JP2013152849A - Lithium-ion secondary battery subjected to aging treatment and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオンの吸蔵、放出現象を利用したリチウム二次電池に関し、出力特性および低温特性に優れたリチウム二次電池を提供するものである。 The present invention relates to a lithium secondary battery utilizing the phenomenon of insertion and extraction of lithium ions, and provides a lithium secondary battery excellent in output characteristics and low-temperature characteristics.
パソコン、ビデオカメラ、携帯電話などの電子機器類の小型化に伴い、情報や通信関連の機器の分野では、高エネルギー密度であるリチウム二次電池が既に実用化され、広く普及されている。一方では、このリチウム二次電池を、電気自動車用電源、電力貯蔵用などの大容量用途にまで用いることが検討され今後増々需要が高まるものと思われる。 With the miniaturization of electronic devices such as personal computers, video cameras, and mobile phones, lithium secondary batteries having a high energy density have already been put into practical use and widely used in the field of information and communication-related devices. On the other hand, it is considered that this lithium secondary battery will be used for large-capacity applications such as power sources for electric vehicles and power storage, and it is expected that the demand will increase in the future.
二次電池一般に求められる性能として、その特性が経時変化しないことが挙げられる。充放電が繰り返されても、その放電容量の減少割合が小さいサイクル特性が要求され、これまで、リチウム二次電池のサイクル特性の向上のため、正極および負極活物質の開発、正極および負極の構造の強化、非水電解液の改良など多くの技術が検討され開発されてきた。
その中で、リチウム二次電池のサイクル特性などを改善させるために、所定温度に所定時間保存するといったエージング処理を施す技術が提案されている。
例えば、組み立てた電池に所定の予備充放電を行った後、所定のエージング処理を行って、本充電を順次行う方法(特許文献1)、室温域の下で所定の電圧値まで予備充電処理を行うこと、予備充電処理した電池のケース空間内を酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスであって、酸素ガス濃度が10〜20vol%に調整された混合ガスで充填して密閉すること、および密閉した電池を所定の温度で一定時間保持してエージング処理する方法(特許文献2)が提案されている。
The performance required for secondary batteries in general is that the characteristics do not change with time. Even if charging and discharging are repeated, cycle characteristics with a small reduction rate of the discharge capacity are required. So far, in order to improve the cycle characteristics of lithium secondary batteries, the development of positive and negative electrode active materials, the structure of positive and negative electrodes Many technologies have been studied and developed, such as strengthening of non-aqueous electrolyte and improvement of non-aqueous electrolyte.
Among them, in order to improve the cycle characteristics of the lithium secondary battery, a technique for performing an aging process of storing at a predetermined temperature for a predetermined time has been proposed.
For example, after a predetermined preliminary charge / discharge is performed on the assembled battery, a predetermined aging process is performed, and the main charge is sequentially performed (Patent Document 1), and the preliminary charge process is performed up to a predetermined voltage value under a room temperature range. Filling the battery case space of the pre-charged battery with a mixed gas of oxygen gas and inert gas, the oxygen gas concentration of which is adjusted to 10 to 20 vol%, and sealing, and There has been proposed a method (Patent Document 2) in which a sealed battery is kept at a predetermined temperature for a predetermined time and subjected to an aging treatment.
また、リチウム遷移金属複合酸化物からなる正極活物質を正極結着剤で結着させて形成した正極と、炭素材料からなる負極活物質を負極結着剤で結着させて形成した負極と、非水電解液とを備え、正極と負極を対向させ正極および負極とに非水電解液を含浸させることによって組付けられたリチウム二次電池に対し、その電池を非水電解液が凝固する温度以下に保存するエージング処理を施す方法(特許文献3)や、層状岩塩構造リチウムニッケル複合酸化物を正極活物質とする正極と負極とを組付けて形成されるリチウム二次電池を40℃以上90℃以下の保存温度で保存するエージング処理であって、初期放電容量を大きなものとする低温エージング処理と、充放電サイクル特性を良好なものとする高温エージング処理を含む方法(特許文献4)などのエージング処理が提案されている。 A positive electrode formed by binding a positive electrode active material made of a lithium transition metal composite oxide with a positive electrode binder; a negative electrode formed by binding a negative electrode active material made of a carbon material with a negative electrode binder; The temperature at which the non-aqueous electrolyte solidifies with respect to a lithium secondary battery that has a non-aqueous electrolyte and is assembled by impregnating the positive and negative electrodes with the positive and negative electrodes facing each other. A lithium secondary battery formed by assembling a positive electrode and a negative electrode using a layered rock salt structure lithium-nickel composite oxide as a positive electrode active material is applied at 40 ° C. or higher 90 ° C. Aging process for storing at a storage temperature of ℃ or less, including a low temperature aging process for increasing initial discharge capacity and a high temperature aging process for improving charge / discharge cycle characteristics (patented) Document 4) the aging process, such as has been proposed.
今後、蓄電用の大型リチウム二次電池市場は急速に拡大し、2016年度市場予測として、2010年比12.6倍の市場規模(2016年度市場予測:1兆2,000億円)が見込まれ、蓄電池市場で要求される蓄電池の性能としては、幅広い温度範囲で使用可能な電池が要求されている。その中で、リチウムポリマー二次電池は高温環境下では比較的耐久性が高いが低温域では耐久性が低いといった問題があった。
これまで、リチウムイオン二次電池では、エージング処理を行うことにより、負極材に安定な表面被膜を形成させることにより、室温高温サイクルを良好とする技術は開発されていたが、出力特性および低温特性を改善する技術はいまだ実現してはいなかった。
そこで、本発明者らは、こうした従来技術の問題点を解決すべく鋭意研究開発を進めることにより解決策を見出すことに成功し、出力特性および低温特性を改善したリチウムイオン二次電池を提供することができる本発明に到達したのである。
本発明は、高温環境下および低温環境下での優れた耐久性と出力特性を具備したリチウムポリマー二次電池を提供することを目的とするものである。
In the future, the market for large-sized lithium secondary batteries for power storage will rapidly expand, and the forecast for the 2016 market is expected to be 12.6 times that of 2010 (the forecast for the 2016 market is 1,200 billion yen). As a performance of the storage battery required in the storage battery market, a battery that can be used in a wide temperature range is required. Among them, the lithium polymer secondary battery has a problem that the durability is relatively high in a high temperature environment but the durability is low in a low temperature region.
Until now, in lithium ion secondary batteries, a technology to improve the room temperature and high temperature cycle by forming a stable surface film on the negative electrode material by performing aging treatment has been developed. The technology to improve this has not been realized yet.
Therefore, the present inventors have succeeded in finding a solution by advancing earnest research and development to solve the problems of the conventional technology, and provide a lithium ion secondary battery with improved output characteristics and low temperature characteristics. The present invention has been reached.
An object of the present invention is to provide a lithium polymer secondary battery having excellent durability and output characteristics in a high temperature environment and a low temperature environment.
