JP2013012387A - Electrolyte and lithium ion secondary battery - Google Patents

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佳世 水野
Keiichi Hayashi
圭一 林
Toshiki Inoue
敏樹 井上
Osamu Omori
修 大森
Takayuki Hirose
貴之 弘瀬
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress deterioration due to oxidation reductive decomposition of solvent or the like in electrolyte, in a lithium ion secondary battery using a positive pole active substance formed from lithium manganese-based oxide which contains lithium (Li) element and tetravalent manganese (Mn) element and which has a crystal structure belonging to a layer-shaped rock-salt structure.SOLUTION: By adding thiophene into electrolyte, additive agent is oxidized earlier than when organic solvent is oxidized on a positive electrode surface during activation treatment or high-temperature storage and a coating is considered to be formed, thus increasing capacity recovery factor.

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池に用いられる電解液と、その電解液を用いたリチウムイオン二次電池に関する。   The present invention relates to an electrolytic solution used for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery using the electrolytic solution.

近年、携帯電話やノート型パソコンなどのポータブル電子機器の発達や、電気自動車の実用化などに伴い、小型軽量でかつ高容量の二次電池が必要とされている。現在、この要求に応える高容量二次電池としては、正極材料としてコバルト酸リチウム(LiCoO2)、負極材料として炭素系材料、を用いたリチウムイオン二次電池が商品化されている。このようなリチウムイオン二次電池はエネルギー密度が高く、小型化および軽量化が図れることから、幅広い分野で電源としての使用が注目されている。しかしながら、LiCoO2は希金属であるCoを原料として製造されるため、今後、資源不足が深刻化すると予想される。さらに、Coは高価であり、価格変動も大きいため、安価で供給の安定している正極材料の開発が望まれていた。 In recent years, along with the development of portable electronic devices such as mobile phones and notebook computers, and the practical application of electric vehicles, secondary batteries with small and light weight and high capacity are required. At present, lithium ion secondary batteries using lithium cobaltate (LiCoO 2 ) as a positive electrode material and a carbon-based material as a negative electrode material have been commercialized as high capacity secondary batteries that meet this requirement. Such a lithium ion secondary battery has a high energy density and can be reduced in size and weight, and thus has attracted attention as a power source in a wide range of fields. However, since LiCoO 2 is manufactured using Co, which is a rare metal, as a raw material, it is expected that resource shortages will become serious in the future. Furthermore, since Co is expensive and has a large price fluctuation, it has been desired to develop a cathode material that is inexpensive and has a stable supply.

そこで、構成元素の価格が安価で、供給が安定しているマンガン(Mn)を基本組成に含むリチウムマンガン酸化物系の複合酸化物の使用が有望視されている。その中でも、4価のマンガンイオンのみを含み、充放電の際にマンガン溶出の原因となる3価のマンガンイオンを含まないLi2MnO3という物質が注目されている。Li2MnO3は、今まで充放電不可能と考えられてきたが、最近の研究では4.8Vまで充電することにより充放電可能なことが見出されてきている。しかしながらLi2MnO3は、充放電特性に関してさらなる改善が必要である。 Therefore, the use of a lithium manganese oxide-based composite oxide containing manganese (Mn), whose constituent elements are inexpensive and whose supply is stable, is considered promising. Among them, a substance called Li 2 MnO 3 that contains only tetravalent manganese ions and does not contain trivalent manganese ions that cause manganese elution during charge and discharge has attracted attention. Li 2 MnO 3 has been thought to be impossible to charge and discharge until now, but recent research has found that it can be charged and discharged by charging to 4.8V. However, Li 2 MnO 3 needs further improvement with respect to charge / discharge characteristics.

充放電特性の改善のため、Li2MnO3とLiMeO2(Meは遷移金属元素)との固溶体であるxLi2MnO3・(1-x)LiMeO2(0<x≦1)の開発が盛んである。なお、Li2MnO3は、一般式Li(Li0.33Mn0.67)O2とも書き表すことが可能であり、LiMeO2と同じ結晶構造に属するとされている。そのため、xLi2MnO3・(1-x)LiMeO2は、Li1.33-yMn0.67-zMey+zO2(0≦y<0.33、0≦z<0.67)とも記載される場合がある。 Development of xLi 2 MnO 3・ (1-x) LiMeO 2 (0 <x ≦ 1), which is a solid solution of Li 2 MnO 3 and LiMeO 2 (Me is a transition metal element), has been actively developed to improve charge / discharge characteristics. It is. Note that Li 2 MnO 3 can also be expressed as a general formula Li (Li 0.33 Mn 0.67 ) O 2 and belongs to the same crystal structure as LiMeO 2 . Therefore, xLi 2 MnO 3 · (1-x) LiMeO 2 may also be described as Li 1.33-y Mn 0.67-z Me y + z O 2 (0 ≦ y <0.33, 0 ≦ z <0.67) .

ところが4価のマンガンイオンを含むリチウムマンガン酸化物系の複合酸化物を正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池は、使用に先立って充電することで正極活物質を活性化させる必要がある。この活性化工程では、リチウムマンガン酸化物系の正極活物質からリチウムイオンが放出されるとともに酸素が脱離し、その酸素によって電解液等が酸化分解するという現象があった。また高温貯蔵試験において充電状態で貯蔵しても、正極表面において電解液等が分解するという現象があった。このように電解液等が酸化分解すると、電極表面に絶縁被膜が形成され、内部抵抗が高くなることによって、貯蔵後の充放電容量が低下するという問題があった。   However, a lithium ion secondary battery using a lithium manganese oxide composite oxide containing tetravalent manganese ions as a positive electrode active material needs to be activated prior to use to be activated. In this activation step, there was a phenomenon that lithium ions were released from the lithium manganese oxide-based positive electrode active material, oxygen was desorbed, and the electrolyte solution was oxidized and decomposed by the oxygen. Further, even when stored in a charged state in a high-temperature storage test, there was a phenomenon that the electrolyte solution and the like decomposed on the positive electrode surface. When the electrolytic solution or the like is oxidatively decomposed as described above, an insulating film is formed on the electrode surface, and the internal resistance is increased, resulting in a problem that the charge / discharge capacity after storage is reduced.

また負極活物質として黒鉛などの炭素材料を用いたリチウムイオン二次電池では、電解液中の有機溶媒が充電時に負極表面で還元分解し、SEI(Solid Electrolyte Interface)と称される絶縁被膜が負極の表面に形成される。このSEIは、LiF、LiCO3などを主成分とし、これらは不可逆物質であり充放電に利用可能なリチウム量が減少して不可逆容量となってしまう。 In addition, in a lithium ion secondary battery using a carbon material such as graphite as the negative electrode active material, the organic solvent in the electrolytic solution is reduced and decomposed on the negative electrode surface during charging, and an insulating film called SEI (Solid Electrolyte Interface) is formed in the negative electrode. Formed on the surface. This SEI is mainly composed of LiF, LiCO 3 and the like, and these are irreversible materials, and the amount of lithium available for charging / discharging decreases, resulting in an irreversible capacity.

そこで例えば特許文献1には、LiMn2O4、LiMnO2などを正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池において、電解液にチオフェンを添加することが記載され、チオフェンの添加によって負極表面の保護膜を緻密にして負極の界面インピーダンスを低くできることが記載されている。 Therefore, for example, Patent Document 1 describes that in a lithium ion secondary battery using LiMn 2 O 4 , LiMnO 2 or the like as a positive electrode active material, thiophene is added to the electrolytic solution, and the negative electrode surface is protected by the addition of thiophene. It is described that the interface impedance of the negative electrode can be lowered by making the film dense.

