JP2014207058A - Secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二次電池に関する。詳しくは、長尺な正極集電体の両面に正極活物質層を備える正極シートと、長尺な負極集電体の両面に負極活物質層を備える負極シートと、前記正極シートと前記負極シートとの間に介在するセパレータとを重ねて捲回した捲回電極体を備える二次電池に関する。 The present invention relates to a secondary battery. Specifically, a positive electrode sheet having a positive electrode active material layer on both sides of a long positive electrode current collector, a negative electrode sheet having a negative electrode active material layer on both sides of a long negative electrode current collector, the positive electrode sheet, and the negative electrode sheet The present invention relates to a secondary battery including a wound electrode body wound with a separator interposed therebetween.
近年、リチウム二次電池(例えばリチウムイオン電池)、ニッケル水素電池等の二次電池は、車両搭載用電源、あるいはパソコンおよび携帯端末の電源として好ましく用いられている。特に、リチウム二次電池は、軽量で高エネルギー密度が得られることから、車両搭載用の高出力電源あるいは電力貯蔵システムの電源等としての重要性が高まっている。
この種の電池の一つとして、長尺の正極シートと負極シートとをセパレータを介して積層させて渦巻き状に捲回した捲回電極体を備える電池構造が知られている。電極体を渦巻き状とすることにより正負極の反応面積を増大させることができ、これによってエネルギー密度を高め、高出力を可能としている。
2. Description of the Related Art In recent years, secondary batteries such as lithium secondary batteries (for example, lithium ion batteries) and nickel metal hydride batteries are preferably used as power sources for mounting on vehicles or personal computers and portable terminals. In particular, since lithium secondary batteries are lightweight and have a high energy density, their importance as a high output power source for mounting on a vehicle or a power source for a power storage system is increasing.
As one of this type of battery, a battery structure including a wound electrode body in which a long positive electrode sheet and a negative electrode sheet are stacked via a separator and wound in a spiral shape is known. By making the electrode body spiral, the reaction area of the positive and negative electrodes can be increased, thereby increasing the energy density and enabling high output.
この捲回電極体において、正極シートは、一般的に、正極集電体の両面に正極活物質を含む正極活物質層形成用組成物(例えば、ペースト状、スラリー状に調製され得る。)を供給して正極活物質層を形成することで作製されている。また、負極シートは、負極集電体の両面に負極活物質を含む負極活物質層形成用組成物を供給して負極活物質層を形成することで作製されている。リチウム二次電池の正極活物質としては、リチウム元素と遷移金属元素とを構成金属元素として含む酸化物(リチウム遷移金属複合酸化物)が広く用いられている。また、リチウム遷移金属複合酸化物にタングステン(W)やモリブデン(Mo)等の少量の異種金属元素を添加することで電池性能を向上し得ることが知られている(例えば特許文献1〜3等)。 In this wound electrode body, the positive electrode sheet is generally a positive electrode active material layer forming composition containing a positive electrode active material on both sides of the positive electrode current collector (for example, it can be prepared in a paste form or a slurry form). It is produced by supplying and forming a positive electrode active material layer. Moreover, the negative electrode sheet is produced by supplying a negative electrode active material layer-forming composition containing a negative electrode active material to both surfaces of a negative electrode current collector to form a negative electrode active material layer. As a positive electrode active material of a lithium secondary battery, an oxide (lithium transition metal composite oxide) containing a lithium element and a transition metal element as constituent metal elements is widely used. In addition, it is known that battery performance can be improved by adding a small amount of different metal elements such as tungsten (W) and molybdenum (Mo) to the lithium transition metal composite oxide (for example, Patent Documents 1 to 3). ).
ところで、車両搭載用等の高出力用途の場合には、これらの電極シート(すなわち正極シートおよび/または負極シート)の長手方向に直交する幅方向の一方の縁部の両面に、活物質層が形成されない未塗工部を、集電効率を高めるために帯状に設けて集電部として利用するようにしている。そして、上記電極シートを用いて捲回電極体を構築する際には、正極シートの未塗工部と負極シートの未塗工部とが幅方向の反対側に突出するように両電極シートの未塗工部を互い違いに配置し、捲回するようにしている。 By the way, in the case of high output use such as for vehicle mounting, active material layers are formed on both surfaces of one edge in the width direction orthogonal to the longitudinal direction of these electrode sheets (that is, the positive electrode sheet and / or the negative electrode sheet). The uncoated part that is not formed is provided in a strip shape to increase the current collection efficiency and used as a current collection part. And when constructing a wound electrode body using the above electrode sheet, the uncoated part of the positive electrode sheet and the uncoated part of the negative electrode sheet are protruded to the opposite side in the width direction. Uncoated parts are arranged alternately and wound.
かかる形態について、本発明者は、リチウム遷移金属複合酸化物に少量の異種金属元素を添加してなる正極活物質を用いた場合、正極活物質層の縁部で正極活物質層に含まれる異種金属元素が局所的に溶出する事象を見出した。正極活物質層の縁部で異種金属元素が局所的に溶出する事象は、満充電後に高温環境で長期間保存された時などに生じやすい傾向がある。このように異種金属元素が局所的に溶出すると、負極上に析出して微小短絡が生じたり電池容量が低下したりする要因になり得る。そのため、正極活物質層の縁部で異種金属元素が局所的に溶出するのをできる限り少なく抑えたい。本発明は、上記課題を解決することを目的とする。 With respect to such a form, the present inventor, when using a positive electrode active material obtained by adding a small amount of a different metal element to a lithium transition metal composite oxide, the different type contained in the positive electrode active material layer at the edge of the positive electrode active material layer. We found an event where metal elements elute locally. The phenomenon in which a dissimilar metal element elutes locally at the edge of the positive electrode active material layer tends to occur when stored for a long time in a high temperature environment after full charge. When the dissimilar metal element is locally eluted in this manner, it can be deposited on the negative electrode to cause a micro short circuit or a decrease in battery capacity. Therefore, it is desired to suppress as much as possible the dissimilar metal element from being locally eluted at the edge of the positive electrode active material layer. The present invention aims to solve the above problems.
ここで提案される二次電池は、長尺な正極集電体上に正極活物質層を備える正極シートと、長尺な負極集電体の両面に負極活物質層を備える負極シートと、前記正極シートと前記負極シートとの間に介在するセパレータとを重ね合わせた電極体を備える二次電池である。上記負極活物質層は、上記負極集電体の長手方向に直交する幅方向の一方の縁部に該負極活物質層が形成されていない未塗工部を設け、かつ、他方の縁部には実質的に前記未塗工部が設けられないように形成されている。また、上記正極活物質層は、上記正極集電体の長手方向に直交する幅方向の一方の縁部に該正極活物質層が形成されていない未塗工部を設け、かつ、他方の縁部には実質的に未塗工部が設けられないように形成されている。さらに、上記負極集電体と前記正極集電体とは、互いの未塗工部が幅方向の反対側に突出するように、配置されている。ここで上記正極活物質層は、リチウム遷移金属複合酸化物の主成分に対して、該主成分を構成している元素を除く少なくとも一種の金属元素が添加されてなる正極活物質を用いた添加元素含有領域と、リチウム遷移金属複合酸化物の主成分に対して上記金属元素が添加されていない正極活物質を用いた非添加元素含有領域とを有する。そして、上記非添加元素含有領域は、上記正極活物質層の上記未塗工部が形成されている側の縁部に設けられている。 The secondary battery proposed here includes a positive electrode sheet having a positive electrode active material layer on a long positive electrode current collector, a negative electrode sheet having negative electrode active material layers on both sides of the long negative electrode current collector, It is a secondary battery provided with an electrode body in which a positive electrode sheet and a separator interposed between the negative electrode sheet are overlapped. The negative electrode active material layer is provided with an uncoated portion where the negative electrode active material layer is not formed on one edge in the width direction perpendicular to the longitudinal direction of the negative electrode current collector, and on the other edge. Is formed so that the uncoated portion is not substantially provided. The positive electrode active material layer is provided with an uncoated portion where the positive electrode active material layer is not formed at one edge in the width direction perpendicular to the longitudinal direction of the positive electrode current collector, and the other edge The part is formed so that a substantially uncoated part is not provided. Furthermore, the negative electrode current collector and the positive electrode current collector are arranged so that the uncoated portions of the negative electrode project to the opposite side in the width direction. Here, the positive electrode active material layer is added using a positive electrode active material in which at least one metal element excluding an element constituting the main component is added to the main component of the lithium transition metal composite oxide. It has an element-containing region and a non-added element-containing region using a positive electrode active material to which the metal element is not added with respect to the main component of the lithium transition metal composite oxide. And the said non-additive element containing area | region is provided in the edge part by the side in which the said uncoated part of the said positive electrode active material layer is formed.
かかる構成によれば、正極活物質層の未塗工部が形成されている側の縁部に金属添加元素が添加されていないので、該正極活物質層の縁部で電位が局所的に上昇した場合でも、該縁部から金属添加元素が溶出する事態が生じ難い。そのため、該縁部から金属添加元素が溶出することに起因して、微小短絡が生じたり、電池容量が低下したりする事象が緩和される。 According to this configuration, since the metal additive element is not added to the edge of the positive electrode active material layer where the uncoated part is formed, the potential increases locally at the edge of the positive electrode active material layer. Even in this case, it is difficult for the metal additive element to elute from the edge. Therefore, the phenomenon that a minute short circuit occurs or the battery capacity is reduced due to the elution of the metal additive element from the edge is alleviated.
ここで開示される二次電池の好ましい一態様では、上記幅方向に沿う上記添加元素含有領域の幅をL1とし、上記非添加元素含有領域の幅をL2とした場合に、0.1≦(L2/L1)≦1の関係を満足する。かかる構成によると、添加元素含有領域と非添加元素含有領域との割合が適切なバランスにあるので、正極活物質に金属添加元素を添加したことによる電池性能向上効果(例えば出力特性向上効果)を適切に発揮しつつ、正極活物質層の縁部での金属添加元素の溶出を回避することができる。したがって、より良好な電池性能を確実に発揮することができる。 In a preferred embodiment of the secondary battery disclosed herein, when the width of the additive element-containing region along the width direction is L1, and the width of the non-additive element-containing region is L2, 0.1 ≦ ( L2 / L1) ≦ 1 is satisfied. According to this configuration, since the ratio of the additive element-containing region and the non-additive element-containing region is in an appropriate balance, the battery performance improvement effect (for example, the output characteristic improvement effect) due to the addition of the metal additive element to the positive electrode active material Elution of the metal additive element at the edge of the positive electrode active material layer can be avoided while appropriately performing. Therefore, better battery performance can be reliably exhibited.
