal combination of the first active material and the second active material and the electrode structure was insufficient.

本発明は、これらの課題に鑑みてなされたものであり、エネルギー密度を大きく低下させることなく、出力特性、特に、パルス放電特性を向上させた非水電解質二次電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of these problems, and an object of the present invention is to provide a nonaqueous electrolyte secondary battery having improved output characteristics, particularly pulse discharge characteristics, without greatly reducing energy density. To do.

すなわち、本発明は、
リチウムイオンを吸蔵および放出することができる第一活物質と、アニオンを吸蔵および放出することができる第二活物質と、を含む正極と、
リチウムイオンを吸蔵および放出することができる負極活物質を含む負極と、
リチウムイオンと前記アニオンとの塩を含む非水電解質と、を備え、
前記第二活物質が有機化合物であり、
前記第一活物質が粒子の形状を有し、
(a)前記第二活物質が粒子の形状を有し、かつ、前記第一活物質および前記第二活物質のそれぞれに対して前記非水電解質が直接に接触している、
または、
(b)前記第一活物質の表面に非酸化還元物質がコーティングされており、前記第一活物質と前記リチウムイオンとが酸化還元反応を行うことができるように前記第一活物質と前記非酸化還元物質とで構成された粒子の表面に前記非水電解質が直接に接触しているとともに、前記第二活物質に対して前記非水電解質が直接に接触している、
非水電解質二次電池を提供する。
That is, the present invention
A positive electrode comprising: a first active material capable of inserting and extracting lithium ions; and a second active material capable of inserting and extracting anions;
A negative electrode comprising a negative electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions;
A non-aqueous electrolyte containing a salt of lithium ion and the anion,
The second active material is an organic compound;
The first active material has a particle shape;
(A) the second active material has a particle shape, and the non-aqueous electrolyte is in direct contact with each of the first active material and the second active material,
Or
(B) The surface of the first active material is coated with a non-redox material, and the first active material and the non-active material can be subjected to a redox reaction between the first active material and the lithium ions. The non-aqueous electrolyte is in direct contact with the surface of the particles composed of the redox material, and the non-aqueous electrolyte is in direct contact with the second active material,
A non-aqueous electrolyte secondary battery is provided.

また、本発明は、別の観点から、
リチウムイオンを吸蔵および放出することができる第一活物質の粒子と、リチウムイオンとアニオンとの塩を含む非水電解質に対する膨潤性を有さず、前記アニオンを吸蔵および放出することができ、かつ、有機化合物である、第二活物質の粒子と、を含む混合物を調製する工程と、
前記第一活物質および前記第二活物質を正極活物質として含む正極活物質層が正極集電体上に形成されるように、前記第一活物質および前記第二活物質の粒子の形状を保持しながら前記混合物を成形する工程と、
前記正極活物質層に前記非水電解質を含浸させる工程と、
を含む非水電解質二次電池の製造方法を提供する。
Further, the present invention from another viewpoint,
The first active material particles capable of occluding and releasing lithium ions and the non-aqueous electrolyte containing a salt of lithium ions and anions have no swellability, can occlude and release the anions, and Preparing a mixture comprising a second active material particle, which is an organic compound;
The shape of the particles of the first active material and the second active material is such that a positive electrode active material layer containing the first active material and the second active material as a positive electrode active material is formed on the positive electrode current collector. Forming the mixture while holding;
Impregnating the non-aqueous electrolyte into the positive electrode active material layer;
The manufacturing method of the nonaqueous electrolyte secondary battery containing this is provided.

さらに、本発明は、その別の観点から、
リチウムイオンを吸蔵および放出することができ、かつ、表面に非酸化還元物質がコーティングされている第一活物質の粒子と、アニオンを吸蔵および放出することができ、かつ、有機化合物である第二活物質と、を含む混合物を調製する工程と、
前記第一活物質および前記第二活物質を正極活物質として含む正極活物質層が正極集電体上に形成されるように、前記混合物を成形する工程と、
リチウムイオンと前記アニオンとの塩を含む非水電解質を前記正極活物質層に含浸させる工程と、
を含む非水電解質二次電池の製造方法を提供する。
Furthermore, the present invention from another viewpoint,
A first active material particle capable of occluding and releasing lithium ions and having a surface coated with a non-oxidation-reducing substance; a second anion capable of occluding and releasing anions; and an organic compound. Preparing a mixture comprising an active material;
Forming the mixture such that a positive electrode active material layer containing the first active material and the second active material as a positive electrode active material is formed on a positive electrode current collector;
Impregnating the positive electrode active material layer with a nonaqueous electrolyte containing a salt of lithium ion and the anion;
The manufacturing method of the nonaqueous electrolyte secondary battery containing this is provided.

本発明では、正極において、第一活物質と第二活物質との2種の活物質が用いられている。第一活物質として、リチウムイオンを吸蔵および放出することができる材料を用いることによって、十分なエネルギー密度を確保できる。さらに、第二活物質として、電解質に含まれたアニオンを吸蔵および放出することができる有機化合物を用いることによって、パルス放電特性を改善することができる。また、(a)第二活物質が粒子の形状を有する、または、(b)第一活物質の表面に非酸化還元物質がコーティングされている。そのため、(a)第一活物質の粒子または(b)第一活物質と非酸化還元物質とで構成された粒子、および、第二活物質のそれぞれに対して、非水電解質が直接に接触している。これにより、第一活物質および第二活物質がそれぞれ独立に充放電することができる。すなわち、第二活物質による良好な出力特性(パルス放電特性)と、第一活物質による高容量とを併せ持つ電池を提供することができる。また、第一活物質と第二活物質とが互いに独立して充放電することができるので、正極における両活物質の組成比率を任意に変更することによって、所望の出力特性(パルス放電特性)を有する高容量電池を設計することができる。   In the present invention, two types of active materials, a first active material and a second active material, are used in the positive electrode. A sufficient energy density can be secured by using a material capable of inserting and extracting lithium ions as the first active material. Furthermore, the pulse discharge characteristics can be improved by using an organic compound that can occlude and release anions contained in the electrolyte as the second active material. Further, (a) the second active material has a particle shape, or (b) the surface of the first active material is coated with a non-oxidation / reduction material. Therefore, the non-aqueous electrolyte is in direct contact with each of (a) the particles of the first active material or (b) the particles composed of the first active material and the non-oxidation-reduction material and the second active material. is doing. Thereby, a 1st active material and a 2nd active material can charge / discharge each independently. That is, it is possible to provide a battery having both good output characteristics (pulse discharge characteristics) due to the second active material and high capacity due to the first active material. Further, since the first active material and the second active material can be charged and discharged independently of each other, desired output characteristics (pulse discharge characteristics) can be obtained by arbitrarily changing the composition ratio of both active materials in the positive electrode. Can be designed.

このように、本発明によると、エネルギー密度を大きく低下させることなく、出力特性、特に、パルス放電特性の向上した非水電解質二次電池を提供することができる。また、本発明における有機化合物である第二活物質は、活性炭と比較して水分吸着能が小さい。そのため、電池内部の水分量を低減できる。   Thus, according to the present invention, it is possible to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery with improved output characteristics, particularly pulse discharge characteristics, without greatly reducing the energy density. In addition, the second active material that is an organic compound in the present invention has a smaller moisture adsorption capacity than activated carbon. Therefore, the moisture content inside the battery can be reduced.

本発明の製造方法によれば、(a)第一活物質の粒子または(b)第一活物質と非酸化還元物質とで構成された粒子、および、第二活物質のそれぞれに対して非水電解質が直接に接触した構造を有する正極を備えた非水電解質二次電池を効率的に製造できる。   According to the production method of the present invention, (a) particles of the first active material or (b) particles composed of the first active material and the non-oxidation / reduction material, and the second active material are non-reactive. A nonaqueous electrolyte secondary battery including a positive electrode having a structure in which a water electrolyte is in direct contact can be efficiently produced.

本発明による非水電解質二次電池の一実施形態であるコイン型電池を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the coin-type battery which is one Embodiment of the nonaqueous electrolyte secondary battery by this invention. 本発明の一実施形態における正極を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the positive electrode in one Embodiment of this invention. 本発明の別の実施形態における正極を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the positive electrode in another embodiment of this invention. 実施例1の電池の充放電特性を示すグラフである。3 is a graph showing charge / discharge characteristics of the battery of Example 1. 実施例3の電池の充放電特性を示すグラフである。6 is a graph showing charge / discharge characteristics of the battery of Example 3. 比較例1の電池の充放電特性を示すグラフである。5 is a graph showing charge / discharge characteristics of the battery of Comparative Example 1.

以下、本発明の非水電解質二次電池の実施形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention will be described.

(実施の形態1)
図1は、本発明による非水電解質二次電池の一実施形態であるコイン型非水電解質二次電池100の模式的な断面を示している。この電池100は、コイン型ケース50、封口板51、およびガスケット52によって内部が密閉された構造を有する。電池100の内部には、正極活物質層11および正極集電体12を備える正極10と、負極活物質層21および負極集電体22を備える負極20と、セパレータ30とが収められている。正極10および負極20はセパレータ30を挟んで対向し、正極活物質層11および負極活物質層21がセパレータ30と接するように配置されている。正極10、負極20、およびセパレータ30からなる電極群には、液状の非水電解質31が含浸されている。セパレータ30は、微細な空間(微細孔)を有し、この微細な空間に電解質31が保持されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a schematic cross section of a coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery 100 which is an embodiment of the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention. The battery 100 has a structure in which the inside is sealed by a coin-type case 50, a sealing plate 51, and a gasket 52. Inside battery 100, positive electrode 10 including positive electrode active material layer 11 and positive electrode current collector 12, negative electrode 20 including negative electrode active material layer 21 and negative electrode current collector 22, and separator 30 are housed. The positive electrode 10 and the negative electrode 20 are opposed to each other with the separator 30 in between, and the positive electrode active material layer 11 and the negative electrode active material layer 21 are disposed in contact with the separator 30. An electrode group including the positive electrode 10, the negative electrode 20, and the separator 30 is impregnated with a liquid non-aqueous electrolyte 31. The separator 30 has a fine space (micropore), and the electrolyte 31 is held in the fine space.

図2は、正極10の断面構造を模式的に示している。正極10は電解質31を含浸した後の状態にあるとする。正極10は、正極集電体12と正極集電体12上に設けられた正極活物質層11とを備えている。   FIG. 2 schematically shows a cross-sectional structure of the positive electrode 10. It is assumed that the positive electrode 10 is in a state after being impregnated with the electrolyte 31. The positive electrode 10 includes a positive electrode current collector 12 and a positive electrode active material layer 11 provided on the positive electrode current collector 12.

正極活物質層11は、少なくとも2種類の電極活物質、すなわち、第一活物質13と第二活物質14とを含む。第一活物質13は、リチウムイオンを吸蔵および放出することができる正極活物質であり、粒子の形状を有する。第二活物質14は、アニオンを吸蔵および放出することができる有機化合物で構成されている。図2に示すように、本実施の形態1において、第二活物質14は、非水電解質31に対する膨潤性を有さず、粒子の形状を有する。   The positive electrode active material layer 11 includes at least two types of electrode active materials, that is, a first active material 13 and a second active material 14. The first active material 13 is a positive electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions, and has a particle shape. The second active material 14 is made of an organic compound that can occlude and release anions. As shown in FIG. 2, in the first embodiment, the second active material 14 does not have swelling properties with respect to the non-aqueous electrolyte 31 and has a particle shape.

正極活物質層11は、基質17を有する。第一活物質13および第二活物質14は、基質17中に均一に分散している。第一活物質13および第二活物質14の体積に比べて基質17の体積が十分に小さい場合、基質17は、第一活物質13および第二活物質14の周囲の隙間を埋めている。基質17は、典型的には、結着剤、導電助剤、および電解質31で構成されている。基質17において、電解質31はゲル電解質を構成していてもよい。   The positive electrode active material layer 11 has a substrate 17. The first active material 13 and the second active material 14 are uniformly dispersed in the substrate 17. When the volume of the substrate 17 is sufficiently smaller than the volumes of the first active material 13 and the second active material 14, the substrate 17 fills a gap around the first active material 13 and the second active material 14. The substrate 17 is typically composed of a binder, a conductive aid, and an electrolyte 31. In the substrate 17, the electrolyte 31 may constitute a gel electrolyte.

第二活物質14は第一活物質13の表面を直接に被覆していない。第二活物質14は第一活物質13の表面を覆うように存在せず、第一活物質13および第二活物質14がそれぞれ異なる粒子を形成して存在している。第一活物質13の粒子と第二活物質14の粒子とは互いに独立して存在する。したがって、本実施の形態1における正極10は、第一活物質13および第二活物質14のそれぞれに対して非水電解質(詳細には、電解質31)が直接に接触している構造を有する。第一活物質13と第二活物質14とがそれぞれ粒子を形成している限り、正極活物質層11においてこれらの粒子が存在する領域は限定されず、これらの粒子が互いに接していてもよい。   The second active material 14 does not directly cover the surface of the first active material 13. The second active material 14 does not exist so as to cover the surface of the first active material 13, and the first active material 13 and the second active material 14 exist in different particles. The particles of the first active material 13 and the particles of the second active material 14 exist independently of each other. Therefore, the positive electrode 10 according to the first embodiment has a structure in which the non-aqueous electrolyte (specifically, the electrolyte 31) is in direct contact with each of the first active material 13 and the second active material 14. As long as the first active material 13 and the second active material 14 form particles, the region where these particles exist in the positive electrode active material layer 11 is not limited, and these particles may be in contact with each other. .

本発明の非水電解質二次電池が高容量と高出力(優れたパルス放電特性)とを実現できる理由として、以下に説明する4つの理由が挙げられる。   The reason why the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention can realize a high capacity and a high output (excellent pulse discharge characteristics) includes the following four reasons.

