JP2015008154A - Battery case - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、耐食性に優れた電池ケースに関する。 The present invention relates to a battery case having excellent corrosion resistance.
リチウムイオン電池は、コイン型や円筒型等の形状の電池ケース内に正極材料、負極材料及びリチウム塩が溶解した電解液が封じられており、電池ケースは過酷な腐食環境にさらされている。さらに電池ケースは、充放電において通電材料としての役割も果たすため、電気化学的な腐食の可能性もある。このためリチウムイオン電池に用いられる電池ケースの材料としては、耐食性に優れたSUS304等のステンレスが用いられている(例えば特許文献1)。 In a lithium ion battery, an electrolyte solution in which a positive electrode material, a negative electrode material, and a lithium salt are dissolved is sealed in a coin-shaped or cylindrical battery case, and the battery case is exposed to a severe corrosive environment. Furthermore, since the battery case also serves as a current-carrying material in charging and discharging, there is a possibility of electrochemical corrosion. For this reason, stainless steel such as SUS304 having excellent corrosion resistance is used as a material for a battery case used in a lithium ion battery (for example, Patent Document 1).
リチウムイオン電池の高容量化、高出力化の要請にともない、正極活物質として、例えばLi2NiPO4F、LiNiPO4、LiCoPO4、Li2CoPO4F等エネルギー密度の高い正極活物質として提案されている。これらの大きなエネルギー密度を有する正極活物質をリチウムイオン電池に利用すれば、理論的には、大きな充電容量のリチウムイオン電池となるはずである。 In response to demands for higher capacity and higher output of lithium ion batteries, positive electrode active materials such as Li 2 NiPO 4 F, LiNiPO 4 , LiCoPO 4 , and Li 2 CoPO 4 F have been proposed as high-energy-density positive electrode active materials. ing. If these positive electrode active materials having a large energy density are used in a lithium ion battery, theoretically, a lithium ion battery having a large charge capacity should be obtained.
ところが、このような正極活物質の充電反応は極めて高い電位において起こるため、環状炭酸エステルや鎖状炭酸エステル等の有機溶媒を用いた従来のリチウムイオン電池用電解液では、溶媒が酸化分解されて使用できなくなるという問題があった。このため、実際に取り出せる容量は、理論的な容量の半分以下となってしまうという問題があった(非特許文献1)。 However, since the charging reaction of such a positive electrode active material occurs at an extremely high potential, in conventional electrolytes for lithium ion batteries using an organic solvent such as a cyclic carbonate or a chain carbonate, the solvent is oxidatively decomposed. There was a problem that it could not be used. For this reason, there is a problem that the capacity that can be actually taken out is less than half of the theoretical capacity (Non-Patent Document 1).
本発明者らは、上記従来の課題を解決すべく鋭意試験研究を行ない、ニトリル基を含有する有機溶媒が高い正電位においても分解し難く、広い電位窓を有することを見出し、これを用いたリチウム電池用電解液について、すでに特許出願を行なっている(特願2007−333829、及び特願2009−046955)。このリチウムイオン電池用電解液によれば、特に高い正電位において広い電位窓を有するため、Li2CoPO4F、Li2NiPO4F、LiCoPO4、LiNiPO4等の酸化還元電位の高い正極材料を利用することができる。このため、起電力及び出力の大きな電池とすることができる。 The inventors of the present invention conducted intensive studies to solve the above-mentioned conventional problems, and found that an organic solvent containing a nitrile group is difficult to decompose even at a high positive potential and has a wide potential window. Patent applications have already been filed for electrolyte solutions for lithium batteries (Japanese Patent Application Nos. 2007-333829 and 2009-046955). According to this electrolyte solution for lithium ion batteries, because it has a wide potential window, particularly at high positive potential, Li 2 CoPO 4 F, Li 2 NiPO 4 F, a high positive electrode material having the redox potential such LiCoPO 4, LiNiPO 4 Can be used. For this reason, it can be set as a battery with a large electromotive force and an output.
しかし、このリチウムイオン電池用電解液を用いた場合、充放電時には正極に極めて高い電圧がかかるため、正極に接触している電池ケースも過酷な酸化的環境にさらされ、従来から用いられているステンレス製の電池ケースでは腐食のため使用できない場合もあり、この電解液に適した容器がないという問題があった。 However, when this lithium ion battery electrolyte is used, a very high voltage is applied to the positive electrode during charging and discharging, so the battery case in contact with the positive electrode is also exposed to a harsh oxidative environment and has been used conventionally. A stainless steel battery case may not be used due to corrosion, and there is a problem that there is no container suitable for this electrolytic solution.