ここで開示される二次電池の好ましい一態様では、上記添加元素含有領域に含まれる正極活物質は、上記金属元素として、W、Zr、Mg、Ca、Na、Fe、Cr、Zn、Si、Sn、Sr、Ti、V,Nb、Mo、Rh、Pb、Pt、Cu、Ga、In、La、Ce、AlおよびBからなる群から選択される少なくとも一種を含む。これらの金属添加元素を添加したリチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質として用いることで、正極の導電性が向上し得る。したがって、より良好な電池性能を確実に発揮することができる。 In a preferable aspect of the secondary battery disclosed herein, the positive electrode active material included in the additive element-containing region includes, as the metal element, W, Zr, Mg, Ca, Na, Fe, Cr, Zn, Si, It contains at least one selected from the group consisting of Sn, Sr, Ti, V, Nb, Mo, Rh, Pb, Pt, Cu, Ga, In, La, Ce, Al, and B. By using the lithium transition metal composite oxide to which these metal additive elements are added as the positive electrode active material, the conductivity of the positive electrode can be improved. Therefore, better battery performance can be reliably exhibited.
ここで開示される二次電池の好ましい一態様では、上記添加元素含有領域の正極活物質は、一般式(I):Li1+α(NiaCobMncMdWe)O2(ここで、Mは、遷移金属元素および典型金属元素から選択される一種または二種以上であり、αは0≦α≦0.25で電荷中性条件を満たすように定まる値であり、a,b,c,d,eは、a+b+c+d+e≒1、0.0005≦e≦0.01およびd≧0を満たし、a,b,cのうち少なくとも一つは0よりも大きい。);で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含む。かかる一般式(I)で示される組成のリチウム遷移金属複合酸化物は、電子伝導性に優れ、優れた出力特性やサイクル特性を実現し得る。このため、本発明の目的に適した添加元素含有領域の正極活物質として好適に使用し得る。 In a preferred embodiment of the secondary battery disclosed herein, the positive electrode active material in the additive element-containing region has the general formula (I): Li 1 + α (Ni a Co b Mn c M d W e ) O 2 (where , M is one or more selected from transition metal elements and typical metal elements, α is a value determined to satisfy the charge neutrality condition in 0 ≦ α ≦ 0.25, and a, b, c, d and e satisfy a + b + c + d + e≈1, 0.0005 ≦ e ≦ 0.01 and d ≧ 0, and at least one of a, b and c is greater than 0.) Includes transition metal complex oxides. The lithium transition metal composite oxide having the composition represented by the general formula (I) is excellent in electronic conductivity and can realize excellent output characteristics and cycle characteristics. For this reason, it can be suitably used as a positive electrode active material in an additive element containing region suitable for the purpose of the present invention.
ここで開示される二次電池の好ましい一態様では、上記正極活物質の表面から深さ方向に1.5nmまでの平均タングステン濃度(以下、「表面W濃度」と略称する場合がある。)は、0.5mol%〜2mol%である。表面W濃度が上記範囲内であると、正極活物質の電子伝導性がさらに向上する。このため、本発明の効果をより良く発揮することができる。 In a preferred embodiment of the secondary battery disclosed herein, an average tungsten concentration of 1.5 nm in the depth direction from the surface of the positive electrode active material (hereinafter, may be abbreviated as “surface W concentration”). 0.5 mol% to 2 mol%. When the surface W concentration is within the above range, the electron conductivity of the positive electrode active material is further improved. For this reason, the effect of this invention can be exhibited better.
ここで開示される二次電池の好ましい一態様では、上記非添加元素含有領域の正極活物質は、一般式(II):Li1+Β(NixCoyMnz)O2(ここで、βは0≦β≦0.25で電荷中性条件を満たすように定まる値であり、x,y,zは、x+y+z≒1を満たし、x,y,zのうち少なくとも一つは0よりも大きい。);で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含む。かかる一般式(II)で示される組成のリチウム遷移金属複合酸化物は、高電位での化合物としての安定性が高い(金属添加元素が溶出することがない)ため、本発明の目的に適した非添加元素含有領域の正極活物質として好適に使用し得る。 In a preferred embodiment of the secondary battery disclosed herein, the positive electrode active material in the non-additive element-containing region has a general formula (II): Li 1 + Β (Ni x Co y Mn z ) O 2 (where β is The values are determined so that the charge neutrality condition is satisfied when 0 ≦ β ≦ 0.25, and x, y, and z satisfy x + y + z≈1, and at least one of x, y, and z is greater than zero. And a lithium transition metal composite oxide represented by: Since the lithium transition metal composite oxide having the composition represented by the general formula (II) has high stability as a compound at a high potential (the metal additive element does not elute), it is suitable for the object of the present invention. It can be suitably used as a positive electrode active material in a non-additive element-containing region.
ここで開示される二次電池の好ましい一態様では、上記負極活物質層の幅が上記正極活物質層の幅よりも広い。そして、上記負極活物質層が上記正極活物質層を覆う状態で、かつ、上記負極集電体と上記正極集電体とは、互いの未塗工部が幅方向の反対側に突出するように、配置されて捲回されている。正極活物質層の縁部での金属添加元素の溶出は、上記のような形態の捲回電極体を用いる場合に顕著にみられる。しかし、本発明によると、正極活物質層の縁部に金属添加元素が含まれていないので、該縁部からの金属添加元素の溶出が改善される。 In a preferred embodiment of the secondary battery disclosed herein, the width of the negative electrode active material layer is wider than the width of the positive electrode active material layer. And in the state where the negative electrode active material layer covers the positive electrode active material layer, the negative electrode current collector and the positive electrode current collector are such that their uncoated portions protrude on the opposite side in the width direction. Has been placed and wound. The elution of the metal-added element at the edge of the positive electrode active material layer is noticeable when the wound electrode body having the above-described form is used. However, according to the present invention, since the metal additive element is not contained in the edge portion of the positive electrode active material layer, the elution of the metal additive element from the edge portion is improved.
以下、本発明の一実施形態に係る二次電池を図面に基づいて説明する。ここでは、リチウムイオン二次電池を例に挙げて二次電池を説明する。なお、同じ作用を奏する部材、部位には適宜に同じ符号を付している。また、各図面は、模式的に描いており、必ずしも実物を反映しない。また、各図面は、一例を示すのみであり、各図面は、特に言及されない限りにおいて本発明を限定しない。 Hereinafter, a secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, a secondary battery will be described by taking a lithium ion secondary battery as an example. In addition, the same code | symbol is attached | subjected suitably to the member and site | part which show | play the same effect | action. Moreover, each drawing is drawn typically and does not necessarily reflect the real thing. Each drawing shows only an example, and each drawing does not limit the present invention unless otherwise specified.
本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充電可能な電池一般をいい、リチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン二次電池)、ニッケル水素電池などのいわゆる蓄電池を包含する。また、本明細書において「リチウムイオン二次電池」とは、電荷担体としてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。 In the present specification, the “secondary battery” generally refers to a battery that can be repeatedly charged, and includes so-called storage batteries such as lithium secondary batteries (typically lithium ion secondary batteries) and nickel metal hydride batteries. Further, in the present specification, the “lithium ion secondary battery” refers to a secondary battery that uses lithium ions as a charge carrier and is charged / discharged by movement of charges accompanying the lithium ions between the positive and negative electrodes.
図1は、リチウムイオン二次電池100を示している。このリチウムイオン二次電池100は、図1に示すように、捲回電極体200と電池ケース300とを備えている。また、図2は、捲回電極体200を示す図である。図3は、図2中のIII−III断面を示している。
FIG. 1 shows a lithium ion
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池100は、図1に示すような扁平な角形の電池ケース(即ち外装容器)300に構成されている。リチウムイオン二次電池100は、図2に示すように、扁平形状の捲回電極体200が、図示しない液状電解質(電解液)とともに、電池ケース300に収容されている。
A lithium ion
≪電池ケース300≫
電池ケース300は、一端(電池100の通常の使用状態における上端部に相当する。)に開口部を有する箱形(すなわち有底直方体状)のケース本体320と、その開口部に取り付けられて該開口部を塞ぐ矩形状プレート部材からなる封口板(蓋体)340とから構成される。
The
電池ケース300の材質は、従来の密閉型電池で使用されるものと同じであればよく、特に制限はない。軽量で熱伝導性の良い金属材料を主体に構成された電池ケース300が好ましく、このような金属製材料としてアルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルめっき鋼等が例示される。本実施形態に係る電池ケース300(ケース本体320および封口板340)はアルミニウム若しくはアルミニウムを主体とする合金によって構成されている。
The material of the
図1に示すように、封口板340には外部接続用の正極端子420および負極端子440が形成されている。封口板340の両端子420、440の間には、電池ケース300の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように構成された薄肉の安全弁360と、注液口350が形成されている。なお、図1では、当該注液口350が注液後に封止材352によって封止されている。
As shown in FIG. 1, a
≪捲回電極体200(電極体)≫
捲回電極体200は、図2に示すように、長尺なシート状正極(正極シート220)と、該正極シート220と同様の長尺シート状負極(負極シート240)とを計二枚の長尺シート状セパレータ(セパレータ262,264)とを備えている。
≪Winded electrode body 200 (electrode body) ≫
As shown in FIG. 2, the
≪正極シート220≫
正極シート220は、帯状の正極集電体221と正極活物質層223とを備えている。正極集電体221には、例えば、正極に適する金属箔が好適に使用され得る。この実施形態では、正極集電体221として、厚さが凡そ15μmの帯状のアルミニウム箔が用いられている。正極シート220は、正極集電体221の長手方向に直交する幅方向の一方の端部には、正極活物質層223が形成されずに正極集電体221が露出している未塗工部222を設けている。また、他方の端部には実質的に未塗工部222が設けられないように正極活物質層223が形成されている。図示例では、正極活物質層223は、正極集電体221に設定された未塗工部222を除いて、正極集電体221の両面に保持されている。正極活物質層223には、正極活物質や導電材やバインダが含まれている。
≪
The
なお、ここで「実質的に未塗工部が設けられない」とは、意図的に未塗工部222が設けられていないことを意味するものである。したがって、例えば、未塗工部222を設けなかったにもかかわらず、その後の何らかの意図しない要因により正極集電体221が伸長したり、あるいは、正極活物質層223が収縮したりして、微視的に未塗工部222が生じた場合等は、ここでいう「実質的に未塗工部が設けられない」ものに包含され得る。後述する負極シート240についても同様である。
Here, “substantially no uncoated portion is provided” means that the
正極活物質には、リチウムイオン二次電池の正極活物質として用いられる物質を使用することができる。正極活物質の例を挙げると、LiNiCoMnO2(リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物)、LiNiO2(リチウムニッケル酸化物)、LiCoO2(リチウムコバルト酸化物)、LiMn2O4(リチウムマンガン酸化物)などのリチウム遷移金属複合酸化物が挙げられる。ここで、LiMn2O4は、例えば、スピネル構造を有している。また、LiNiO2やLiCoO2は層状の岩塩構造を有している。正極活物質層223に含まれる正極活物質については後で詳細に述べる。
As the positive electrode active material, a material used as a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery can be used. Examples of positive electrode active materials include LiNiCoMnO 2 (lithium nickel cobalt manganese composite oxide), LiNiO 2 (lithium nickel oxide), LiCoO 2 (lithium cobalt oxide), LiMn 2 O 4 (lithium manganese oxide), etc. Lithium transition metal composite oxide. Here, LiMn 2 O 4 has, for example, a spinel structure. LiNiO 2 and LiCoO 2 have a layered rock salt structure. The positive electrode active material included in the positive electrode
例えば、正極活物質に、導電材としてアセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック等のカーボンブラックやその他(グラファイト等)の粉末状カーボン材料を混合することができる。また、正極活物質と導電材の他に、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンラバー(SBR)等のバインダを添加することができる。これらを適当な分散媒体に分散させて混練することによって、正極合剤(ペースト)を調製することができる。正極活物質層223は、この正極合剤を正極集電体221に塗布し、乾燥させ、予め定められた厚さにプレスすることによって形成されている。
For example, carbon black such as acetylene black (AB) and ketjen black and other powdery carbon materials (such as graphite) can be mixed with the positive electrode active material. In addition to the positive electrode active material and the conductive material, a binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF) or styrene butadiene rubber (SBR) can be added. A positive electrode mixture (paste) can be prepared by dispersing these in a suitable dispersion medium and kneading. The positive electrode
≪負極シート240≫
負極シート240は、図2に示すように、帯状の負極集電体241と負極活物質層243とを備えている。負極集電体241には、例えば、負極に適する金属箔が好適に使用され得る。この実施形態では、負極集電体241には、厚さが凡そ10μmの帯状の銅箔が用いられている。負極シート240は、負極集電体241の長手方向に直交する幅方向の一方の端部には、負極活物質層243が形成されずに負極集電体241が露出している未塗工部242を設けている。また、他方の端部には実質的に未塗工部242が設けられないように負極活物質層243が形成されている。負極活物質層243は、負極集電体241に設定された未塗工部242を除いて、負極集電体241の両面に保持されている。負極活物質層243には、負極活物質や増粘剤やバインダなどが含まれている。
<<
As shown in FIG. 2, the
負極活物質としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。好適例として、グラファイトカーボン、アモルファスカーボンなどの炭素系材料、リチウム遷移金属酸化物、リチウム遷移金属窒化物などが挙げられる。 As the negative electrode active material, one type or two or more types of materials conventionally used in lithium ion secondary batteries can be used without any particular limitation. Preferable examples include carbon-based materials such as graphite carbon and amorphous carbon, lithium transition metal oxides, and lithium transition metal nitrides.