第1の理由は、正極に含まれる2種の活物質がそれぞれ有する材料特性である。正極に含まれる2種の活物質のうち、1種は、リチウムイオンを吸蔵および放出することができる正極活物質(第一活物質)である。第一活物質は、正極における主たる活物質である。なお、主たる活物質とは、非水電解質二次電池の全蓄電容量に対して50%以上の蓄電容量を占める活物質を意味する。第一活物質によれば、充放電に伴い正極と負極との間でリチウムイオンが移動することにより、3V級の高電圧、かつ高容量を実現することができる。他方、正極に含まれる2種の活物質のうち、もう1種は、アニオンを吸蔵および放出することができる有機活物質(第二活物質)である。   The first reason is material characteristics of the two active materials contained in the positive electrode. One of the two active materials contained in the positive electrode is a positive electrode active material (first active material) that can occlude and release lithium ions. The first active material is a main active material in the positive electrode. In addition, a main active material means the active material which occupies 50% or more of electrical storage capacity with respect to the total electrical storage capacity of a nonaqueous electrolyte secondary battery. According to the first active material, a lithium ion moves between the positive electrode and the negative electrode along with charge / discharge, whereby a high voltage of 3V class and a high capacity can be realized. On the other hand, the other one of the two active materials contained in the positive electrode is an organic active material (second active material) that can occlude and release anions.

本発明において、第二活物質としては、後ほど詳細に説明するが、ラジカルを有する化合物、π共役電子雲を有する化合物などが好適に用いられる。これらの化合物は酸化還元反応がリチウム基準で約3〜4Vの電位において進行するため、正極における活物質材料として適している。また、これらの化合物が第二活物質としてアニオンを吸蔵および放出する反応は、第一活物質がリチウムイオンを吸蔵および放出する反応と比較して速い。このため、第二活物質を使用することにより、高出力、特に、優れたパルス放電特性を有する非水電解質二次電池を提供できる。さらに、これらの化合物は活性炭よりも大きな容量を有しているため、第二活物質としてこれらの化合物を用いた場合、代わりに活性炭を用いた場合よりも、高い容量を得ることができる。したがって、第二活物質は、高容量と高出力との両方に寄与することができる。   In the present invention, as the second active material, although described in detail later, a compound having a radical, a compound having a π-conjugated electron cloud, and the like are preferably used. These compounds are suitable as active material materials for the positive electrode because the oxidation-reduction reaction proceeds at a potential of about 3 to 4 V with respect to lithium. Moreover, the reaction in which these compounds occlude and release anions as the second active material is faster than the reaction in which the first active material occludes and releases lithium ions. Therefore, by using the second active material, it is possible to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having high output, particularly excellent pulse discharge characteristics. Furthermore, since these compounds have a capacity larger than that of activated carbon, when these compounds are used as the second active material, a higher capacity can be obtained than when activated carbon is used instead. Therefore, the second active material can contribute to both high capacity and high output.

第2の理由は、2種の活物質を使用することによる相乗効果である。ここで、重要なポイントは、第一活物質の反応イオンと、第二活物質の反応イオンとが互いに異なっていることである。第一活物質は、リチウムイオンを吸蔵および放出することができるので、第一活物質の反応イオンはリチウムイオンである。他方、第二活物質はアニオンを吸蔵および放出することができるので、第二活物質の反応イオンはアニオンである。このように2種の活物質の反応イオンが互いに異なることにより、それぞれの活物質の反応は、相互に影響を与え合うことなくスムーズに進行することができる。   The second reason is a synergistic effect by using two kinds of active materials. Here, an important point is that the reaction ions of the first active material are different from the reaction ions of the second active material. Since the first active material can occlude and release lithium ions, the reaction ions of the first active material are lithium ions. On the other hand, since the second active material can occlude and release anions, the reactive ions of the second active material are anions. Thus, the reaction ions of the two active materials are different from each other, so that the reactions of the active materials can proceed smoothly without affecting each other.

高出力を必要としない場合、すなわち、充放電が比較的低速で行われる場合、反応速度の遅い活物質でも十分に反応ができるため、充放電に寄与する活物質は材料の反応速度に依存しない。したがって、いずれの活物質が優先的に反応するということがないため、結果として、主たる活物質である第一活物質が充放電に主として寄与することになる。言い換えれば、充放電に主として寄与するのは、第一活物質とリチウムイオンとの反応である。この場合、アニオンは正負極間をほとんど移動せずに電解質中にとどまり、主としてリチウムイオンが正負極間を移動する。   When high output is not required, that is, when charging / discharging is performed at a relatively low speed, an active material having a low reaction rate can sufficiently react, so the active material contributing to charging / discharging does not depend on the reaction rate of the material. . Therefore, since no active material reacts preferentially, as a result, the first active material which is the main active material mainly contributes to charge / discharge. In other words, it is the reaction between the first active material and lithium ions that mainly contributes to charging and discharging. In this case, the anion hardly moves between the positive and negative electrodes and stays in the electrolyte, and mainly lithium ions move between the positive and negative electrodes.

他方、高出力を必要とする場合、すなわち、充放電が比較的高速で行われる場合、第一活物質と第二活物質との両方が充放電に関与する。言い換えれば、第一活物質とリチウムイオンとの反応に加えて、第二活物質とアニオンとの反応が進行する。この場合、リチウムイオンとアニオンとの両方が正負極間を移動する。具体的には、放電過程において、リチウムイオンは負極から正極の方へ移動し、アニオンは正極から負極の方へ移動する。一般に、電解質中のアニオンの移動速度(移動度)は、リチウムイオンと同等かあるいはそれ以上である。アニオンが反応イオンとして加わることにより、反応イオンの濃度がおよそ2倍に増加するため、大電流を取り出し、高出力を実現することができる。   On the other hand, when high output is required, that is, when charging / discharging is performed at a relatively high speed, both the first active material and the second active material are involved in charging / discharging. In other words, in addition to the reaction between the first active material and lithium ions, the reaction between the second active material and the anion proceeds. In this case, both lithium ions and anions move between the positive and negative electrodes. Specifically, in the discharging process, lithium ions move from the negative electrode toward the positive electrode, and the anions move from the positive electrode toward the negative electrode. In general, the movement speed (mobility) of anions in an electrolyte is equal to or higher than that of lithium ions. Since an anion is added as a reactive ion, the concentration of the reactive ion increases approximately twice, so that a large current can be taken out and a high output can be realized.

上述の説明の比較として、例えば、リチウムイオンを吸蔵および放出することができる2種の活物質AおよびBを正極に用いた場合について説明する。ただし、活物質Bは活物質Aよりも充放電反応が速いと仮定する。この場合、活物質Aおよび活物質Bの反応イオンはともにリチウムイオンである。そのため、充放電を行うと、活物質Bとリチウムイオンとの反応が迅速に進行することによって、リチウムイオンが消費されてしまい、活物質Aの反応は抑制されてしまう。また、反応イオンがリチウムイオンのみであるため、出力特性は、電解質中のリチウムイオンの移動速度によって制限されてしまう。したがって、活物質Aに対して、反応イオンが活物質Aに共通する活物質Bを加えたとしても、A+Bの相乗効果を最大限に得ることはできない。   As a comparison with the above description, for example, a case will be described in which two active materials A and B capable of inserting and extracting lithium ions are used for the positive electrode. However, it is assumed that the active material B has a faster charge / discharge reaction than the active material A. In this case, the reaction ions of the active material A and the active material B are both lithium ions. Therefore, when charging / discharging is performed, the reaction between the active material B and lithium ions proceeds rapidly, so that lithium ions are consumed and the reaction of the active material A is suppressed. In addition, since the reactive ions are only lithium ions, the output characteristics are limited by the moving speed of the lithium ions in the electrolyte. Therefore, even if the active material B having reactive ions common to the active material A is added to the active material A, the synergistic effect of A + B cannot be obtained to the maximum.

また、従来技術では、リチウムイオンを吸蔵および放出することができる活物質に対して、第二成分として活性炭を添加することが提案されている。しかし、活性炭の反応イオンは、リチウムイオンとアニオンとの両方であり、自然電位を境としてそれより高い電位ではアニオンと反応し、それより低い電位ではリチウムイオンと反応する。したがって、活性炭の添加により出力特性を向上させる効果は、電位によって異なり、ある電位以上では得られる場合があり、また、ある電位以下では十分に得られない場合があり、技術的な制限を有するといえる。   Further, in the prior art, it has been proposed to add activated carbon as a second component to an active material capable of occluding and releasing lithium ions. However, the reactive ion of activated carbon is both a lithium ion and an anion, and reacts with an anion at a potential higher than the natural potential and reacts with lithium ion at a lower potential. Therefore, the effect of improving the output characteristics by the addition of activated carbon varies depending on the potential, and may be obtained above a certain potential, and may not be sufficiently obtained below a certain potential. I can say that.

第3の理由は、第一活物質および第二活物質の2種を使用することによる大きな弊害を有さないということである。上記従来技術のように、リチウムイオンを吸蔵および放出することができる活物質に対して、第二成分として活性炭を添加した場合、正極は種々の弊害を有する。すなわち、活性炭の表面は非常に活性で反応性が高く、表面に水分や空気中の有機成分などが容易に吸着するため、十分な真空乾燥を行っても、なおその完全除去は難しい。また、活性炭上に吸着された水分および有機物は、リチウムイオンを吸蔵および放出することができる活物質の表面において分解し、ガス発生による電池の膨れや容量低下などの信頼性の低下を引き起こす可能性がある。これらの弊害による影響は、保存試験やサイクル試験などの結果に顕著に現れる場合がある。   The third reason is that there is no serious adverse effect due to the use of the first active material and the second active material. When activated carbon is added as the second component to the active material capable of occluding and releasing lithium ions as in the above prior art, the positive electrode has various adverse effects. That is, the surface of activated carbon is very active and highly reactive, and moisture, organic components in the air, etc. are easily adsorbed on the surface, so that complete removal is still difficult even after sufficient vacuum drying. In addition, moisture and organic matter adsorbed on activated carbon can be decomposed on the surface of the active material capable of occluding and releasing lithium ions, which may cause deterioration of reliability such as battery swelling and capacity reduction due to gas generation. There is. The effects of these adverse effects may be noticeable in results such as storage tests and cycle tests.

本発明における第二活物質としては、ラジカルを有する化合物、π共役電子雲を有する化合物などの有機化合物が好適に用いられる。有機化合物は、活性炭の水分吸着能と比べて、低い水分吸着能を有する。したがって、これらの有機化合物は、リチウムイオンを吸蔵および放出することができる活物質(第一活物質)と併用することによる弊害因子を有さない。このため、第一活物質とともに第二活物質を使用することにより、信頼性の高い非水電解質二次電池を得ることができる。   As the second active material in the present invention, an organic compound such as a compound having a radical and a compound having a π-conjugated electron cloud is preferably used. The organic compound has a low water adsorption capacity compared to the water adsorption capacity of activated carbon. Therefore, these organic compounds do not have an adverse factor due to the combined use with an active material (first active material) that can occlude and release lithium ions. For this reason, a highly reliable nonaqueous electrolyte secondary battery can be obtained by using a 2nd active material with a 1st active material.

第4の理由は、2種の活物質が、互いに阻害し合うことなく独立に反応できることである。   The fourth reason is that the two active materials can react independently without interfering with each other.

例えば、2種の正極活物質C,Dを用いた正極において、活物質Cの表面の全体を活物質Dが被覆しているものと仮定する。このような正極構造では、活物質Cと電解質との接触が活物質Dによって阻害されるため、活物質Cが単独で充放電反応を行うことができず、十分な電池性能が得られない。具体的には、第一活物質の充電が、第二活物質が先に充電された後でなければされない、または、逆に第一活物質の放電が、第二活物質が先に放電された後でなければされない、といった相互阻害が起こってしまう。   For example, it is assumed that the active material D covers the entire surface of the active material C in a positive electrode using two types of positive electrode active materials C and D. In such a positive electrode structure, since the contact between the active material C and the electrolyte is inhibited by the active material D, the active material C cannot perform a charge / discharge reaction alone, and sufficient battery performance cannot be obtained. Specifically, the first active material must be charged after the second active material is charged first, or conversely, the first active material is discharged first, and the second active material is discharged first. Mutual inhibition occurs that must be done after a while.

これに対し、本発明における正極は、第一活物質の表面が第二活物質によって直接に被覆されておらず、(a)第一活物質の粒子または(b)第一活物質と非酸化還元物質とで構成された粒子、および、第二活物質のそれぞれに対して、非水電解質が直接に接触している構造を有する。そのため、第二活物質として有機化合物を用いることによる上記の阻害が抑制され、第一活物質は単独で充放電することができる。すなわち、高容量をもたらす第一活物質と、高出力をもたらす第二活物質とが機能を分離してそれぞれ独立に充放電反応を行うことができ、高容量と高出力(パルス放電)とを併せ持つ非水電解質二次電池を得ることができる。   On the other hand, in the positive electrode according to the present invention, the surface of the first active material is not directly covered with the second active material, and (a) particles of the first active material or (b) non-oxidized with the first active material. It has a structure in which the non-aqueous electrolyte is in direct contact with each of the particles composed of the reducing substance and the second active material. Therefore, said inhibition by using an organic compound as a 2nd active material is suppressed, and a 1st active material can be charged / discharged independently. That is, the first active material that provides a high capacity and the second active material that provides a high output can separate the functions and perform charge / discharge reactions independently of each other, resulting in high capacity and high output (pulse discharge). A non-aqueous electrolyte secondary battery can be obtained.

以上の4つの理由により、本発明により、高容量と高出力(優れたパルス放電特性)とを有し、かつ信頼性の高い非水電解質二次電池を提供することができる。   For the above four reasons, the present invention can provide a highly reliable non-aqueous electrolyte secondary battery having high capacity and high output (excellent pulse discharge characteristics).

以下、本実施の形態1の電池100に用いることができる構成材料について説明する。   Hereinafter, constituent materials that can be used for the battery 100 of the first embodiment will be described.