例えば、リチウムイオン電池の正極活物質としてLi2NiPO4F、LiNiPO4、LiCoPO4、Li2CoPO4F等の正極活物質を上記電解液に用いた場合、充電時に各電極に大きな分極電圧が印加されることとなる。このため、電解質がLiTFSIやLiBETIなど、フッ化物からなる耐食性の皮膜を形成し難い塩の場合は、アルミニウムからなる正極容器を用いた場合、アルミニウムが腐食してしまうという問題が生じていた。
For example, Li 2 NiPO 4 F as a cathode active material of a
また、電解質がLiBF4やLiPF6など、フッ化物からなる耐食性の皮膜を容易に形成するような塩の場合は、高電位にさらされたアルミニウムは、耐食性皮膜の厚さが増加し、電気抵抗が大きくなる。このため、電子パスを形成している集電体と導電助剤との接触域より不動態化が進み、オーミック過電圧が増加し、高出力化の妨げになるという問題があった。 In addition, when the electrolyte is a salt that easily forms a corrosion-resistant film made of fluoride, such as LiBF 4 or LiPF 6 , aluminum exposed to a high potential increases the thickness of the corrosion-resistant film and increases the electric resistance. Becomes larger. For this reason, there has been a problem that the passivation proceeds from the contact area between the current collector forming the electron path and the conductive additive, the ohmic overvoltage is increased, and high output is hindered.
また、負極においても、リチウムイオン電池の負極活物質の充放電反応は低い電位で起こるため、負極に接触している電池ケースも過酷な還元的環境にさらされ、電池ケース表面が変質したり、電解液が電池ケースの表面で変質したりするおそれがあり、どのような負極用の集電材料が適切かということも分からなかった。 Also, in the negative electrode, since the charge / discharge reaction of the negative electrode active material of the lithium ion battery occurs at a low potential, the battery case in contact with the negative electrode is also exposed to a severe reducing environment, the battery case surface is altered, There is a possibility that the electrolyte solution may be deteriorated on the surface of the battery case, and it has not been understood what kind of current collecting material for the negative electrode is appropriate.
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、優れた耐食性を示し、充放電時にも電解液を変質させることの少ない電池ケースを提供することを解決すべき課題としている。 This invention is made | formed in view of the said conventional situation, and makes it the problem which should be solved to provide the battery case which shows the outstanding corrosion resistance and does not change an electrolyte solution little also at the time of charging / discharging.
発明者らは、上記新たなリチウムイオン電池用電解液を用いた場合であっても腐食に耐え得る電池材料について、鋭意研究を行なった。その結果、オーステナイト系ステンレス、チタン(好ましくはモリブデンを含むオーステナイト系ステンレス)、ニッケル及びアルミニウムが、リチウムイオン電池用電解液中において高い正電位を付与されることにより、優れた耐食性皮膜が形成されることを見出した。さらには、これらの材料が、負極活物質が充電されるときの低い電位にさらされたとしても、優れた耐食性を示し、電解液を変質させることが少ないことを見出し、本発明を完成するに至った。 The inventors diligently studied battery materials that can withstand corrosion even when the above-described new lithium ion battery electrolyte is used. As a result, an austenitic stainless steel, titanium (preferably austenitic stainless steel containing molybdenum), nickel and aluminum are imparted with a high positive potential in the electrolyte for lithium ion batteries, thereby forming an excellent corrosion-resistant film. I found out. Furthermore, even when these materials are exposed to a low potential when the negative electrode active material is charged, they are found to exhibit excellent corrosion resistance and rarely alter the electrolyte, thereby completing the present invention. It came.
すなわち、本発明の電池ケースは、リチウム塩が溶解している電解液を備えたリチウムイオン電池に用いられる電池ケースであって、少なくとも該電池ケースの電解液と接触する部分はオーステナイト系ステンレス、チタン、ニッケル及びアルミニウムの少なくとも1種を主要構成成分とする基材からなることを特徴とする。 That is, the battery case of the present invention is a battery case used for a lithium ion battery provided with an electrolyte solution in which a lithium salt is dissolved, and at least a portion in contact with the electrolyte solution of the battery case is austenitic stainless steel, titanium It consists of the base material which has at least 1 sort (s) of nickel and aluminum as a main structural component.
本発明の電池ケースでは、容器の電解液と接触する部分は、オーステナイト系ステンレス、チタン、ニッケル及びアルミニウムの少なくとも1種を主要構成成分とする基材からなるため、充電時において正極に接触して正電位が付与されると、優れた耐食性皮膜が形成され、腐食の進行が食い止められる。さらには、これらの材料が、負極に接触して充電されるときの低い電位にさらされたとしても、優れた耐食性を示し、電解液を変質させることが少ない。 In the battery case of the present invention, the portion of the container that comes into contact with the electrolyte solution is made of a base material mainly composed of at least one of austenitic stainless steel, titanium, nickel, and aluminum. When a positive potential is applied, an excellent corrosion-resistant film is formed and the progress of corrosion is stopped. Furthermore, even when these materials are exposed to a low potential when charged in contact with the negative electrode, they exhibit excellent corrosion resistance and rarely alter the electrolyte.