本発明は以下の技術的事項により構成される。
(1)ポリマー電解質を有するリチウムイオン二次電池であって、初期充放電後の電池の内部抵抗値を(A)、エージング処理後の電池の内部抵抗値を(B)とした場合に、(B)/(A)の値が<0.7であることを特徴とする出力特性および低温特性が向上したリチウムイオン二次電池。
(2)エージング処理が、リチウムイオン二次電池を40〜90℃で保持することよりなる上記(1)に記載の出力特性および低温特性が向上したリチウムイオン二次電池。
(3)エージング処理が、SOCを40%以上とした充電状態で行われる上記(1)または(2)に記載の出力特性および低温特性が向上したリチウムイオン二次電池。
(4)ポリマー電解質がアクリル系モノマーからなるポリマーを含有する上記(1)から(3)のいずれかに記載の出力特性および低温特性が向上したリチウムイオン二次電池。
(5)アクリル系モノマーが、アクリル酸、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、エトキシエチルアクリレート、メトキシエチルアクリレート、エトキシエトキシエチルアクリレート、ポリエチレングリコールモノアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、エチレンオキサイド変性アクリレート、エトキシエチルメタクリレート、エトキシエチルメタクリレート、ポリエチレングリコールモノメタクリレート、N,N−ジエチルアミノエチルアクリレート、グリシジルアクリレート、アリルアクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート、テトラエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジメタクリレート、ポリプロピレングリコールジアクリレート、ポリプロピレングリコールジメタクリレート、ポリアルキレングリコールジメタクリレート、ポリアルキレングリコールジメタクリレート、トリメチロールプロパンアルコキシレートトリアクリレート、ペンタエリスリトールアルコキシレートテトラアクリレート、ジペンタエリスリトールポリアクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート、ペンタエリスリトールアルコキシレートテトラアクリレートから選ばれる1種またはそれ以上である上記(1)に記載の出力特性および低温特性が向上したリチウムイオン二次電池。
The present invention is constituted by the following technical matters.
(1) A lithium ion secondary battery having a polymer electrolyte, where the internal resistance value of the battery after initial charge / discharge is (A) and the internal resistance value of the battery after aging treatment is (B), B) A lithium ion secondary battery with improved output characteristics and low temperature characteristics, wherein the value of (A) is <0.7.
(2) The lithium ion secondary battery with improved output characteristics and low temperature characteristics as described in (1) above, wherein the aging treatment comprises holding the lithium ion secondary battery at 40 to 90 ° C.
(3) The lithium ion secondary battery having improved output characteristics and low-temperature characteristics as described in (1) or (2) above, wherein the aging treatment is performed in a charged state with an SOC of 40% or more.
(4) The lithium ion secondary battery having improved output characteristics and low temperature characteristics according to any one of (1) to (3), wherein the polymer electrolyte contains a polymer composed of an acrylic monomer.
(5) Acrylic monomers are acrylic acid, methyl acrylate, ethyl acrylate, ethoxyethyl acrylate, methoxyethyl acrylate, ethoxyethoxyethyl acrylate, polyethylene glycol monoacrylate, polyethylene glycol diacrylate, ethylene oxide modified acrylate, ethoxyethyl methacrylate , Ethoxyethyl methacrylate, polyethylene glycol monomethacrylate, N, N-diethylaminoethyl acrylate, glycidyl acrylate, allyl acrylate, diethylene glycol diacrylate, tetraethylene glycol diacrylate, polyethylene glycol diacrylate, polyethylene glycol dimethacrylate, polypropylene glycol diacrylate, poly Propylene glycol dimethacrylate, polyalkylene glycol dimethacrylate, polyalkylene glycol dimethacrylate, trimethylolpropane alkoxylate triacrylate, pentaerythritol alkoxylate tetraacrylate, dipentaerythritol polyacrylate, dipentaerythritol hexaacrylate, pentaerythritol alkoxylate tetraacrylate A lithium ion secondary battery having improved output characteristics and low temperature characteristics according to the above (1), which is one or more selected from:
(6)ポリマー電解質を有するリチウムイオン二次電池の製造において、エージング処理により、初期充放電後の電池の内部抵抗値を(A)とし、エージング処理後の電池の内部抵抗値を(B)とした場合に、(B)/(A)の値が<0.7とすることを特徴とする出力特性および低温特性が向上したリチウムイオン二次電池の製造方法。
(7)エージング処理が、リチウムイオン二次電池を40〜90℃で保持することよりなる上記(6)に記載の出力特性および低温特性が向上したリチウムイオン二次電池の製造方法。
(8)エージング処理が、SOC(充電状態)を40%以上とした充電状態で行われる上記(6)または(7)に記載の出力特性および低温特性が向上したリチウムイオン二次電池の製造方法。
(9)ポリマー電解質がアクリル系モノマーからなるポリマーを含有する上記(6)から(8)のいずれかに記載の出力特性および低温特性が向上したリチウムイオン二次電池の製造方法。
(10)アクリル系モノマーが、アクリル酸、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、エトキシエチルアクリレート、メトキシエチルアクリレート、エトキシエトキシエチルアクリレート、ポリエチレングリコールモノアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、エチレンオキサイド変性アクリレート、エトキシエチルメタクリレート、エトキシエチルメタクリレート、ポリエチレングリコールモノメタクリレート、N,N−ジエチルアミノエチルアクリレート、グリシジルアクリレート、アリルアクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート、テトラエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジメタクリレート、ポリプロピレングリコールジアクリレート、ポリプロピレングリコールジメタクリレート、ポリアルキレングリコールジメタクリレート、ポリアルキレングリコールジメタクリレート、トリメチロールプロパンアルコキシレートトリアクリレート、ペンタエリスリトールアルコキシレートテトラアクリレート、ジペンタエリスリトールポリアクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート、ペンタエリスリトールアルコキシレートテトラアクリレートから選ばれる1種またはそれ以上である上記(9)に記載の出力特性および低温特性が向上したリチウムイオン二次電池の製造方法。
(6) In the production of a lithium ion secondary battery having a polymer electrolyte, the internal resistance value of the battery after initial charge / discharge is set to (A) by aging treatment, and the internal resistance value of the battery after aging treatment is set to (B). A method of manufacturing a lithium ion secondary battery with improved output characteristics and low temperature characteristics, wherein the value of (B) / (A) is <0.7.
(7) The method for producing a lithium ion secondary battery having improved output characteristics and low temperature characteristics according to (6), wherein the aging treatment comprises holding the lithium ion secondary battery at 40 to 90 ° C.
(8) The method for producing a lithium ion secondary battery having improved output characteristics and low temperature characteristics as described in (6) or (7) above, wherein the aging treatment is performed in a charged state with an SOC (charged state) of 40% or more .
(9) The method for producing a lithium ion secondary battery having improved output characteristics and low temperature characteristics according to any one of (6) to (8), wherein the polymer electrolyte contains a polymer composed of an acrylic monomer.
(10) Acrylic monomers are acrylic acid, methyl acrylate, ethyl acrylate, ethoxyethyl acrylate, methoxyethyl acrylate, ethoxyethoxyethyl acrylate, polyethylene glycol monoacrylate, polyethylene glycol diacrylate, ethylene oxide modified acrylate, ethoxyethyl methacrylate , Ethoxyethyl methacrylate, polyethylene glycol monomethacrylate, N, N-diethylaminoethyl acrylate, glycidyl acrylate, allyl acrylate, diethylene glycol diacrylate, tetraethylene glycol diacrylate, polyethylene glycol diacrylate, polyethylene glycol dimethacrylate, polypropylene glycol diacrylate, Ripropylene glycol dimethacrylate, polyalkylene glycol dimethacrylate, polyalkylene glycol dimethacrylate, trimethylolpropane alkoxylate triacrylate, pentaerythritol alkoxylate tetraacrylate, dipentaerythritol polyacrylate, dipentaerythritol hexaacrylate, pentaerythritol alkoxylate tetra The method for producing a lithium ion secondary battery having improved output characteristics and low temperature characteristics according to the above (9), which is one or more selected from acrylates.
本発明は、リチウムイオン二次電池を、エージング処理によって電池内部抵抗が減少させることにより、大容量、高出力のリチウムイオン二次電池を製造し提供することができる。また、低温でのサイクル特性が良好であり従来のリチウムイオン二次電池の欠点を改善することができる。 The present invention can produce and provide a large capacity, high output lithium ion secondary battery by reducing the internal resistance of the lithium ion secondary battery by aging treatment. In addition, the cycle characteristics at a low temperature are good, and the drawbacks of the conventional lithium ion secondary battery can be improved.