第一活物質13としては、リチウムイオン電池の正極活物質材料として公知のものを用いることができる。具体的には、第一活物質13として、リチウムを含んでいてもよい遷移金属酸化物を用いることができる。言い換えれば、遷移金属酸化物や、リチウム含有遷移金属酸化物などを用いることができる。具体的には、コバルトの酸化物、ニッケルの酸化物、マンガンの酸化物、および、五酸化バナジウム(V25)に代表されるバナジウムの酸化物、ならびに、これらの混合物または複合酸化物などが第一活物質13として用いられる。コバルト酸リチウム(LiCoO2)などの、リチウムと遷移金属とを含む複合酸化物が正極活物質として最もよく知られている。また、遷移金属のケイ酸塩、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)に代表される遷移金属のリン酸塩などを、第一活物質13として用いることもできる。 As the 1st active material 13, a well-known thing can be used as a positive electrode active material material of a lithium ion battery. Specifically, a transition metal oxide that may contain lithium can be used as the first active material 13. In other words, a transition metal oxide, a lithium-containing transition metal oxide, or the like can be used. Specifically, an oxide of cobalt, an oxide of nickel, an oxide of manganese, an oxide of vanadium represented by vanadium pentoxide (V 2 O 5 ), and a mixture or composite oxide thereof Is used as the first active material 13. A composite oxide containing lithium and a transition metal, such as lithium cobaltate (LiCoO 2 ), is best known as a positive electrode active material. Further, transition metal silicates, transition metal phosphates typified by lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), and the like can also be used as the first active material 13.

第一活物質13の粒子の平均粒径は、例えば、0.05μm〜50μmである。第一活物質13の粒子の平均粒径を上記範囲に調整することにより、第一活物質13と電解質31との大きな接触面積を確保できる。さらに、第一活物質13と導電助剤との接触面積が増加するので、良好な電子伝導性を確保できる。なお、本明細書中において平均粒径とは、レーザー回折式粒度計によって測定される粒度分布の体積累積50%に相当する粒径(メディアン径またはD50と表記される場合がある)を意味する。   The average particle diameter of the particles of the first active material 13 is, for example, 0.05 μm to 50 μm. A large contact area between the first active material 13 and the electrolyte 31 can be ensured by adjusting the average particle size of the particles of the first active material 13 to the above range. Furthermore, since the contact area between the first active material 13 and the conductive additive is increased, good electronic conductivity can be ensured. In the present specification, the average particle diameter means a particle diameter corresponding to 50% of the cumulative volume of the particle size distribution measured by a laser diffraction particle size meter (may be expressed as median diameter or D50). .

第二活物質14としては、ラジカルを有する化合物、π共役電子雲を有する化合物などが好適に用いられる。   As the second active material 14, a compound having a radical, a compound having a π-conjugated electron cloud, or the like is preferably used.

ラジカルを有する化合物としては、例えば、下記式(1)に示すTEMPO(2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル)の部分構造を有する化合物が挙げられる。これらの化合物は、電解質31への溶解を抑制する観点から、高分子であることが望ましい。当該高分子としては、例えば、下記式(2)に示す化合物が挙げられる。   Examples of the compound having a radical include a compound having a partial structure of TEMPO (2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl) represented by the following formula (1). These compounds are desirably polymers from the viewpoint of suppressing dissolution in the electrolyte 31. Examples of the polymer include compounds represented by the following formula (2).

Figure 2012252797
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π共役電子雲を有する化合物としては、下記式(3)に示すテトラチアフルバレンおよびその誘導体、下記式(4)に示すEBDT(2,2’−エタンジイリデン−ビス−1,3−ジチオール)およびその誘導体などが挙げられる。π共役電子雲を有する化合物は、電解質31への溶解を抑制する観点から、低分子量体であれば結晶として用いてもよいし、高分子であってもよい。π共役電子雲を有する高分子は、例えば、π共役電子雲を有する構造を側鎖に含む側鎖型高分子であってもよく、π共役電子雲を有する構造を主鎖に含む主鎖型高分子であってもよい。1分子の高分子に含まれる、π共役電子雲を有する構造の数(当該構造を含む繰り返し単位からなる高分子の場合、高分子の平均重合度)は、4以上、好ましくは10以上、より好ましくは20以上である。1分子の高分子に含まれる、π共役電子雲を有する構造の数(または平均重合度)の上限は、特に制限されないが、合成制御性の観点から、4000以下が望ましい。すなわち、高分子が当該構造を含む繰り返し単位からなる場合、高分子の数平均分子量は、およそ800以上、好ましくはおよそ2000以上、より好ましくはおよそ4000以上であり、上限は、特に制限されないが、合成制御性の観点から80万以下が望ましい。なお、本明細書中において、高分子の分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィー(Gel Permeation Chromatography、以下「GPC」とする)から得られたポリスチレン換算の分子量を意味する。   Examples of the compound having a π-conjugated electron cloud include tetrathiafulvalene represented by the following formula (3) and derivatives thereof, EBDT (2,2′-ethanediylidene-bis-1,3-dithiol) represented by the following formula (4), and the like. Derivatives and the like. From the viewpoint of suppressing dissolution in the electrolyte 31, the compound having a π-conjugated electron cloud may be used as a crystal or a polymer as long as it has a low molecular weight. The polymer having a π-conjugated electron cloud may be, for example, a side-chain polymer including a structure having a π-conjugated electron cloud in the side chain, and a main chain type including a structure having a π-conjugated electron cloud in the main chain. It may be a polymer. The number of structures having a π-conjugated electron cloud contained in one molecule of polymer (in the case of a polymer composed of repeating units containing the structure, the average degree of polymerization of the polymer) is 4 or more, preferably 10 or more. Preferably it is 20 or more. The upper limit of the number of structures having a π-conjugated electron cloud (or average degree of polymerization) contained in one molecule of polymer is not particularly limited, but is preferably 4000 or less from the viewpoint of synthesis controllability. That is, when the polymer is composed of repeating units containing the structure, the number average molecular weight of the polymer is about 800 or more, preferably about 2000 or more, more preferably about 4000 or more, and the upper limit is not particularly limited, 800,000 or less is desirable from the viewpoint of synthesis controllability. In the present specification, the molecular weight of the polymer means a molecular weight in terms of polystyrene obtained from gel permeation chromatography (hereinafter referred to as “GPC”).

Figure 2012252797
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本実施の形態1におけるように、第二活物質を粒子として用いる場合、第二活物質は電解質に対する膨潤性を有さないことが望ましい。なぜなら、第二活物質が電解質に対する膨潤性を有する場合、正極に電解質を含浸した後も第二活物質が粒子の形状を維持することが困難だからである。第二活物質が電解質により過度に膨潤した場合、正極において、電解質で満たされた空孔内部に第二活物質が広く分散してしまうため、第一活物質の表面には第二活物質により直接に被覆された部位が多く発生する。第二活物質が第一活物質の表面を直接に被覆してしまうと、第一活物質が第二活物質による阻害を受けやすい。すなわち、第一活物質が単独で充放電することが困難になり、第一活物質の有する高容量と第二活物質の有する高出力特性とをそれぞれ併せ持つ二次電池を構成することが困難になる。   As in the first embodiment, when the second active material is used as particles, it is desirable that the second active material does not have swelling properties with respect to the electrolyte. This is because, when the second active material has swelling properties with respect to the electrolyte, it is difficult for the second active material to maintain the particle shape even after the positive electrode is impregnated with the electrolyte. When the second active material is excessively swollen by the electrolyte, the second active material is widely dispersed inside the pores filled with the electrolyte in the positive electrode. Many directly covered sites occur. If the second active material directly covers the surface of the first active material, the first active material is likely to be inhibited by the second active material. That is, it becomes difficult to charge and discharge the first active material alone, making it difficult to construct a secondary battery having both the high capacity of the first active material and the high output characteristics of the second active material. Become.

よって、本実施の形態1において第二活物質14として用いる有機化合物は、π共役電子雲を有する化合物であることがより望ましい。なぜなら、π共役電子雲を有する化合物は電解質31に対して膨潤性を有するものが比較的少なく、逆に、ラジカルを有する化合物は電解質31に対して膨潤性を有するものが比較的多いからである。   Therefore, the organic compound used as the second active material 14 in Embodiment 1 is more preferably a compound having a π-conjugated electron cloud. This is because a compound having a π-conjugated electron cloud has a relatively small amount of swelling with respect to the electrolyte 31, and conversely, a compound having a radical has a relatively large amount of swelling with respect to the electrolyte 31. .

第二活物質14の粒子の平均粒径は、例えば、0.03μm〜20μmである。第二活物質14の粒子の平均粒径を上記範囲に調整することにより、第二活物質14と電解質31との大きな接触面積を確保できる。さらに、第二活物質14と導電助剤との接触面積も増加するので、良好な電子伝導性を確保できる。   The average particle diameter of the particles of the second active material 14 is, for example, 0.03 μm to 20 μm. A large contact area between the second active material 14 and the electrolyte 31 can be secured by adjusting the average particle size of the particles of the second active material 14 to the above range. Furthermore, since the contact area between the second active material 14 and the conductive auxiliary agent also increases, good electron conductivity can be ensured.

正極活物質層11(詳細には、基質17)は、必要に応じて、電極内の電子伝導性を補助する導電助剤、および/または、正極活物質層11の形状保持のための結着剤を含んでいてもよい。   The positive electrode active material layer 11 (specifically, the substrate 17) is, if necessary, a conductive aid for assisting electronic conductivity in the electrode and / or a binder for maintaining the shape of the positive electrode active material layer 11. An agent may be included.

導電助剤としては、電極の反応電位において、化学変化を起こさない種々の電子伝導性材料を用いることができる。導電助剤は、例えば、カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維などの炭素材料、金属繊維、金属粉末類、導電性ウィスカー類、導電性金属酸化物などであり、これらの混合物であってもよい。単位重量あたりのエネルギー密度を高くできるという観点からは、導電助剤としてカーボンブラックを用いることが好ましい。さらに、接触面積を増大させるためには、導電助剤として、比表面積の大きなカーボンブラックを用いることが望ましい。   As the conductive auxiliary agent, various electron conductive materials that do not cause a chemical change at the reaction potential of the electrode can be used. Examples of the conductive assistant include carbon materials such as carbon black, graphite, and carbon fiber, metal fibers, metal powders, conductive whiskers, and conductive metal oxides, and may be a mixture thereof. From the viewpoint that the energy density per unit weight can be increased, it is preferable to use carbon black as a conductive aid. Furthermore, in order to increase the contact area, it is desirable to use carbon black having a large specific surface area as a conductive aid.

結着剤は、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のいずれであってもよい。結着剤としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂;ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)などのフッ素系樹脂およびそれらの共重合体樹脂;スチレンブタジエンゴム、ポリアクリル酸およびその共重合体樹脂などが挙げられる。   The binder may be either a thermoplastic resin or a thermosetting resin. Examples of the binder include polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene; fluorine resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), hexafluoropropylene (HFP), and copolymer resins thereof; Examples thereof include styrene butadiene rubber, polyacrylic acid and copolymer resins thereof.

正極10における第一活物質13の添加量は、電池100の蓄電全容量に占める第一活物質13の蓄電容量で表して、50%以上であることが好ましく、70%以上であることがより好ましい。正極10における第二活物質14の添加量は、電池100の蓄電全容量に占める第二活物質14の蓄電容量で表して、50%以下であることが好ましく、30%以下であることがより好ましい。第一活物質13の蓄電容量が電池100の蓄電全容量の50%以上である、すなわち、第二活物質14の蓄電容量が電池100の蓄電全容量の50%以下である場合、第一活物質13に由来する高容量と第二活物質14に由来する高出力との両方を実現した電池100を構築することができる。さらに、第一活物質13の蓄電容量が電池100の蓄電全容量の70%以上である、すなわち、第二活物質14の蓄電容量が電池100の蓄電全容量の30%以下である場合、第一活物質13に由来するさらなる高容量と、第二活物質14に由来する高出力との両方を実現した電池100を構築することができる。   The addition amount of the first active material 13 in the positive electrode 10 is preferably 50% or more, more preferably 70% or more, expressed by the storage capacity of the first active material 13 in the total storage capacity of the battery 100. preferable. The amount of the second active material 14 added to the positive electrode 10 is preferably 50% or less, more preferably 30% or less, expressed as the storage capacity of the second active material 14 in the total storage capacity of the battery 100. preferable. When the storage capacity of the first active material 13 is 50% or more of the total storage capacity of the battery 100, that is, when the storage capacity of the second active material 14 is 50% or less of the total storage capacity of the battery 100, A battery 100 that realizes both a high capacity derived from the substance 13 and a high output derived from the second active material 14 can be constructed. Further, when the storage capacity of the first active material 13 is 70% or more of the total storage capacity of the battery 100, that is, when the storage capacity of the second active material 14 is 30% or less of the total storage capacity of the battery 100, A battery 100 that realizes both a higher capacity derived from the one active material 13 and a higher output derived from the second active material 14 can be constructed.

第一活物質13の蓄電容量が電池100の蓄電全容量の50%より小さい、すなわち第二活物質14の蓄電容量が電池100の蓄電全容量の50%より大きい場合、第二活物質14に由来する高出力を実現することはできるが、第一活物質13に由来する高容量を実現し難くなるおそれがある。   When the storage capacity of the first active material 13 is smaller than 50% of the total storage capacity of the battery 100, that is, when the storage capacity of the second active material 14 is larger than 50% of the total storage capacity of the battery 100, the second active material 14 Although the high output derived can be realized, it is difficult to realize the high capacity derived from the first active material 13.