また、かかる負極活物質の他に、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンラバー(SBR)等のバインダを添加することができる。さらに、負極活物質やバインダの他に、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリビニルアルコール(PVA)、エチレン‐ビニルアルコール共重合体(EVOH)等の増粘剤を添加することができる。そして、正極と同様、これらの負極活物質層構成成分を適当な分散媒体に分散させて混練することによって、負極合剤(ペースト)を調製することができる。負極活物質層243は、この負極合剤を負極集電体241に塗布し、乾燥させ、予め定められた厚さにプレスすることによって形成されている。
In addition to the negative electrode active material, a binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF) or styrene butadiene rubber (SBR) can be added. Furthermore, in addition to the negative electrode active material and the binder, a thickener such as carboxymethyl cellulose (CMC), polyvinyl alcohol (PVA), ethylene-vinyl alcohol copolymer (EVOH) can be added. And like a positive electrode, a negative electrode mixture (paste) can be prepared by disperse | distributing and knead | mixing these negative electrode active material layer structural components in a suitable dispersion medium. The negative electrode
≪セパレータ262、264≫
セパレータ262、264は、図2および図3に示すように、正極シート220と負極シート240とを隔てる部材である。この例では、セパレータ262、264は、微小な孔を複数有する所定幅の帯状のシート材で構成されている。セパレータ262、264には、例えば、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成された単層構造のセパレータ或いは積層構造のセパレータを用いることができる。樹脂で構成された多孔質シート材の表面に絶縁性を有する粒子の多孔質層を形成してもよい。ここで、絶縁性を有する粒子としては、絶縁性を有する無機フィラー(例えば、金属酸化物(例えばアルミナ)、金属水酸化物などのフィラー)で構成してもよい。この例では、図2および図3に示すように、負極活物質層243の幅b1は、正極活物質層223の幅a1よりも少し広い。さらにセパレータ262、264の幅c1、c2は、負極活物質層243の幅b1よりも少し広い(c1、c2>b1>a1)。
<<
The
≪捲回電極体200≫
捲回電極体200は、正極活物質層223と負極活物質層243との間にセパレータ262、264を介在させつつ、正極シート220と負極シート240とを重ね、かつ、捲回した電極体である。この実施形態では、図2および図3に示すように、正極シート220と負極シート240とセパレータ262、264は、長さ方向を揃えて、正極シート220、セパレータ262、負極シート240、セパレータ264の順で重ねられている。この実施形態では、セパレータ262、264が介在した状態ではあるが、負極活物質層243は正極活物質層223を覆うように重ねられている。さらに、負極集電体241と正極集電体221とは、集電性を高める目的で、互いの未塗工部242、222が捲回電極体200の幅方向で反対側に突出するように、重ねられている。重ねられたシート材(例えば、正極シート220)は、幅方向に設定された捲回軸周りに捲回されている。
≪
The
捲回電極体200は、電池ケース300(この例では、蓋体340)に取り付けられた電極端子420、440に取り付けられている。捲回電極体200は、捲回軸に直交する一の方向において扁平に押し曲げられた状態で電池ケース300に収納されている。また、捲回電極体200は、セパレータ262、264の幅方向において、正極シート220の未塗工部222と負極シート240の未塗工部242とが互いに反対側にはみ出ている。このうち、一方の電極端子420は、正極集電体221の未塗工部222に固定されており、他方の電極端子440は、負極集電体241の未塗工部242に固定されている。
かかる捲回電極体200は、ケース本体320の扁平な内部空間に収容される。ケース本体320は、捲回電極体200が収容された後、蓋体340によって塞がれる。
The
The
≪電解液(非水電解液)≫
電解液(非水電解液)としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる非水電解液と同様のものを特に限定なく使用することができる。かかる非水電解液は、典型的には、適当な非水溶媒に支持塩を含有させた組成を有する。上記非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン等からなる群から選択された一種または二種以上を用いることができる。また、上記支持塩としては、例えば、LiPF6,LiBF4,LiAsF6,LiCF3SO3,LiC4F9SO3,LiN(CF3SO2)2,LiC(CF3SO2)3等のリチウム塩を用いることができる。一例として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒(例えば質量比1:1)にLiPF6を約1mol/Lの濃度で含有させた非水電解液が挙げられる。
≪Electrolyte (nonaqueous electrolyte) ≫
As the electrolytic solution (non-aqueous electrolytic solution), the same non-aqueous electrolytic solution conventionally used for lithium ion secondary batteries can be used without any particular limitation. Such a nonaqueous electrolytic solution typically has a composition in which a supporting salt is contained in a suitable nonaqueous solvent. Examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, and the like. One kind or two or more kinds selected from the group can be used. Examples of the supporting salt include LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 and the like. Lithium salts can be used. As an example, a nonaqueous electrolytic solution in which LiPF 6 is contained in a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate (for example, a mass ratio of 1: 1) at a concentration of about 1 mol / L can be given.
非水電解液には、例えば、電池電圧が予め定められた電圧以上になると反応し、ガスを発生させるガス発生剤が含まれていてもよい。かかるガス発生剤としては、例えば、シクロヘキシルベンゼン(CHB)やビフェニル(BP)などを用いることができる。シクロヘキシルベンゼン(CHB)とビフェニル(BP)は、例えば、凡そ4.35Vから4.6V程度の過充電時において重合反応が活性化し、ガス(ここでは、水素ガス)を発生させる。非水電解液に対するガス発生剤の添加量は、例えば、凡そ0.05wt%以上4.0wt%以下にするとよい。なお、ガス発生剤の添加量は、これに限定されず、予め定めた条件で所定量のガスが生じるように調整するとよい。 The non-aqueous electrolyte may contain, for example, a gas generating agent that reacts and generates gas when the battery voltage becomes equal to or higher than a predetermined voltage. As such a gas generating agent, for example, cyclohexylbenzene (CHB) or biphenyl (BP) can be used. Cyclohexylbenzene (CHB) and biphenyl (BP), for example, activate a polymerization reaction at the time of overcharge of about 4.35V to 4.6V and generate gas (here, hydrogen gas). For example, the amount of the gas generating agent added to the non-aqueous electrolyte is preferably about 0.05 wt% or more and 4.0 wt% or less. In addition, the addition amount of a gas generating agent is not limited to this, It is good to adjust so that a predetermined amount of gas may be generated on predetermined conditions.