本発明のリチウム二次電池は、ポリマー電解質を有するリチウムイオン二次電池であって、初期充放電後の電池の内部抵抗値を(A)とし、エージング処理後の電池の内部抵抗値を(B)とした場合に、(B)/(A)の値が<0.7であることを特徴とする出力特性および低温特性が向上したリチウムイオン二次電池およびその製法に関するものであり、例えば、炭素材料を負極活物質として含む負極と、正極と、非水電解液とを備えてなるリチウム二次電池において、負極と正極とを対向させた電極体間にポリマー電解質を有する電池にエージング処理を行うことにより低温環境下での耐久性を改善するものである。 The lithium secondary battery of the present invention is a lithium ion secondary battery having a polymer electrolyte, wherein the internal resistance value of the battery after initial charge / discharge is (A), and the internal resistance value of the battery after aging treatment is (B ), A lithium ion secondary battery with improved output characteristics and low temperature characteristics characterized in that the value of (B) / (A) is <0.7, and a method for producing the same, for example, In a lithium secondary battery comprising a negative electrode containing a carbon material as a negative electrode active material, a positive electrode, and a non-aqueous electrolyte, an aging treatment is performed on a battery having a polymer electrolyte between electrode bodies in which the negative electrode and the positive electrode face each other. This improves the durability under a low temperature environment.
本発明のリチウムイオン二次電池は、エージング処理後の電池の内部抵抗値が低い値を示す特徴を有するものであり、さらに、SOCを40%以上の充電状態で、40〜90℃でエージング処理することにより(初期充電後の電池の内部抵抗値)/(エージング処理後の電池の内部抵抗値)を、上記の値とすることができる、特に、エージング処理がSOC40%以上の充電状態でエージング処理が行われることが好ましい。 The lithium ion secondary battery of the present invention has a characteristic that the internal resistance value of the battery after the aging treatment is low, and further, the aging treatment is performed at 40 to 90 ° C. in a charged state of SOC of 40% or more. (Internal resistance value of battery after initial charging) / (Internal resistance value of battery after aging treatment) can be set to the above value, especially when the aging treatment is in a charged state of SOC 40% or more. It is preferred that processing be performed.
通常、80℃程度の高温でエージング処理をした場合には、電池内部抵抗は、1.05〜2.5倍程度に上昇するとされ、この電池内部抵抗の上昇は、パワー特性(出力特性)、電池容量の低下の大きな要因となっている。内部抵抗の増加は液抵抗の上昇に起因する部分が大きいといわれている。しかしながら、本発明においてはエージング処理した後の電池内部抵抗は減少している。その理由は定かではないが、内部抵抗の減少により電池の電気特性は向上しているのである。 Usually, when the aging treatment is performed at a high temperature of about 80 ° C., the battery internal resistance is increased to about 1.05 to 2.5 times. The increase in the battery internal resistance is caused by power characteristics (output characteristics), This is a major factor in battery capacity reduction. It is said that the increase in internal resistance is largely due to the increase in liquid resistance. However, in the present invention, the battery internal resistance after the aging treatment is reduced. The reason is not clear, but the electrical characteristics of the battery have been improved due to the decrease in internal resistance.
以下に、本発明のリチウム二次電池の製造方法についてその一例を、各構成要素と、エージング処理を含めて製造工程を説明する。
[リチウム二次電池の構成要素]
本製造方法が対象とするリチウムイオン二次電池は、例えば、炭素材料を負極活物質として含む負極と、正極と、非水電解液とポリマー電解質を主要構成要素として備えてなる。しかしながら、それらの構成要素に特に限定されるものではなく、既に公知の構成要素を組み合わせて構成するものであっても差し支えない。以下に、その一例として、一般的な態様を示す。
Below, an example of the manufacturing method of the lithium secondary battery of the present invention will be described, including each component and the aging process.
[Components of lithium secondary battery]
A lithium ion secondary battery targeted by the present manufacturing method includes, for example, a negative electrode including a carbon material as a negative electrode active material, a positive electrode, a nonaqueous electrolytic solution, and a polymer electrolyte as main components. However, it is not particularly limited to those components, and may be configured by combining already known components. Below, a general aspect is shown as an example.
[負極]
負極本製造方法が対象とするリチウム二次電池は、炭素材料を負極活物質として含む負極を用いる。負極活物質として用いることができる炭素材料には、天然黒鉛、球状あるいは繊維状の人造黒鉛などの黒鉛質材料、難黒鉛化性炭素材料、および、フェノール樹脂などの有機化合物焼成体、コークスなどの易黒鉛化性炭素材料の粉状体を挙げることができる。これらの炭素材料にはそれぞれの利点があり、作製しようとするリチウム二次電池の特性に応じて選択すればよい。
[Negative electrode]
A negative electrode containing a carbon material as a negative electrode active material is used for a lithium secondary battery targeted by the present negative electrode manufacturing method. Carbon materials that can be used as the negative electrode active material include graphite materials such as natural graphite, spherical or fibrous artificial graphite, non-graphitizable carbon materials, and organic compound fired bodies such as phenol resins, coke, etc. Mention may be made of powders of graphitizable carbon materials. These carbon materials have respective advantages, and may be selected according to the characteristics of the lithium secondary battery to be manufactured.
黒鉛質材料は、真密度が高くまた導電性に優れるため、容量が大きく(エネルギー密度の高い)、パワー特性の良好なリチウム二次電池を構成できるという利点がある。なお、人造黒鉛は、例えば、易黒鉛化性炭素を2800℃以上の高温で熱処理して製造することができる。易黒鉛化性炭素としては、一般に石油や石炭から得られるタールピッチを原料としたもので、コークス、MCMB、メソフェーズピッチ系炭素繊維、熱分解気相成長炭素繊維などが挙げられる。また、フェノール樹脂などの有機化合物焼成体をも用いることができる。 Since the graphite material has a high true density and excellent conductivity, it has an advantage that a lithium secondary battery having a large capacity (high energy density) and good power characteristics can be constituted. In addition, artificial graphite can be manufactured by heat-treating graphitizable carbon at a high temperature of 2800 ° C. or higher, for example. As graphitizable carbon, tar pitch generally obtained from petroleum or coal is used as a raw material, and examples thereof include coke, MCMB, mesophase pitch carbon fiber, and pyrolytic vapor grown carbon fiber. Moreover, organic compound baked bodies, such as a phenol resin, can also be used.
難黒鉛化性炭素は、いわゆるハードカーボンと呼ばれるもので、ガラス状炭素に代表される非晶質に近い構造をもつ炭素材料である。一般的には熱硬化性樹脂を炭素化して得られる材料であり、難黒鉛化性炭素には安全性が高く、比較的低コストであるという利点があり、難黒鉛化性炭素を負極活物質として用いるのが望ましい。 Non-graphitizable carbon is so-called hard carbon, and is a carbon material having a structure close to an amorphous typified by glassy carbon. Generally, it is a material obtained by carbonizing a thermosetting resin. Non-graphitizable carbon has the advantages of high safety and relatively low cost. It is desirable to use as.