正極集電体12としては、非水電解質二次電池の正極集電体として公知の材料を用いることができる。正極集電体12は、例えば、アルミニウム、ステンレスのような金属、カーボンなどでできた箔またはメッシュである。正極集電体12が金属箔である場合、厚み5〜30μm程度のアルミニウム箔が好適に用いられる。これは、アルミニウム箔が、正極10の動作範囲における電気化学的な安定性に優れており、かつ、厚み5〜30μm程度の薄膜であっても十分な強度を保つことができるからである。また、金属箔の表面は、電解エッチング処理やブラスト処理などによって粗面化されていてもよい。   As the positive electrode current collector 12, a known material can be used as the positive electrode current collector of the non-aqueous electrolyte secondary battery. The positive electrode current collector 12 is, for example, a foil or mesh made of metal such as aluminum or stainless steel, carbon, or the like. When the positive electrode current collector 12 is a metal foil, an aluminum foil having a thickness of about 5 to 30 μm is preferably used. This is because the aluminum foil is excellent in electrochemical stability in the operating range of the positive electrode 10 and can maintain a sufficient strength even if it is a thin film having a thickness of about 5 to 30 μm. Further, the surface of the metal foil may be roughened by electrolytic etching treatment, blast treatment or the like.

正極活物質層11がペレットおよびフィルムなどのように自立した形状を保っている場合、正極集電体12を用いずに正極活物質層11を直接、ケース50上に接触させた構成を採用してもよい。   When the positive electrode active material layer 11 maintains a self-supporting shape such as a pellet and a film, a configuration in which the positive electrode active material layer 11 is directly in contact with the case 50 without using the positive electrode current collector 12 is adopted. May be.

セパレータ30は、電子伝導性を有しない樹脂によって構成された樹脂層であり、大きなイオン透過度を有し、十分な機械的強度および電気的絶縁性を備えた微多孔膜である。耐有機溶剤性および疎水性に優れるという観点から、ポリプロピレン、ポリエチレンなどを単独または組み合わせたポリオレフィン樹脂が好ましい。セパレータ30の代わりに、電解質31を含んで膨潤し、ゲル電解質として機能するイオン伝導性を有する樹脂層を設けてもよい。   The separator 30 is a resin layer made of a resin having no electronic conductivity, and is a microporous film having a large ion permeability and sufficient mechanical strength and electrical insulation. From the viewpoint of excellent organic solvent resistance and hydrophobicity, a polyolefin resin in which polypropylene, polyethylene or the like is used alone or in combination is preferable. Instead of the separator 30, a resin layer having an ion conductivity that swells and contains the electrolyte 31 and functions as a gel electrolyte may be provided.

負極活物質層21は、負極活物質を含む。負極活物質としては、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出することができる公知の負極活物質が用いられる。リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出することができる負極活物質は、リチウム電池において公知の負極材料であれば特に限定されず、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛材料、非晶質炭素材料、リチウム金属、リチウム含有複合窒化物、リチウム含有チタン酸化物、珪素、珪素を含む合金、珪素酸化物、錫、錫を含む合金、および錫酸化物などである。負極活物質は、これらの負極材料の混合物であってもよい。負極集電体22には、例えば銅、ニッケル、ステンレスなど、リチウム二次電池用負極の集電体として公知の材料を用いることができる。   The negative electrode active material layer 21 includes a negative electrode active material. As the negative electrode active material, a known negative electrode active material capable of reversibly occluding and releasing lithium ions is used. The negative electrode active material capable of reversibly occluding and releasing lithium ions is not particularly limited as long as it is a known negative electrode material in a lithium battery. For example, graphite materials such as natural graphite and artificial graphite, and amorphous carbon materials Lithium metal, lithium-containing composite nitride, lithium-containing titanium oxide, silicon, an alloy containing silicon, silicon oxide, tin, an alloy containing tin, and tin oxide. The negative electrode active material may be a mixture of these negative electrode materials. For the negative electrode current collector 22, for example, a material known as a current collector of a negative electrode for a lithium secondary battery, such as copper, nickel, and stainless steel, can be used.

負極活物質層21は、負極活物質の他にも、必要に応じて、導電助剤および/または結着剤を含んでいてもよい。導電助剤および結着剤としては、正極活物質層11において用いることのできる導電助剤および結着剤と同様の材料を用いることができる。   In addition to the negative electrode active material, the negative electrode active material layer 21 may contain a conductive additive and / or a binder as necessary. As a conductive support agent and a binder, the same material as the conductive support agent and binder which can be used in the positive electrode active material layer 11 can be used.

非水電解質31は、非水溶媒およびリチウムイオンとアニオンとの塩(電解質塩)を含む電解液である。   The nonaqueous electrolyte 31 is an electrolytic solution containing a nonaqueous solvent and a salt (electrolyte salt) of lithium ions and anions.

リチウムイオンとアニオンとの塩としては、リチウム電池で用いられる塩であれば特に限定されず、例えば、リチウムイオンと以下に挙げるアニオンとの塩が挙げられる。すなわち、アニオンとしては、ハロゲン化物アニオン、過塩素酸アニオン、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン、4フッ化ホウ酸アニオン(BF4 -)、6フッ化リン酸アニオン(PF6 -)、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン、ビス(パーフルオロエチルスルホニル)イミドアニオンなどが挙げられる。リチウムイオンとアニオンとの塩として、これらの2種以上を組み合わせて用いてもよい。 The salt of lithium ion and anion is not particularly limited as long as it is a salt used in a lithium battery, and examples thereof include salts of lithium ions and the following anions. That is, as anions, halide anions, perchlorate anions, trifluoromethanesulfonate anions, tetrafluoroborate anions (BF 4 ), hexafluorophosphate anions (PF 6 ), bis (trifluoromethanesulfonyl) ) Imide anion, bis (perfluoroethylsulfonyl) imide anion, and the like. Two or more of these may be used in combination as a salt of lithium ions and anions.

非水電解質として、正極10に固体電解質が含まれていてもよい。固体電解質としては、Li2S−SiS2、Li2S−B25、Li2S−P25−GeS2、ナトリウム/アルミナ(Al23)、無定形または低相転移温度(Tg)のポリエーテル、無定形フッ化ビニリデン−6フッ化プロピレンコポリマー、異種高分子ブレンド体ポリエチレンオキサイドなどが挙げられる。 As the nonaqueous electrolyte, the positive electrode 10 may contain a solid electrolyte. Examples of solid electrolytes include Li 2 S—SiS 2 , Li 2 S—B 2 S 5 , Li 2 S—P 2 S 5 —GeS 2 , sodium / alumina (Al 2 O 3 ), amorphous or low phase transition temperature. (Tg) polyether, amorphous vinylidene fluoride-6-fluorinated propylene copolymer, heterogeneous polymer blend polyethylene oxide and the like.

電解質塩が液体である場合、電解質塩自身を電解質31として用いてもよい。   When the electrolyte salt is a liquid, the electrolyte salt itself may be used as the electrolyte 31.

非水溶媒としては、非水二次電池や非水系電気二重層キャパシタにおいて用いることのできる公知の非水溶媒を用いることができる。具体的な非水溶媒としては、環状または鎖状の炭酸エステル、環状または鎖状のエステル、環状または鎖状のエーテル、環状または鎖状のスルホンおよび二トリルからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む溶媒を好適に用いることができる。環状炭酸エステルの具体例としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどが、また鎖状炭酸エステルの具体例としては、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などが挙げられる。環状または鎖状のエステルの具体例としては、γ−ブチロラクトン、プロピオン酸メチル、プロピオン酸ブチルなどが挙げられる。環状または鎖状のエーテルの具体例としては、1,4−ジオキサン、テトラヒドロフランなどが挙げられる。環状または鎖状のスルホンの具体例としては、ジオキソラン、スルホランなどが挙げられる。ニトリルの具体例としては、アセトニトリルなどが挙げられる。   As the non-aqueous solvent, a known non-aqueous solvent that can be used in a non-aqueous secondary battery or a non-aqueous electric double layer capacitor can be used. Specific examples of the non-aqueous solvent include at least one selected from the group consisting of cyclic or chain carbonate ester, cyclic or chain ester, cyclic or chain ether, cyclic or chain sulfone, and nitrile. The containing solvent can be used suitably. Specific examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate and propylene carbonate. Specific examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate. Specific examples of the cyclic or chain ester include γ-butyrolactone, methyl propionate, butyl propionate and the like. Specific examples of the cyclic or chain ether include 1,4-dioxane, tetrahydrofuran and the like. Specific examples of the cyclic or chain sulfone include dioxolane and sulfolane. Specific examples of nitriles include acetonitrile.

非水溶媒の成分としてこれらの溶媒を含むことにより、電解質31における非水溶媒全体として非常に高い誘電率を有することができる。非水溶媒として、これらの溶媒のうちの1種のみを用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。   By including these solvents as components of the non-aqueous solvent, the entire non-aqueous solvent in the electrolyte 31 can have a very high dielectric constant. As the non-aqueous solvent, only one of these solvents may be used, or two or more may be mixed and used.

(実施の形態2)
電解質により膨潤しうる有機化合物を第二活物質として用いる場合、以下に説明する実施の形態2を採用することが望ましい。なお、実施の形態2の非水電解質二次電池は、実施の形態1と比較して、正極のみが異なる。したがって、正極以外についての説明は省略し、以下正極のみについて説明する。
(Embodiment 2)
When an organic compound that can be swollen by an electrolyte is used as the second active material, it is desirable to adopt Embodiment 2 described below. In addition, the nonaqueous electrolyte secondary battery of Embodiment 2 differs from Embodiment 1 only in the positive electrode. Therefore, the description other than the positive electrode is omitted, and only the positive electrode is described below.

実施の形態2における正極40の断面構造を模式的に図3に示す。正極40は電解質31を含浸した後の状態にあるとする。正極40は、正極集電体12と正極集電体12上に設けられた正極活物質層41とを備えている。正極活物質層41は、第一活物質43と第二活物質44とを含む。第一活物質43は、リチウムイオンを吸蔵および放出することができる正極活物質であり、粒子の形状を有する。第一活物質43の表面には、非酸化還元物質(図示せず)がコーティングされている。第一活物質43と非酸化還元物質とで構成される粒子は基質17中に均一に分散している。第二活物質44は、アニオンを吸蔵および放出することができる有機化合物からなり、電解質31(図1参照)に対する膨潤性を有する。第二活物質44は電解質31により膨潤して基質17中に均一に分散している。   FIG. 3 schematically shows a cross-sectional structure of positive electrode 40 in the second embodiment. It is assumed that the positive electrode 40 is in a state after being impregnated with the electrolyte 31. The positive electrode 40 includes a positive electrode current collector 12 and a positive electrode active material layer 41 provided on the positive electrode current collector 12. The positive electrode active material layer 41 includes a first active material 43 and a second active material 44. The first active material 43 is a positive electrode active material that can occlude and release lithium ions, and has a particle shape. The surface of the first active material 43 is coated with a non-oxidation / reduction material (not shown). The particles composed of the first active material 43 and the non-oxidation / reduction material are uniformly dispersed in the substrate 17. The 2nd active material 44 consists of an organic compound which can occlude and discharge | release an anion, and has the swelling property with respect to the electrolyte 31 (refer FIG. 1). The second active material 44 is swollen by the electrolyte 31 and is uniformly dispersed in the substrate 17.

正極40において、第二活物質44は電解質31により膨潤して基質17中に分散しているものの、第一活物質43の表面が非酸化還元物質によりコーティングされているため、第二活物質44は第一活物質43の表面を直接に被覆していない。第一活物質43とリチウムイオンとが酸化還元反応を行うことができるように、第一活物質43と非酸化還元物質とで構成された粒子の表面には非水電解質(電解質31)が直接に接触している。第二活物質44に対しても、非水電解質が直接に接触している。本実施の形態2において、第一活物質43と非酸化還元物質とで構成された粒子は、第一活物質43と非酸化還元物質とのみからなっている。   In the positive electrode 40, the second active material 44 is swollen by the electrolyte 31 and dispersed in the substrate 17, but the surface of the first active material 43 is coated with a non-oxidation-reducing material. Does not directly cover the surface of the first active material 43. A non-aqueous electrolyte (electrolyte 31) is directly applied to the surface of the particles composed of the first active material 43 and the non-oxidation / reduction material so that the first active material 43 and the lithium ions can undergo a redox reaction. Touching. The non-aqueous electrolyte is also in direct contact with the second active material 44. In the second embodiment, the particles composed of the first active material 43 and the non-oxidation / reduction material are composed of only the first active material 43 and the non-oxidation / reduction material.

第一活物質がコーティングを有さず、第二活物質が電解質に対して膨潤性を有する場合、正極において、電解質で満たされた空孔内部に第二活物質が広く分散してしまうため、第二活物質が第一活物質の表面を直接に被覆してしまうことによる阻害要因が生じる。これに対し、第一活物質が非酸化還元物質によりコーティングされている場合、非酸化還元物質が第一活物質と第二活物質との直接的な接触を妨げる。第二活物質が電解質に対して膨潤性を有していても、第一活物質と非酸化還元物質とで構成された粒子の表面に電解質が接触した正極構造が得られるため、上記の阻害要因を抑制することができる。したがって、本実施の形態2においても、実施の形態1と同様に、第一活物質43および第二活物質44がそれぞれ独立に充放電反応を行うことができ、高容量と高出力(パルス放電)とを併せ持つ二次電池を得ることができる。   When the first active material does not have a coating and the second active material is swellable with respect to the electrolyte, in the positive electrode, the second active material is widely dispersed inside the pores filled with the electrolyte. An obstruction factor arises because the second active material directly covers the surface of the first active material. On the other hand, when the first active material is coated with a non-oxidation / reduction material, the non-oxidation / reduction material prevents direct contact between the first and second active materials. Even if the second active material is swellable with respect to the electrolyte, the positive electrode structure in which the electrolyte is in contact with the surface of the particles composed of the first active material and the non-oxidation-reducing material is obtained. Factors can be suppressed. Therefore, also in the second embodiment, similarly to the first embodiment, the first active material 43 and the second active material 44 can independently perform charge and discharge reactions, and have a high capacity and high output (pulse discharge). ) Can be obtained.