《電流遮断機構460》
また、このリチウムイオン二次電池100は、上述のように、電解液にガス発生剤が添加されており、例えば、凡そ4.35Vから4.6V程度の過充電時にガスが発生し、電池ケース内の圧力が高くなる。電流遮断機構460は、電池ケース内の圧力が異常に高くなった場合に、電流経路を遮断する機構である。この実施形態では、電流遮断機構460は、図1に示すように、正極における電池電流の導通経路が遮断されるように、正極端子420の内側に構築されている。
<<
Further, as described above, in the lithium ion
以下、このリチウムイオン二次電池100の正極活物質層223をより詳細に説明する。図4は、捲回電極体200中で重ね合わされた正極シート220とセパレータ262と負極シート240を、幅方向(例えば、正極シート220の幅方向)で切断した断面を模式的に示している。また、図6は捲回電極体200の捲回軸に直交する断面の要部を模式的に示す拡大図である。上述したリチウムイオン二次電池100では、図4に示すように、正極活物質層223は、正極集電体221の長手方向に直交する幅方向の一方の縁部に未塗工部222を設け、かつ、他方の縁部には実質的に未塗工部222が設けられないように形成されている。また、負極活物質層243は、負極集電体241の長手方向に直交する幅方向の一方の縁部に未塗工部242を設け、かつ、他方の縁部には実質的に未塗工部242が設けられないように形成されている。そして、正極集電体221と負極集電体241とは、互いの未塗工部222,242が幅方向の反対側に突出するように、配置されて捲回されている。
Hereinafter, the positive electrode
本発明者は、かかる形態のリチウムイオン二次電池100について、電池性能を向上すべく、リチウム遷移金属複合酸化物(例えばLiNiCoMnO2)の主成分に対して、該主成分を構成している元素(例えばLi,Ni,CoおよびMn)を除く金属添加元素(例えばタングステン(W))を添加した正極活物質を用いることを検討している。しかし、上記形態のリチウムイオン二次電池100について、上記金属添加元素(例えばW)を添加した正極活物質を用いた場合、正極活物質層223の縁部225で金属添加元素が局所的に溶出する事象を見出した。正極活物質層223の縁部225で金属添加元素が局所的に溶出する事象は、満充電後に高温環境で長期間保存された時などに生じやすい傾向があった。金属添加元素が局所的に溶出すると、負極上に析出して微小短絡(自己放電)が生じたり電池容量が低下したりする要因になり得る。リチウムイオン二次電池100の性能を安定させるべく、正極活物質層223の縁部225で金属添加元素が局所的に溶出するのはできる限り少なく抑えられることが望ましい。
In order to improve battery performance of the lithium ion
正極活物質層223の縁部225で金属添加元素が溶出する事象について、本発明者は鋭意研究し、以下のような推察を得た。すなわち、本発明者の推察によれば、リチウムイオン二次電池100は、充電時に、正極活物質層223からリチウムイオンが電解液中に放出される。この際、負極では、電解液中のリチウムイオンが負極活物質層243に入り込み、負極活物質層243に吸蔵されていく。
The present inventor diligently studied the phenomenon in which the metal additive element elutes at the
その際、図4および図6に示すように、正極集電体221の両面に設けられた正極活物質層223a、223bのうち、正極集電体221に対して外周側(捲回電極体において正極集電体221の外周側を向く面)に設けられた正極活物質層223bは、セパレータ264を介して負極集電体241の内周側を向く面に設けられた負極活物質層243bと対向して配置され、該負極活物質層243bとの間でリチウムイオンの行き来が行われる。一方、正極集電体221に対して内周側(捲回電極体において正極集電体221の内周側を向く面)に設けられた正極活物質層223aは、セパレータ262を介して負極集電体241の外周側を向く面に設けられた負極活物質層243aと対向して配置され、該負極活物質層243aとの間でリチウムイオンの行き来が行われる。つまり、距離的な近さから、正極集電体221の外周側にある正極活物質層223bから放出されたリチウムイオンは、負極集電体241の内周側にある負極活物質層243bに優先的に吸蔵されていき、負極集電体241の外周側にある負極活物質層243aには移動しにくい。
At that time, as shown in FIGS. 4 and 6, of the positive electrode active material layers 223 a and 223 b provided on both surfaces of the positive electrode
しかしながら、上述したリチウムイオン二次電池では、正極活物質層223は、正極集電体221の長手方向に直交する幅方向の一方の縁部に未塗工部222を設け、かつ、他方の縁部には実質的に未塗工部222が設けられないように形成されている。また、負極活物質層243は、負極集電体241の長手方向に直交する幅方向の一方の縁部に未塗工部242を設け、かつ、他方の縁部には実質的に未塗工部242が設けられないように形成されている。そして、負極集電体241と正極集電体221とは、互いの未塗工部242,222が幅方向の反対側に突出するように、配置されて捲回されている。
However, in the above-described lithium ion secondary battery, the positive electrode
この場合、未塗工部242が形成されていない側の負極活物質層243の縁部245には、負極集電体241が存在せず、負極集電体241の外周側にある負極活物質層243aが、正極集電体221の外周側にある正極活物質層223bに対して露出している。このため、充電が進むにつれて、正極集電体221の外周側にある正極活物質層223bから放出されたリチウムイオンは、負極集電体241の内周側にある負極活物質層243bだけでなく(矢印90参照)、負極集電体241の外周側にある負極活物質層243aにも移動するようになる(矢印92参照)。この際、未塗工部242が形成されていない側の負極活物質層243の縁部245に近い、正極活物質層223の縁部225では、充電時に、リチウムイオンの放出量が他の部位に比べて多くなる傾向が生じ得る。このため、当該正極活物質層223の縁部225では、電位が局所的に上昇する可能性があると考えられる。このように、正極活物質層223の縁部225の電位が局所的に著しく上昇した状態で、さらに高温環境に長時間(例えば、100日間)保存すると、正極活物質層223に含まれる金属添加元素の溶出を招く要因になり得る。
In this case, the negative electrode
本発明者は、このように満充電に近い状態で高温環境に長時間保存された場合に、正極活物質層223の縁部225に含まれる金属添加元素が溶出する原因の一つをこのように考えている。本発明者は、このような金属添加元素の溶出を来る限り少なくするべきと考えている。このため、リチウムイオン二次電池100について、正極活物質層223の縁部225での金属添加元素の溶出が解消される新規な構造を提案する。
The present inventor is one of the reasons why the metal additive element contained in the
《正極活物質層223》
ここでは、本発明の一実施形態に係る正極活物質層について基本構造を説明し、その作用効果を説明する。その後に、正極活物質層の各構成について、より詳しく説明する。図5は、正極活物質層223の断面を示す模式図である。正極活物質層223は、図5に示すように、添加元素含有領域R1と非添加元素含有領域R2とを有している。以下、添加元素含有領域R1、非添加元素含有領域R2の順に説明する。
<< Positive electrode
Here, the basic structure of the positive electrode active material layer according to one embodiment of the present invention will be described, and the effects thereof will be described. Then, each structure of a positive electrode active material layer is demonstrated in detail. FIG. 5 is a schematic view showing a cross section of the positive electrode
≪添加元素含有領域R1≫
添加元素含有領域R1は、正極活物質層223の未塗工部222が形成されている側の縁部245を除いた部位に設けられている。添加元素含有領域R1は、正極活物質310aと、バインダ312と、導電材(図示省略)とを備えている。正極活物質310aには、リチウム遷移金属複合酸化物(例えばLiNiCoMnO2)の主成分に対して、該主成分を構成している元素(例えばLi,Ni,CoおよびMn)を除く少なくとも一種の金属元素(例えばWやZrなど)を添加したものが用いられている。このように金属添加物を添加した正極活物質310aを用いることで、正極の導電性が向上し得る。そのため、かかる正極を用いて構築した電池では、優れた出力特性やサイクル特性を実現し得る。
≪Additive element-containing region R1≫
The additive element-containing region R1 is provided in a portion excluding the
≪非添加元素含有領域R2≫
非添加元素含有領域R2は、正極活物質層223の未塗工部222が形成されている側の縁部245に設けられている。非添加元素含有領域R2は、正極活物質310bと、バインダ312と、導電材(図示省略)とを備えている。正極活物質310bには、リチウム遷移金属複合酸化物(例えばLiNiCoMnO2)の主成分に対して、前述した金属元素(例えばWやZrなど)が添加されていないものが用いられている。つまり、正極活物質層223は、未塗工部222が形成されている側の縁部245には金属添加元素が添加されておらず、それ以外の領域には金属添加元素が添加されている。
≪Non-additive element containing region R2≫
The non-additive element-containing region R2 is provided in the
ここで開示されるリチウムイオン二次電池100では、正極活物質層223は、未塗工部222が形成されている側の正極活物質層223の縁部225に、金属添加元素が添加されていない非添加元素含有領域R2を有する。このため、充電時に、未塗工部222が形成されている側の縁部225でリチウムイオンが過度に放出されて電位が局所的に上昇した場合でも、該縁部225から金属添加元素が溶出する事態が生じ難い。そのため、該縁部225から金属添加元素が溶出することに起因して、微小短絡が生じたり電池容量が低下したりする事象が緩和される。
In the lithium ion
≪添加元素含有領域R1の幅L1と非添加元素含有領域R2の幅L2≫
ここで開示される正極活物質層223としては、図7に示すように、正極集電体221の幅方向に沿う添加元素含有領域R1の幅L1と、非添加元素含有領域R2の幅L2との比(L2/L1)が、0.1以上であることが適当である。このように上記幅の比(L2/L1)が0.1以上であると、正極活物質層223の縁部225(図5)での金属添加元素の溶出を確実に回避できる。ここで開示される正極活物質層223としては、上記幅の比(L2/L1)が、0.1≦(L2/L1)を満足するものが好ましく、0.2≦(L2/L1)を満足するものがさらに好ましく、0.3≦(L2/L1)を満足するものが特に好ましい。その一方、上記幅の比(L2/L1)が1.0を上回る正極活物質層223は、金属添加元素を添加した正極活物質310a(図5)の割合が相対的に減るため、正極活物質310a(図5)に金属添加元素を添加したことによる電池性能向上効果(例えば電子伝導性向上効果)が不十分になり得る。金属添加元素の添加による性能向上の点からは、(L2/L1)≦1.0(特には(L2/L1)≦0.8)を満足するものが好ましい。例えば、上記幅の比(L2/L1)が0.1以上1以下(さらには0.2以上0.8以下、特には0.3以上0.6以下)の正極活物質層223が、金属添加元素の添加による性能向上と金属添加元素の溶出抑制とを両立するという観点から適当である。
<< Width L1 of Additive Element-Containing Region R1 and Width L2 of Non-Additive Element-Containing Region R2 >>
As shown in FIG. 7, the positive electrode
<添加元素含有領域R1に用いられる正極活物質310a>
図5に示すように、添加元素含有領域R1に用いられる正極活物質310aとしては、リチウム遷移金属複合酸化物の主成分に対して、金属添加元素(付加的な元素)が添加されているものであればよい。金属添加元素としては、遷移金属元素および典型金属元素(半金属元素も含む。)のうちの一種または二種以上であればよい。例えば、周期表の1族(ナトリウム等のアルカリ金属)、2族(マグネシウム、カルシウム等のアルカリ土類金属)、3族(ランタン等の遷移金属)、4族(チタン、ジルコニウム等の遷移金属)、5族(ニオブ等の遷移金属)、6族(クロム、タングステン等の遷移金属)、7族(チタン、ジルコニウム等の遷移金属)、8族(鉄等の遷移金属)、9族(ロジウム等の遷移金属)、10族(パラジウム、白金等の遷移金属)、11族(銅等の遷移金属)、12族(亜鉛等の金属)および13族(半金属元素であるホウ素、若しくはアルミニウムのような金属)に属するいずれかの金属元素が挙げられる。典型例として、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、鉄(Fe)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pb)、白金(Pt)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ランタン(La)、セリウム(Ce)等が例示される。例えば、WまたはZr、あるいはWとZrの両方を好ましく採用し得る。
<Positive electrode
As shown in FIG. 5, as the positive electrode
正極活物質310aとしては、かかる金属添加元素を含む限りにおいて従来からリチウムイオン二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定することなく使用することができる。例えば、リチウムニッケル酸化物、リチウムコバルト酸化物、リチウムマンガン酸化物等の、リチウムと一種または二種以上の遷移金属元素とを構成金属元素として含む酸化物(リチウム遷移金属酸化物)を主成分とする正極活物質が挙げられる。好ましくは、上記リチウム遷移金属酸化物は、ニッケルを構成元素として含む層状岩塩型構造の化合物である。層状のリチウム遷移金属複合酸化物は、正極活物質として用いた場合に、高容量かつ高エネルギー密度の電池となり得るため、好ましく用いることができる。中でも、ニッケル、コバルトおよびマンガンを含有するリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物を主成分とする正極活物質(典型的には、実質的にリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物からなる正極活物質)が好ましい。
As the positive electrode
このようなリチウム遷移金属複合酸化物としては、例えば、一般式(I):Li1+δ(NiaCobMncMdWe)O2で表される酸化物が挙げられる。かかるリチウム遷移金属複合酸化物の例としては、リチウムニッケル酸化物(例えばLiNiO2)、リチウムコバルト酸化物(例えばLiCoO2)、リチウムマンガン酸化物(例えばLiMn2O4)などの遷移金属元素の一部がタングステン(W)元素で置換された酸化物が挙げられる。遷移金属元素の一部をW元素で置換することで該正極活物質310aの電子伝導性がより有効に向上し得る。ここで上記式(I)中のMは、遷移金属元素,典型金属元素およびホウ素(B)のうちの一種または二種以上であればよい。δは0≦δ≦0.25で電荷中性条件を満たすように定まる値であり、a,b,c,d,eは、a+b+c+d+e≒1、0.0005≦e≦0.01およびd≧0を満たし、a,b,cのうち少なくとも一つは0よりも大きいとよい。上記式(I)において「a+b+c+d+e≒1」とは、概ね0.9≦a+b+c+d+e≦1.2(典型的には0.9<a+b+c+d+e<1.2、例えば0.95≦a+b+c+d+e≦1.1)であり得、例えばa+b+c+d+e=1である。