負極は、これらの炭素材料の粉状体に結着剤を混合し、ペースト状の負極合材としたものを、銅などの金属箔製の集電体表面に塗布、乾燥し、その後、必要に応じプレスなどにて負極合材の密度を高めることによってシート状のものを形成して製造する。結着剤は、活物質粒子および導電材粒子を結合する役割を果たすものでポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、スチレンブタジエンゴム、カルボメトキシセルロース、フッ素ゴムなどの含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂を用いることができる。活物質、結着剤を分散させる溶剤としてはN−メチル−2−ピロリドンなどの有機溶剤、または水を用いることができる。 The negative electrode is prepared by mixing a binder in these carbon material powders, applying a paste-like negative electrode mixture onto the surface of a current collector made of a metal foil such as copper, and then drying. Accordingly, the density of the negative electrode mixture is increased by a press or the like to form and manufacture a sheet-like material. The binder plays a role of bonding the active material particles and the conductive material particles, such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, styrene butadiene rubber, carbomethoxy cellulose, fluorine-containing resin such as fluoro rubber, polypropylene, polyethylene, etc. A thermoplastic resin can be used. As a solvent for dispersing the active material and the binder, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone or water can be used.
[正極]
正極活物質には種々の公知の物質を用いることができる。一般には、Co、Mn、Ni、Mo、V、Cr、Fe、Cu、Tiなどの遷移金属とLiとの複合酸化物を用いることができるが、層状岩塩構造リチウムコバルト複合酸化物、層状岩塩構造リチウムニッケル複合酸化物、スピネル構造リチウムマンガン複合酸化物などを用いることが好ましい。LiサイトあるいはCo、Ni、Mnのサイトの一部を他の遷移金属元素、アルカリ金属元素、アルカリ土類元素などで置換したものを用いることも可能である。
[Positive electrode]
Various known materials can be used for the positive electrode active material. In general, composite oxides of Li and transition metals such as Co, Mn, Ni, Mo, V, Cr, Fe, Cu, and Ti can be used, but layered rock salt structure lithium cobalt composite oxide, layered rock salt structure It is preferable to use lithium nickel composite oxide, spinel structure lithium manganese composite oxide, or the like. It is also possible to use those obtained by substituting a part of the Li site or Co, Ni, or Mn site with another transition metal element, alkali metal element, alkaline earth element, or the like.
正極は、正極活物質となり得る物質の粉状体に導電材および結着剤を混合し、溶剤を加えてペースト状の正極合材としたものを、アルミニウムなどの金属箔製の集電体表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成したシート状のものとすることができる。導電材は、正極の電気伝導性を確保するためのものであり、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。結着剤は、負極の場合と同様、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、フッ素ゴムなどの含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂を用いることができる。これら活物質、導電材、結着剤を分散させる溶剤としては、N−メチル−2−ピロリドンなどの有機溶剤を用いることができる。 The positive electrode is made by mixing a conductive material and a binder with a powder of a substance that can be a positive electrode active material, and adding a solvent to form a paste-like positive electrode mixture. It can be made into a sheet-like material formed by applying and drying the material and compressing it to increase the electrode density as necessary. The conductive material is for ensuring the electrical conductivity of the positive electrode, and a material obtained by mixing one or more carbon material powders such as carbon black, acetylene black, and graphite can be used. As in the case of the negative electrode, the binder may be a fluorine-containing resin such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, or fluorine rubber, or a thermoplastic resin such as polypropylene or polyethylene. An organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used as a solvent for dispersing these active material, conductive material, and binder.
[非水電解液]
非水電解液は、電解質としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解させたものである。リチウム塩は有機溶媒に溶解することによって解離し、リチウムイオンとなって電解液中に存在する。使用できるリチウム塩としては、LiBF4、LiPF6、LiClO4、LiCF3SO3、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2などが挙げられる。これらのリチウム塩は、それぞれ単独で用いてもよく、また、これらのもののうち2種以上のものを併用することもできる。
[Non-aqueous electrolyte]
The nonaqueous electrolytic solution is obtained by dissolving a lithium salt as an electrolyte in an organic solvent. The lithium salt is dissociated by dissolving in an organic solvent, and becomes lithium ions and exists in the electrolytic solution. Examples of the lithium salt that can be used include LiBF 4 , LiPF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiAsF 6 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 and the like. These lithium salts may be used alone, or two or more of these may be used in combination.
リチウム塩を溶解させる有機溶媒には、非プロトン性の有機溶媒を用いる。例えば、環状カーボネート、鎖状カーボネート、環状エステル、環状エーテルあるいは鎖状エーテルの1種または2種以上からなる混合溶媒を用いることができる。環状カーボネート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、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどが例示される。鎖状カーボネートの例示としては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などが、環状エステルとしてはガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトンなどが例示される。環状エーテルとしてはテトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどが例示される。鎖状エーテルとしてはジメトキシエタン、エチレングリコールジメチルエーテルなどが例示される。 As the organic solvent for dissolving the lithium salt, an aprotic organic solvent is used. For example, a mixed solvent composed of one or more of cyclic carbonate, chain carbonate, cyclic ester, cyclic ether, or chain ether can be used. Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate and the like. Examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate, and examples of the cyclic ester include gamma butyrolactone and gamma valerolactone. Examples of cyclic ethers include tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran. Examples of the chain ether include dimethoxyethane and ethylene glycol dimethyl ether.
[ポリマー電解質]
ポリマー電解質を作製する方法は、例えば、アクリロイル基、メタクリロイル基、ビニル基、アリル基などの不飽和二重結合を有するモノマーや、エポキシ、オキセタン、ホルマールなどのカチオン重合性の環状エーテル基を有するモノマーを上記した非水電解質に含ませた後、モノマーを重合させる方法が例示される。このモノマーを重合させる時点は電池を組み立てた後としてもよい。これらの材料のうち、不飽和二重結合を有するモノマーは、熱、紫外線、電子線などによって重合させることができるが反応を効果的に進行させるために重合開始剤を添加してもよい。
[Polymer electrolyte]
The method for producing the polymer electrolyte is, for example, a monomer having an unsaturated double bond such as acryloyl group, methacryloyl group, vinyl group or allyl group, or a monomer having a cationic polymerizable cyclic ether group such as epoxy, oxetane or formal. An example is a method in which the monomer is polymerized after being contained in the non-aqueous electrolyte. The time when this monomer is polymerized may be after the battery is assembled. Among these materials, the monomer having an unsaturated double bond can be polymerized by heat, ultraviolet light, electron beam or the like, but a polymerization initiator may be added in order to advance the reaction effectively.
不飽和二重結合を有する、アクリル酸系モノマーとしては、アクリル系モノマーが、アクリル酸、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、エトキシエチルアクリレート、メトキシエチルアクリレート、エトキシエトキシエチルアクリレート、ポリエチレングリコールモノアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、エチレンオキサイド変性アクリレート、エトキシエチルメタクリレート、エトキシエチルメタクリレート、ポリエチレングリコールモノメタクリレート、N,N−ジエチルアミノエチルアクリレート、グリシジルアクリレート、アリルアクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート、テトラエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジメタクリレート、ポリプロピレングリコールジアクリレート、ポリプロピレングリコールジメタクリレート、ポリアルキレングリコールジメタクリレート、ポリアルキレングリコールジメタクリレート、トリメチロールプロパンアルコキシレートトリアクリレート、ペンタエリスリトールアルコキシレートテトラアクリレート、ジペンタエリスリトールポリアクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート、ペンタエリスリトールアルコキシレートテトラアクリレートなどを用いることができる。また、環状エーテル基を有するモノマーとしては、メチルメタクリレートと(3−エチル−3−オキセタニル)メチルアクリレートとの共重合ポリマー、テトラエチレングリコールビスオキセタン、ポリビニルホルマールなどが例示される。他に、シロキサン系、フォスファゼン系のポリマー、ポリアルキレンオキシドポリマーを使用することができる。 As an acrylic acid-based monomer having an unsaturated double bond, acrylic monomers are acrylic acid, methyl acrylate, ethyl acrylate, ethoxyethyl acrylate, methoxyethyl acrylate, ethoxyethoxyethyl acrylate, polyethylene glycol monoacrylate, polyethylene Glycol diacrylate, ethylene oxide modified acrylate, ethoxyethyl methacrylate, ethoxyethyl methacrylate, polyethylene glycol monomethacrylate, N, N-diethylaminoethyl acrylate, glycidyl acrylate, allyl acrylate, diethylene glycol diacrylate, tetraethylene glycol diacrylate, polyethylene glycol diacrylate , Polyethylene glycol dimethacrylate Polypropylene glycol diacrylate, polypropylene glycol dimethacrylate, polyalkylene glycol dimethacrylate, polyalkylene glycol dimethacrylate, trimethylolpropane alkoxylate triacrylate, pentaerythritol alkoxylate tetraacrylate, dipentaerythritol polyacrylate, dipentaerythritol hexaacrylate Pentaerythritol alkoxylate tetraacrylate and the like can be used. Examples of the monomer having a cyclic ether group include a copolymer of methyl methacrylate and (3-ethyl-3-oxetanyl) methyl acrylate, tetraethylene glycol bisoxetane, and polyvinyl formal. In addition, siloxane-based, phosphazene-based polymers, and polyalkylene oxide polymers can be used.