腐食が問題となるのは電解液と接触する部分であるため、電池ケース全てをこれらの基材で作製する必要はなく、電解液と接触する部分のみでもよい。例えば、これらの基材と他の金属とをクラッドさせた材料等を用い、電池ケースの内側においてのみ、オーステナイト系ステンレス、チタン、ニッケル及びアルミニウムの少なくとも1種を主要構成成分とする基材が剥き出しとなるようにしたり、鉄板やステンレス板をプレス成形した電池ケース材料にニッケルめっきを施したりすることが挙げられる。 Since corrosion is a problem in the portion that comes into contact with the electrolytic solution, it is not necessary to make the entire battery case with these substrates, and only the portion that comes into contact with the electrolytic solution may be used. For example, using a material clad with these base materials and other metals, the base material having at least one of austenitic stainless steel, titanium, nickel and aluminum as a main constituent is exposed only inside the battery case. Or nickel plating is applied to a battery case material obtained by press-molding an iron plate or a stainless steel plate.
また、本発明において「チタン、ニッケル又はアルミニウムを主要構成成分とする基材」とは、リチウムイオン電池用電解液中において、高い正電位が付与されることにより、耐食性皮膜が形成される程度にチタンやニッケルやアルミニウムの含有量が高いものをいう。好ましくはチタン、ニッケル又はアルミニウムが90質量%以上含まれている金属である。 Further, in the present invention, the “base material containing titanium, nickel or aluminum as a main constituent” means that a corrosion resistance film is formed by applying a high positive potential in the electrolyte for a lithium ion battery. A high content of titanium, nickel or aluminum. Preferably, the metal contains 90% by mass or more of titanium, nickel, or aluminum.
本発明の電池ケースは、LiPF6(六フッ化リン酸リチウム)及び/又はLiBF4(四フッ化ホウ酸リチウム)を溶解した電解液を備えたリチウムイオン電池に適用することが効果的である。 The battery case of the present invention is effective when applied to a lithium ion battery including an electrolytic solution in which LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate) and / or LiBF 4 (lithium tetrafluoroborate) is dissolved. .
また、LiPF6及び/又はLiBF4に加えて、LiTFSI(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)及び/又はLiBETI(リチウムビス(ペンタフルオロメタンスルホニル)イミド)が含まれていることも好ましい。LiTFSIやLiBETIは、単独では耐食性の皮膜形成がされ難いが、LiPF6及び/又はLiBF4と共存させることにより、優れた耐食性皮膜が形成されるからである。また、LiTFSI(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)は特に分解温度が高く、耐熱特性が向上する上、溶解度が高く、比伝導度を大きくすることができるという長所を有する。
なお、LiPF6及び/又はLiBF4とLiTFSI及び/又はLiBETIとを共存させる場合、LiPF6及び/又はLiBF4の添加量は、LiPF6及び/又はLiBF4に対してモル比で0.5〜4倍の範囲であることが好ましく、さらに好ましくは1〜2倍である。また、LiPF6及び/又はLiBF4の濃度は0.5mol/L以上が好ましく、さらに好ましいのは1mol/L以上である。
In addition to LiPF 6 and / or LiBF 4 , LiTFSI (lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide) and / or LiBETI (lithium bis (pentafluoromethanesulfonyl) imide) is also preferably contained. This is because LiTFSI and LiBETI are difficult to form a corrosion-resistant film by themselves, but an excellent corrosion-resistant film is formed by coexisting with LiPF 6 and / or LiBF 4 . In addition, LiTFSI (lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide) has an advantage that the decomposition temperature is particularly high, the heat resistance is improved, the solubility is high, and the specific conductivity can be increased.
Incidentally, when coexist and LiPF 6 and / or LiBF 4 and LiTFSI and / or LiBETI, amount of LiPF 6 and / or LiBF 4 is 0.5 in a molar ratio with respect to LiPF 6 and / or LiBF 4 The range is preferably 4 times, more preferably 1 to 2 times. In addition, the concentration of LiPF 6 and / or LiBF 4 is preferably 0.5 mol / L or more, and more preferably 1 mol / L or more.
また、本発明の電池ケースは、電解液にはニトリル化合物が含まれるリチウムイオン電池に適用するのが効果的である。ニトリル化合物を含む電解液は電位窓が広がるため、電池ケースにも優れた耐食性が要求されるからである。 Moreover, it is effective to apply the battery case of the present invention to a lithium ion battery in which the electrolytic solution contains a nitrile compound. This is because the electrolytic solution containing the nitrile compound has a wide potential window, and thus the battery case is required to have excellent corrosion resistance.
これらの中でも、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物と、環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状炭酸エステルのうち少なくとも一つとが含まれている電解液が含まれるリチウムイオン電池に適用するのが効果的である。このような電解液は特に優れた電位窓を拡大する効果を有するため、電池ケースにも特に優れた耐食性が要求されるからである。 Among these, a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound having a nitrile group bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound, a chain ether nitrile compound having a nitrile group bonded to at least one of the ends of the chain ether compound, and cyano It is effective to be applied to a lithium ion battery including an electrolytic solution containing at least one nitrile compound of acetate and at least one of cyclic carbonate, cyclic carboxylate and chain carbonate. is there. This is because such an electrolytic solution has an effect of enlarging a particularly excellent potential window, and thus the battery case is required to have particularly excellent corrosion resistance.