また例えば特許文献2には、リチウムイオン二次電池の電解液にチオフェンを添加することで、負極表面に被膜が形成され、負極と電解質との間に生じる不可逆反応が防止されることが記載されている。   For example, Patent Document 2 describes that by adding thiophene to the electrolyte of a lithium ion secondary battery, a film is formed on the surface of the negative electrode and irreversible reaction occurring between the negative electrode and the electrolyte is prevented. ing.

さらに例えば特許文献3には、LiMn2O4などを正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池において、電解液にチオフェンを添加することが記載され、チオフェンの添加によって正極に被膜が形成され、Mnなどの遷移金属が正極から電解液中に溶出するのを防止できることが記載されている。 Further, for example, in Patent Document 3, in a lithium ion secondary battery using LiMn 2 O 4 or the like as a positive electrode active material, it is described that thiophene is added to an electrolytic solution, and a film is formed on the positive electrode by the addition of thiophene, It is described that transition metals such as Mn can be prevented from eluting from the positive electrode into the electrolyte.

特開2002−184462号公報JP 2002-184462 A 特開2002−008720号公報JP 2002-008720 A 特開2000−090970号公報JP 2000-090970 A

しかしながら上記した特許文献1-3には、活性化処理によって酸素が発生するような正極活物質を用いたものはなく、このような正極活物質を用いた正極表面における電解液等の分解を抑制することは困難であった。また負極活物質も黒鉛などの炭素材料を用いているので、SEIの生成による劣化が避けられない。   However, none of the above-mentioned Patent Documents 1-3 uses a positive electrode active material that generates oxygen by an activation treatment, and suppresses decomposition of an electrolyte solution or the like on the surface of the positive electrode using such a positive electrode active material. It was difficult to do. Moreover, since the negative electrode active material uses a carbon material such as graphite, deterioration due to generation of SEI is inevitable.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、活性化処理が必要であるけれども高容量を発現する正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池において、貯蔵後の充放電容量の低下を抑制することを解決すべき課題とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and in a lithium ion secondary battery using a positive electrode active material that expresses a high capacity even though activation treatment is required, the charge / discharge capacity after storage is reduced. It is a problem to be solved.

上記課題を解決する本発明の電解液の特徴は、リチウム(Li)元素および4価のマンガン(Mn)元素を含み結晶構造が層状岩塩構造に属するリチウムマンガン系酸化物からなる正極活物質を有する正極をもつリチウムイオン二次電池に用いられる電解液であって、
溶媒又は液体分散媒と、溶媒又は液体分散媒に溶解又は分散した電解質と、溶媒又は液体分散媒に溶解したチオフェン及びチオフェン誘導体から選ばれる添加剤と、を含むことにある。
A feature of the electrolytic solution of the present invention that solves the above problems is that it has a positive electrode active material comprising a lithium manganese-based oxide that contains a lithium (Li) element and a tetravalent manganese (Mn) element and whose crystal structure belongs to a layered rock salt structure. An electrolyte used in a lithium ion secondary battery having a positive electrode,
It contains a solvent or liquid dispersion medium, an electrolyte dissolved or dispersed in the solvent or liquid dispersion medium, and an additive selected from thiophene and thiophene derivatives dissolved in the solvent or liquid dispersion medium.

また本発明の電解液を用いた本発明のリチウムイオン二次電池の特徴は、本発明の電解液と、リチウム(Li)元素および4価のマンガン(Mn)元素を含み結晶構造が層状岩塩構造に属するリチウムマンガン系酸化物からなる正極活物質を有する正極と、負極と、よりなることにある。   In addition, the lithium ion secondary battery of the present invention using the electrolytic solution of the present invention is characterized by the electrolyte solution of the present invention and a layered rock salt structure including a lithium (Li) element and a tetravalent manganese (Mn) element. A positive electrode having a positive electrode active material composed of a lithium manganese oxide belonging to the above and a negative electrode.

本発明の電解液は、溶媒又は液体分散媒と、溶媒又は液体分散媒に溶解又は分散した電解質と、溶媒又は液体分散媒に溶解したチオフェン及びチオフェン誘導体から選ばれる添加剤と、を含んでいる。   The electrolytic solution of the present invention contains a solvent or liquid dispersion medium, an electrolyte dissolved or dispersed in the solvent or liquid dispersion medium, and an additive selected from thiophene and thiophene derivatives dissolved in the solvent or liquid dispersion medium. .

この添加剤は、電解液として一般に使用されている有機溶媒よりHOMOの絶対値が小さく、酸化されやすい。したがって活性化処理時及び高温貯蔵時には、添加剤が有機溶媒よりも優先的に酸化され、有機溶媒の酸化を抑制するとともに、層状岩塩構造に属するリチウムマンガン系酸化物からなる正極活物質上に安定した被膜を形成すると考えられる。またチオフェン及びチオフェン誘導体から選ばれる添加剤から形成される被膜は導電性を有するため、電池反応への影響を小さくすることができる。   This additive has a smaller absolute value of HOMO than an organic solvent generally used as an electrolytic solution, and is easily oxidized. Therefore, during the activation process and during high temperature storage, the additive is preferentially oxidized over the organic solvent, suppresses the oxidation of the organic solvent, and is stable on the positive electrode active material composed of a lithium manganese oxide belonging to a layered rock salt structure. It is thought that the coated film is formed. Moreover, since the film formed from the additive chosen from thiophene and a thiophene derivative has electroconductivity, the influence on a battery reaction can be made small.

さらにこの添加剤は、電解液として一般に使用されている有機溶媒よりLUMOの絶対値が小さく、還元されやすい。したがって充電時には負極表面で有機溶媒より先に還元される。そのため有機溶媒の還元が抑制され、その結果、過剰なSEIの生成が抑制されると考えられる。   Furthermore, this additive has a smaller absolute value of LUMO than an organic solvent generally used as an electrolytic solution, and is easily reduced. Therefore, it is reduced before the organic solvent on the negative electrode surface during charging. Therefore, it is considered that reduction of the organic solvent is suppressed, and as a result, the generation of excessive SEI is suppressed.

すなわち、チオフェン及びチオフェン誘導体から選ばれる添加剤を含む電解液とすることで、リチウムイオン二次電池の貯蔵特性が向上し、容量回復率が増大する。   That is, by using an electrolytic solution containing an additive selected from thiophene and thiophene derivatives, the storage characteristics of the lithium ion secondary battery are improved and the capacity recovery rate is increased.

本発明の電解液は、溶媒又は液体分散媒と、溶媒又は液体分散媒に溶解又は分散した電解質と、溶媒又は液体分散媒に溶解したチオフェン及びチオフェン誘導体から選ばれる添加剤と、を含んでいる。   The electrolytic solution of the present invention contains a solvent or liquid dispersion medium, an electrolyte dissolved or dispersed in the solvent or liquid dispersion medium, and an additive selected from thiophene and thiophene derivatives dissolved in the solvent or liquid dispersion medium. .

溶媒又は液体分散媒としては、一般に有機溶媒が用いられる。この有機溶媒は特に限定されるものではないが、負荷特性の点からは鎖状エステルを含んでいることが好ましい。そのような鎖状エステルとしては、たとえば、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートに代表される鎖状のカーボネートや、酢酸エチル、プロピロン酸メチルなどの有機溶媒が挙げられる。これらの鎖状エステルは、単独でもあるいは二種以上を混合して用いてもよく、特に、低温特性の改善のためには、上記鎖状エステルが全有機溶媒中の50体積%以上を占めることが好ましく、特に鎖状エステルが全有機溶媒中の65体積%以上を占めることが好ましい。   As the solvent or liquid dispersion medium, an organic solvent is generally used. The organic solvent is not particularly limited, but preferably contains a chain ester from the viewpoint of load characteristics. Examples of such chain esters include chain carbonates typified by dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate, and organic solvents such as ethyl acetate and methyl propionate. These chain esters may be used alone or in admixture of two or more. Particularly, for improving low-temperature characteristics, the above-mentioned chain esters occupy 50% by volume or more in the total organic solvent. In particular, it is preferable that the chain ester occupies 65% by volume or more of the total organic solvent.