[製造工程]
本発明のリチウム二次電池の製造工程は、負極と正極とを対向させて電極体を形成させて、非水電解液、ポリマー電解質を電極体に含浸させて電池を組付ける電池組付工程からなる既知の方法で製造される。例えば、シート状の正極および負極を対向させて電極体を形成させ、正極と負極との間には、正極と負極とを分離し電解液を保持する役割を果たすセパレータを挟装させる。このセパレータには、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの薄い微多孔膜を用いることができる。
[Manufacturing process]
The manufacturing process of the lithium secondary battery of the present invention includes a battery assembly process in which a negative electrode and a positive electrode are opposed to each other to form an electrode body, and the battery body is assembled by impregnating the electrode body with a non-aqueous electrolyte and a polymer electrolyte. It is manufactured by a known method. For example, a sheet-like positive electrode and a negative electrode are made to face each other to form an electrode body, and a separator that separates the positive electrode and the negative electrode and holds the electrolyte is interposed between the positive electrode and the negative electrode. For this separator, a thin microporous film such as polyethylene or polypropylene can be used.
電極体の形状は、作製しようとする電池の形状に応じて決定される。例えば、円盤状あるいはカード状の正極および負極を対向させて、円形あるいはカード形電池の電極体とすることができ、また、カード状の正極および負極を複数枚ずつ用い、それを交互に幾重にも重ねて角型電池の電極体とすることもできる。さらに、帯状の正極および負極を捲回し、円筒型電池の電極体とすることができる。また、電極体の大きさについても用途に応じて適宜決定される。 The shape of the electrode body is determined according to the shape of the battery to be manufactured. For example, a disk-shaped or card-shaped positive electrode and negative electrode can be made to face each other to form a circular or card-type battery electrode body. Also, a plurality of card-shaped positive electrodes and negative electrodes are used, and the layers are alternately stacked. Also, the electrode body of a square battery can be formed by overlapping. Furthermore, the belt-like positive electrode and negative electrode can be wound to form an electrode body of a cylindrical battery. Also, the size of the electrode body is appropriately determined according to the application.
[エージング処理]
エージング処理工程は、電池組付工程で組付けられた電池にエージング処理を行うものであり、リチウム二次電池のサイクル特性を向上させることを目的とし、所定の温度で、所定時間、組付けられた電池を保存または保持することをいうものであり、放電状態または充電状態で一定時間放置することをいうが、一定の充電容量を持った充電状態でエージングすることが好ましい。エージング時の充電容量は、本充電時の充電容量の40〜100%が好ましい。また、エージング処理における保持温度は、40℃以上90℃以下とするのが望ましい。40℃未満の低温度では、サイクル特性向上の効果は小さいものとなり、また、90℃を超える温度では、セパレータなどに悪影響を与える可能性があるからである。なお、保存温度が高いほどエージング処理の効果は大きいものとなる。
[Aging process]
The aging treatment process is to perform aging treatment on the battery assembled in the battery assembling process, and is intended to improve the cycle characteristics of the lithium secondary battery and is assembled at a predetermined temperature for a predetermined time. This means that the battery is stored or retained, and is left for a certain period of time in a discharged state or a charged state, but is preferably aged in a charged state having a constant charge capacity. The charge capacity during aging is preferably 40 to 100% of the charge capacity during main charge. The holding temperature in the aging treatment is desirably 40 ° C. or higher and 90 ° C. or lower. This is because if the temperature is lower than 40 ° C., the effect of improving the cycle characteristics is small, and if the temperature exceeds 90 ° C., the separator may be adversely affected. Note that the higher the storage temperature, the greater the effect of the aging process.
エージング処理における保存時間は特に限定されないが、サイクル特性向上の効果が得られるのに必要な時間であればよい。保存時間が長いほどエージング処理の効果は大きくなるが、必要以上に行ってもただ時間を経過させるだけであり効率的ではない。保存温度によっても異なるものとなるが3時間〜15日間程度の範囲内の期間とすればよい。 The storage time in the aging process is not particularly limited, but may be any time necessary for obtaining the effect of improving the cycle characteristics. The longer the storage time is, the greater the effect of the aging process is. However, even if the storage time is longer than necessary, only the time elapses and it is not efficient. Although it differs depending on the storage temperature, it may be a period of about 3 hours to 15 days.
[内部抵抗および初期充放電の測定]
本発明の製造方法では、エージング処理の前に、いわゆるフォーメーションと称される初期充放電を実施することが好ましい。フォーメーションの条件は特に限定するものではなく、通常のリチウム二次電池に施されるように、比較的低電流で行えばよい。また、フォーメーションに引き続き、あるいは、フォーメーションを行わずに、適当な充電状態(SOC)となるまで予備充電を行い、その充電状態のままでエージング処理を行うものであってもよい。
初期充放電(フォーメーション)の条件としては、例えば、24℃環境下で、充電終止電圧4.1Vまで定電流定電圧で充電し、次いで放電終止電圧3.0Vまで0.5Aの定電流で放電するものを1サイクルとし、このサイクルを1サイクル行うことによることができる。フォーメーション終了後、その電池のSOC50%における内部抵抗を24℃環境下で測定し、その測定値をエージング処理前の電池内部抵抗とすることができる。
[Measurement of internal resistance and initial charge / discharge]
In the production method of the present invention, it is preferable to perform initial charge / discharge called so-called formation before the aging treatment. The formation conditions are not particularly limited, and may be performed at a relatively low current as applied to a normal lithium secondary battery. Further, the aging process may be performed after the formation or without performing the formation until the precharge is performed until the state of charge (SOC) is reached and the state of charge is maintained.
The initial charging / discharging (formation) conditions are, for example, charging at a constant current / constant voltage to a charge end voltage of 4.1V in a 24 ° C. environment, and then discharging at a constant current of 0.5A to a discharge end voltage of 3.0V. This can be done by making one cycle one cycle. After the formation is completed, the internal resistance of the battery at 50% SOC can be measured in a 24 ° C. environment, and the measured value can be used as the battery internal resistance before the aging treatment.