なお、本明細書中において、「第二活物質が第一活物質の表面を直接に被覆していない」とは、第一活物質の表面におけるわずかな領域が第二活物質によって直接に被覆されている場合を排除するものではない。第二活物質による被覆の程度がわずかである限り、(a)第一活物質の粒子または(b)第一活物質と非酸化還元物質とで構成された粒子は、非水電解質との十分な接触を確保することができ、第一活物質は単独で充放電反応を行うことができるからである。   In this specification, “the second active material does not directly cover the surface of the first active material” means that a small area on the surface of the first active material is directly covered by the second active material. It does not preclude the case. As long as the degree of coating with the second active material is slight, (a) the particles of the first active material or (b) the particles composed of the first active material and the non-oxidation-reducing material are sufficient for the non-aqueous electrolyte. This is because the first active material can carry out a charge / discharge reaction independently.

以下、本実施の形態2の非水電解質二次電池における正極40に用いることができる構成材料について説明する。   Hereinafter, constituent materials that can be used for the positive electrode 40 in the nonaqueous electrolyte secondary battery of Embodiment 2 will be described.

第一活物質43としては、実施の形態1における第一活物質13と同様の材料を用いることができる。第一活物質43と非酸化還元物質とで構成された粒子の平均粒径は、実施の形態1における第一活物質13の粒子の平均粒径と同様である。   As the first active material 43, the same material as the first active material 13 in Embodiment 1 can be used. The average particle diameter of the particles composed of the first active material 43 and the non-oxidation / reduction substance is the same as the average particle diameter of the particles of the first active material 13 in the first embodiment.

非酸化還元物質は、電池100において酸化還元反応に寄与しない物質であれば特に限定されない。非酸化還元物質は、電池100の使用状態に拘わらず正極40中で安定に存在し続けることのできる物質である。すなわち、非酸化還元物質とは、「電池100の充放電電圧の上限値から下限値までの電位領域において、酸化還元反応を起こさない物質」である。言い換えれば、非酸化還元物質は、「酸化還元反応自体を起こさない、すなわち、酸化還元電位を有さない物質」および「酸化還元電位を有するが、その酸化還元電位がいずれも電池100の充放電電圧範囲の上限値以上または下限値以下である物質」のいずれかである。非酸化還元物質は、具体的には、導電助剤、非電子伝導体などである。当該導電助剤としては、例えば、カーボンブラックに代表される炭素材料が挙げられ、当該非電子伝導体としては、例えば、酸化チタンに代表される金属酸化物、セラミックスおよびイオン伝導性セラミックスが挙げられる。   The non-oxidation / reduction substance is not particularly limited as long as it does not contribute to the oxidation / reduction reaction in the battery 100. The non-oxidation / reduction substance is a substance that can continue to exist stably in the positive electrode 40 regardless of the usage state of the battery 100. That is, the non-oxidation / reduction substance is “a substance that does not cause an oxidation-reduction reaction in a potential region from the upper limit value to the lower limit value of the charge / discharge voltage of the battery 100”. In other words, the non-redox substance is “a substance that does not cause a redox reaction itself, that is, a substance that does not have a redox potential” and “a redox potential, both of which have a redox potential. It is either “a substance that is not less than the upper limit value or less than the lower limit value of the voltage range”. Specific examples of the non-oxidation / reduction substance include a conductive additive and a non-electron conductor. Examples of the conductive assistant include carbon materials typified by carbon black, and examples of the non-electron conductor include metal oxides typified by titanium oxide, ceramics, and ion conductive ceramics. .

非酸化還元物質は、第一活物質43と電解質31中のリチウムイオンとの反応を許容できる程度に、第一活物質43の粒子の表面を部分的または完全にコーティングしている。非酸化還元物質は、第一活物質43と電解質31との接触を妨げず、かつ、第一活物質43と第二活物質44との接触を妨げることができるように、第一活物質43の表面上に断続的かつ均一に分布していることが好ましい。なお、第一活物質43と電解質31中のリチウムイオンとの反応が妨げられない限り、非酸化還元物質が第一活物質43の表面を完全に被覆していてもよい。   The non-oxidation / reduction material partially or completely coats the surface of the particles of the first active material 43 to such an extent that the reaction between the first active material 43 and the lithium ions in the electrolyte 31 is allowed. The non-oxidation / reduction material does not interfere with the contact between the first active material 43 and the electrolyte 31 and can prevent the contact between the first active material 43 and the second active material 44. It is preferable that the surface is intermittently and evenly distributed on the surface. Note that, as long as the reaction between the first active material 43 and the lithium ions in the electrolyte 31 is not hindered, the non-oxidation / reduction material may completely cover the surface of the first active material 43.

非酸化還元物質によるコーティング量は、第一活物質43に対して、例えば、0.1〜20重量%である。非酸化還元物質によるコーティングの厚さは、例えば、1〜20nmである。   The coating amount of the non-oxidation / reduction substance is, for example, 0.1 to 20% by weight with respect to the first active material 43. The thickness of the coating with the non-oxidation / reduction substance is, for example, 1 to 20 nm.

本実施の形態2において第二活物質44として用いられている、電解質31に対して膨潤性を有する有機化合物としては、具体的には、実施の形態1で説明したラジカルを有する化合物が挙げられる。なぜなら、上述したように、ラジカルを有する化合物は電解質31に対して膨潤性を有するものが比較的多いからである。   Specific examples of the organic compound having swelling properties with respect to the electrolyte 31 used as the second active material 44 in the second embodiment include the compounds having the radicals described in the first embodiment. . This is because, as described above, relatively many compounds having radicals have swelling properties with respect to the electrolyte 31.

なお、実施の形態2におけるように、第一活物質の表面が非酸化還元物質によりコーティングされている場合、第二活物質としては、電解質により膨潤せず粒子形状を維持できる化合物および電解質により膨潤する化合物のいずれを用いてもよい。具体的には、実施の形態1で例示したラジカルを有する化合物、π共役電子雲を有する化合物などを、それらの電解質に対する膨潤性の有無に拘わらず、第二活物質として好適に用いることができる。   As in the second embodiment, when the surface of the first active material is coated with a non-redox material, the second active material can be swollen by a compound that can maintain the particle shape without being swollen by the electrolyte and the electrolyte. Any of the compounds to be used may be used. Specifically, the compound having a radical exemplified in Embodiment 1 and the compound having a π-conjugated electron cloud can be suitably used as the second active material regardless of the presence or absence of swelling with respect to the electrolyte. .

非酸化還元物質によるコーティングを表面に有する第一活物質を用い、第二活物質として、電解質により膨潤せず粒子形状を維持できる化合物を用いた場合、実施の形態1における正極10に類似した正極構造が得られる。すなわち、第一活物質および第二活物質がそれぞれ粒子の形状を有し、かつ、第一活物質と非酸化還元物質とで構成された粒子の表面に電解質が直接に接触している正極構造が得られる。この場合、第二活物質の粒子の平均粒径は実施の形態1と同様である。このような正極は、実施の形態1における正極10と同様の製造方法により作製することができる。   A positive electrode similar to the positive electrode 10 in Embodiment 1 when a first active material having a coating with a non-oxidation / reduction material is used and a compound capable of maintaining the particle shape without being swollen by an electrolyte is used as the second active material. A structure is obtained. That is, the positive electrode structure in which the first active material and the second active material each have the shape of a particle, and the electrolyte is in direct contact with the surface of the particle composed of the first active material and the non-redox material Is obtained. In this case, the average particle diameter of the second active material particles is the same as that in the first embodiment. Such a positive electrode can be manufactured by a manufacturing method similar to that of the positive electrode 10 in Embodiment 1.

正極活物質層41は、必要に応じて、電極内の電子伝導性を補助する導電助剤、および/または、正極活物質層41の形状保持のための結着剤を含んでいてもよい。導電助剤および結着剤として好ましい各材料は実施の形態1と同様である。正極40における第一活物質43および第二活物質44の好ましい添加量も、実施の形態1と同様である。正極集電体12として好ましい材料も実施の形態1と同様である。   The positive electrode active material layer 41 may include a conductive auxiliary agent that assists electronic conductivity in the electrode and / or a binder for maintaining the shape of the positive electrode active material layer 41 as necessary. Preferred materials for the conductive assistant and the binder are the same as those in the first embodiment. Preferred addition amounts of the first active material 43 and the second active material 44 in the positive electrode 40 are also the same as those in the first embodiment. A preferable material for the positive electrode current collector 12 is the same as that in the first embodiment.

非水電解質二次電池100の製造方法としては、公知の製造方法を採用できる。実施の形態1における正極10は、例えば、以下のようにして作製することができる。まず、リチウムイオンを吸蔵および放出することができる第一活物質13の粒子と、リチウムイオンとアニオンとの塩を含む非水電解質31に対する膨潤性を有さず、アニオンを吸蔵および放出することができ、かつ、有機化合物である、第二活物質14の粒子と、を含む混合物を調製する。次に、第一活物質13および第二活物質14を正極活物質として含む正極活物質層11が正極集電体12上に形成されるように、第一活物質13および第二活物質14の粒子の形状を保持しながら上記混合物を成形する。正極活物質層11に非水電解質31を含浸させることにより、正極10が得られる。上記混合物を成形して正極活物質層11を形成する方法としては、乾式法および湿式法のいずれを用いてもよい。乾式法では、例えば、上記混合物を均一に混練した後、正極集電体12上にプレスすることによって正極活物質層11が形成される。湿式法では、例えば、上記混合物として、第二活物質14を溶解しない溶媒(例えば、水など)に第一活物質13の粒子と第二活物質14の粒子とを分散させたペーストを調製する。ペーストを正極集電体12上に塗布して塗布膜を形成し、塗布膜を乾燥させることにより、正極活物質層11が形成される。   As a manufacturing method of the nonaqueous electrolyte secondary battery 100, a known manufacturing method can be adopted. The positive electrode 10 in Embodiment 1 can be manufactured as follows, for example. First, the particles of the first active material 13 that can occlude and release lithium ions and the nonaqueous electrolyte 31 containing a salt of lithium ions and anions have no swellability and can occlude and release anions. And a mixture containing particles of the second active material 14, which is an organic compound. Next, the first active material 13 and the second active material 14 are formed so that the positive electrode active material layer 11 including the first active material 13 and the second active material 14 as the positive electrode active material is formed on the positive electrode current collector 12. The mixture is molded while maintaining the shape of the particles. The positive electrode 10 is obtained by impregnating the positive electrode active material layer 11 with the nonaqueous electrolyte 31. As a method of forming the positive electrode active material layer 11 by forming the above mixture, either a dry method or a wet method may be used. In the dry method, for example, the positive electrode active material layer 11 is formed by uniformly kneading the mixture and then pressing the mixture onto the positive electrode current collector 12. In the wet method, for example, a paste in which the particles of the first active material 13 and the particles of the second active material 14 are dispersed in a solvent that does not dissolve the second active material 14 (for example, water) is prepared as the mixture. . The paste is applied onto the positive electrode current collector 12 to form a coating film, and the coating film is dried, whereby the positive electrode active material layer 11 is formed.

表面に非酸化還元物質がコーティングされている第一活物質43の粒子を用いる場合、例えば、以下のようにして正極を作製することができる。まず、リチウムイオンを吸蔵および放出することができ、かつ、表面に非酸化還元物質がコーティングされている第一活物質43の粒子と、アニオンを吸蔵および放出することができ、かつ、有機化合物である第二活物質と、を含む混合物を調製する。次に、第一活物質43および第二活物質を正極活物質として含む正極活物質層が正極集電体12上に形成されるように、上記混合物を成形する。リチウムイオンとアニオンとの塩を含む非水電解質31を正極活物質層に含浸させることにより、正極が得られる。例えば、非水電解質31に対して膨潤性を有する第二活物質44を用いた場合、実施の形態2における正極活物質層41が形成され、正極40が得られる。非水電解質31に対して膨潤性を有さない第二活物質14を用いた場合、実施の形態1における正極活物質層11と同様の層が形成され、正極10と同様の構造が得られる。   In the case of using particles of the first active material 43 whose surface is coated with a non-oxidation / reduction substance, for example, the positive electrode can be produced as follows. First, lithium ions can be occluded and released, and particles of the first active material 43 whose surface is coated with a non-oxidation reducing substance, anions can be occluded and released, and an organic compound can be used. A mixture containing a second active material is prepared. Next, the mixture is formed such that a positive electrode active material layer including the first active material 43 and the second active material as a positive electrode active material is formed on the positive electrode current collector 12. A positive electrode is obtained by impregnating the positive electrode active material layer with a non-aqueous electrolyte 31 containing a salt of lithium ions and anions. For example, when the second active material 44 having swellability with respect to the nonaqueous electrolyte 31 is used, the positive electrode active material layer 41 in the second embodiment is formed, and the positive electrode 40 is obtained. When the second active material 14 that does not swell with respect to the nonaqueous electrolyte 31 is used, a layer similar to the positive electrode active material layer 11 in the first embodiment is formed, and a structure similar to that of the positive electrode 10 is obtained. .

以上の実施形態により、高容量と高出力(優れたパルス放電特性)とが両立した、信頼性の高い非水電解質二次電池を提供することができる。   According to the above embodiment, a highly reliable nonaqueous electrolyte secondary battery in which high capacity and high output (excellent pulse discharge characteristics) are compatible can be provided.

また、従来、円筒型電池および角型電池において、高出力化を目的とする、電極の厚みおよび長さの最適化といった構造面からのアプローチが行われている。これに対し、本発明は、材料面からのアプローチによって高出力化が実現できる。このため、外装ケースが単純であり、かつ、その形状を変更できない場合、例えば、コイン型電池の場合において、本発明は最も有効な高出力化のアプローチであるといえる。   Conventionally, in a cylindrical battery and a square battery, a structural approach such as optimization of electrode thickness and length has been performed for the purpose of increasing output. On the other hand, according to the present invention, high output can be realized by an approach from the material side. For this reason, when the exterior case is simple and the shape thereof cannot be changed, for example, in the case of a coin-type battery, it can be said that the present invention is the most effective approach for high output.