As such a lithium transition metal complex oxide, for example, an oxide represented by the general formula (I): Li 1 + δ (Ni a Co b Mn c M d W e ) O 2 can be given. Examples of such lithium transition metal composite oxides include one of transition metal elements such as lithium nickel oxide (eg, LiNiO 2 ), lithium cobalt oxide (eg, LiCoO 2 ), and lithium manganese oxide (eg, LiMn 2 O 4 ). An oxide in which a part is substituted with a tungsten (W) element can be given. By substituting a part of the transition metal element with the W element, the electron conductivity of the positive electrode
上記式(I)に示すように、上記リチウム遷移金属複合酸化物は、構成元素としてリチウム(Li)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)およびタングステン(W)以外に他の少なくとも一種の金属元素Mを含んでもよいし(即ち、d>0となり得る。)、含まなくてもよい(即ち、d=0となり得る。)。該金属元素Mは、典型的には、Li、Ni、Co、Mn、W以外の遷移金属元素、典型金属元素等のうちの一種または二種以上であり得る。例えば、Zr、Mg、Caなどを好ましく採用し得る。なお、M元素の量(即ち、上記式(I)におけるdの値)は特に限定されないが、例えば、0≦d≦0.02とすることができる。 As shown in the above formula (I), the lithium transition metal composite oxide has other constituent elements other than lithium (Li), nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), and tungsten (W). At least one metal element M may be included (that is, d> 0 may be included) or may not be included (that is, d = 0 may be included). Typically, the metal element M may be one or more of transition metal elements other than Li, Ni, Co, Mn, and W, typical metal elements, and the like. For example, Zr, Mg, Ca, etc. can be preferably employed. The amount of M element (that is, the value of d in the above formula (I)) is not particularly limited, but may be 0 ≦ d ≦ 0.02, for example.
また、上記式(I)中のa,b,cは、a+b+c+d+e≒1、およびa,b,cのうち少なくとも一つは0よりも大きい、という条件を満たす限りにおいて特に限定されず、a,b,cのうちどの数字が最も大きくなってもよい。換言すれば、Ni,Co,Mnのうちの第一元素(原子数基準で最も多く含まれる元素)は、Ni,CoおよびMnのいずれであってもよい。例えば、aは0.1以上(典型的には0.3以上)であって1未満(典型的には0.9以下、例えば0.6以下)となり得る。bは0以上(典型的には0.1以上、例えば0.3以上)であって0.6以下(典型的には0.5以下、例えば0.4以下)となり得る。cは0以上(典型的には0.1以上、例えば0.3以上)であって0.6以下(典型的には0.5以下、例えば0.4以下)となり得る。なかでも、a,b,c>0である(換言すれば、Ni,Co,Mnの全ての元素を含む)リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物を好ましく用いることができる。好ましい一態様では、a,b,c(即ち、Ni,Co,Mnの量)が概ね同程度である。また、好ましい他の一態様では、a>bかつa>c(換言すれば上記第一元素がNi)である。かかるリチウム遷移金属複合酸化物は、電子伝導性および熱安定性に優れ、優れた出力特性やサイクル特性を実現し得る。このため、本発明の効果をより発揮することができる。 In addition, a, b, and c in the above formula (I) are not particularly limited as long as the condition that a + b + c + d + e≈1 and at least one of a, b, and c is greater than 0 is satisfied. Any number of b and c may be the largest. In other words, the first element of Ni, Co, and Mn (the element that is contained most on the basis of the number of atoms) may be any of Ni, Co, and Mn. For example, a can be 0.1 or more (typically 0.3 or more) and less than 1 (typically 0.9 or less, such as 0.6 or less). b can be 0 or more (typically 0.1 or more, for example 0.3 or more) and 0.6 or less (typically 0.5 or less, for example 0.4 or less). c can be 0 or more (typically 0.1 or more, for example 0.3 or more) and 0.6 or less (typically 0.5 or less, for example 0.4 or less). Among these, lithium nickel cobalt manganese composite oxide in which a, b, c> 0 (in other words, including all elements of Ni, Co, and Mn) can be preferably used. In a preferred embodiment, a, b, and c (that is, amounts of Ni, Co, and Mn) are approximately the same. In another preferred embodiment, a> b and a> c (in other words, the first element is Ni). Such a lithium transition metal composite oxide is excellent in electronic conductivity and thermal stability, and can realize excellent output characteristics and cycle characteristics. For this reason, the effect of this invention can be exhibited more.
このようなWを金属添加元素として含むリチウム遷移金属複合酸化物は、典型的には一次粒子が集まってなる粒子状である。かかる正極活物質粒子の表面から深さ方向に1.5nmまでの平均タングステン濃度(表面W濃度)は特に限定されないが、例えば表面W濃度は0.1mol%以上(典型的には0.2mol%以上、好ましくは0.5mol%以上)であって3.0mol%以下(典型的には2.5mol%以下、好ましくは2mol%以下)となり得る。このような表面W濃度の範囲内であると、正極活物質310aの電子伝導性がさらに向上する。このため、本発明の効果をより良く発揮することができる。
Such a lithium transition metal composite oxide containing W as a metal additive element is typically in the form of particles in which primary particles are gathered. The average tungsten concentration (surface W concentration) from the surface of the positive electrode active material particles to 1.5 nm in the depth direction is not particularly limited. For example, the surface W concentration is 0.1 mol% or more (typically 0.2 mol%). Or more, preferably 0.5 mol% or more) and 3.0 mol% or less (typically 2.5 mol% or less, preferably 2 mol% or less). Within the range of such a surface W concentration, the electron conductivity of the positive electrode
なお、本明細書において「表面W濃度」は、従来公知のX線光電子分光法に基づいて測定される、リチウム遷移金属複合酸化物の最表面を構成する元素全体に対するW元素の平均割合(mol%)を言う。かかる測定は、例えば、XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)やESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)等と称されるX線光電子分光法に基づく分析機器を用いて行うことができる。また、「表面から深さ方向に1.5nm」とは、表面から深さ方向(垂直方向)に厳密に1.5nm(例えば小数点以下2桁目を四捨五入して、1.5nm)である必要はなく、装置の測定誤差等をも包含する値である。より具体的には、凡そ1.5nmであって、例えば1.0nm〜2.0nmであり得、典型的には1.5±0.2nmであり得る。 In the present specification, the “surface W concentration” is an average ratio (mol of W element to the whole element constituting the outermost surface of the lithium transition metal composite oxide, measured based on a conventionally known X-ray photoelectron spectroscopy. %). Such measurement can be performed, for example, using an analytical instrument based on X-ray photoelectron spectroscopy called XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy), ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis), or the like. In addition, “1.5 nm from the surface to the depth direction” must be strictly 1.5 nm from the surface to the depth direction (vertical direction) (for example, 1.5 nm by rounding off the second decimal place). It is a value that includes the measurement error of the apparatus. More specifically, it is about 1.5 nm, for example, 1.0 nm to 2.0 nm, and typically 1.5 ± 0.2 nm.
<非添加元素含有領域R2に用いられる正極活物質310b>
非添加元素含有領域R2に用いられる正極活物質310bとしては、リチウム遷移金属複合酸化物の主成分に対して、前述した金属添加元素(付加的な元素)が添加されていないものであればよい。正極活物質310bとしては、かかる条件を満たす限りにおいて従来からリチウムイオン二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定することなく使用することができる。上記金属添加元素が添加されていないことを除いて、添加元素含有領域R1に用いられる正極活物質310aと略同一組成であることが好ましい。
<Positive electrode
The positive electrode
このようなリチウム遷移金属複合酸化物の好適例としては、例えば、一般式(II):Li1+Β(NixCoyMnz)O2で表される酸化物が挙げられる。かかるリチウム遷移金属複合酸化物の例としては、リチウムニッケル酸化物(例えばLiNiO2)、リチウムコバルト酸化物(例えばLiCoO2)、リチウムマンガン酸化物(例えばLiMn2O4)等が挙げられる。ここで上記式(II)中のβは0≦β≦0.25で電荷中性条件を満たすように定まる値であり、x,y,zは、x+y+z≒1を満たし、x,y,zのうち少なくとも一つは0よりも大きい。上記式(II)において「x+y+z≒1」とは、概ね0.9≦x+y+z≦1.2(典型的には0.9<x+y+z<1.2、例えば0.95≦x+y+z≦1.1)であり得、例えばx+y+z=1である。 Preferable examples of such a lithium transition metal composite oxide include, for example, an oxide represented by the general formula (II): Li 1 + Β (Ni x Co y Mn z ) O 2 . Examples of the lithium transition metal composite oxide include lithium nickel oxide (for example, LiNiO 2 ), lithium cobalt oxide (for example, LiCoO 2 ), lithium manganese oxide (for example, LiMn 2 O 4 ), and the like. Here, β in the above formula (II) is a value determined to satisfy the charge neutrality condition with 0 ≦ β ≦ 0.25, and x, y, z satisfies x + y + z≈1, and x, y, z At least one of them is greater than zero. In the above formula (II), “x + y + z≈1” is approximately 0.9 ≦ x + y + z ≦ 1.2 (typically 0.9 <x + y + z <1.2, for example 0.95 ≦ x + y + z ≦ 1.1). For example, x + y + z = 1.