本発明の電池ケースは、正極と負極とを絶縁するためのシール材を除き、その他の全てをオーステナイト系ステンレスからなる基材、チタン、ニッケル又はアルミニウムを主要構成成分とする基材、の少なくとも1種で構成することもできるが、鉄板やステンレス板からプレス成形した成形基材に無電解ニッケルめっきや電解ニッケルめっきを施してもよいし、他の金属とを組み合わせたクラッド材を用いることもできる。ただし、電解液と接する面においてオーステナイト系ステンレスからなる基材、チタン、ニッケル又はアルミニウムを主要構成成分とする基材、の少なくとも1種が剥き出しとなる必要がある。オーステナイト系ステンレスを用いる場合、モリブデンを含むものは、特に耐食性に優れているため、好ましい。 The battery case of the present invention is at least one of a base material made of austenitic stainless steel and a base material mainly containing titanium, nickel, or aluminum, except for a sealing material for insulating the positive electrode and the negative electrode. Although it can be constituted by seeds, electroless nickel plating or electrolytic nickel plating may be applied to a molded base material press-formed from an iron plate or a stainless steel plate, or a clad material combined with other metals can also be used. . However, at least one of a base material made of austenitic stainless steel and a base material mainly composed of titanium, nickel, or aluminum needs to be exposed on the surface in contact with the electrolytic solution. When using austenitic stainless steel, one containing molybdenum is preferable because it is particularly excellent in corrosion resistance.
本発明の電池ケースは、ニトリル化合物が含まれる電解液を収容する電池ケースに適用することが効果的である。ニトリル化合物を含む電解液は電位窓が広がるため(本発明者らが先に出願した特願2007−333829及び特願2009−046955参照)、電池ケースにも優れた耐食性が要求されるからである。 The battery case of the present invention is effective when applied to a battery case containing an electrolytic solution containing a nitrile compound. This is because the electrolytic solution containing the nitrile compound has a wide potential window (see Japanese Patent Application Nos. 2007-333829 and 2009-046955 filed earlier by the present inventors), and therefore, the battery case is required to have excellent corrosion resistance. .
これらの中でも、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物と、環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状炭酸エステルのうち少なくとも一つとが含まれている電解液が含まれるリチウムイオン電池に適用するのが効果的である。このような電解液は特に優れた電位窓を拡大する効果を有するため、電池ケースにも特に優れた耐食性が要求されるからである。 Among these, a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound having a nitrile group bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound, a chain ether nitrile compound having a nitrile group bonded to at least one of the ends of the chain ether compound, and cyano It is effective to be applied to a lithium ion battery including an electrolytic solution containing at least one nitrile compound of acetate and at least one of cyclic carbonate, cyclic carboxylate and chain carbonate. is there. This is because such an electrolytic solution has an effect of enlarging a particularly excellent potential window, and thus the battery case is required to have particularly excellent corrosion resistance.
このような電解液を用いた本発明のリチウムイオン電池用電解液が、優れた電位窓を拡大する効果を有する理由については、必ずしも明確ではないが、次のように考えられる。すなわち、この電解液に含まれている有機溶媒のうち、ニトリル化合物は、電位窓を広げる役割を果たす。また、鎖状炭酸エステルは粘度を下げるため、比伝導度を大きくする役割を果たすと推測される。そして、環状炭酸エステルや環状カルボン酸エステルは、多くのリチウム塩を溶解する上、カーボン負極上にSEIといわれる保護皮膜を形成することで、耐還元性を向上させつつ、Liイオンを通過させることができる特性を付与することができる。そのため、負側および正側の電位窓拡大に効果を発揮することが可能となると考えられる。
以上より、鎖状炭酸エステルと環状炭酸エステル及び/又は環状カルボン酸エステルとを併用することが好ましい。更に好ましくは、鎖状炭酸エステルと環状炭酸エステルとの併用である。具体的には、ジメチルカーボネートとエチレンカーボネートとを併用する。両者の配合割合は特に限定されない。
The reason why the electrolytic solution for lithium ion batteries of the present invention using such an electrolytic solution has an effect of expanding an excellent potential window is not necessarily clear, but is considered as follows. That is, of the organic solvents contained in the electrolytic solution, the nitrile compound serves to widen the potential window. In addition, the chain carbonate ester is presumed to play a role of increasing the specific conductivity in order to lower the viscosity. And cyclic carbonate ester and cyclic carboxylate ester dissolve Lithium salt, and form a protective film called SEI on the carbon anode, thereby allowing Li ions to pass through while improving reduction resistance. It is possible to impart characteristics that can be Therefore, it is considered that the effect can be exerted on the enlargement of the potential window on the negative side and the positive side.
From the above, it is preferable to use a chain carbonate ester and a cyclic carbonate ester and / or a cyclic carboxylate ester in combination. More preferably, it is a combined use of a chain carbonate ester and a cyclic carbonate ester. Specifically, dimethyl carbonate and ethylene carbonate are used in combination. The blending ratio of both is not particularly limited.