[SOC(充電状態)]
電池を充電した状態でエージング処理を行うと特性が大きく改善される。すなわち、電池が可逆的に充放電可能な電気量をすべて充電した状態である満充電状態をSOC=100%から40%の間でエージング処理を行うことが好ましい。SOCが40%以下でエージングすると電池内部抵抗が十分低下しないため、電池の性能向上効果は少ない。
[SOC (charging state)]
When the aging process is performed with the battery charged, the characteristics are greatly improved. That is, it is preferable to perform an aging process between SOC = 100% and 40% in a fully charged state in which the battery is charged with all the amount of electricity that can be reversibly charged and discharged. When the SOC is aged at 40% or less, the battery internal resistance is not sufficiently lowered, so that the battery performance improvement effect is small.
エージング処理により低温でのサイクル特性が向上する。また、そのサイクル特性向上効果が大きいほど電池の内部抵抗は小さくなっている。エージング処理の効果の目安としては、エージング処理前の電池内部抵抗(A)とエージング処理後の電池内部抵抗(B)を対比すればよい。この電池内部抵抗比を以下の式で定義する値で判断される。
電池内部抵抗比が0.7を超えないようにエージング処理を行うことが望ましい。電池内部抵抗比が0.7を超える場合は、電池特性向上効果が小さくなる。
[エージング処理後の電池内部抵抗(B)]/[エージング処理前の充放電した電池内部抵抗(A)] ・・・・・・・・・・・・・・数式(1)
Aging treatment improves cycle characteristics at low temperatures. Further, the greater the cycle characteristic improvement effect, the smaller the internal resistance of the battery. As a measure of the effect of the aging treatment, the battery internal resistance (A) before the aging treatment may be compared with the battery internal resistance (B) after the aging treatment. This battery internal resistance ratio is determined by a value defined by the following equation.
It is desirable to perform an aging treatment so that the battery internal resistance ratio does not exceed 0.7. When the battery internal resistance ratio exceeds 0.7, the effect of improving battery characteristics is reduced.
[Battery internal resistance after aging treatment (B)] / [Charged / discharged battery internal resistance before aging treatment (A)]
[10Ahセルによる試験]
エージングの処理条件の違いによる内部抵抗および低温サイクル特性の変化を測定した。図1には内部抵抗のエージング処理条件依存性を、図2には低温サイクル特性のエージング処理条件依存性示す。
アクリル系ポリマーを含有するポリマー電解質を用いてリチウムイオン二次電池である10Ahセルを作製し内部抵抗のエージング処理条件依存性を測定した。エージング処理前の充電状態(SOC)が30、50、80、100%である電池を作製し、45℃で10日間のエージング処理を行った。各SOC値における内部抵抗値を測定してエージング処理前の値と対比した結果を図1に示す。SOCが30%の電池ではエージング処理した後の内部抵抗値の低下はさほど大きくはなく、SOCが50%以上となると内部抵抗値が著しく低下することが図1には示されている。さらに、SOCと内部抵抗値の低下を検討したところ、SOCが40%以上となると内部抵抗値が低下し電池性能を著しく向上させることができることが判明した。
[Test with 10Ah cell]
Changes in internal resistance and low-temperature cycle characteristics with different aging treatment conditions were measured. FIG. 1 shows the dependence of internal resistance on aging treatment conditions, and FIG. 2 shows the dependence of low temperature cycle characteristics on aging treatment conditions.
A 10Ah cell, which is a lithium ion secondary battery, was prepared using a polymer electrolyte containing an acrylic polymer, and the dependency of internal resistance on aging treatment conditions was measured. A battery having a state of charge (SOC) before aging treatment of 30, 50, 80, and 100% was produced, and aging treatment was performed at 45 ° C. for 10 days. FIG. 1 shows the result of measuring the internal resistance value at each SOC value and comparing it with the value before the aging treatment. In a battery with an SOC of 30%, the decrease in the internal resistance value after the aging treatment is not so large, and FIG. 1 shows that the internal resistance value is significantly decreased when the SOC is 50% or more. Further, when the reduction of the SOC and the internal resistance value was examined, it was found that when the SOC was 40% or more, the internal resistance value was reduced and the battery performance could be remarkably improved.
低温でのサイクル特性のエージング処理による影響を、リチウムイオン二次電池である10Ahセルにより検討した。エージング処理前の充電状態(SOC)が30、50、80、100%である電池を、45℃で10日間エージング処理をした電池のサイクル特性を0℃の温度条件下で測定してエージング処理前の電池と対比した結果を図2に示す。
0℃サイクル特性の評価条件は、0℃環境下で充電電流0.5C、充電電圧4.10Vの定電流定電圧充電で電流値がC/20となるまで充電した後、放電電流1.0C、終止電圧3.00Vの条件で充放電を50サイクル繰り返し、1サイクル目の放電容量(Ah)と50サイクル目の放電容量(Ah)から下記の数式(2)により容量維持率を算出した。
容量維持率(%)=(50サイクル目の放電容量)×100/(1サイクル目の放電容量) ・・・・・・・・・・・・・・・数式(2)
SOCが50、80、100%でエージング処理した本発明の電池は、低温サイクル特性が著しく改善されていることが図2から判明した。SOCが異なる試料間では、SOCが大きいほど特性に優れていた。SOC30%でエージングを行なった電池では容量維持率がサイクル数の増加とともに急激に低下し、エージング効果が認められなかった。
The influence of the aging treatment on the cycle characteristics at low temperature was examined using a 10 Ah cell which is a lithium ion secondary battery. Before the aging treatment, the cycle characteristics of a battery in which the state of charge (SOC) before aging treatment is 30, 50, 80, 100% and aged at 45 ° C. for 10 days are measured under a temperature condition of 0 ° C. FIG. 2 shows the result of comparison with this battery.
The evaluation condition for the 0 ° C. cycle characteristics is that the charge current is 0.5 C in a 0 ° C. environment, the battery is charged at a constant current and constant voltage with a charge voltage of 4.10 V until the current value becomes C / 20, and then the discharge current is 1.0 C. The charge and discharge were repeated 50 cycles under the condition of a final voltage of 3.00 V, and the capacity retention rate was calculated from the discharge capacity (Ah) at the first cycle and the discharge capacity (Ah) at the 50th cycle by the following formula (2).
Capacity retention rate (%) = (discharge capacity at 50th cycle) × 100 / (discharge capacity at the first cycle) ................................. (2)
It was found from FIG. 2 that the battery of the present invention that was aged at SOC of 50, 80, and 100% had significantly improved low-temperature cycle characteristics. Among samples with different SOCs, the larger the SOC, the better the characteristics. In a battery that was aged at 30% SOC, the capacity retention rate decreased rapidly as the number of cycles increased, and no aging effect was observed.
以下、実施例および比較例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は、その趣旨を損なわない限り、以下に示す実施例に限定されるものではない。実施例および比較例とも使用される原料、部材は、予備乾燥を行なった。なお、以下の諸例中、「部」とあるのは「質量部」を意味する。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated more concretely, this invention is not limited to the Example shown below, unless the meaning is impaired. The raw materials and members used in both the examples and comparative examples were pre-dried. In the following examples, “part” means “part by mass”.
<電極用スラリーの調整>
以下に示す組成に従ってプラネタリーミキサーで混練・分散処理し、正極スラリーと負極用スラリーを調整した。
<Adjustment of electrode slurry>
A positive slurry and a negative slurry were prepared by kneading and dispersing with a planetary mixer according to the composition shown below.