ただし、有機溶媒としては、上記鎖状エステルのみで構成するよりも、放電容量の向上をはかるために、上記鎖状エステルに誘電率の高い(誘電率:30以上)エステルを混合して用いることが好ましい。このようなエステルの具体例としては、たとえば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートに代表される環状のカーボネートや、γ−ブチロラクトン、エチレングリコールサルファイトなどが挙げられ、特にエチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどの環状構造のエステルが好ましい。そのような誘電率の高いエステルは、放電容量の点から、全有機溶媒中10体積%以上、特に20体積%以上含有されることが好ましい。また、負荷特性の点からは、40体積%以下が好ましく、30体積%以下がより好ましい。   However, as an organic solvent, in order to improve the discharge capacity rather than using only the above chain ester, an ester having a high dielectric constant (dielectric constant: 30 or more) should be mixed with the chain ester. Is preferred. Specific examples of such esters include, for example, cyclic carbonates represented by ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, γ-butyrolactone, ethylene glycol sulfite, and the like. A cyclic ester such as carbonate is preferred. Such an ester having a high dielectric constant is preferably contained in an amount of 10% by volume or more, particularly 20% by volume or more in the total organic solvent from the viewpoint of discharge capacity. Further, from the viewpoint of load characteristics, 40% by volume or less is preferable, and 30% by volume or less is more preferable.

電解質としては、有機溶媒に溶解した非水電解質が一般的であるが、液体分散媒が分散したゲル状の固体電解質も用いることができる。場合によっては、液体分散媒として水を含むことも可能である。   As the electrolyte, a non-aqueous electrolyte dissolved in an organic solvent is generally used, but a gel-like solid electrolyte in which a liquid dispersion medium is dispersed can also be used. In some cases, it is possible to include water as the liquid dispersion medium.

有機溶媒に溶解する電解質としては、たとえば、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiCF3CO2、Li2C2F4(SO3)2、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LiCnF2n+1SO3(n≧2)などが単独でまたは二種以上混合して用いられる。中でも、良好な充放電特性が得られるLiPF6やLiC4F9SO3などが好ましく用いられる。 As the electrolyte to be dissolved in an organic solvent, for example, LiClO 4, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, LiSbF 6, LiCF 3 SO 3, LiC 4 F 9 SO 3, LiCF 3 CO 2, Li 2 C 2 F 4 ( SO 3 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiC n F 2n + 1 SO 3 (n ≧ 2) are used alone or in combination of two or more. Among these, LiPF 6 and LiC 4 F 9 SO 3 that can obtain good charge / discharge characteristics are preferably used.

電解液中における電解質の濃度は、特に限定されるものではないが、0.3〜1.7mol/dm3、特に0.4〜1.5mol/dm3程度が好ましい。 The concentration of the electrolyte in the electrolytic solution is not particularly limited, but is preferably about 0.3 to 1.7 mol / dm 3 , particularly about 0.4 to 1.5 mol / dm 3 .

また、電池の安全性や貯蔵特性を向上させるために、電解液に芳香族化合物を含有させてもよい。芳香族化合物としては、シクロヘキシルベンゼンやt−ブチルベンゼンなどのアルキル基を有するベンゼン類、ビフェニル、あるいはフルオロベンゼン類が好ましく用いられる。   Moreover, in order to improve the safety | security and storage characteristic of a battery, you may contain an aromatic compound in electrolyte solution. As the aromatic compound, benzenes having an alkyl group such as cyclohexylbenzene or t-butylbenzene, biphenyl, or fluorobenzenes are preferably used.

添加剤のチオフェン誘導体としては、3-メチルチオフェン、3-エチルチオフェン、3-プロピルチオフェン、3-ブチルチオフェン、3-ペンチルチオフェン、3-ヘキシルチオフェン、3-ヘプチルチオフェン、3-n-オクチルチオフェン、3-ノニルチオフェン、3-デシルチオフェン、3-ウンデシルチオフェン、3-ドデシルチオフェン、3-オクタデシルチオフェン、2-アセチルチオフェン、2-アセチル-3-メチルチオフェン、2-アセチル-5-メチルチオフェン、2,3-ジメチルチオフェン、2,5-ジメチルチオフェン、2-ブロモ-3-メチルチオフェン、3-チオフェン酢酸エチル、3-メチル-2-チオフェンカルボン酸、2-アミノ-4,5-ジメチル-3-チオフェンカルボン酸エチル、2-ニトロチオフェン、2,3-ジニトロチオフェン、3-アミノチオフェンなどから選択して用いることができる。   The additive thiophene derivatives include 3-methylthiophene, 3-ethylthiophene, 3-propylthiophene, 3-butylthiophene, 3-pentylthiophene, 3-hexylthiophene, 3-heptylthiophene, 3-n-octylthiophene, 3-nonylthiophene, 3-decylthiophene, 3-undecylthiophene, 3-dodecylthiophene, 3-octadecylthiophene, 2-acetylthiophene, 2-acetyl-3-methylthiophene, 2-acetyl-5-methylthiophene, 2 , 3-dimethylthiophene, 2,5-dimethylthiophene, 2-bromo-3-methylthiophene, ethyl 3-thiopheneacetate, 3-methyl-2-thiophenecarboxylic acid, 2-amino-4,5-dimethyl-3- It can be selected from ethyl thiophenecarboxylate, 2-nitrothiophene, 2,3-dinitrothiophene, 3-aminothiophene and the like.

なお、この添加剤は、有機溶媒に溶解する必要があり、溶解度を超えて添加することも避けるべきである。電解液中における添加剤の添加量は、添加剤及び有機溶媒の種類によって異なるが、0.01質量%〜2.0質量%未満の範囲とすることが望ましい。添加剤が0.01質量%未満では添加した効果の発現が困難となり、2.0質量%以上になると効果が低下するとともにリチウムイオン二次電池の内部抵抗が上昇するため好ましくない。   This additive must be dissolved in an organic solvent, and addition beyond the solubility should be avoided. The addition amount of the additive in the electrolytic solution varies depending on the type of the additive and the organic solvent, but is desirably in the range of 0.01% by mass to less than 2.0% by mass. If the additive is less than 0.01% by mass, it is difficult to achieve the added effect, and if it is 2.0% by mass or more, the effect is lowered and the internal resistance of the lithium ion secondary battery is increased.

なお、添加剤と有機溶媒のHOMOとLUMOのエネルギー計算値を表1に示す。計算法はAM1に基づいて行った。   Table 1 shows the calculated HOMO and LUMO energy of the additive and the organic solvent. The calculation method was based on AM1.

Figure 2013012387
Figure 2013012387

添加剤は、有機溶媒に比べてHOMOの絶対値が小さく、LUMOの絶対値も小さいので、充電時に正極上で酸化されやすく、負極上で還元されやすいことがわかる。   Since the additive has a smaller HOMO absolute value and a smaller LUMO absolute value than the organic solvent, it can be seen that the additive is easily oxidized on the positive electrode during charging and is easily reduced on the negative electrode.

本発明の電解液は、上記した有機溶媒とチオフェン及びチオフェン誘導体から選ばれる添加剤とを含むこと以外は、従来と同様の構成とすることができ、電解質であるリチウム金属塩を溶解させたものとすることができる。   The electrolytic solution of the present invention can have the same structure as the conventional one except that it contains the above-mentioned organic solvent and an additive selected from thiophene and thiophene derivatives, in which a lithium metal salt as an electrolyte is dissolved It can be.