<チタン、ニッケル及びアルミニウムのリチウムイオン電池用電解液中における電気化学的挙動>
チタン、ニッケル及びアルミニウムがリチウムイオン電池用電解液中において高い正電位を付与されることにより、優れた耐食性皮膜が形成される。このことは、以下の試験例1〜4より明らかにされた。
<Electrochemical behavior of titanium, nickel and aluminum in electrolyte for lithium ion battery>
When titanium, nickel, and aluminum are given a high positive potential in the electrolyte for a lithium ion battery, an excellent corrosion-resistant film is formed. This has been clarified from Test Examples 1 to 4 below.
(試験例1)
試験例1では、純チタン電極をリチウムイオン電池用電解液中で電位走査し、電位−電流曲線を測定した。電解液は次のように調製した。すなわち、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとセバコニトリルとを容量比で25:25:50となるように混合液を調製し、さらにLiBF4を1mol/Lとなるように溶解した溶液を電解液とし、三極式電解セル容器に入れた。
(Test Example 1)
In Test Example 1, a pure titanium electrode was subjected to potential scanning in an electrolyte for a lithium ion battery, and a potential-current curve was measured. The electrolytic solution was prepared as follows. That is, a mixed solution was prepared such that ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and sebaconitrile were in a volume ratio of 25:25:50, and a solution in which LiBF 4 was dissolved to 1 mol / L was used as an electrolytic solution. Placed in an electrolytic cell container.
電気化学的測定は、作用極として純チタン電極を用い、対極として白金網、参照電極としてLi金属を用いて電位−電流曲線を複数回測定した。掃印速度は5mV/secとした。また、X線光電子分析法(XPS)により、電位走査後のチタン電極の表面分析を行なった。 In the electrochemical measurement, a pure titanium electrode was used as a working electrode, a platinum net as a counter electrode, and Li metal as a reference electrode, and a potential-current curve was measured a plurality of times. The sweep speed was 5 mV / sec. Moreover, the surface analysis of the titanium electrode after potential scanning was performed by X-ray photoelectron analysis (XPS).
(試験例2)
試験例2では、純ニッケル電極について、実験例1と同様の条件で電位−電流曲線を複数回測定した。また、X線光電子分析法(XPS)により、電位走査後のニッケル電極の表面分析を行なった。
(Test Example 2)
In Test Example 2, the potential-current curve was measured multiple times for the pure nickel electrode under the same conditions as in Experimental Example 1. Moreover, the surface analysis of the nickel electrode after potential scanning was performed by X-ray photoelectron analysis (XPS).
(試験例3)
試験例3では、ステンレス(SUS304)からなる電極について、実験例1と同様の条件で電位−電流曲線を複数回測定した。SUS304はオーステナイト系ステンレスに属し、主成分であるFeの他、Ni8〜10.5重量%、Cr18〜20重量%を含む合金である。
(Test Example 3)
In Test Example 3, a potential-current curve was measured a plurality of times under the same conditions as in Experimental Example 1 for an electrode made of stainless steel (SUS304). SUS304 belongs to austenitic stainless steel and is an alloy containing 8 to 10.5% by weight of Ni and 18 to 20% by weight of Cr in addition to Fe as a main component.
(試験例4)
試験例4では、純アルミニウムからなる電極について、実験例1と同様の条件で電位掃印を行った。
(Test Example 4)
In Test Example 4, a potential sweep was performed on an electrode made of pure aluminum under the same conditions as in Experimental Example 1.
<結 果>
(1)電位電流曲線
・純チタン電極
試験例1(純チタン電極)及び試験例3(SUS304電極)についての結果を図1に示す。この図から分かるように、試験例1(純チタン電極)では、第1回目の掃引では4.5V位から酸化電流が流れ始め、電位が高くなるにつれて大きな酸化電流が流れたが、さらに大きな電位とするにつれ、徐々に電流値が低下した。また、第2回目の掃引では、酸化電流はほとんど流れなくなくなり、7V以上まで電池ケースとして充分耐えうることが分かった。以上の結果から、純チタン電極では、耐食性に優れた不動態皮膜が形成されることが分かった。
これに対して試験例3(SUS304電極)では、第1回目の掃引では4.6V位から酸化電流が流れ始め、電位が高くなるにつれて大きな酸化電流が流れ、第2回目以降においても、5.8V以降で大きな酸化電流が流れ、耐食性は不十分であることが分かった。
<Result>
(1) Potential Current Curve / Pure Titanium Electrode Results for Test Example 1 (pure titanium electrode) and Test Example 3 (SUS304 electrode) are shown in FIG. As can be seen from this figure, in Test Example 1 (pure titanium electrode), in the first sweep, an oxidation current began to flow from about 4.5 V, and a larger oxidation current flowed as the potential increased. As a result, the current value gradually decreased. In addition, in the second sweep, it was found that the oxidation current hardly flowed, and could sufficiently withstand the battery case up to 7V or more. From the above results, it was found that a passive film excellent in corrosion resistance was formed with a pure titanium electrode.
On the other hand, in Test Example 3 (SUS304 electrode), an oxidation current starts to flow from about 4.6 V in the first sweep, and a large oxidation current flows as the potential increases. It was found that a large oxidation current flowed after 8 V and the corrosion resistance was insufficient.