(正極用スラリー組成)
LiNi0.80Co0.15Al0.05O2(活物質) :41.6部
LiCoO2 (活物質) :18.2部
アセチレンブラック (導電材) : 2.6部
ポリフッ化ビニリデン(バインダー) : 2.6部
N−メチルピロリドン(溶剤) :35.0部
(Slurry composition for positive electrode)
LiNi 0.80 Co 0.15 Al 0.05 O 2 (active material): 41.6 parts LiCoO 2 (active material): 18.2 parts Acetylene black (conductive material): 2.6 parts Polyvinylidene fluoride (binder) ): 2.6 parts N-methylpyrrolidone (solvent): 35.0 parts
(負極用スラリー組成)
非晶質炭素表面被覆グラファイト(活物質) :38.7部
メソカーボンマイクロビーズ (活物質) : 7.8部
スチレンブタジエンゴム (バインダー) : 0.9部
カルボメトキシセルロース : 0.4部
イオン交換水 :52.2部
(Slurry composition for negative electrode)
Amorphous carbon surface-coated graphite (active material): 38.7 parts Mesocarbon microbeads (active material): 7.8 parts Styrene butadiene rubber (binder): 0.9 parts Carbomethoxycellulose: 0.4 parts Ion exchange Water: 52.2 parts
<電解液の調整>
電解液の調整に使用した原料は次の通りである。そして、以下に示す組成に従って溶解し、均一な電解液を調整した。
<Adjustment of electrolyte>
The raw materials used for the preparation of the electrolytic solution are as follows. And it melt | dissolved according to the composition shown below, and prepared the uniform electrolyte solution.
(電解液組成)
プロピレンカーボネート :35.4部
エチレンカーボネート :38.8部
LiPF6 :18.5部
ジペンタエリスリトールポリアクリレートポリウンデシレート : 7.1部
(新中村化学工業(株)社製 ADP−51)
架橋開始剤(化薬アクゾ(株)社製 トリゴノックス23C−70) : 0.2部
(Electrolytic solution composition)
Propylene carbonate: 35.4 parts Ethylene carbonate: 38.8 parts LiPF 6 : 18.5 parts Dipentaerythritol polyacrylate polyundecylate: 7.1 parts (ADP-51 manufactured by Shin-Nakamura Chemical Co., Ltd.)
Cross-linking initiator (Trigonox 23C-70 manufactured by Kayaku Akzo Co., Ltd.): 0.2 part
<二次電池の製造>
先ず、ドクターブレードにより、厚さ20μmのアルミ箔上に正極用塗料を片面塗布して乾燥し、空隙を有する正極活物質層が形成されたシートを得た。その後、カレンダー処理し、最終的な層厚を約60μmとした。上記と同様に、厚さ10μmの銅箔上に負極用塗料を片面塗布して乾燥し、空隙を有する負極活物質層を形成されたシートを得た。次に、カレンダー処理し、最終的な層厚を約54μmとした。
その後、塗膜の再乾燥をドライ環境下、120℃で行なった後、所定の形状に打ち抜いた。
<Manufacture of secondary batteries>
First, a positive electrode coating material was applied on one side onto a 20 μm thick aluminum foil with a doctor blade and dried to obtain a sheet on which a positive electrode active material layer having voids was formed. Thereafter, a calendar process was performed to obtain a final layer thickness of about 60 μm. Similarly to the above, a negative electrode coating material was applied on one side onto a 10 μm thick copper foil and dried to obtain a sheet on which a negative electrode active material layer having voids was formed. Next, calendering was performed to obtain a final layer thickness of about 54 μm.
Thereafter, the coating film was re-dried at 120 ° C. in a dry environment, and then punched into a predetermined shape.
次いで、電解液塗布ピンにより、上記の各シートの活物質層側に電解液を塗布して含浸させた。その際、電解液塗布ピンの高さを調節することにより、空隙が充填される分量よりも過剰な量を塗布し、表面に電解液を存在させた。
その後、厚さ16μmのポリエチレン製微多孔性フィルムの空隙に電解液を含浸させた後、微多孔性フィルムを間にして正極シートと負極シートを積層し、ついで全体を115℃に加温することによって電解液をゲル化し、活物質層内の空隙と電解質層に連続したゲル状電解質を形成し、正極、電解質層および負極からなる電池素子Aを得た。
Next, the electrolytic solution was applied and impregnated on the active material layer side of each of the above sheets with an electrolytic solution application pin. At that time, by adjusting the height of the electrolyte solution application pin, an amount more than the amount that fills the gap was applied, and the electrolyte solution was present on the surface.
Then, after impregnating the electrolyte in the voids of a polyethylene microporous film having a thickness of 16 μm, the positive electrode sheet and the negative electrode sheet are laminated with the microporous film interposed therebetween, and then the whole is heated to 115 ° C. Thus, the electrolyte solution was gelled to form a gel electrolyte continuous with the voids in the active material layer and the electrolyte layer, and a battery element A composed of a positive electrode, an electrolyte layer, and a negative electrode was obtained.
次いで、電池素子Aを34個並列に積層して電池素子Bを得た。
電池素子Bに端子を取り付けた後、真空パックに封入し、1C容量が10.0Ahのリチウム二次電池を作製した。
Next, 34 battery elements A were stacked in parallel to obtain battery element B.
After a terminal was attached to the battery element B, it was sealed in a vacuum pack, and a lithium secondary battery having a 1C capacity of 10.0 Ah was produced.
作製した10.0Ahリチウム二次電池の初期充放電(フォーメーション)を行なった。その後、SOC100%に調整した後、45℃の恒温槽内で10日間エージングを行なった。上記エージングの後、SOC50%に調整して内部抵抗を測定した後、0℃環境下で充電電流5A、放電電流10Aにて、3.0−4.10V間でサイクル特性の評価を行なった。 The prepared 10.0 Ah lithium secondary battery was subjected to initial charge / discharge (formation). Then, after adjusting to SOC 100%, it aged for 10 days in a 45 degreeC thermostat. After the aging, the SOC was adjusted to 50% and the internal resistance was measured. Then, the cycle characteristics were evaluated between 3.0 and 4.10 V at a charging current of 5 A and a discharging current of 10 A in an environment of 0 ° C.
実施例1と同様に作製した10.0Ahリチウム二次電池を初期充放電(フォーメーション)した後、SOC80%に調整し、45℃の恒温槽内で10日間エージングを行なった。その後、SOC50%に調整して内部抵抗を測定した後、0℃環境下で充電電流5A、放電電流10Aにて、3.0−4.10V間でサイクル特性の評価を行なった。 A 10.0 Ah lithium secondary battery produced in the same manner as in Example 1 was initially charged and discharged (formation), adjusted to 80% SOC, and aged for 10 days in a 45 ° C. thermostat. Thereafter, after adjusting the SOC to 50% and measuring the internal resistance, the cycle characteristics were evaluated between 3.0 and 4.10 V at a charging current of 5 A and a discharging current of 10 A in an environment of 0 ° C.
実施例1と同様に作製した10.0Ahリチウム二次電池を初期充放電(フォーメーション)した後、SOC50%に調整し、45℃の恒温槽内で10日間エージングを行なった。その後、SOC50%に調整して内部抵抗を測定した後、0℃環境下で充電電流5A、放電電流10Aにて、3.0−4.10V間でサイクル特性の評価を行なった。 A 10.0 Ah lithium secondary battery produced in the same manner as in Example 1 was initially charged and discharged (formation), adjusted to 50% SOC, and aged for 10 days in a 45 ° C. thermostat. Thereafter, after adjusting the SOC to 50% and measuring the internal resistance, the cycle characteristics were evaluated between 3.0 and 4.10 V at a charging current of 5 A and a discharging current of 10 A in an environment of 0 ° C.