また、上記式(II)中のx,y,zは、x+y+z≒1、およびx,y,zのうち少なくとも一つは0よりも大きい、という条件を満たす限りにおいて特に限定されず、x,y,zのうちどの数字が最も大きくなってもよい。換言すれば、Ni,Co,Mnのうちの第一元素(原子数基準で最も多く含まれる元素)は、Ni,CoおよびMnのいずれであってもよい。例えば、xは、0.1以上(典型的には0.3以上)であって1未満(典型的には0.9以下、例えば0.6以下)となり得る。yは、0以上(典型的には0.1以上、例えば0.3以上)であって0.6以下(典型的には0.5以下、例えば0.4以下)となり得る。zは、0以上(典型的には0.1以上、例えば0.3以上)であって0.6以下(典型的には0.5以下、例えば0.4以下)となり得る。なかでも、x,y,z>0である(換言すれば、Ni,Co,Mnの全ての元素を含む)、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物を好ましく用いることができる。好ましい一態様では、x,y,z(即ち、Ni,Co,Mnの量)が概ね同程度である。また、好ましい他の一態様では、x>yかつx>z(換言すれば上記第一元素がNi)である。 Further, x, y, z in the above formula (II) are not particularly limited as long as the condition that x + y + z≈1 and at least one of x, y, z is greater than 0 is satisfied. Any number of y and z may be the largest. In other words, the first element of Ni, Co, and Mn (the element that is contained most on the basis of the number of atoms) may be any of Ni, Co, and Mn. For example, x can be 0.1 or more (typically 0.3 or more) and less than 1 (typically 0.9 or less, such as 0.6 or less). y can be 0 or more (typically 0.1 or more, for example 0.3 or more) and 0.6 or less (typically 0.5 or less, for example 0.4 or less). z can be 0 or more (typically 0.1 or more, for example 0.3 or more) and 0.6 or less (typically 0.5 or less, for example 0.4 or less). Among these, lithium nickel cobalt manganese composite oxides that satisfy x, y, z> 0 (in other words, include all elements of Ni, Co, and Mn) can be preferably used. In a preferred embodiment, x, y, and z (that is, the amounts of Ni, Co, and Mn) are approximately the same. In another preferred embodiment, x> y and x> z (in other words, the first element is Ni).
≪正極活物質層223の形成方法≫
正極活物質層223は、添加元素含有領域R1と、非添加元素含有領域R2とで、異なる合剤を基に形成するとよい。例えば、添加元素含有領域R1を形成するための第1合剤と、非添加元素含有領域R2を形成するための第2合剤とを用意するとよい。第1合剤には、リチウム遷移金属複合酸化物の主成分に対して、金属添加元素を添加した正極活物質310aが含まれる。また、第2合剤には、リチウム遷移金属複合酸化物の主成分に対して、金属添加元素を添加していない正極活物質310bが含まれる。第1合剤を正極集電体221の添加元素含有領域R1が形成される部分に塗布して乾燥することにより、正極集電体221の表面に正極活物質層223の一部分を形成する。この一部分が正極活物質層223の添加元素含有領域R1となる。また、第2合剤を正極集電体221の長手方向の残りの部分に帯状に塗布して乾燥することにより、正極集電体221の表面に正極活物質層223の残りの部分を形成するとよい。この残りの部分が正極活物質層223の非添加元素含有領域R2となる。
<< Method for Forming Positive Electrode
The positive electrode
好ましくは、図8に示すように、一枚の正極集電体221に長さ方向に1列の正極合剤の塗膜を形成し、当該塗膜の中央部にスリットを形成する(スリットを形成する位置は、図8中の一点鎖線で示す)。そして、当該スリットで正極集電体221を切断することで、2枚の正極シート220を製造するとよい。この場合、添加元素含有領域R1を形成するための第1合剤322は、正極集電体221の添加元素含有領域が形成される部分(すなわち正極集電体221の幅方向の中央部分)に塗布され得る。また、非添加元素含有領域R2を形成するための第2合剤324は、正極集電体221の長手方向の残りの部分に正極集電体221の未塗工部を帯状に残して塗布され得る。そして、乾燥後、図示しない切断装置によりスリット(図8中の一点鎖線)で正極集電体221を切断し、2枚の正極シート220に分割して使用するとよい。
Preferably, as shown in FIG. 8, a single positive electrode mixture coating film is formed in the length direction on one positive electrode
≪試験例1≫
本発明者は、かかる正極シート220の作用効果を評価するべく試験をした。かかる試験で用いられたリチウムイオン二次電池では、図1〜図4に示すように、正極集電体221の両面に正極活物質層223が形成された正極シート220と、負極集電体241の両面に負極活物質層243が形成された負極シート240とを備えている。正極活物質層223は、正極集電体221の長手方向に直交する幅方向の一方の縁部に未塗工部222を設け、かつ、他方の縁部には実質的に未塗工部222が設けられないように形成されている。また、図5に示すように、正極活物質層223の未塗工部222が形成されている側の縁部225には、タングステン(W)が添加されていないW未添加の正極活物質310bを用いた非添加元素含有領域R2が設けられている。一方、該縁部225を除いた正極活物質層223の全域には、タングステン(W)が添加されてなるW添加の正極活物質310aを用いた添加元素含有領域R1が設けられている。
<< Test Example 1 >>
The inventor conducted a test to evaluate the effect of the
本例では、負極活物質層243は、負極集電体241において、長手方向の一方の縁部に帯状に設けられる未塗工部242を除いた全面に備えられている。負極活物質層243の幅が正極活物質層223の幅よりも広い。そして、負極活物質層243が正極活物質層223を覆う状態で、かつ、負極集電体241と正極集電体221とは、互いの未塗工部222、242が幅方向の反対側に突出するように、配置されて捲回されている。このため、図7に示すように、負極活物質層243は、未塗工部242が形成されていない側の縁部において、正極活物質層223に対向していない部位(非対向部位)246aを有する。また、負極活物質層243は、未塗工部242が形成されている側の縁部において、正極活物質層223に対向していない部位(非対向部位)246bを有する。本例では、未塗工部242が形成されている側の非対向部位246aの幅W1を3mmとし、未塗工部242が形成されていない側の非対向部位246bの幅W2を3mmとした。
In this example, the negative electrode
≪正極シート≫
正極シート220は、添加元素含有領域R1の幅L1と、非添加元素含有領域R2の幅L2との比(L2/L1)を変えた複数のサンプルを形成した。
≪Positive electrode sheet≫
The
正極活物質層223を形成する際の合剤は、正極活物質としてリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物、導電材としてアセチレンブラック(AB)、バインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVdF)、溶媒としてN−メチルピロリドン(NMP)を用いた。正極活物質とABとPVdFの重量割合は、正極活物質:AB:PVdf=100:4:2にした。
The mixture for forming the positive electrode
ここでは、正極活物質層223は、添加元素含有領域R1と、非添加元素含有領域R2とで、異なる合剤を基に形成した。すなわち、添加元素含有領域R1を形成するための第1合剤と、非添加元素含有領域R2を形成するための第2合剤とを用意した。第1合剤に含まれるW添加の正極活物質310aのWを除く基本組成はLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2とし、該正極活物質310aの表面W濃度は1.25mol%とした。また、第2合剤に含まれるW未添加の正極活物質310bの組成は、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2とした。第1合剤を正極集電体221としてのアルミニウム箔(厚さ15μm)の両面の添加元素含有領域R1が形成される部分に塗布して乾燥することにより、正極集電体221の両面に正極活物質層223の一部分を形成した。また、第2合剤を正極集電体221の長手方向の残りの部分に帯状に塗布して乾燥することにより、正極集電体221の表面に正極活物質層223の残りの部分を形成した。正極合材の塗布量は、両面合わせて約30mg/cm2(固形分基準)となるように調節した。正極シート220全体の厚みは170μm、長さは4500mm、正極活物質層223の塗工幅(L1+L2:図7)は94mmとした。
Here, the positive electrode
≪サンプル1〜9≫
サンプル1〜9では、添加元素含有領域R1の幅L1と、非添加元素含有領域R2の幅L2との比(L2/L1)が異なる(図7参照)。また、サンプル1〜9は、かかる幅の比(L2/L1)を除き、同じ構成にした。
≪Samples 1-9≫
In samples 1 to 9, the ratio (L2 / L1) between the width L1 of the additive element-containing region R1 and the width L2 of the non-additive element-containing region R2 is different (see FIG. 7). Samples 1 to 9 have the same configuration except for the width ratio (L2 / L1).