なお、本明細書中において、「第二活物質が電解質に対して膨潤性を有さない」とは、非水電解質二次電池の正極中で第二活物質が粒子の形を維持できることを意味する。第二活物質が液状の非水電解質(電解液)に対する膨潤性を有するか否かは、例えば、以下の方法によって確認できる。すなわち、大過剰の電解液中に第二活物質の粒子を投入し、この混合液に対して粒度分布測定を行う。粒子の形状を維持していることが確認されれば、第二活物質は電解液に対する膨潤性を有しないと判断できる。粒子の存在が確認されなければ、第二活物質は電解液に対する膨潤性を有すると判断できる。   In this specification, “the second active material has no swellability with respect to the electrolyte” means that the second active material can maintain the particle shape in the positive electrode of the non-aqueous electrolyte secondary battery. means. Whether or not the second active material has swelling properties with respect to a liquid non-aqueous electrolyte (electrolytic solution) can be confirmed, for example, by the following method. That is, the particles of the second active material are introduced into a large excess of the electrolytic solution, and the particle size distribution measurement is performed on the mixed solution. If it is confirmed that the shape of the particles is maintained, it can be determined that the second active material does not have swelling properties with respect to the electrolytic solution. If the presence of the particles is not confirmed, it can be determined that the second active material has swelling properties with respect to the electrolytic solution.

また、以下の方法によって、第二活物質が膨潤性を有するか否かを確認してもよい。具体的には、非水電解質二次電池の組立前(電解質が含浸されていない状態)を基準とする組立後の第二活物質の体積膨潤率が0%以上20%未満である場合に、「膨潤性を有さない」と判断できる。逆に、非水電解質二次電池の組立前を基準とする組立後の第二活物質の体積膨潤率が20%以上である場合、「膨潤性を有する」と判断できる。ただし、技術常識から理解できるように、電池内において電解質に溶解する程に高い体積膨潤率を有する化合物は、本発明における第二活物質として適さない。このような化合物は、正極から溶出して、もはや正極活物質として機能し難くなるからである。第二活物質は、電池内において正極中に保持されることが前提である。第二活物質の体積膨潤率の上限値は特に限定されないが、例えば200%以下である。   Moreover, you may confirm whether the 2nd active material has swelling property with the following method. Specifically, when the volume swelling ratio of the second active material after assembly based on the pre-assembly of the nonaqueous electrolyte secondary battery (the state in which the electrolyte is not impregnated) is 0% or more and less than 20%, It can be determined that “it does not have swelling”. On the contrary, when the volume swelling ratio of the second active material after assembly with respect to the pre-assembly of the non-aqueous electrolyte secondary battery is 20% or more, it can be determined that it has “swellability”. However, as can be understood from technical common sense, a compound having a volume swelling ratio that is high enough to dissolve in the electrolyte in the battery is not suitable as the second active material in the present invention. This is because such a compound elutes from the positive electrode and is no longer functioning as a positive electrode active material. It is assumed that the second active material is held in the positive electrode in the battery. Although the upper limit of the volume swelling rate of a 2nd active material is not specifically limited, For example, it is 200% or less.

第二活物質の体積膨潤率は、以下の式(5)で表される。   The volume swelling rate of the second active material is represented by the following formula (5).

Figure 2012252797
Figure 2012252797

以下、実施例および比較例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further in detail, this invention is not limited to a following example.

実施例1〜3および比較例1では、リチウムイオンを吸蔵および放出することができる第一活物質と、アニオンを吸蔵および放出することができる有機化合物からなる第二活物質とを含む種々の正極を作製し、これらの正極を用いて図1に示すコイン型の非水電解質二次電池を作製した。   In Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, various positive electrodes including a first active material capable of occluding and releasing lithium ions and a second active material composed of an organic compound capable of occluding and releasing anions A coin-type nonaqueous electrolyte secondary battery shown in FIG. 1 was produced using these positive electrodes.

(実施例1)
実施例1では、第二活物質が電解質に対する膨潤性を有さず、第一活物質と第二活物質とがそれぞれ粒子の形状を有し、かつ、第一活物質の表面に非酸化還元物質がコーティングされている正極を作製した。第一活物質としては、粒子表面にカーボンコーティング処理が施されたリン酸鉄リチウム(LiFePO4)(平均粒径9μm、カーボン量2重量%、TATUNG FINE CHEMICALS社製)を用いた。第二活物質としては、π共役電子雲を有する化合物でありテトラチアフルバレン誘導体である、下記式(6)に示すビスエチレンジチオテトラチアフルバレン(BEDT−TTF)(粉砕後平均粒径10μm、Aldrich社製)を用いた。
Example 1
In Example 1, the second active material does not have swellability with respect to the electrolyte, the first active material and the second active material each have a particle shape, and the surface of the first active material is non-oxidized and reduced. A positive electrode coated with the material was prepared. As the first active material, lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) (average particle size 9 μm, carbon amount 2 wt%, manufactured by TATUNG FINE CHEMICALS) was used. As the second active material, bisethylenedithiotetrathiafulvalene (BEDT-TTF) represented by the following formula (6), which is a compound having a π-conjugated electron cloud and a tetrathiafulvalene derivative (average particle diameter after grinding: 10 μm, Aldrich) Used).

Figure 2012252797
Figure 2012252797

第二活物質(BEDT−TTF)が電解質に対して膨潤性を有さないことを確認するために、膨潤性評価を行った。膨潤性評価では、まず、乳鉢で粉砕した第二活物質2mgに対し、炭酸エチレン(EC)と炭酸エチルメチル(EMC)とを体積比1:1で混合した混合溶媒を0.1mL加え、溶液中の第二活物質粒子の膨潤の有無を目視で観察した。この結果、BEDT−TTFの粉末の膨潤は確認されなかった。さらに、この溶液に過剰量、すなわち、合計体積が10mLになるまで当該混合溶媒を追加して希釈し、粒度分布測定(島津製作所社製SALD−7000)を実施した。この結果、10μm程度のBEDT−TTFの粒子が確認された。よって、BEDT−TTFの粉末は電解質に対して膨潤性を有さず、粒子として存在できることを確認した。   In order to confirm that the second active material (BEDT-TTF) does not have swelling property with respect to the electrolyte, the swelling property was evaluated. In the evaluation of swelling, first, 0.1 mL of a mixed solvent in which ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) were mixed at a volume ratio of 1: 1 was added to 2 mg of the second active material pulverized in a mortar, The presence or absence of swelling of the second active material particles therein was visually observed. As a result, swelling of the BEDT-TTF powder was not confirmed. Further, the mixed solvent was added to the solution in an excess amount, that is, until the total volume became 10 mL, and diluted, and particle size distribution measurement (SALD-7000, manufactured by Shimadzu Corporation) was performed. As a result, BEDT-TTF particles of about 10 μm were confirmed. Therefore, it was confirmed that the BEDT-TTF powder did not swell with respect to the electrolyte and could exist as particles.

[正極の作製]
カーボンコーティング処理が施されたリン酸鉄リチウムを50mg、BEDT−TTFを50mg、導電助剤としてアセチレンブラックを128mg、それぞれ秤量し、これらを乳鉢に入れて混練した。さらに、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン27mgを添加して乳鉢中で混錬した。こうして得られた合剤を、集電体であるステンレスメッシュ(ニラコ社製、30メッシュ)上に圧延ローラーで圧着し、真空乾燥を行い、直径16mmの円盤状に打ち抜くことによって、実施例1の正極を作製した。この正極における活物質の塗布重量は、リン酸鉄リチウムが7.3mg、BEDT−TTFが5.6mgであった。
[Production of positive electrode]
50 mg of lithium iron phosphate subjected to carbon coating treatment, 50 mg of BEDT-TTF, and 128 mg of acetylene black as a conductive assistant were weighed and kneaded in a mortar. Further, 27 mg of polytetrafluoroethylene was added as a binder and kneaded in a mortar. The mixture obtained in this manner was pressure-bonded with a rolling roller onto a stainless mesh (Niraco Co., 30 mesh) as a current collector, vacuum-dried, and punched into a disk shape having a diameter of 16 mm. A positive electrode was produced. The application weight of the active material in this positive electrode was 7.3 mg for lithium iron phosphate and 5.6 mg for BEDT-TTF.

作製した正極における正極活物質の分布を確認するために、実施例1の正極の断面に対して電子線マイクロアナライザー(EPMA)およびオージェ電子分光法による測定を二回行った。具体的には、一回目の測定は正極を作製した直後に行い、二回目の測定は作製した正極を電解質の溶媒中に浸漬した後に行った。正極を浸漬する溶媒としては、炭酸エチレン(EC)と炭酸エチルメチル(EMC)とを体積比1:1で混合した混合溶媒を用いた。この混合溶媒中に正極を浸漬して真空含浸を行い、その後真空乾燥処理によって混合溶媒を除去した後、上記二回目の測定を実施した。その結果、二回の測定のいずれにおいても、正極における正極活物質の分布に変化はなく、LiFePO4およびBEDT−TTFがいずれも10μm程度の粒子として存在していた。よって、実施例1の正極において、第二活物質は第一活物質の表面を被覆せず、第一活物質および第二活物質がいずれも粒子として存在していた。 In order to confirm the distribution of the positive electrode active material in the prepared positive electrode, the cross section of the positive electrode of Example 1 was measured twice by an electron beam microanalyzer (EPMA) and Auger electron spectroscopy. Specifically, the first measurement was performed immediately after producing the positive electrode, and the second measurement was performed after the produced positive electrode was immersed in an electrolyte solvent. As a solvent for immersing the positive electrode, a mixed solvent in which ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) were mixed at a volume ratio of 1: 1 was used. The positive electrode was immersed in this mixed solvent and subjected to vacuum impregnation, and then the mixed solvent was removed by vacuum drying treatment, and then the second measurement was performed. As a result, in any of the two measurements, there was no change in the distribution of the positive electrode active material in the positive electrode, and LiFePO 4 and BEDT-TTF were both present as particles of about 10 μm. Therefore, in the positive electrode of Example 1, the second active material did not cover the surface of the first active material, and both the first active material and the second active material were present as particles.

[非水電解質二次電池の作製]
実施例1の正極を用いて図1に示すコイン型の非水電解質二次電池を作製した。負極としては、リチウム金属(厚さ0.3mm)を用いた。非水溶媒として、炭酸エチレン(EC)と炭酸エチルメチル(EMC)とを体積比1:3で混合した混合溶媒を用いた。この混合溶媒中に、電解質塩として6フッ化リン酸リチウムを、1.25mol/Lの濃度となるように溶解させることによって電解質を調製した。
[Production of non-aqueous electrolyte secondary battery]
A coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery shown in FIG. 1 was produced using the positive electrode of Example 1. Lithium metal (thickness 0.3 mm) was used as the negative electrode. As the non-aqueous solvent, a mixed solvent in which ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) were mixed at a volume ratio of 1: 3 was used. An electrolyte was prepared by dissolving lithium hexafluorophosphate as an electrolyte salt in the mixed solvent so as to have a concentration of 1.25 mol / L.

この電解質を、セパレータとしての多孔質ポリエチレンシート(厚さ20μm)、正極および負極に含浸させた。図1に示すような構成となるように、セパレータ、正極および負極をコイン型電池のケースに収納した。ガスケットを装着した封口板でケースの開口を閉じ、プレス機にてケースをかしめて封口した。以上により、実施例1の電池を得た。   This electrolyte was impregnated into a porous polyethylene sheet (thickness 20 μm) as a separator, a positive electrode, and a negative electrode. The separator, the positive electrode, and the negative electrode were housed in a coin-type battery case so as to have the configuration shown in FIG. The opening of the case was closed with a sealing plate fitted with a gasket, and the case was crimped and sealed with a press. Thus, the battery of Example 1 was obtained.

[電池の充放電特性の評価]
実施例1の電池に対して充放電試験を行うことにより、充放電特性の評価を行った。充放電試験は、25℃の恒温槽環境内に電池を置き、電池容量に対して10時間率(0.1CmA)となる電流値で定電流充放電を行うことにより実施した。充放電を行う電圧範囲は、第一活物質および第二活物質の酸化還元電位を含むように設定した。すなわち、本実施例1では、充電上限電圧を3.7V、放電下限電圧を3.0Vとした。充放電試験を3サイクル繰り返すことによって、安定して充放電動作ができることを確認した後、3サイクル目の充放電曲線を得た。なお、充電終了後に放電を開始するまでの休止時間、および放電終了後に充電を開始するまでの休止時間はいずれも30分とした。当該3サイクル目の充放電曲線を図4に示す。図4の横軸は電池の放電容量、すなわち、放電電気量を正極における第一活物質および第二活物質の合計重量で割った値である。図4において高い電圧のカーブは充電時の電池電圧の推移であり、低い電圧のカーブは放電時の電池電圧の推移である。このことは、後述する図5および図6についても同様である。
[Evaluation of battery charge / discharge characteristics]
By performing a charge / discharge test on the battery of Example 1, the charge / discharge characteristics were evaluated. The charge / discharge test was performed by placing the battery in a constant temperature bath environment at 25 ° C. and performing constant current charge / discharge at a current value of 10 hours (0.1 CmA) with respect to the battery capacity. The voltage range for charging and discharging was set so as to include the redox potentials of the first active material and the second active material. That is, in the present Example 1, the charge upper limit voltage was 3.7 V, and the discharge lower limit voltage was 3.0 V. A charge / discharge curve for the third cycle was obtained after confirming that the charge / discharge operation could be stably performed by repeating the charge / discharge test for 3 cycles. In addition, the rest time until the start of discharge after the end of charging and the rest time until the start of charging after the end of discharging were both 30 minutes. The charge / discharge curve of the third cycle is shown in FIG. The horizontal axis of FIG. 4 is the value obtained by dividing the discharge capacity of the battery, that is, the amount of discharge electricity by the total weight of the first active material and the second active material in the positive electrode. In FIG. 4, the high voltage curve is the transition of the battery voltage during charging, and the low voltage curve is the transition of the battery voltage during discharging. The same applies to FIGS. 5 and 6 described later.