本発明のリチウムイオン二次電池は、主として、正極、負極および本発明の電解液を備える。また、一般のリチウムイオン二次電池と同様に、正極と負極の間に挟装されるセパレータを備える。   The lithium ion secondary battery of the present invention mainly includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolytic solution of the present invention. Moreover, the separator pinched | interposed between a positive electrode and a negative electrode is provided similarly to a general lithium ion secondary battery.

正極は、リチウム(Li)元素および4価のマンガン(Mn)元素を含み結晶構造が層状岩塩構造に属するリチウムマンガン系酸化物からなる正極活物質を含むものである。この正極活物質は、組成式:xLi2M1O3・(1-x)LiM2O2(0≦x≦1)であって、M1は4価のMnを必須とする一種以上の金属元素、M2は4価のMnを必須とする二種以上の金属元素)で表されるリチウムマンガン系酸化物を基本組成とする。なお、言うまでもなく、不可避的に生じるLi、M1、M2またはO(酸素)の欠損により、上記組成式からわずかにずれた複合酸化物をも含む。4価に満たないMnの存在により、得られる複合酸化物全体のMnの平均酸化数としては3.8〜4価まで許容される。M1及びM2における4価のMn以外の金属元素としては、Cr、Fe、Co、Ni、Al、Mgの群から選ばれる少なくとも一種を用いることができる。 The positive electrode includes a positive electrode active material including a lithium (Li) element and a tetravalent manganese (Mn) element, and a lithium manganese-based oxide whose crystal structure belongs to a layered rock salt structure. This positive electrode active material has a composition formula: xLi 2 M 1 O 3 · (1-x) LiM 2 O 2 (0 ≦ x ≦ 1), and M 1 is one or more kinds in which tetravalent Mn is essential. The basic composition is a lithium manganese-based oxide represented by a metal element, M 2 being two or more metal elements in which tetravalent Mn is essential. Needless to say, composite oxides that slightly deviate from the above composition formula due to defects of Li, M 1 , M 2, or O (oxygen) inevitably occurring are also included. Due to the presence of Mn that is less than tetravalent, the average oxidation number of Mn in the entire composite oxide obtained is allowed to be 3.8 to 4 valence. As the metal element other than tetravalent Mn in M 1 and M 2, at least one selected from the group consisting of Cr, Fe, Co, Ni, Al, and Mg can be used.

この正極活物質は、少なくとも、Mnを必須とする一種以上の金属元素を含む金属化合物原料と、水酸化リチウムを含み他の化合物を実質的に含まず目的の複合酸化物に含まれるLiの理論組成を超えるLiを含む溶融塩原料とを混合して原料混合物を調製する原料混合物調製工程と、原料混合物を溶融して溶融塩原料の融点以上で反応させる溶融反応工程と、を行うことで製造することができる。水酸化リチウムの溶融塩を用いることで、Liおよび4価のMnを含み層状岩塩構造に属するリチウムマンガン系酸化物が主生成物として合成される。   This positive electrode active material includes at least a metal compound raw material containing one or more metal elements essential for Mn and a theory of Li contained in the target composite oxide containing lithium hydroxide and substantially free of other compounds. Manufactured by performing a raw material mixture preparation step that mixes a molten salt raw material containing Li exceeding the composition to prepare a raw material mixture, and a melting reaction step in which the raw material mixture is melted and reacted at the melting salt raw material or higher. can do. By using a molten salt of lithium hydroxide, a lithium manganese oxide containing Li and tetravalent Mn and belonging to a layered rock salt structure is synthesized as a main product.

そして、原料混合物を水酸化リチウムの融点以上の高温とし、溶融塩中で原料混合物を反応させることにより、微粒子状の複合酸化物が得られる。これは、溶融塩中で原料混合物がアルカリ融解して均一に混合されるためである。また、実質的に水酸化リチウムのみからなる溶融塩中で反応させることで、反応温度が高温であっても結晶成長は抑制され、一次粒子がナノオーダーの複合酸化物が得られる。   Then, the raw material mixture is heated to a temperature higher than the melting point of lithium hydroxide, and the raw material mixture is reacted in a molten salt, whereby a particulate composite oxide is obtained. This is because the raw material mixture is alkali-melted and mixed uniformly in the molten salt. In addition, by reacting in a molten salt consisting essentially of lithium hydroxide, crystal growth is suppressed even when the reaction temperature is high, and a composite oxide having nano-order primary particles can be obtained.

4価のMnを供給する金属化合物原料として、Mnを必須とする一種以上の金属元素を含む酸化物、水酸化物および金属塩から選ばれる一種以上の金属化合物を用いる。この金属化合物は、金属化合物原料に必須である。具体的には、二酸化マンガン(MnO2)、三酸化二マンガン(Mn2O3)、一酸化マンガン(MnO)、四三酸化マンガン(Mn3O4)水酸化マンガン(Mn(OH)2)、オキシ水酸化マンガン(MnOOH)、これらの酸化物、水酸化物または金属塩のMnの一部がCr、Fe、Co、Ni、Al、Mgなどで置換された金属化合物などが挙げられる。これらのうちの一種あるいは二種以上を必須の金属化合物として用いればよい。なかでも、MnO2は、入手が容易であるとともに、比較的高純度のものが入手しやすいため好ましい。 As a metal compound raw material for supplying tetravalent Mn, one or more metal compounds selected from oxides, hydroxides, and metal salts containing one or more metal elements essential to Mn are used. This metal compound is essential for the metal compound raw material. Specifically, manganese dioxide (MnO 2 ), manganese trioxide (Mn 2 O 3 ), manganese monoxide (MnO), manganese trioxide (Mn 3 O 4 ), manganese hydroxide (Mn (OH) 2 ) , Manganese oxyhydroxide (MnOOH), metal compounds in which a part of Mn of these oxides, hydroxides or metal salts is substituted with Cr, Fe, Co, Ni, Al, Mg, or the like. One or two or more of these may be used as the essential metal compound. Among these, MnO 2 is preferable because it is easy to obtain and is relatively easy to obtain.

ここで、金属化合物のMnは、必ずしも4価である必要はなく、4価以下のMnであってもよい。これは、高酸化状態で反応が進むため、2価や3価のMnであっても4価になるためである。Mnを置換する遷移元素についても同様である。   Here, Mn of the metal compound is not necessarily tetravalent, and may be Mn of tetravalent or less. This is because the reaction proceeds in a highly oxidized state, and even bivalent or trivalent Mn becomes tetravalent. The same applies to the transition element substituting Mn.

Mnの一部を置換する金属元素を含む化合物としては、酸化物、水酸化物および金属塩から選ばれる一種以上の第二の金属化合物を使用すればよい。第二の金属化合物の具体例としては、酸化コバルト(CoO、Co3O4)、硝酸コバルト(Co(NO3)2・6H2O)、水酸化コバルト(Co(OH)2)、酸化ニッケル(NiO)、硝酸ニッケル(Ni(NO3)2・6H2O)、硫酸ニッケル(NiSO4・6H2O)、水酸化アルミニウム(Al(OH)3)、硝酸アルミニウム(Al(NO3)3・9H2O)、酸化銅(CuO)、硝酸銅(Cu(NO3)2・3H2O)、水酸化カルシウム(Ca(OH)2)などが挙げられる。これらのうちの一種あるいは二種以上を第二の金属化合物として用いればよい。 As the compound containing a metal element that substitutes a part of Mn, one or more second metal compounds selected from oxides, hydroxides, and metal salts may be used. Specific examples of the second metal compound include cobalt oxide (CoO, Co 3 O 4 ), cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O), cobalt hydroxide (Co (OH) 2 ), nickel oxide (NiO), nickel nitrate (Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O), nickel sulfate (NiSO 4 · 6H 2 O), aluminum hydroxide (Al (OH) 3 ), aluminum nitrate (Al (NO 3 ) 3・ 9H 2 O), copper oxide (CuO), copper nitrate (Cu (NO 3 ) 2 .3H 2 O), calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) and the like. One or two or more of these may be used as the second metal compound.