・純ニッケル電極
試験例2(純チタン電極)及び試験例3(SUS304電極)についての結果を図2に示す。この図からわかるように、試験例2(純ニッケル電極)では、第1回目の掃引では4V位から酸化電流が流れ始め、電位が高くなるにつれて大きな酸化電流が流れたが、第2回目の掃引では、4.5V位から僅かに酸化電流が流れるものの、6.3Vくらいまでほとんど電流は増加せず、6Vまでは充分電池ケースとして耐えうることが分かった。以上の結果から、純ニッケル電極でも、耐食性に優れた不動態皮膜が形成されることが分かった。
-Pure nickel electrode The result about Test Example 2 (pure titanium electrode) and Test Example 3 (SUS304 electrode) is shown in FIG. As can be seen from this figure, in Test Example 2 (pure nickel electrode), an oxidation current began to flow from about 4 V in the first sweep, and a larger oxidation current flowed as the potential increased. Then, although an oxidation current slightly flows from about 4.5V, it was found that the current hardly increased up to about 6.3V, and that the battery case could withstand up to 6V. From the above results, it was found that a passive film excellent in corrosion resistance was formed even with a pure nickel electrode.
(2)XPS測定
試験例1(純チタン電極)、試験例2(純ニッケル電極)及び試験例4(純アルミニウム電極)における、電位走査後の電極表面のXPS測定の結果を表1(元素組成)及び表2(ピーク分割)に示す。表1の元素組成から、いずれの電極も、表面に窒素及びフッ素が検出されており、チタンやニッケルやアルミニウムの量は少ないことが分かった。このことから、フッ素化合物からなる皮膜に加えて、窒素化合物からなる皮膜の形成が示唆された。また、表2のピーク分割の結果から、ニトリル由来と考えられるCN三重結合、−C−N結合が検出され、ニトリルの添加が耐食性の皮膜形成に貢献していることが示唆された。またフッ素化合物はピーク分離の結果よりP−F結合、C−F結合を有する化合物である。
(2) XPS measurement The results of XPS measurement of the electrode surface after potential scanning in Test Example 1 (pure titanium electrode), Test Example 2 (pure nickel electrode) and Test Example 4 (pure aluminum electrode) are shown in Table 1 (element composition). ) And Table 2 (peak splitting). From the elemental composition of Table 1, it was found that nitrogen and fluorine were detected on the surface of any electrode, and the amounts of titanium, nickel and aluminum were small. This suggested the formation of a film made of a nitrogen compound in addition to the film made of a fluorine compound. Further, from the results of peak splitting in Table 2, CN triple bonds and -CN bonds considered to be derived from nitriles were detected, suggesting that the addition of nitrile contributed to the formation of a corrosion-resistant film. The fluorine compound is a compound having a PF bond and a C—F bond based on the result of peak separation.
(試験例5)
試験例5では、SUS304、SUS316、SUS316L、純ニッケル、純チタン及び純アルミニウムについて正電位側への電位掃印を行い、電位電流曲線を測定した。ここで、SUS316はオーステナイト系ステンレスに属し、主成分であるFeの他、Ni10〜14重量%、Cr16〜18重量%、Mo2〜3重量%を含む合金である。また、SUS316LはSUS316とFe、Ni、Cr及びMoについてはSUS316と同様のオーステナイト系ステンレスであるが、さらに炭素含有量が0.03重量%以下とされているものである。
SUS304、SUS316、SUS316L、純ニッケル、純チタン、純アルミニウム及び純銅について負電位側への電位掃印を行い、電位電流曲線を測定した。
電解液の溶媒は、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート:セバコニトリル=25:25:50(容量比)とし、さらにLiBF4を1mol/Lとなるように溶解した溶液を電解液とし、三極式電解セル容器に入れた。
(Test Example 5)
In Test Example 5, SUS304, SUS316, SUS316L, pure nickel, pure titanium, and pure aluminum were subjected to a potential sweep to the positive potential side, and a potential-current curve was measured. Here, SUS316 belongs to austenitic stainless steel and is an alloy containing 10 to 14% by weight of Ni, 16 to 18% by weight of Cr and 2 to 3% by weight of Mo in addition to Fe as a main component. SUS316L is an austenitic stainless steel similar to SUS316 with respect to SUS316 and Fe, Ni, Cr, and Mo, but further has a carbon content of 0.03% by weight or less.
SUS304, SUS316, SUS316L, pure nickel, pure titanium, pure aluminum, and pure copper were subjected to potential sweeping toward the negative potential side, and potential-current curves were measured.
The solvent of the electrolytic solution is ethylene carbonate: dimethyl carbonate: sebaconitrile = 25: 25: 50 (volume ratio), and a solution in which LiBF 4 is dissolved so as to be 1 mol / L is used as the electrolytic solution. Put it in.
電位電流曲線の測定は、作用極として上記各種電極を用い、対極として白金網、参照電極としてLi金属を用いた。掃引速度は5mV/secとした。 In measuring the potential-current curve, the above-mentioned various electrodes were used as the working electrode, a platinum net as the counter electrode, and Li metal as the reference electrode. The sweep speed was 5 mV / sec.