図4に示すように、実施例1の電池は容量90mAh/gの可逆な充放電を示した。つまり、第一活物質および第二活物質がともに設計どおりの容量で充放電に寄与したことを確認した。また、図4における放電カーブが示すように、実施例1の電池は3.15V、3.3V、3.4Vの3段の放電電圧の平坦部を有する。この放電挙動は、まず3.4Vにおいて第一活物質が放電し、次いで3.3V、3.15Vの2段階で第二活物質が放電したことを示している。すなわち、第一活物質および第二活物質はいずれも各活物質材料に固有の放電電圧において放電していた。   As shown in FIG. 4, the battery of Example 1 showed reversible charge / discharge with a capacity of 90 mAh / g. That is, it was confirmed that both the first active material and the second active material contributed to charging / discharging with the designed capacity. Further, as shown by the discharge curve in FIG. 4, the battery of Example 1 has a flat portion of the discharge voltage in three stages of 3.15V, 3.3V, and 3.4V. This discharge behavior indicates that the first active material was first discharged at 3.4V, and then the second active material was discharged in two stages of 3.3V and 3.15V. That is, both the first active material and the second active material were discharged at a discharge voltage specific to each active material.

以上のとおり、実施例1の電池において、第一活物質および第二活物質は互いに独立して、設計どおりの電圧で設計どおりの容量を放電できた。   As described above, in the battery of Example 1, the first active material and the second active material were able to discharge the designed capacity at the designed voltage independently of each other.

(実施例2)
実施例2では、第二活物質が電解質に対する膨潤性を有さず、かつ第一活物質と第二活物質とがそれぞれ粒子の形状を有する正極を作製した。第一活物質としては、五酸化バナジウム(V25)(粉砕後平均粒径10μm、Aldrich社製)を用いた。第二活物質としては、実施例1における第二活物質と同じBEDT−TTFを用いた。
(Example 2)
In Example 2, a positive electrode was produced in which the second active material did not have swelling properties with respect to the electrolyte, and the first active material and the second active material each had a particle shape. As the first active material, vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) (average particle diameter after grinding: 10 μm, manufactured by Aldrich) was used. As the second active material, the same BEDT-TTF as the second active material in Example 1 was used.

[正極の作製]
第一活物質として五酸化バナジウムを用いた以外は実施例1と同様の方法で、実施例2の正極を作製した。正極活物質の分布を測定するため、実施例2の正極の断面に対して、EPMAおよびオージェ電子分光法による測定を実施例1と同様の方法で二回行った。その結果、二回の測定のいずれにおいても、正極における正極活物質の分布に変化はなく、V25およびBEDT−TTFがいずれも10μm程度の粒子として存在していた。このように、実施例2の正極において、第二活物質は第一活物質の表面を被覆せず、第一活物質および第二活物質がいずれも粒子として存在していた。
[Production of positive electrode]
A positive electrode of Example 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that vanadium pentoxide was used as the first active material. In order to measure the distribution of the positive electrode active material, the cross section of the positive electrode of Example 2 was measured twice by EPMA and Auger electron spectroscopy in the same manner as in Example 1. As a result, in any of the two measurements, there was no change in the distribution of the positive electrode active material in the positive electrode, and V 2 O 5 and BEDT-TTF were both present as particles of about 10 μm. Thus, in the positive electrode of Example 2, the second active material did not cover the surface of the first active material, and both the first active material and the second active material were present as particles.

[非水電解質二次電池の作製]
実施例2の正極を用いた以外は実施例1と同様の方法で、実施例2の電池を作製した。
[Production of non-aqueous electrolyte secondary battery]
A battery of Example 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode of Example 2 was used.

[電池の充放電特性の評価]
実施例2の電池に対して、実施例1と同様の方法で充放電試験を実施した。なお、充電上限電圧を3.7V、放電下限電圧を3.0Vとした。試験の結果、実施例2の電池は容量90mAh/gの可逆な充放電を示した。このことから、第一活物質および第二活物質がともに設計どおりの容量で充放電に寄与した。また、実施例2の電池は3.2V、3.3Vの2段の放電電圧の平坦部を有していた。第一活物質および第二活物質はそれぞれ2段の平均放電電位を有し、両活物質の平均放電電位は互いに近いことから、第一および第二活物質はともに3.3V、3.2Vの2段階で放電したと考えられる。このことは、第一活物質および第二活物質がいずれも各活物質材料に固有の平均放電電位において放電したことを表している。
[Evaluation of battery charge / discharge characteristics]
A charge / discharge test was performed on the battery of Example 2 in the same manner as in Example 1. In addition, the charge upper limit voltage was 3.7V, and the discharge lower limit voltage was 3.0V. As a result of the test, the battery of Example 2 showed reversible charge / discharge with a capacity of 90 mAh / g. From this, both the first active material and the second active material contributed to charge / discharge with the designed capacity. Further, the battery of Example 2 had a flat portion of discharge voltage of two stages of 3.2V and 3.3V. The first active material and the second active material each have a two-stage average discharge potential, and the average discharge potentials of both active materials are close to each other. Therefore, the first and second active materials are both 3.3V and 3.2V. It is thought that the discharge occurred in two stages. This means that both the first active material and the second active material were discharged at an average discharge potential unique to each active material.

以上のとおり、実施例2の電池において、第一活物質および第二活物質は互いに独立して、設計どおりの電圧で設計どおりの容量を放電できた。   As described above, in the battery of Example 2, the first active material and the second active material were able to discharge the designed capacity at the designed voltage independently of each other.

(実施例3)
実施例3では、第二活物質が電解質に対する膨潤性を有し、第一活物質が粒子の形状を有し、かつ第一活物質の表面に非酸化還元物質がコーティングされている正極を作製した。第一活物質としては、実施例1における第一活物質と同じ、粒子表面にカーボンコーティング処理が施されたリン酸鉄リチウム(LiFePO4)を用いた。第二活物質としては、ラジカルを有する化合物である下記式(2)に示すラジカルポリマー(数平均分子量 およそ100000、粉砕後平均粒径 およそ10μm)を用いた。ラジカルポリマーは、文献(ケミカル・フィジクス・レターズ(Chemical Physics Letters)、2002年、第359巻、p.351−354)に従って合成した。
(Example 3)
In Example 3, a positive electrode is produced in which the second active material has swelling properties with respect to the electrolyte, the first active material has a particle shape, and the surface of the first active material is coated with a non-oxidation / reduction material. did. As the first active material, lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) having the same carbon coating treatment as the first active material in Example 1 was used. As the second active material, a radical polymer (a number average molecular weight of about 100,000, an average particle diameter after pulverization of about 10 μm) represented by the following formula (2), which is a compound having a radical, was used. The radical polymer was synthesized according to the literature (Chemical Physics Letters, 2002, Vol. 359, p.351-354).

Figure 2012252797
Figure 2012252797

第二活物質(上記ラジカルポリマー)に対して、実施例1と同様の方法で膨潤性評価を行った。目視による観察の結果、ラジカルポリマーの粉末は溶媒を吸収し、膨潤性を有していた。さらに、過剰量の混合溶媒を追加して粒度分布測定を行った結果、ラジカルポリマーは粒子として溶媒中に存在せず、極端な過剰量の溶媒に対して、ラジカルポリマーは分子レベルで分散していることが確認された。以上のとおり、電池内においてラジカルポリマーの粉末は電解質に対して膨潤した状態で存在できることが確認された。   Swellability evaluation was performed on the second active material (the radical polymer) in the same manner as in Example 1. As a result of visual observation, the radical polymer powder absorbed the solvent and had swelling properties. Furthermore, as a result of particle size distribution measurement by adding an excessive amount of the mixed solvent, the radical polymer is not present in the solvent as particles, and the radical polymer is dispersed at the molecular level with respect to the excessive excessive amount of solvent. It was confirmed that As described above, it was confirmed that the radical polymer powder can exist in a state swollen with respect to the electrolyte in the battery.

[正極の作製]
第二活物質としてラジカルポリマーを用いた以外は実施例1と同様の方法で、実施例3の正極を作製した。正極活物質の分布を測定するため、実施例3の正極の断面に対して、EPMAおよびオージェ電子分光法による測定を実施例1と同様の方法で二回行った。一回目(電極を作製した直後)の測定では、LiFePO4およびラジカルポリマーはともに10μm程度の粒子として存在していた。しかし、二回目(溶媒浸漬後)の測定では、ラジカルポリマーが粒子として存在せず、正極全体に均一に分散していた。このことから、ラジカルポリマーは溶媒の浸漬によって膨潤し、正極において溶媒で満たされた空孔内へ均一に広がったと考えられる。実施例3の正極において、第一活物質は粒子として存在し、第二活物質は粒子として存在せず膨潤して正極内に広く分布していた。
[Production of positive electrode]
A positive electrode of Example 3 was produced in the same manner as in Example 1 except that a radical polymer was used as the second active material. In order to measure the distribution of the positive electrode active material, the measurement by EPMA and Auger electron spectroscopy was performed twice on the cross section of the positive electrode of Example 3 in the same manner as in Example 1. In the first measurement (immediately after producing the electrode), both LiFePO 4 and the radical polymer were present as particles of about 10 μm. However, in the second measurement (after solvent immersion), the radical polymer was not present as particles and was uniformly dispersed throughout the positive electrode. From this, it is considered that the radical polymer swelled by the immersion of the solvent and uniformly spread into the pores filled with the solvent in the positive electrode. In the positive electrode of Example 3, the first active material was present as particles, and the second active material was not present as particles and swelled and widely distributed in the positive electrode.

[非水電解質二次電池の作製]
実施例3の正極を用いた以外は実施例1と同様の方法で、実施例3の電池を作製した。
[Production of non-aqueous electrolyte secondary battery]
A battery of Example 3 was produced in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode of Example 3 was used.

[電池の充放電特性の評価]
実施例3の電池に対して、実施例1と同様の方法で充放電試験を実施した。なお、充電上限電圧を3.8V、放電下限電圧を3.0Vとした。充放電試験により得られた充放電曲線を図5に示す。
[Evaluation of battery charge / discharge characteristics]
A charge / discharge test was performed on the battery of Example 3 in the same manner as in Example 1. In addition, the charge upper limit voltage was set to 3.8V, and the discharge minimum voltage was set to 3.0V. The charge / discharge curve obtained by the charge / discharge test is shown in FIG.

図5に示すように、実施例3の電池は容量110mAh/gの可逆な充放電を示した。第一活物質および第二活物質がともに設計どおりの容量で充放電に寄与したことを確認した。また、図5における放電カーブが示すように、実施例3の電池は3.6V、3.4Vの2段の放電電圧の平坦部を有していた。この放電挙動は、まず3.6Vにおいて第二活物質が放電し、次いで3.4Vにおいて第一活物質が放電したことを示している。このように、第一活物質および第二活物質はいずれも各活物質材料に固有の放電電圧において放電した。   As shown in FIG. 5, the battery of Example 3 exhibited reversible charge / discharge with a capacity of 110 mAh / g. It was confirmed that both the first active material and the second active material contributed to charging and discharging with the designed capacity. Further, as shown by the discharge curve in FIG. 5, the battery of Example 3 had a flat portion of the discharge voltage of two stages of 3.6V and 3.4V. This discharge behavior indicates that the second active material was first discharged at 3.6V and then the first active material was discharged at 3.4V. Thus, both the first active material and the second active material were discharged at a discharge voltage specific to each active material.

以上のとおり、実施例3の電池において、第一活物質および第二活物質は互いに独立して、設計どおりの電圧で設計どおりの容量を放電できた。   As described above, in the battery of Example 3, the first active material and the second active material were able to discharge the designed capacity at the designed voltage independently of each other.

(比較例1)
比較例1では、第二活物質が電解質に対する膨潤性を有し、第一活物質が粒子の形状を有し、かつ第一活物質の表面に非酸化還元物質がコーティングされていない正極を作製した。第一活物質としては、粒子表面に酸化還元物質のコーティング処理が施されていないコバルト酸リチウム(LiCoO2)(平均粒径10μm、日亜化学社製)を用いた。第二活物質としては、実施例3と同じ、式(2)で表されるラジカルポリマーを用いた。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, a positive electrode is produced in which the second active material has swelling properties with respect to the electrolyte, the first active material has a particle shape, and the surface of the first active material is not coated with a non-oxidation / reduction material. did. As the first active material, lithium cobaltate (LiCoO 2 ) (average particle size: 10 μm, manufactured by Nichia Corporation) whose particle surface was not coated with a redox material was used. As the second active material, the same radical polymer represented by the formula (2) as in Example 3 was used.

[正極の作製]
第一活物質としてコバルト酸リチウムを用いた以外は実施例3と同様の方法で、比較例1の正極を作製した。正極活物質の分布を測定するため、比較例1の正極の断面に対して、電子線マイクロアナライザー(EPMA)およびオージェ電子分光法による測定を実施例1と同様の方法で二回行った。その結果、一回目(電極作製直後)の測定では、LiCoO2およびラジカルポリマーはともに10μm程度の粒子として存在していた。しかし、二回目(溶媒浸漬後)の測定では、ラジカルポリマーが粒子として存在せず、正極全体に均一に分散していた。このことから、ラジカルポリマーは溶媒浸漬によって膨潤し、正極において溶媒で満たされた空孔内へ均一に広がったと考えられる。このように、比較例1の正極において、第一活物質は粒子として存在し、第二活物質は粒子として存在せず膨潤して正極内に広く分布していた。
[Production of positive electrode]
A positive electrode of Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 3 except that lithium cobaltate was used as the first active material. In order to measure the distribution of the positive electrode active material, the cross section of the positive electrode of Comparative Example 1 was measured twice by the same method as in Example 1 using an electron beam microanalyzer (EPMA) and Auger electron spectroscopy. As a result, in the first measurement (immediately after electrode preparation), both LiCoO 2 and the radical polymer existed as particles of about 10 μm. However, in the second measurement (after solvent immersion), the radical polymer was not present as particles and was uniformly dispersed throughout the positive electrode. From this, it is considered that the radical polymer swelled by immersion in the solvent and spread uniformly into the pores filled with the solvent in the positive electrode. As described above, in the positive electrode of Comparative Example 1, the first active material was present as particles, and the second active material was not present as particles and swelled and widely distributed in the positive electrode.