≪負極シート≫
負極シート240は次のようにして作製した。負極活物質としての黒鉛粉末100質量部と、バインダとしてスチレンブタジエン共重合体(SBR)1質量部と、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース1質量部とを水に加えて負極合剤を調製し、これを長尺シート状の銅箔(負極集電体、厚み14μm)の両面に帯状に塗布して乾燥することにより、負極集電体241の両面に負極活物質層243が設けられた負極シート240を作製した。負極合剤の塗布量は、両面合わせて約30mg/cm2(固形分基準)となるように調節した。負極シート240全体の厚みは154μm、長さは4700mm、負極活物質層243の塗工幅は100mmとした。
≪Negative electrode sheet≫
The
≪リチウムイオン二次電池≫
上記正極シート220及び負極シート240を2枚のセパレータ262、264を介して捲回することによって捲回体を作製し、この捲回体を横方向から平板にて4kN/cm2の圧力にて2分間プレスして押し潰すことによって扁平状の捲回電極体200を作製した。このようにして得られた捲回電極体200を非水電解質(非水電解液)とともに電池ケース(ここでは角型を使用した。)300に収容し、電池ケース300の開口部を気密に封口した。ここでは、セパレータ262、264には、ポリプロピレン(PP)とポリエチレン(PE)とポリプロピレン(PP)の3層構造からなる多孔質膜(厚さ20μm)の表面にアルミナ粒子からなる多孔質層を形成したものを使用した。また、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとエチルメチルカーボネートとを体積比率において、3:4:3で配合し、LiPF6を1mol溶解させた電解液を使用した。電解液には、CHB1質量%とBP1質量%を添加した。
≪Lithium ion secondary battery≫
The
≪初期容量の測定≫
各サンプル1〜9で得られた試験用リチウムイオン二次電池のそれぞれを、25℃の温度条件にて、電流値1Cで電圧4.1Vまで充電した。5分間の休止後、かかる充電後の電池を、25℃において、電流値1Cで電圧3.0Vまで放電した。そして、5分間の休止後、電流値1Cで電圧4.1Vまで充電し、その後、定電圧方式で電流値が0.1Cに減少するまで充電した。かかる充電後の電池を、25℃において、電流値1Cで電圧3.0Vまで放電し、その後、定電圧方式で電流値が0.1Cに減少するまで放電した。このときの放電容量を初期容量(定格容量)とした。ここで、試験用リチウムイオン二次電池の初期容量は24Ahとした。
≪Measurement of initial capacity≫
Each of the test lithium ion secondary batteries obtained in Samples 1 to 9 was charged to a voltage of 4.1 V at a current value of 1 C under a temperature condition of 25 ° C. After 5 minutes of rest, the charged battery was discharged to a voltage of 3.0 V at a current value of 1 C at 25 ° C. Then, after a pause of 5 minutes, the battery was charged at a current value of 1 C to a voltage of 4.1 V, and then charged by a constant voltage method until the current value was reduced to 0.1 C. The charged battery was discharged at 25 ° C. at a current value of 1 C to a voltage of 3.0 V, and then discharged by a constant voltage method until the current value was reduced to 0.1 C. The discharge capacity at this time was defined as the initial capacity (rated capacity). Here, the initial capacity of the test lithium ion secondary battery was 24 Ah.
≪サイクル後容量維持率≫
各サンプルの試験用リチウムイオン二次電池のそれぞれに対し、2CでCC充放電を繰り返す充放電パターンを付与し、サイクル試験を行った。具体的には、約50℃の環境下において、2Cの定電流充電によって4.1Vまで充電を行い、2Cの定電流放電によって3.0Vまで放電を行う充放電サイクルを1000回連続して繰り返した。そして、充放電サイクル試験後における容量と、初期容量とから容量維持率を算出した。ここで、充放電サイクル試験後における容量は、「初期容量の測定」と同様にして行った。容量維持率は、「充放電サイクル試験後の電池容量/初期容量」×100により求めた。ここでは各サンプルの電池5個に対して上記試験を実施し、その平均値を算出した。
≪Capacity maintenance ratio after cycle≫
A charge / discharge pattern that repeats CC charge / discharge at 2C was applied to each test lithium ion secondary battery of each sample, and a cycle test was performed. Specifically, in an environment of about 50 ° C., a charging / discharging cycle in which charging is performed up to 4.1 V by constant current charging at 2 C and discharging is performed up to 3.0 V by constant current discharging at 2 C is repeated 1000 times continuously. It was. Then, the capacity retention rate was calculated from the capacity after the charge / discharge cycle test and the initial capacity. Here, the capacity after the charge / discharge cycle test was performed in the same manner as in “Measurement of initial capacity”. The capacity retention rate was determined by “battery capacity after charge / discharge cycle test / initial capacity” × 100. Here, the above test was performed on five batteries of each sample, and the average value was calculated.
≪0℃パルスサイクル後容量維持率≫
各サンプルの試験用リチウムイオン二次電池のそれぞれに対し、初期容量の凡そ50%の充電状態(SOC50%)に調整した後、0℃の温度条件下において、20Cで10秒間のCC放電と20Cで10秒間のCC充電とを行う充放電サイクルを50000回連続して繰り返した。そして、0℃パルスサイクル後の電池容量を、初期容量と同じ条件で測定し、[(0℃パルスサイクル後の電池容量)/(初期容量)]×100(%)から、0℃パルスサイクル後容量維持率を求めた。
≪Capacity maintenance ratio after 0 ℃ pulse cycle≫
For each test lithium ion secondary battery of each sample, after adjusting to a charged state (SOC 50%) of about 50% of the initial capacity, CC discharge for 10 seconds at 20C and 20C under the temperature condition of 0 ° C The charging / discharging cycle which performs CC charge for 10 seconds was repeated 50000 times continuously. Then, the battery capacity after the 0 ° C. pulse cycle is measured under the same conditions as the initial capacity. From [(battery capacity after 0 ° C. pulse cycle) / (initial capacity)] × 100 (%), after 0 ° C. pulse cycle The capacity maintenance rate was obtained.
≪電池抵抗≫
各サンプルの試験用リチウムイオン二次電池について、初期容量の凡そ60%の充電状態(SOC60%)に調整した後、25℃の環境雰囲気下において、10Cの電流値で10秒間の放電を行い、放電開始から10秒後の電圧値を測定し、IV抵抗を算出した。ここでは各サンプルの電池10個に対して上記電池抵抗を実施し、その平均値を算出した。
≪Battery resistance≫
About the test lithium ion secondary battery of each sample, after adjusting to a charged state (SOC 60%) of about 60% of the initial capacity, discharging was performed at a current value of 10 C for 10 seconds in an environmental atmosphere of 25 ° C. The voltage value 10 seconds after the start of discharge was measured, and the IV resistance was calculated. Here, the battery resistance was applied to 10 batteries of each sample, and the average value was calculated.
≪高温保存試験≫
各サンプルの試験用リチウムイオン二次電池のそれぞれに対し、初期容量の凡そ100%の充電状態(SOC100%)に調整した後、60℃の恒温槽に収容し、100日間の高温エージングを行った。そして、高温保存後の電池容量を、初期容量と同じ条件で測定し、[(高温保存後の電池容量)/(初期容量)]×100(%)から、高温保存後容量維持率を求めた。ここでは各サンプルの電池50個に対して上記試験を実施し、その平均値を算出した。
≪High temperature storage test≫
Each sample lithium ion secondary battery was adjusted to a charged state (
≪過充電試験≫
各サンプルの試験用リチウムイオン二次電池のそれぞれに対し、25℃の恒温槽中で、2A(1Cに相当)の定電流で20Vまで充電し、過充電状態とした。そして、電池電圧の変化から電流遮断機構の作動の有無を調べた。ここでは上記サイクル試験を行わなかった電池と、上記サイクル試験後の電池について過充電試験を行った。また、各サンプルの電池10個に対して上記試験を実施した。
≪Overcharge test≫
Each of the test lithium ion secondary batteries of each sample was charged to 20 V with a constant current of 2 A (corresponding to 1 C) in a constant temperature bath at 25 ° C. to be in an overcharged state. And the presence or absence of the action | operation of a current interruption mechanism was investigated from the change of battery voltage. Here, an overcharge test was performed on the battery that was not subjected to the cycle test and the battery after the cycle test. Moreover, the said test was implemented with respect to 10 batteries of each sample.
≪各サンプルの評価≫
各サンプルについて、上記試験の結果を表1に示す。
≪Evaluation of each sample≫
The results of the above test are shown in Table 1 for each sample.
表1に示すように、サンプル1では、正極活物質層223の全域でW添加の正極活物質310aが用いられている。一方、サンプル9では、正極活物質層223の全域でW未添加の正極活物質310bが用いられている。Wを添加したサンプル1は、未添加のサンプル9に比べて、電池抵抗がより低く、サイクル後容量維持率および0℃容量維持率は向上したものの、高温保存後容量維持率は低下傾向となった。サンプル1では、正極活物質層223の全域にWを添加しているため、高温保存時に正極活物質層223の縁部225からWが溶出し、電池容量の低下を招いたものと推測される。
As shown in Table 1, in Sample 1, a W-added positive electrode
これに対し、サンプル2〜8では、正極活物質層223の未塗工部222が形成されている側の縁部225にW添加の正極活物質310aが用いられ、当該縁部225を除く正極活物質層223の全域ではW未添加の正極活物質310bが用いられている。これらのサンプル2〜8については、電池抵抗、サイクル後容量維持率および0℃容量維持率がいずれも良好であり、サンプル9に比べて極めて高い耐久性能を示した。また、高温保存後の容量維持率についても、サンプル1に比べて大幅に改善されていた。このように、正極活物質層223の未塗工部222が形成されている側の縁部225にW未添加の正極活物質310bを用い、当該縁部225を除く正極活物質層223の全域にW添加の正極活物質310aを用いることによって、リチウムイオン二次電池は、低温から高温までの幅広い温度範囲にわたって電池性能が格段に向上する。
On the other hand, in Samples 2 to 8, the positive electrode
サンプル3〜8では、添加元素含有領域の幅L1と、非添加元素含有領域の幅L2との比が0.1≦(L2/L1)の範囲に設定されている。かかるサンプル3〜8は、高温保存後における容量維持率が97%以上と格段に良好な結果が得られ、サンプル2(L2/L1:0.06)よりも耐久性に優れるものであった。サンプル2では、非添加元素含有領域の幅L2の割合が小さすぎたため、正極活物質層223の縁部225でWの溶出が生じ、容量劣化を招いたものと解される。この結果から、上記幅の比(L2/L1)は、0.1以上であることが好ましく、概ね0.2以上であることがより好ましく、概ね0.3以上であることが特に好ましい。
In Samples 3 to 8, the ratio between the width L1 of the additive element-containing region and the width L2 of the non-additive element-containing region is set in a range of 0.1 ≦ (L2 / L1). Samples 3 to 8 had a capacity retention rate of 97% or more after high-temperature storage, which was much better than that of sample 2 (L2 / L1: 0.06). In sample 2, since the ratio of the width L2 of the non-additive element-containing region is too small, it is understood that elution of W occurs at the
サンプル2〜7では、添加元素含有領域の幅L1と、非添加元素含有領域の幅L2との比が(L2/L1)≦1の範囲に設定されている。かかるサンプル2〜7は、サイクル後容量維持率が82%以上と良好な結果が得られ、サンプル8(L2/L1:1.24)よりも耐久性に優れるものであった。サンプル8では、非添加元素含有領域の幅L2の割合が大きすぎたため、W添加による性能向上効果が不十分であったものと解される。この結果から、上記幅の比(L2/L1)は、1以下であることが好ましく、概ね0.8以下であることがより好ましく、概ね0.6位かであることが特に好ましい。 In Samples 2 to 7, the ratio between the width L1 of the additive element-containing region and the width L2 of the non-additive element-containing region is set in the range of (L2 / L1) ≦ 1. Samples 2 to 7 had a good result with a post-cycle capacity retention rate of 82% or more, and were more durable than sample 8 (L2 / L1: 1.24). In sample 8, since the ratio of the width L2 of the non-addition element-containing region is too large, it is understood that the performance improvement effect by adding W was insufficient. From this result, the width ratio (L2 / L1) is preferably 1 or less, more preferably approximately 0.8 or less, and particularly preferably approximately 0.6.