その結果、図3に示すように、高電位側への電位掃印においては、酸化電流が50μAを超える電位はSUS304<SUS316<ニッケル<SUS316L<チタンの順となり、チタンにおいては測定範囲上限の8.6V vs Li/Li+でも、酸化電流が5μA程度であった。
高電位側での酸化電流は、電極や電解液の酸化を示すものである。したがって、以上の結果から、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート:セバコニトリル=25:25:50(容量比)とし、さらにLiBF4を1mol/Lとなるように溶解した溶液を電解液とした場合には、正極に接触する電池ケースの材料としてチタン、アルミニウム、SUS304、SUS316L、ニッケル及びSUS316が適用可能であり、好ましいのはチタン、アルミニウム、SUS316L及びニッケルであり、さらに好ましいのはチタン、アルミニウム及びSUS316Lであることが分かった。
As a result, as shown in FIG. 3, in the potential sweep to the high potential side, the potential where the oxidation current exceeds 50 μA is in the order of SUS304 <SUS316 <nickel <SUS316L <titanium. The oxidation current was about 5 μA even at .6 V vs Li / Li + .
The oxidation current on the high potential side indicates the oxidation of the electrode and the electrolytic solution. Therefore, from the above results, when the electrolyte solution is ethylene carbonate: dimethyl carbonate: sebaconitrile = 25: 25: 50 (volume ratio), and further LiBF 4 is dissolved at 1 mol / L, the positive electrode Titanium, aluminum, SUS304, SUS316L, nickel, and SUS316 are applicable as the material of the battery case that contacts the battery, preferably titanium, aluminum, SUS316L, and nickel, and more preferably titanium, aluminum, and SUS316L. I understood.
一方、低電位側への電位掃印においては、還元電流が50μAを超える電位は、Li/Li+に対してCuが1.7V、Alが0.8V、SUS316が0.2V、SUS304が0.15V、SUS316Lが0.15Vとなり、ニッケル及びチタンについては超えることがなかった。
低電位側での還元電流は、電解液の還元を示すと考えられ、還元電流が小さい方が、電解液の変質が少ないと考えられる。したがって、以上の結果から、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート:セバコニトリル=25:25:50(容量比)とし、さらにLiBF4を1mol/Lとなるように溶解した溶液を電解液とした場合には、負極に接触する電池ケースの材料として好ましいのはニッケル、チタン、SUS316L、SUS304、SUS316、及びアルミニウム、であり、特に好ましいのはニッケル、チタン及びSUS316Lであることが分かった。なお、従来から負極用集電体としてよく用いられているCuは好ましくないことが分かった。
On the other hand, in the potential sweep to the low potential side, the potential at which the reduction current exceeds 50 μA is 1.7V for Cu, 0.8V for Al, 0.2V for SUS316, 0 for SUS304 with respect to Li / Li + . .15V, SUS316L became 0.15V, and nickel and titanium were not exceeded.
The reduction current on the low potential side is considered to indicate the reduction of the electrolytic solution, and the smaller the reduction current, the less the alteration of the electrolytic solution. Therefore, from the above results, when the electrolyte solution is ethylene carbonate: dimethyl carbonate: sebaconitrile = 25: 25: 50 (volume ratio) and LiBF 4 is dissolved to 1 mol / L, the negative electrode It was found that nickel, titanium, SUS316L, SUS304, SUS316, and aluminum are preferable as the battery case material in contact with the battery, and nickel, titanium, and SUS316L are particularly preferable. It has been found that Cu, which has been conventionally used as a negative electrode current collector, is not preferable.
(試験例6)
試験例6では、電解質としてLiPF6を用い、これを1mol/Lとなるように溶解し、その他は試験例5と同様にして電位電流曲線を測定した。
(Test Example 6)
In Test Example 6, LiPF 6 was used as an electrolyte, and this was dissolved so as to be 1 mol / L. Otherwise, the potential-current curve was measured in the same manner as in Test Example 5.
その結果、図4に示すように、高電位側への電位掃印においては、7.5V vs Li/Li+まではいずれの金属も酸化電流が50μAを超えることはなく、SUS304、SUS316、SUS316L、純ニッケル、純チタン及び純アルミニウムのいずれの金属も正極に接触する電池ケースとして充分使用可能であることが分かった。 As a result, as shown in FIG. 4, in the potential sweep to the high potential side, the oxidation current of any metal does not exceed 50 μA up to 7.5 V vs Li / Li + , and SUS304, SUS316, SUS316L It has been found that any of pure nickel, pure titanium and pure aluminum can be sufficiently used as a battery case in contact with the positive electrode.