[非水電解質二次電池の作製]
比較例1の正極を用いた以外は実施例1と同様の方法で、比較例1の電池を得た。
[Production of non-aqueous electrolyte secondary battery]
A battery of Comparative Example 1 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode of Comparative Example 1 was used.

[電池の充放電特性の評価]
比較例1の電池に対して、実施例1と同様の方法で充放電試験を実施した。なお、充電上限電圧を4.3V、放電下限電圧を3.0Vとした。充放電試験により得られた充放電曲線を図6に示す。
[Evaluation of battery charge / discharge characteristics]
A charge / discharge test was performed on the battery of Comparative Example 1 in the same manner as in Example 1. In addition, the charge upper limit voltage was 4.3 V, and the discharge lower limit voltage was 3.0 V. The charge / discharge curve obtained by the charge / discharge test is shown in FIG.

図6に示すように、比較例1の電池は容量120mAh/gの可逆な充放電を示した。第一活物質および第二活物質はともに設計どおりの容量で充放電に寄与した。図6における充電カーブでは、第二活物質に由来する3.6Vの充電電圧、次いで第一活物質に由来する4V以上の充電電圧が確認され、また、設計どおりの容量が確認されていることから、第一活物質および第二活物質の充電反応はともに進行していると考えられる。しかし、図6における放電カーブが示すように、比較例1の電池が有する放電電圧の平坦部は3.6Vのほぼ1段のみである。第二活物質に由来する3.6Vの放電電圧は確認されたものの、第一活物質に由来する4V付近の放電電圧は確認されなかったことから、第一活物質の放電反応を第二活物質が阻害していると推察される。これは、第二活物質が第一活物質の表面を直接に被覆していることが原因であると考えられる。すなわち、第一活物質は第二活物質が放電して初めて放電することができるため、第一活物質の放電電圧は第二活物質の放電電圧にまで引き落とされてしまったと考えられる。   As shown in FIG. 6, the battery of Comparative Example 1 showed reversible charging / discharging with a capacity of 120 mAh / g. Both the first active material and the second active material contributed to charging and discharging with the designed capacity. In the charging curve in FIG. 6, a charging voltage of 3.6 V derived from the second active material, then a charging voltage of 4 V or more derived from the first active material is confirmed, and a capacity as designed is confirmed. Therefore, it is considered that the charging reaction of the first active material and the second active material both proceed. However, as shown by the discharge curve in FIG. 6, the flat portion of the discharge voltage of the battery of Comparative Example 1 is only about one stage of 3.6V. Although a discharge voltage of 3.6 V derived from the second active material was confirmed, but a discharge voltage near 4 V derived from the first active material was not confirmed, the discharge reaction of the first active material was allowed to occur in the second active material. It is inferred that the substance is inhibiting. It is considered that this is because the second active material directly covers the surface of the first active material. That is, since the first active material can be discharged only after the second active material is discharged, it is considered that the discharge voltage of the first active material has been pulled down to the discharge voltage of the second active material.

以上のとおり、比較例1の電池では、実施例1〜3と大きく異なり、第一活物質および第二活物質のそれぞれが各活物質材料に固有の放電電圧において放電することができず、2種の活物質の複合による阻害要因が生じた。比較例1の電池では、充電電圧が3.6V、4Vの2段に存在するにも拘わらず、放電電圧がほぼ3.6Vの1段にしか存在しないため、充電エネルギーが大きく失われた。   As described above, in the battery of Comparative Example 1, the first active material and the second active material cannot be discharged at a discharge voltage specific to each active material, unlike the first to third embodiments. Inhibitory factors were caused by the combination of seed active materials. In the battery of Comparative Example 1, although the charging voltage is present in two stages of 3.6 V and 4 V, the discharging voltage is present only in one stage of approximately 3.6 V, so that the charging energy is largely lost.

実施例1〜3における電池は、第一活物質の設計容量と第二活物質の設計容量とを合わせた放電容量を有し、第一活物質および第二活物質のそれぞれに由来する放電電位を有し、両活物質は互いに独立して充放電することができた。すなわち、アニオンとの反応の速い第二活物質を含むことによってパルス放電に優れた特性を得ることができるとともに、Liと反応できる高容量な第一活物質を含むことによって高容量特性に優れた特性を得ることができた。また、第一活物質および第二活物質のそれぞれの材料および配合比率を任意に選択することによって、所望の電圧特性、容量特性、およびパルス放電特性を有する電池を任意に設計することができる。   The batteries in Examples 1 to 3 have a discharge capacity that combines the design capacity of the first active material and the design capacity of the second active material, and the discharge potentials derived from the first active material and the second active material, respectively. Both active materials were able to charge and discharge independently of each other. That is, by including a second active material that reacts quickly with anions, it is possible to obtain excellent characteristics in pulse discharge, and it is excellent in high capacity characteristics by including a high-capacity first active material that can react with Li. The characteristics could be obtained. Moreover, the battery which has a desired voltage characteristic, a capacity | capacitance characteristic, and a pulse discharge characteristic can be arbitrarily designed by selecting each material and mixture ratio of a 1st active material and a 2nd active material arbitrarily.

本発明の非水電解質二次電池は、高出力、高容量、および優れた繰り返し特性を有する。特に、本発明の非水電解質二次電池は、パルス放電特性に優れているため、瞬間的に大電流を必要とする各種携帯機器、輸送機器、無停電電源などにおいて好適に用いることができる。   The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention has high output, high capacity, and excellent repeatability. In particular, since the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is excellent in pulse discharge characteristics, it can be suitably used in various portable devices, transportation devices, uninterruptible power supplies and the like that require a large current instantaneously.

10、40 正極
11、41 正極活物質層
12 正極集電体
13、43 第一活物質
14、44 第二活物質
17 基質
20 負極
21 負極活物質層
22 負極集電体
30 セパレータ
31 非水電解質
50 コイン型ケース
51 封口板
52 ガスケット
100 コイン型非水電解質二次電池
10, 40 Positive electrode 11, 41 Positive electrode active material layer 12 Positive electrode current collector 13, 43 First active material 14, 44 Second active material 17 Substrate 20 Negative electrode 21 Negative electrode active material layer 22 Negative electrode current collector 30 Separator 31 Nonaqueous electrolyte 50 coin-type case 51 sealing plate 52 gasket 100 coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery

Claims (15)

リチウムイオンを吸蔵および放出することができる第一活物質と、アニオンを吸蔵および放出することができる第二活物質と、を含む正極と、
リチウムイオンを吸蔵および放出することができる負極活物質を含む負極と、
リチウムイオンと前記アニオンとの塩を含む非水電解質と、を備え、
前記第二活物質が有機化合物であり、
前記第一活物質が粒子の形状を有し、
(a)前記第二活物質が粒子の形状を有し、かつ、前記第一活物質および前記第二活物質のそれぞれに対して前記非水電解質が直接に接触している、
または、
(b)前記第一活物質の表面に非酸化還元物質がコーティングされており、前記第一活物質と前記リチウムイオンとが酸化還元反応を行うことができるように前記第一活物質と前記非酸化還元物質とで構成された粒子の表面に前記非水電解質が直接に接触しているとともに、前記第二活物質に対して前記非水電解質が直接に接触している、
非水電解質二次電池。
A positive electrode comprising: a first active material capable of inserting and extracting lithium ions; and a second active material capable of inserting and extracting anions;
A negative electrode comprising a negative electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions;
A non-aqueous electrolyte containing a salt of lithium ion and the anion,
The second active material is an organic compound;
The first active material has a particle shape;
(A) the second active material has a particle shape, and the non-aqueous electrolyte is in direct contact with each of the first active material and the second active material,
Or
(B) The surface of the first active material is coated with a non-redox material, and the first active material and the non-active material can be subjected to a redox reaction between the first active material and the lithium ions. The non-aqueous electrolyte is in direct contact with the surface of the particles composed of the redox material, and the non-aqueous electrolyte is in direct contact with the second active material,
Non-aqueous electrolyte secondary battery.
前記第二活物質が前記第一活物質の表面を直接に被覆していない請求項1に記載の非水電解質二次電池。   The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the second active material does not directly cover the surface of the first active material. 前記第二活物質が、前記非水電解質に対する膨潤性を有さず、かつ、粒子の形状を有する請求項1または2に記載の非水電解質二次電池。   3. The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the second active material does not have swelling properties with respect to the non-aqueous electrolyte and has a particle shape. 当該非水電解質二次電池の組立前を基準とする組立後の前記第二活物質の体積膨潤率が20%未満であり、
前記第二活物質が粒子の形状を有する請求項1または2に記載の非水電解質二次電池。
The volume swelling ratio of the second active material after assembly based on the pre-assembly of the non-aqueous electrolyte secondary battery is less than 20%,
The nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the second active material has a particle shape.
前記第二活物質が、π共役電子雲を有する化合物である請求項3または4に記載の非水電解質二次電池。   The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 3 or 4, wherein the second active material is a compound having a π-conjugated electron cloud. (b)の場合において、前記第二活物質が前記非水電解質に対する膨潤性を有する、請求項1または2に記載の非水電解質二次電池。   In the case of (b), the non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the second active material has swelling properties with respect to the non-aqueous electrolyte. (b)の場合において、当該非水電解質二次電池の組立前を基準とする組立後の前記第二活物質の体積膨潤率が20%以上である、請求項1または2に記載の非水電解質二次電池。   3. The non-aqueous solution according to claim 1, wherein in the case of (b), the volume swell ratio of the second active material after assembly is 20% or more after the assembly of the non-aqueous electrolyte secondary battery. Electrolyte secondary battery. 前記非酸化還元物質が炭素材料である請求項1〜7のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。   The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the non-oxidation / reduction substance is a carbon material. 前記第二活物質が、ラジカルを有する化合物である請求項1,2,6〜8のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。   The non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1, 2, 6 to 8, wherein the second active material is a compound having a radical. 前記第一活物質が、リチウムを含有していてもよい遷移金属酸化物である請求項1〜9のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。   The nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 9, wherein the first active material is a transition metal oxide that may contain lithium. 前記遷移金属酸化物がLiFePO4である請求項10に記載の非水電解質二次電池。 The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 10, wherein the transition metal oxide is LiFePO 4 . 前記遷移金属酸化物がV25である請求項10に記載の非水電解質二次電池。 The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 10, wherein the transition metal oxide is V 2 O 5 . 前記非水電解質は、非水溶媒と、前記非水溶媒に溶解した前記塩とを含み、
前記非水溶媒が、環状または鎖状の炭酸エステル、環状または鎖状のエステル、環状または鎖状のエーテル、環状または鎖状のスルホンおよびニトリルからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む請求項1〜12のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
The non-aqueous electrolyte includes a non-aqueous solvent and the salt dissolved in the non-aqueous solvent,
The non-aqueous solvent contains at least one selected from the group consisting of cyclic or chain carbonates, cyclic or chain esters, cyclic or chain ethers, cyclic or chain sulfones, and nitriles. The nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of -12.
リチウムイオンを吸蔵および放出することができる第一活物質の粒子と、リチウムイオンとアニオンとの塩を含む非水電解質に対する膨潤性を有さず、前記アニオンを吸蔵および放出することができ、かつ、有機化合物である、第二活物質の粒子と、を含む混合物を調製する工程と、
前記第一活物質および前記第二活物質を正極活物質として含む正極活物質層が正極集電体上に形成されるように、前記第一活物質および前記第二活物質の粒子の形状を保持しながら前記混合物を成形する工程と、
前記正極活物質層に前記非水電解質を含浸させる工程と、
を含む非水電解質二次電池の製造方法。
The first active material particles capable of occluding and releasing lithium ions and the non-aqueous electrolyte containing a salt of lithium ions and anions have no swellability, can occlude and release the anions, and Preparing a mixture comprising a second active material particle, which is an organic compound;
The shape of the particles of the first active material and the second active material is such that a positive electrode active material layer containing the first active material and the second active material as a positive electrode active material is formed on the positive electrode current collector. Forming the mixture while holding;
Impregnating the non-aqueous electrolyte into the positive electrode active material layer;
The manufacturing method of the nonaqueous electrolyte secondary battery containing this.
リチウムイオンを吸蔵および放出することができ、かつ、表面に非酸化還元物質がコーティングされている第一活物質の粒子と、アニオンを吸蔵および放出することができ、かつ、有機化合物である第二活物質と、を含む混合物を調製する工程と、
前記第一活物質および前記第二活物質を正極活物質として含む正極活物質層が正極集電体上に形成されるように、前記混合物を成形する工程と、
リチウムイオンと前記アニオンとの塩を含む非水電解質を前記正極活物質層に含浸させる工程と、
を含む非水電解質二次電池の製造方法。
A first active material particle capable of occluding and releasing lithium ions and having a surface coated with a non-oxidation-reducing substance; a second anion capable of occluding and releasing anions; and an organic compound. Preparing a mixture comprising an active material;
Forming the mixture such that a positive electrode active material layer containing the first active material and the second active material as a positive electrode active material is formed on a positive electrode current collector;
Impregnating the positive electrode active material layer with a nonaqueous electrolyte containing a salt of lithium ion and the anion;
The manufacturing method of the nonaqueous electrolyte secondary battery containing this.
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JP2015210917A (en) * 2014-04-25 2015-11-24 株式会社豊田自動織機 Positive electrode for lithium ion secondary batteries, and lithium ion secondary battery
JPWO2014119229A1 (en) * 2013-01-30 2017-01-26 三洋電機株式会社 Anode for non-aqueous electrolyte secondary battery and non-aqueous electrolyte secondary battery

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