溶融反応工程は、原料混合物を溶融して反応させる工程である。反応温度は溶融反応工程における原料混合物の温度であり、溶融塩原料の融点以上であればよいが、500℃未満では溶融塩の反応活性が不十分であり4価のMnを含む所望の複合酸化物を選択率よく製造することが困難である。また、反応温度が550℃以上であれば、結晶性の高い複合酸化物が得られる。反応温度の上限は、水酸化リチウムの分解温度未満であり、900℃以下さらには850℃以下が望ましい。Mnを供給する金属化合物として二酸化マンガンを使用するのであれば、反応温度は500〜700℃さらには550〜650℃が望ましい。反応温度が高すぎると、溶融塩の分解反応が起こるため望ましくない。この反応温度で30分以上さらに望ましくは1〜6時間保持すれば、原料混合物は十分に反応する。   The melt reaction step is a step in which the raw material mixture is melted and reacted. The reaction temperature is the temperature of the raw material mixture in the melting reaction step, and it should be higher than the melting point of the molten salt raw material, but if it is less than 500 ° C, the reaction activity of the molten salt is insufficient and the desired complex oxidation containing tetravalent Mn It is difficult to produce a product with high selectivity. If the reaction temperature is 550 ° C. or higher, a complex oxide with high crystallinity can be obtained. The upper limit of the reaction temperature is lower than the decomposition temperature of lithium hydroxide, and is desirably 900 ° C. or lower, more preferably 850 ° C. or lower. If manganese dioxide is used as the metal compound for supplying Mn, the reaction temperature is preferably 500 to 700 ° C, more preferably 550 to 650 ° C. If the reaction temperature is too high, a molten salt decomposition reaction occurs, which is not desirable. If the reaction temperature is maintained for 30 minutes or more, more desirably 1 to 6 hours, the raw material mixture reacts sufficiently.

また、溶融反応工程を酸素含有雰囲気、たとえば大気中、酸素ガスおよび/またはオゾンガスを含むガス雰囲気中で行うと、4価のMnを含む複合酸化物が単相で得られやすい。酸素ガスを含有する雰囲気であれば、酸素ガス濃度を20〜100体積%さらには50〜100体積%とするのがよい。なお、酸素濃度を高くするほど、合成される複合酸化物の粒子径は小さくなる傾向にある。   Further, when the melting reaction step is performed in an oxygen-containing atmosphere, for example, in the air, a gas atmosphere containing oxygen gas and / or ozone gas, a complex oxide containing tetravalent Mn is easily obtained in a single phase. In an atmosphere containing oxygen gas, the oxygen gas concentration is preferably 20 to 100% by volume, more preferably 50 to 100% by volume. As the oxygen concentration is increased, the particle size of the composite oxide synthesized tends to be reduced.

上記製造方法で得られる複合酸化物の構造は、層状岩塩構造である。層状岩塩構造を主体とすることは、X線回折(XRD)、電子線回折などにより確認することができる。また、高分解能の透過電子顕微鏡(TEM)を用いた高分解能像で、層状構造を観察可能である。得られる複合酸化物を組成式で表すのであれば、xLi2M1O3・(1-x)LM2O2(0≦x≦1であって、M1は4価のMnを必須とする金属元素、M2は4価のMnを必須とする金属元素である。なお、Liは、原子比で60%以下さらには45%以下が水素元素(H)に置換されてもよい。また、M1はほとんどが4価のMnであるのが好ましいが、50%未満さらには80%未満が他の金属元素で置換されていてもよい。 The structure of the composite oxide obtained by the above production method is a layered rock salt structure. It can be confirmed by X-ray diffraction (XRD), electron diffraction, etc. that the layered rock salt structure is the main component. In addition, the layered structure can be observed with a high-resolution image using a high-resolution transmission electron microscope (TEM). If the resulting composite oxide is represented by a composition formula, xLi 2 M 1 O 3 · (1-x) LM 2 O 2 (0 ≦ x ≦ 1, where M 1 is essential for tetravalent Mn. metal elements, M 2 is a metal element essentially containing tetravalent Mn. Incidentally, Li is 60% or less further 45% or less by atomic ratio may be replaced with a hydrogen element (H). the M 1 is most preferably tetravalent Mn, but less than 50% or even less than 80% may be substituted with other metal elements.

M1およびM2を構成する4価のMn以外の金属元素としては、電極材料とした場合の充放電可能な容量の観点から、Ni、Al、Co、Fe、Mg、Tiから選ばれるのが好ましい。なお、言うまでもなく、不可避的に生じるLi、M1、M2またはO(酸素)の欠損により、上記組成式からわずかにずれた複合酸化物をも含む。したがって、M1の平均酸化数およびM2に含まれるMnの平均酸化数は3.8〜4価まで許容される。 The metal elements other than tetravalent Mn constituting M 1 and M 2 are selected from Ni, Al, Co, Fe, Mg, and Ti from the viewpoint of chargeable / dischargeable capacity when used as an electrode material. preferable. Needless to say, composite oxides that slightly deviate from the above composition formula due to defects of Li, M 1 , M 2, or O (oxygen) inevitably occurring are also included. Therefore, the average oxidation number of Mn contained in the average oxidation number and M 2 of M 1 is allowed to 3.8 to 4 valence.

具体的には、Li2MnO3、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.5Mn0.5O2、または、これらのうちの2種以上を含む固溶体が挙げられる。Mn、Ni、Coの一部は、他の金属元素で置換されていてもよい。得られる複合酸化物全体としては、例示した酸化物を基本組成とすればよく、不可避的に生じる金属元素または酸素の欠損により、上記組成式から僅かに外れていてもよい。 Specific examples include Li 2 MnO 3 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 , or a solid solution containing two or more of these. A part of Mn, Ni, and Co may be substituted with other metal elements. The obtained composite oxide as a whole may have the basic composition as the exemplified oxide, and may slightly deviate from the above composition formula due to unavoidable metal element or oxygen deficiency.

本発明のリチウムイオン二次電池の正極は、集電体と、集電体上に結着された活物質層とを有する。活物質層は、上記した結晶構造が層状岩塩構造に属するリチウムマンガン系酸化物からなる正極活物質と、導電助剤、バインダー樹脂、及び必要に応じ適量の有機溶剤を加えて混合しスラリーにしたものを、ロールコート法、ディップコート法、ドクターブレード法、スプレーコート法、カーテンコート法などの方法で集電体上に塗布し、バインダー樹脂を硬化させることによって作製することができる。   The positive electrode of the lithium ion secondary battery of the present invention has a current collector and an active material layer bound on the current collector. The active material layer was made into a slurry by adding a positive electrode active material comprising a lithium manganese-based oxide whose crystal structure belongs to a layered rock salt structure, a conductive additive, a binder resin, and an appropriate amount of an organic solvent as necessary. The product can be produced by applying the product onto a current collector by a method such as a roll coating method, a dip coating method, a doctor blade method, a spray coating method, or a curtain coating method, and curing the binder resin.