実施例1と同様に作製した10.0Ahリチウム二次電池を初期充放電(フォーメーション)した後、SOC30%に調整し、45℃の恒温槽内で10日間エージングを行なった。その後、SOC50%に調整して内部抵抗を測定した後、0℃環境下で充電電流5A、放電電流10Aにて、3.0−4.10V間でサイクル特性の評価を行なった。 A 10.0 Ah lithium secondary battery produced in the same manner as in Example 1 was initially charged and discharged (formation), adjusted to SOC 30%, and aged in a 45 ° C. thermostat for 10 days. Thereafter, after adjusting the SOC to 50% and measuring the internal resistance, the cycle characteristics were evaluated between 3.0 and 4.10 V at a charging current of 5 A and a discharging current of 10 A in an environment of 0 ° C.
尚、実施例1〜3、及び比較例1において、エージング前に容量・内部抵抗を測定した。
また、初期充放電(フォーメーション)・容量確認・内部抵抗測定・低温におけるサイクル特性は、以下に記載する方法で評価を行なった。
In Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, capacitance and internal resistance were measured before aging.
Moreover, initial charge / discharge (formation), capacity confirmation, internal resistance measurement, and cycle characteristics at low temperatures were evaluated by the methods described below.
<初期充放電>
初期充放電(フォーメーション)は、24℃環境下で、充電電流2A、充電電圧4.10Vの定電流定電圧充電を8時間行い、次いで放電終止電圧3.0Vまで5Aの定電流で放電を行なった。
<Initial charge / discharge>
Initial charge / discharge (formation) is performed at a constant current of 5 A to a discharge end voltage of 3.0 V under a constant current and constant voltage charge of 2 A and a charge voltage of 4.10 V for 8 hours in a 24 ° C. environment. It was.
<容量の確認>
24℃環境下で、充電電流10A、充電電圧4.10Vの定電流定電圧充電を行い、電流値が500mAに達したら充電を終了した。充電終了後、放電電流10A、終止電圧3.00Vの条件で放電を行なった。
上記充放電を2回繰り返し、2回目の放電容量(Ah)を1C放電容量とした。
また、2回目の充電容量をSOC100%容量とした。
<Confirmation of capacity>
In a 24 ° C. environment, constant current and constant voltage charging with a charging current of 10 A and a charging voltage of 4.10 V was performed, and the charging was terminated when the current value reached 500 mA. After the completion of charging, discharging was performed under the conditions of a discharging current of 10 A and a final voltage of 3.00 V.
The above charge / discharge was repeated twice, and the second discharge capacity (Ah) was defined as 1C discharge capacity.
In addition, the second charge capacity was set to 100% SOC.
<内部抵抗の測定>
24℃環境下で、SOC50%に調整した後、放電電流20Aで10秒間放電を行なった。放電前の電圧(V)と放電10秒目の電圧(V)から下記の数式(3)により内部抵抗値を算出した。
内部抵抗(mΩ)=((放電前の電圧)−(放電10秒目の電圧))×1000/放電電流値 ・・・・・・・・・・・・・・・数式(3)
<Measurement of internal resistance>
After adjusting to SOC 50% in a 24 ° C. environment, discharging was performed at a discharge current of 20 A for 10 seconds. The internal resistance value was calculated from the voltage (V) before discharge and the voltage (V) at 10 seconds after discharge by the following mathematical formula (3).
Internal resistance (mΩ) = ((Voltage before discharge) − (Voltage at discharge 10 seconds)) × 1000 / Discharge current value (3)
<低温におけるサイクル特性の評価>
0℃環境下で充電電流5A、充電電圧4.10Vの定電流定電圧で電流値500mAとなるまで充電した後、放電電流10A、終止電圧3.00Vの条件で充放電を100サイクル繰り返し、1サイクル目の放電容量(Ah)と100サイクル目の放電容量(Ah)から下記の数式(4)により容量維持率を算出した。
容量維持率(%)=(100サイクル目の放電容量)×100/(1サイクル目の放電容量) ・・・・・・・・・・・・・・数式(4)
<Evaluation of cycle characteristics at low temperature>
After charging until a current value of 500 mA is obtained at a constant current and constant voltage of 5 A and a charging voltage of 4.10 V in an environment of 0 ° C., charging and discharging are repeated 100 cycles under the conditions of a discharging current of 10 A and a final voltage of 3.00 V. From the discharge capacity (Ah) at the cycle and the discharge capacity (Ah) at the 100th cycle, the capacity retention rate was calculated by the following mathematical formula (4).
Capacity maintenance ratio (%) = (discharge capacity at the 100th cycle) × 100 / (discharge capacity at the first cycle)... (4)
試験の結果、図1および図2において示されているSOC=100%の電池と同様の傾向を示す結果が得られ、低温環境下でのサイクル特性が優れていることが判明した。エージング処理を施すことにより、電池の内部抵抗は低下し、充放電サイクル試験における容量維持率が向上する。本発明のリチウム二次電池の製造方法は、高いサイクル特性を維持しつつ、放電容量が大きく、パワー特性に優れたリチウム二次電池を製造することのできる製造方法であることが確認できた。 As a result of the test, a result showing the same tendency as the battery of SOC = 100% shown in FIGS. 1 and 2 was obtained, and it was found that the cycle characteristics under a low temperature environment were excellent. By performing the aging treatment, the internal resistance of the battery is lowered, and the capacity retention rate in the charge / discharge cycle test is improved. It has been confirmed that the method for producing a lithium secondary battery of the present invention is a production method capable of producing a lithium secondary battery having a large discharge capacity and excellent power characteristics while maintaining high cycle characteristics.
本発明のリチウムイオン二次電池は、エージング処理によって、大容量、高出力のリチウムイオン二次電池を提供することができるとともに、低温でのサイクル特性が良好であり、従来のリチウムイオン二次電池の欠点が大きく改善されたものである。このように低温環境下での性能が改善されたリチウムイオン二次電池は、電子機器の電源としては有用であるばかりか、特殊な低温環境下で使用される機器類、あるいは電気自動車用電源、電力貯蔵用などの大容量用途にまで広く用いることができるところから、今後増々需要が高まり、広範囲の産業の進歩に貢献するものと思われる。 The lithium ion secondary battery of the present invention can provide a large-capacity, high-power lithium ion secondary battery by aging treatment, and has good cycle characteristics at low temperatures, and is a conventional lithium ion secondary battery. This is a significant improvement in the disadvantages. Thus, the lithium ion secondary battery with improved performance in a low temperature environment is not only useful as a power source for electronic devices, but also devices used in special low temperature environments, or power sources for electric vehicles, Since it can be widely used for large-capacity applications such as power storage, it is expected that demand will increase in the future and contribute to the progress of a wide range of industries.
Claims (10)
Acrylic monomers are acrylic acid, methyl acrylate, ethyl acrylate, ethoxyethyl acrylate, methoxyethyl acrylate, ethoxyethoxyethyl acrylate, polyethylene glycol monoacrylate, polyethylene glycol diacrylate, ethylene oxide modified acrylate, ethoxyethyl methacrylate, ethoxyethyl Methacrylate, polyethylene glycol monomethacrylate, N, N-diethylaminoethyl acrylate, glycidyl acrylate, allyl acrylate, diethylene glycol diacrylate, tetraethylene glycol diacrylate, polyethylene glycol diacrylate, polyethylene glycol dimethacrylate, polypropylene glycol diacrylate, polypro Lenglycol dimethacrylate, polyalkylene glycol dimethacrylate, polyalkylene glycol dimethacrylate, trimethylolpropane alkoxylate triacrylate, pentaerythritol alkoxylate tetraacrylate, dipentaerythritol polyacrylate, dipentaerythritol hexaacrylate, pentaerythritol alkoxylate tetraacrylate The method for producing a lithium ion secondary battery having improved output characteristics and low-temperature characteristics according to claim 9, which is one or more selected from the group consisting of:
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