なお、サンプル1は、他のサンプル2〜8に比べて、過充電時における電流遮断機構の作動数が少なかった。サンプル1では、過充電時に正極活物質層223の縁部225からWが溶出して電解液中のガス発生剤(CHBおよびBP)と副反応を起こすことで、ガス発生剤が消費され、十分なガスが発生しなかったものと推測される。これに対し、サンプル2〜8では、正極活物質層223の縁部225にW未添加の正極活物質310bを用いることによって、Wの溶出が回避され、ガス発生剤との副反応が起こり難い。その結果、ガス発生剤の無駄な消費が抑えられ、ガス発生量を多くすることができ、電流遮断機構を短時間で作動させることができたものと解される。この点からも、本発明は価値の高い技術であると云える。
Sample 1 had a smaller number of operating current interrupting mechanisms during overcharging than other samples 2-8. In Sample 1, W elutes from the
≪試験例2≫
図7に示すように、負極活物質層243の未塗工部242が形成されている側の非対向部位246aの幅W1を4mmとし、未塗工部242が形成されていない側の非対向部位246bの幅W2を2mmとしたこと以外は試験例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製し、評価した。結果を表2に示す。
<< Test Example 2 >>
As shown in FIG. 7, the width W1 of the
≪試験例3≫
図7に示すように、負極活物質層243の未塗工部242が形成されている側の非対向部位246aの幅W1を6mmとし、未塗工部242が形成されていない側の非対向部位246bの幅W2を0mm(すなわち非対向部位246bなし)としたこと以外は試験例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製し、評価した。結果を表3に示す。
<< Test Example 3 >>
As shown in FIG. 7, the width W1 of the
表2および表3に示すように、サンプル10(表2)およびサンプル19(表3)では、正極活物質層223の全域でW添加の正極活物質310aが用いられている。また、サンプル10では、負極活物質層243の未塗工部242が形成されていない側の非対向部位246bの幅W2が2mmに設定されている。また、サンプル19では、負極活物質層243の未塗工部242が形成されていない側の非対向部位246bの幅W2が0mmに設定されている。これらのサンプル10および19については、幅W2を3mmとしたサンプル1(表1)に比べて、高温保存後における容量維持率が低下傾向となった。サンプル10および19では、サンプル1よりも、負極活物質層243の縁部245(図4)と、正極活物質層223の縁部225との相対位置が近い。そのため、正極活物質層223の縁部225でのWの溶出が顕著となり、上記容量劣化を招いたものと解される。
As shown in Table 2 and Table 3, in Sample 10 (Table 2) and Sample 19 (Table 3), the W-added positive electrode
これに対し、サンプル11〜17(表2)およびサンプル20〜26(表3)では、正極活物質層223の未塗工部222が形成されている側の縁部225にW添加の正極活物質310aが用いられ、当該縁部225を除く正極活物質層223の全域ではW未添加の正極活物質310bが用いられている。これらのサンプル11〜17、20〜26については、サンプル2〜8(表1)と同程度にまで、高温保存後の容量維持率を高くすることができた。本発明の構成は、サンプル11〜17やサンプル20〜26のように、負極活物質層243の縁部245と、正極活物質層223の縁部225との相対位置が近い電池に対して特に有用であると云える。
In contrast, in Samples 11 to 17 (Table 2) and Samples 20 to 26 (Table 3), the positive electrode active material with W added to the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 As mentioned above, although the specific example of this invention was demonstrated in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
ここまでは二次電池の典型例としてリチウムイオン二次電池について説明したが、この形態の二次電池に限定されない。例えば、リチウムイオン以外の金属イオン(例えばナトリウムイオン)を電荷担体とする非水電解液型二次電池や、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池であってもよく、また、上述した電極体を備えるリチウムイオンキャパシタ等の電気二重層キャパシタ(物理電池)であってもよい。 Up to this point, a lithium ion secondary battery has been described as a typical example of a secondary battery, but the present invention is not limited to this form of secondary battery. For example, it may be a non-aqueous electrolyte secondary battery using a metal ion other than lithium ion (for example, sodium ion) as a charge carrier, a nickel hydride battery, a nickel cadmium battery, or a lithium battery equipped with the electrode body described above. It may be an electric double layer capacitor (physical battery) such as an ion capacitor.
ここに開示される技術により提供される二次電池は、上述したように正極活物質層の縁部での金属の溶出が起こりにくく、高温保存後の容量維持率が向上するので、特に自動車等の車両に搭載されるモーター(電動機)用電源として好適に使用し得る。従って本発明は、図9に模式的に示すように、かかる二次電池100(典型的には複数直列接続してなる組電池)を電源として備える車両1(典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車)を提供する。 As described above, the secondary battery provided by the technology disclosed herein is unlikely to cause metal elution at the edge of the positive electrode active material layer, and the capacity retention rate after high-temperature storage is improved. It can be suitably used as a power source for a motor (electric motor) mounted on the vehicle. Accordingly, the present invention, as schematically shown in FIG. 9, is a vehicle 1 (typically an automobile, particularly a hybrid automobile) provided with such a secondary battery 100 (typically, a battery pack formed by connecting a plurality of batteries in series) as a power source. , Automobiles equipped with electric motors such as electric vehicles and fuel cell vehicles).
1 車両
100 二次電池
200 捲回電極体
220 正極シート
221 正極集電体
222 未塗工部
223 正極活物質層
225 縁部
240 負極シート
241 負極集電体
242 未塗工部
243 負極活物質層
245 縁部
262,264 セパレータ
300 電池ケース
310a 正極活物質(金属添加物あり)
310b 正極活物質(金属添加物なし)
460 電流遮断機構
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
310b Positive electrode active material (no metal additive)
460 Current interrupt mechanism
Claims (7)
前記負極活物質層は、前記負極集電体の長手方向に直交する幅方向の一方の縁部に該負極活物質層が形成されていない未塗工部を設け、かつ、他方の縁部には実質的に前記未塗工部が設けられないように形成され、
前記正極活物質層は、前記正極集電体の長手方向に直交する幅方向の一方の縁部に該正極活物質層が形成されていない未塗工部を設け、かつ、他方の縁部には実質的に前記未塗工部が設けられないように形成され、
前記負極集電体と前記正極集電体とは、互いの未塗工部が幅方向の反対側に突出するように、配置されており、
ここで前記正極活物質層は、リチウム遷移金属複合酸化物の主成分に対して、該主成分を構成している元素を除く少なくとも一種の金属元素が添加されてなる正極活物質を用いた添加元素含有領域と、前記リチウム遷移金属複合酸化物の主成分に対して前記金属元素が添加されていない正極活物質を用いた非添加元素含有領域とを有し、
前記非添加元素含有領域は、前記正極活物質層の前記未塗工部が形成されている側の縁部に設けられている、二次電池。 A positive electrode sheet having a positive electrode active material layer on a long positive electrode current collector, a negative electrode sheet having negative electrode active material layers on both sides of the long negative electrode current collector, and between the positive electrode sheet and the negative electrode sheet A secondary battery comprising an electrode body overlaid with an intervening separator,
The negative electrode active material layer is provided with an uncoated portion where the negative electrode active material layer is not formed at one edge in the width direction perpendicular to the longitudinal direction of the negative electrode current collector, and at the other edge. Is formed so that substantially the uncoated part is not provided,
The positive electrode active material layer is provided with an uncoated portion where the positive electrode active material layer is not formed at one edge in the width direction perpendicular to the longitudinal direction of the positive electrode current collector, and at the other edge. Is formed so that substantially the uncoated part is not provided,
The negative electrode current collector and the positive electrode current collector are arranged such that the uncoated portions of each other protrude on the opposite side in the width direction,
Here, the positive electrode active material layer is added using a positive electrode active material in which at least one metal element excluding an element constituting the main component is added to the main component of the lithium transition metal composite oxide. An element-containing region, and a non-additive element-containing region using a positive electrode active material to which the metal element is not added with respect to a main component of the lithium transition metal composite oxide,
The non-additive element-containing region is a secondary battery provided at an edge portion of the positive electrode active material layer on the side where the uncoated portion is formed.
Li1+α(NiaCobMncMdWe)O2 (I)
(ここで、Mは、遷移金属元素および典型金属元素から選択される一種または二種以上であり、αは0≦α≦0.25で電荷中性条件を満たすように定まる値であり、a,b,c,d,eは、a+b+c+d+e≒1、0.0005≦e≦0.01およびd≧0を満たし、a,b,cのうち少なくとも一つは0よりも大きい。);
で表されるリチウム遷移金属複合酸化物である、請求項1〜3の何れか一つに記載の二次電池。 The positive electrode active material contained in the additive element-containing region has the general formula (I):
Li 1 + α (Ni a Co b Mn c M d W e) O 2 (I)
(Here, M is one or more selected from a transition metal element and a typical metal element, and α is a value determined to satisfy the charge neutrality condition with 0 ≦ α ≦ 0.25, and a , B, c, d, e satisfy a + b + c + d + e≈1, 0.0005 ≦ e ≦ 0.01 and d ≧ 0, and at least one of a, b, c is greater than 0);
The secondary battery as described in any one of Claims 1-3 which is lithium transition metal complex oxide represented by these.
Li1+Β(NixCoyMnz)O2 (II)
(ここで、βは0≦β≦0.25で電荷中性条件を満たすように定まる値であり、x,y,zは、x+y+z≒1を満たし、x,y,zのうち少なくとも一つは0よりも大きい。);
で表されるリチウム遷移金属複合酸化物である、請求項1〜5の何れか一つに記載の二次電池。 The positive electrode active material contained in the non-additive element-containing region has the general formula (II):
Li 1 + Β (Ni x Co y Mn z ) O 2 (II)
(Where β is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition with 0 ≦ β ≦ 0.25, and x, y, and z satisfy x + y + z≈1, and at least one of x, y, and z Is greater than 0);
The secondary battery as described in any one of Claims 1-5 which is lithium transition metal complex oxide represented by these.
前記負極活物質層が前記正極活物質層を覆う状態で、かつ、
前記負極集電体と前記正極集電体とは、互いの未塗工部が幅方向の反対側に突出するように、配置されて捲回されている、請求項1〜6の何れか一つに記載の二次電池。 The negative electrode active material layer is wider than the positive electrode active material layer,
In a state where the negative electrode active material layer covers the positive electrode active material layer, and
The said negative electrode collector and the said positive electrode collector are arrange | positioned and wound so that a mutual uncoated part may protrude on the opposite side of the width direction, The any one of Claims 1-6 Secondary battery described in 1.
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