本発明のリチウムイオン二次電池の負極は、負極活物質である金属リチウムをシート状にして、あるいはシート状にしたものをニッケル、ステンレス等の集電体網に圧着して形成することができる。金属リチウムのかわりに、リチウム合金またはリチウム化合物をも用いることができる。また、正極同様、リチウムイオンを吸蔵・脱離できる負極活物質とバインダー樹脂とからなる負極を使用してもよい。負極活物質としては、たとえば、天然黒鉛、人造黒鉛、フェノール樹脂等の有機化合物焼成体、コークス等の炭素物質の粉状体を用いることができる。バインダー樹脂としては、正極同様、含フッ素樹脂、熱可塑性樹脂などを用いることができる。   The negative electrode of the lithium ion secondary battery of the present invention can be formed by forming metallic lithium, which is a negative electrode active material, into a sheet shape, or by pressing a sheet into a current collector network such as nickel or stainless steel. . A lithium alloy or a lithium compound can also be used in place of metallic lithium. Moreover, you may use the negative electrode which consists of a negative electrode active material and binder resin which can occlude / release lithium ion like a positive electrode. Examples of the negative electrode active material that can be used include a fired organic compound such as natural graphite, artificial graphite, and phenol resin, and a powdery carbon material such as coke. As the binder resin, a fluorine-containing resin, a thermoplastic resin, or the like can be used as in the positive electrode.

また負極活物質として、SiOx(0.3≦x≦1.6)で表されるケイ素酸化物からなる粉末を用いることも好ましい。SiOxは熱処理されると、SiとSiO2とに分解することが知られている。これは不均化反応といい、SiとOとの比が概ね1:1の均質な固体の一酸化ケイ素SiOであれば、固体の内部反応によりSi相とSiO2相の二相に分離する。分離して得られるSi相は非常に微細である。また、Si相を覆うSiO2相が非水電解液の分解を抑制する働きをもつ。しかし負極活物質としてケイ素酸化物のみを用いた場合には、サイクル特性が不十分となる場合があるので、そのような場合にはケイ素酸化物と黒鉛などの炭素材料とを併用することが望ましい。 It is also preferable to use a powder made of silicon oxide represented by SiO x (0.3 ≦ x ≦ 1.6) as the negative electrode active material. It is known that SiO x decomposes into Si and SiO 2 when heat-treated. This is called a disproportionation reaction. If silicon monoxide SiO is a homogeneous solid with a Si to O ratio of approximately 1: 1, it separates into two phases, the Si phase and the SiO 2 phase, due to the internal reaction of the solid. . The Si phase obtained by separation is very fine. In addition, the SiO 2 phase covering the Si phase has a function of suppressing the decomposition of the non-aqueous electrolyte. However, when only silicon oxide is used as the negative electrode active material, cycle characteristics may be insufficient. In such a case, it is desirable to use silicon oxide in combination with a carbon material such as graphite. .

また、正極及び負極に用いられるバインダー樹脂および導電助材にも特に限定はなく、一般のリチウムイオン二次電池で使用可能なものであればよい。導電助材は、電極の電気伝導性を確保するためのものであり、たとえば、カーボンブラック、アセチレンブラック、黒鉛などの炭素物質粉状体の1種または2種以上を混合したものを用いることができる。バインダー樹脂は、正極活物質および導電助材を繋ぎ止める役割を果たすもので、たとえば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂などを用いることができる。   Moreover, there is no limitation in particular also in binder resin and conductive support material which are used for a positive electrode and a negative electrode, What is necessary is just to be usable with a general lithium ion secondary battery. The conductive aid is for ensuring the electrical conductivity of the electrode, and for example, a mixture of one or more carbon material powders such as carbon black, acetylene black, and graphite may be used. it can. The binder resin plays a role of connecting the positive electrode active material and the conductive additive. For example, a fluorine-containing resin such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, or fluororubber, or a thermoplastic resin such as polypropylene or polyethylene is used. be able to.

正極及び負極に用いられる集電体は、金属製のメッシュや金属箔を用いることができる。たとえば、ステンレス鋼、チタン、ニッケル、アルミニウム、銅などの金属材料または導電性樹脂からなる多孔性または無孔の導電性基板が挙げられる。多孔性導電性基板としては、たとえば、メッシュ体、ネット体、パンチングシート、ラス体、多孔質体、発泡体、不織布などの繊維群成形体、などが挙げられる。無孔の導電性基板としては、たとえば、箔、シート、フィルムなどが挙げられる。電極合材層形成用組成物の塗布方法としては、ドクターブレード、バーコーターなどの従来から公知の方法を用いればよい。   As the current collector used for the positive electrode and the negative electrode, a metal mesh or a metal foil can be used. For example, a porous or non-porous conductive substrate made of a metal material such as stainless steel, titanium, nickel, aluminum, copper, or a conductive resin can be used. Examples of the porous conductive substrate include a mesh body, a net body, a punching sheet, a lath body, a porous body, a foamed body, a fiber group molded body such as a nonwoven fabric, and the like. Examples of the non-porous conductive substrate include a foil, a sheet, and a film. As a method for applying the composition for forming an electrode mixture layer, a conventionally known method such as a doctor blade or a bar coater may be used.

スラリーに用いられる粘度調整のための有機溶剤としては、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、メタノール、メチルイソブチルケトン(MIBK)などが使用可能である。   As the organic solvent for adjusting the viscosity used in the slurry, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), methanol, methyl isobutyl ketone (MIBK) and the like can be used.

セパレータとしては、強度が充分でしかも電解液を多く保持できるものがよく、そのような観点から、5〜50μmの厚さで、ポリプロピレン製、ポリエチレン製、プロピレンとエチレンとの共重合体などポリオレフィン製の微孔性フィルムや不織布などが好ましく用いられる。   As the separator, a separator having sufficient strength and capable of holding a large amount of electrolyte is preferable. From such a viewpoint, the separator is made of polyolefin such as polypropylene, polyethylene, a copolymer of propylene and ethylene with a thickness of 5 to 50 μm. A microporous film or non-woven fabric is preferably used.

以上の構成要素によって構成されるリチウムイオン二次電池の形状は円筒型、積層型、コイン型等、種々のものとすることができる。いずれの形状を採る場合であっても、正極と負極との間にセパレータを挟装させ電極体とする。そして正極集電体および負極集電体から外部に通ずる正極端子および負極端子までの間を集電用リードなどで接続し、この電極体に本発明の電解液を含浸させ電池ケースに密閉し、リチウムイオン二次電池が完成する。   The shape of the lithium ion secondary battery constituted by the above components can be various, such as a cylindrical type, a stacked type, and a coin type. In any case, a separator is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode to form an electrode body. And connecting between the positive electrode current collector and the negative electrode current collector to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal leading to the outside with a current collecting lead, etc., this electrode body is impregnated with the electrolytic solution of the present invention and sealed in the battery case, A lithium ion secondary battery is completed.

リチウムイオン二次電池を使用する場合には、はじめに充電を行い、正極活物質を活性化させる。ただし、層状岩塩構造に属するリチウムマンガン系酸化物からなる正極活物質を用いる場合には、初回の充電時にリチウムイオンが放出されるとともに酸素が発生する。そのため、電池ケースを密閉する前に充電を行うのが望ましい。   When using a lithium ion secondary battery, it charges first and activates a positive electrode active material. However, when a positive electrode active material made of a lithium manganese oxide belonging to a layered rock salt structure is used, lithium ions are released and oxygen is generated during the first charge. For this reason, it is desirable to charge the battery case before sealing it.

以上説明した本発明のリチウムイオン二次電池は、携帯電話、パソコン等の通信機器、情報関連機器の分野の他、自動車の分野においても好適に利用できる。たとえば、このリチウムイオン二次電池を車両に搭載すれば、リチウムイオン二次電池を電気自動車用の電源として使用できる。   The lithium ion secondary battery of the present invention described above can be suitably used in the field of automobiles in addition to the fields of communication devices such as mobile phones and personal computers and information-related devices. For example, if this lithium ion secondary battery is mounted on a vehicle, the lithium ion secondary battery can be used as a power source for an electric vehicle.

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described specifically by way of examples.

<リチウムイオン二次電池用正極の作製>
溶融塩原料として0.20molの水酸化リチウム一水和物LiOH・H2O(8.4g)と、金属化合物原料として0.02molの二酸化マンガンMnO2(1.74g)と、を混合して原料混合物を調製した。このとき、目的生成物がLi2MnO3であることから、二酸化マンガンのMnが全てLi2MnO3に供給されたと仮定して、(目的生成物のLi)/(溶融塩原料のLi)は、0.04mol/0.2mol=0.2であった。
<Preparation of positive electrode for lithium ion secondary battery>
Prepare a raw material mixture by mixing 0.20 mol of lithium hydroxide monohydrate LiOH · H 2 O (8.4 g) as the molten salt raw material and 0.02 mol of manganese dioxide MnO 2 (1.74 g) as the raw material of the metal compound did. At this time, since the target product is Li 2 MnO 3 , assuming that all Mn of manganese dioxide was supplied to Li 2 MnO 3 , (target product Li) / (molten salt raw material Li) is 0.04 mol / 0.2 mol = 0.2.

原料混合物を坩堝にいれて、700℃の電気炉内に移し、真空中700℃で2時間加熱した。このとき原料混合物は融解して溶融塩となり、黒色の生成物が沈殿していた。   The raw material mixture was put in a crucible, transferred into an electric furnace at 700 ° C., and heated in vacuum at 700 ° C. for 2 hours. At this time, the raw material mixture melted to form a molten salt, and a black product was precipitated.

次に、溶融塩の入った坩堝を電気炉内で室温まで冷却後、電気炉から取り出した。溶融塩が十分に冷却されて固体化した後、坩堝ごと200mLのイオン交換水に浸し、攪拌することで、固体化した溶融塩を水に溶解した。黒色の生成物は水に不溶性であるため、水は黒色の懸濁液となった。黒色の懸濁液を濾過すると、透明な濾液と、濾紙上に黒色固体の濾物と、が得られた。得られた濾物をさらにアセトンを用いて十分に洗浄しながら濾過した。洗浄後の黒色固体を120℃で12時間、真空乾燥した後、乳鉢と乳棒を用いて粉砕した。   Next, the crucible containing the molten salt was cooled to room temperature in the electric furnace and then taken out from the electric furnace. After the molten salt was sufficiently cooled and solidified, the crucible was immersed in 200 mL of ion exchange water and stirred to dissolve the solidified molten salt in water. Since the black product was insoluble in water, the water became a black suspension. Filtration of the black suspension yielded a clear filtrate and a black solid residue on the filter paper. The obtained filtrate was further filtered while thoroughly washing with acetone. The washed black solid was vacuum-dried at 120 ° C. for 12 hours and then pulverized using a mortar and pestle.

得られた黒色粉末についてCuKα線を用いたX線回折(XRD)測定を行った。XRDによれば、得られた黒色粉末は層状岩塩構造であることがわかった。また、発光分光分析(ICP)および酸化還元滴定によるMnの平均価数分析から、得られた黒色粉末の組成はLi2MnO3であると確認された。 The black powder obtained was subjected to X-ray diffraction (XRD) measurement using CuKα rays. According to XRD, the obtained black powder was found to have a layered rock salt structure. The composition of the obtained black powder was confirmed to be Li 2 MnO 3 from the average valence analysis of Mn by emission spectroscopic analysis (ICP) and oxidation-reduction titration.

なお、Mnの価数評価は、次のように行った。0.05gの試料を三角フラスコに取り、シュウ酸ナトリウム溶液(1%)40mLを正確に加え、さらにH2SO4を50mL加えて窒素ガス雰囲気中90℃水浴中で試料を溶解した。この溶液に、過マンガン酸カリウム(0.1N)を滴定し、微紅色にかわる終点(滴定量:V1)まで行った。別のフラスコに、シュウ酸ナトリウム溶液(1%)20mLを正確に取り、上記と同様に過マンガン酸カリウム(0.1N)を終点まで滴定した(滴定量:V2)。V1およびV2から下記の式により、高価数のMnがMn2+に還元された時のシュウ酸の消費量を酸素量(活性酸素量)として算出した。 In addition, the valence evaluation of Mn was performed as follows. A sample of 0.05 g was placed in an Erlenmeyer flask, and 40 mL of sodium oxalate solution (1%) was accurately added, and 50 mL of H 2 SO 4 was further added, and the sample was dissolved in a 90 ° C. water bath in a nitrogen gas atmosphere. To this solution, potassium permanganate (0.1N) was titrated, and the end point (titration amount: V 1 ) was changed to a slight red color. In another flask, 20 mL of a sodium oxalate solution (1%) was accurately taken, and potassium permanganate (0.1 N) was titrated to the end point in the same manner as described above (titration amount: V 2 ). From V 1 and V 2 , the amount of oxalic acid consumed when an expensive number of Mn was reduced to Mn 2+ was calculated as the amount of oxygen (active oxygen amount) by the following formula.

活性酸素量(%)=[(2×V2-V1)×0.00080/試料量]×100そして、試料中のMn量(ICP測定値)と活性酸素量からMnの平均価数を算出した。 Active oxygen amount (%) = [(2 × V 2 −V 1 ) × 0.00080 / sample amount] × 100 And the average valence of Mn was calculated from the amount of Mn in the sample (ICP measurement value) and the amount of active oxygen .

得られた正極活物質、導電助剤としてのアセチレンブラック、バインダー樹脂としてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を質量比で50:40:10の割合で混合した。次いで、この混合物を集電体であるアルミニウムメッシュに圧着した。その後、120℃で12時間以上真空乾燥し、電極(正極:30×25mm)とした。   The obtained positive electrode active material, acetylene black as a conductive additive, and polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder resin were mixed at a mass ratio of 50:40:10. Subsequently, this mixture was crimped | bonded to the aluminum mesh which is a collector. Then, it vacuum-dried at 120 degreeC for 12 hours or more, and was set as the electrode (positive electrode: 30x25mm).

<リチウムイオン二次電池用負極の作製>
先ずSiO粉末(シグマ・アルドリッチ・ジャパン社製、平均粒径5μm)を900℃で2時間熱処理し、平均粒径5μmのSiOx粉末を調製した。この熱処理によって、SiとOとの比が概ね1:1の均質な固体の一酸化ケイ素SiOであれば、固体の内部反応によりSi相とSiO2相の二相に分離する。分離して得られるSi相は非常に微細である。
<Preparation of negative electrode for lithium ion secondary battery>
First, SiO powder (manufactured by Sigma-Aldrich Japan, average particle size 5 μm) was heat-treated at 900 ° C. for 2 hours to prepare SiO x powder having an average particle size of 5 μm. With this heat treatment, if silicon monoxide SiO is a homogeneous solid having a ratio of Si to O of approximately 1: 1, it is separated into two phases of Si phase and SiO 2 phase by solid internal reaction. The Si phase obtained by separation is very fine.

得られたSiOx粉末48質量部に、導電助剤としての黒鉛粉末34.4質量部と、ケッチェンブラック(KB)粉末2.6質量部と、バインダー樹脂としてのポリアクリル酸を混合し、スラリーを調製した。スラリー中の各成分の組成比は固形分として、SiOx粉末:黒鉛粉末:ケッチェンブラック:ポリアクリル酸=48:34.4:2.6:15である。このスラリーを、厚さ20μmの電解銅箔(集電体)の表面にドクターブレードを用いて塗布し、銅箔上に負極活物質層を形成した。 A slurry was prepared by mixing 48 parts by mass of the obtained SiO x powder with 34.4 parts by mass of graphite powder as a conductive additive, 2.6 parts by mass of ketjen black (KB) powder, and polyacrylic acid as a binder resin. . The composition ratio of each component in the slurry is SiO x powder: graphite powder: ketchen black: polyacrylic acid = 48: 34.4: 2.6: 15 as a solid content. This slurry was applied to the surface of an electrolytic copper foil (current collector) having a thickness of 20 μm using a doctor blade to form a negative electrode active material layer on the copper foil.

その後、80℃で20分間乾燥し、負極活物質層から有機溶媒を揮発させて除去した。乾燥後、ロールプレス機により、集電体と負極活物質層を強固に密着接合させた。これを200℃で2時間加熱硬化させて、活物質層の厚さが15μm程度の電極(負極:31×26mm)を形成した。   Then, it dried at 80 degreeC for 20 minute (s), and the organic solvent was volatilized and removed from the negative electrode active material layer. After drying, the current collector and the negative electrode active material layer were firmly and closely joined with a roll press. This was heat-cured at 200 ° C. for 2 hours to form an electrode (negative electrode: 31 × 26 mm) having an active material layer thickness of about 15 μm.

なお、負極としてリチウムがドーピングされている負極を用いてもよい。   Note that a negative electrode doped with lithium may be used as the negative electrode.

<リチウムイオン二次電池の作製>
エチレンカーボネートと、エチルメチルカーボネートとを3:7(体積比)で混合した混合溶媒に、LiPF6を1Mの濃度で溶解するとともに、チオフェンを0.1重量%となるように添加して溶解させた非水電解液を調製した。
<Production of lithium ion secondary battery>
LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1M in a mixed solvent in which ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate were mixed at a ratio of 3: 7 (volume ratio), and thiophene was added to a concentration of 0.1% by weight. A water electrolyte was prepared.

そして正極および負極の間に、セパレータとして厚さ20μmの微孔性ポリエチレンフィルムを挟装して電極体とした。この電極体をラミネートフィルムで包み込み、周囲を熱融着させてフィルム外装電池を作製した。最後の一辺を熱融着封止する前に上記の非水電解液を注入し、電極体に含浸させた。その後に、0.2Cで4.5VまでCCCV充電(定電流定電圧充電)を行い正極活物質を活性化させた。   A microporous polyethylene film having a thickness of 20 μm was sandwiched between the positive electrode and the negative electrode as an electrode body. The electrode body was wrapped with a laminate film, and the periphery was thermally fused to produce a film-clad battery. Before the last side was heat-sealed and sealed, the non-aqueous electrolyte was injected and impregnated into the electrode body. Then, CCCV charge (constant current constant voltage charge) to 4.5V was performed at 0.2C, and the positive electrode active material was activated.

<試験>
(容量回復率の算出)
上記のリチウムイオン二次電池を80℃で5日間貯蔵する高温貯蔵試験を行い、高温貯蔵試験前の1C放電容量と、高温貯蔵後に放電させSOC100%充電後の1C放電容量とをそれぞれ測定して、次式から容量回復率を算出した。
容量回復率=100×(貯蔵後放電させSOC100%充電後の1C放電容量)/(貯蔵前1C放電容量)
結果を表1に示す。
<Test>
(Calculation of capacity recovery rate)
Perform a high temperature storage test to store the above lithium ion secondary battery at 80 ° C for 5 days, and measure 1C discharge capacity before high temperature storage test and 1C discharge capacity after SOC 100% charge after discharging after high temperature storage. The capacity recovery rate was calculated from the following equation.
Capacity recovery rate = 100 × (1C discharge capacity after discharging after storage and SOC 100% charge) / (1C discharge capacity before storage)
The results are shown in Table 1.

[比較例1]
非水電解液にチオフェンを添加しなかったこと以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製した。このリチウムイオン二次電池を用いたこと以外は実施例1と同様にして、容量回復率を算出した。結果を表2に示す。
[Comparative Example 1]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that thiophene was not added to the nonaqueous electrolytic solution. The capacity recovery rate was calculated in the same manner as in Example 1 except that this lithium ion secondary battery was used. The results are shown in Table 2.

<評価>

Figure 2013012387
<Evaluation>
Figure 2013012387

表2から明らかなように、実施例1のリチウムイオン二次電池は比較例1のリチウムイオン二次電池に比べて容量回復率が増大している。これは、非水電解液中にチオフェンを含むことによる効果であることが明らかである。   As is clear from Table 2, the capacity recovery rate of the lithium ion secondary battery of Example 1 is higher than that of the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1. This is clearly the effect of including thiophene in the non-aqueous electrolyte.

Claims (7)

リチウム(Li)元素および4価のマンガン(Mn)元素を含み結晶構造が層状岩塩構造に属するリチウムマンガン系酸化物からなる正極活物質を有する正極をもつリチウムイオン二次電池に用いられる電解液であって、
溶媒又は液体分散媒と、該溶媒又は液体分散媒に溶解又は分散した電解質と、該溶媒又は液体分散媒に溶解したチオフェン及びチオフェン誘導体から選ばれる添加剤と、を含むことを特徴とする電解液。
An electrolyte used for a lithium ion secondary battery having a positive electrode having a positive electrode active material comprising a lithium manganese-based oxide containing a lithium (Li) element and a tetravalent manganese (Mn) element and having a crystal structure belonging to a layered rock salt structure. There,
An electrolyte solution comprising: a solvent or a liquid dispersion medium; an electrolyte dissolved or dispersed in the solvent or liquid dispersion medium; and an additive selected from thiophene and a thiophene derivative dissolved in the solvent or liquid dispersion medium. .
前記添加剤はチオフェンであり、前記電解液中に2.0質量%未満の量で添加されている請求項1に記載の電解液。   2. The electrolytic solution according to claim 1, wherein the additive is thiophene, and is added to the electrolytic solution in an amount of less than 2.0% by mass. 前記リチウムマンガン系酸化物はLi2MnO3である請求項1又は請求項2に記載の電解液。 3. The electrolytic solution according to claim 1, wherein the lithium manganese oxide is Li 2 MnO 3 . 請求項1〜請求項3のいずれかに記載の電解液と、リチウム(Li)元素および4価のマンガン(Mn)元素を含み結晶構造が層状岩塩構造に属するリチウムマンガン系酸化物からなる正極活物質を有する正極と、負極と、よりなることを特徴とするリチウムイオン二次電池。   A positive electrode active material comprising the electrolytic solution according to any one of claims 1 to 3, and a lithium manganese-based oxide that includes a lithium (Li) element and a tetravalent manganese (Mn) element and whose crystal structure belongs to a layered rock salt structure. A lithium ion secondary battery comprising a positive electrode having a substance and a negative electrode. 前記添加剤はチオフェンであり、前記電解液中に2.0質量%未満の量で添加されている請求項4に記載のリチウムイオン二次電池。   5. The lithium ion secondary battery according to claim 4, wherein the additive is thiophene, and is added in an amount of less than 2.0% by mass in the electrolytic solution. 前記リチウムマンガン系酸化物はLi2MnO3である請求項4又は請求項5に記載のリチウムイオン二次電池。 6. The lithium ion secondary battery according to claim 4, wherein the lithium manganese oxide is Li 2 MnO 3 . 前記負極は、SiOx(0.3≦x≦1.6)で表されるケイ素酸化物からなる負極活物質を含む請求項4〜請求項6のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。 7. The lithium ion secondary battery according to claim 4, wherein the negative electrode includes a negative electrode active material made of silicon oxide represented by SiO x (0.3 ≦ x ≦ 1.6).
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