一方、低電位側への電位掃印においては、酸化電流が50μAを超える電位は、Li/Li+に対してCuが1.2V、SUS316が1.1V、SUS316Lが0.1V、Alが0.2V、SUS304が0.1Vとなり、ニッケル及びチタンについては超えることがなかった。
低電位側での還元電流は、電解液の還元を示すと考えられ、還元電流が小さい方が、電解液の変質が少ないと考えられる。したがって、以上の結果から、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート:セバコニトリル=25:25:50(容量比)とし、さらにLiPF6を1mol/Lとなるように溶解した溶液を電解液とした場合には、負極に接触する電池ケースの材料として好ましいのはニッケル、チタン、アルミニウム及びSUS304であり、特に好ましいのはニッケル、チタンであることが分かった。
ただし、負極活物質の動作する電位は種類によって異なっており、チタン酸リチウム系やFe2O3系の負極活物質を用いた場合には、酸化還元電位がLi/Li+に対して1.5V程度であり、リチウムの析出電位よりも高くなる。このため、そのような高い酸化還元電位を有する負極活物質を用いたリチウムイオン電池においては、銅やSUS316やSUS316Lを負極に接触する電池ケースの材料として用いることもできる。
On the other hand, in the potential sweep to the low potential side, the potential at which the oxidation current exceeds 50 μA is such that Cu is 1.2 V, SUS316 is 1.1 V, SUS316L is 0.1 V, and Al is 0 with respect to Li / Li + . .2V and SUS304 became 0.1V, and nickel and titanium were not exceeded.
The reduction current on the low potential side is considered to indicate the reduction of the electrolytic solution, and the smaller the reduction current, the less the alteration of the electrolytic solution. Therefore, from the above results, when the electrolyte solution is ethylene carbonate: dimethyl carbonate: sebaconitrile = 25: 25: 50 (volume ratio) and further LiPF 6 is dissolved to 1 mol / L, the negative electrode It has been found that nickel, titanium, aluminum and SUS304 are preferable as the material of the battery case in contact with each other, and nickel and titanium are particularly preferable.
However, the potential for operation of the negative electrode active material are different depending on the type, in the case of using a negative electrode active material of lithium titanate-based or Fe 2 O 3 system, the oxidation-reduction potential against Li /
(試験例7)
試験例7では、作用極としてニッケル板を用い、リチウム塩としてLiPF6及びLITFSIを両方含む電解液を用いた。すなわち、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとセバコニトリルとを容量比で25:25:50となるように混合し、ここへLITFSI(1mol/L)とLiPF6(0〜1mol/L)とを溶解した液を電解液とし、三極式電解セル容器に入れた。電気化学的測定は、試験例5と同様とした。
(Test Example 7)
In Test Example 7, a nickel plate was used as the working electrode, and an electrolytic solution containing both LiPF 6 and LITFSI as the lithium salt was used. That is, ethylene carbonate, dimethyl carbonate and sebaconitrile are mixed so that the volume ratio is 25:25:50, and a solution in which LITFSI (1 mol / L) and LiPF 6 (0 to 1 mol / L) are dissolved is mixed. It was made into electrolyte solution and put into the tripolar electrolytic cell container. The electrochemical measurement was the same as in Test Example 5.
(試験例8)
試験例8では、試験例7と同様の電解液を用い、アルミニウムについて正電位側への電位掃印を行い、電位電流曲線を測定した。測定条件は試験例5と同様とした。
(Test Example 8)
In Test Example 8, the same electrolytic solution as in Test Example 7 was used, and potential sweeping of aluminum to the positive potential side was performed to measure a potential-current curve. The measurement conditions were the same as in Test Example 5.
(試験例9)
試験例9では、LiTFSIとLiPF6とを1:0〜1:0.5の割合で含む電解液を用いた。すなわち、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとセバコニトリルとを質量比で25:25:50となるように混合し、ここへLiTFSI(1mol/L)とLiPF6(0〜0.5mol/L)とを溶解した液を電解液を用い、チタンについて正電位側への電位掃印を行い、電位電流曲線を測定した。測定条件は実験例1〜5と同様とした。
(Test Example 9)
In Test Example 9, an electrolytic solution containing LiTFSI and LiPF 6 at a ratio of 1: 0 to 1: 0.5 was used. That is, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and sebaconitrile were mixed at a mass ratio of 25:25:50, and LiTFSI (1 mol / L) and LiPF 6 (0 to 0.5 mol / L) were dissolved therein. Using an electrolytic solution as the solution, potential sweeping of titanium toward the positive potential side was performed, and a potential-current curve was measured. The measurement conditions were the same as in Experimental Examples 1-5.
<結 果>
ニッケル板を用いた試験例7では、図5に示すように、リチウム塩がLITFSI単独の場合、及びLITFSIの濃度が1mol/Lに対してLiPF6がその1/10の0.1mol/Lと少ない場合には電位窓がそれほどは広くならないのに対し、LiPF6を0.5mol/L以上添加した場合には、電位窓が大きく貴の方向に広がり、耐食性に優れた不動態皮膜が形成されることが分かった。
また、アルミニウム板を用いた試験例8でも、図6に示すように、LiPF6をLiTFSIと共存させることにより、電位窓が飛躍的に広がることが分かった。同様に、チタン板を用いた実験例9でも、図7に示すように、LiPF6をLiTFSIと共存させることにより、電位窓が飛躍的に広がることが分かった。
<Result>
In Test Example 7 using a nickel plate, as shown in FIG. 5, when the lithium salt is LITFSI alone, and the concentration of LITFSI is 1 mol / L, LiPF 6 is 0.1 mol / L, which is 1/10 of that. When the amount is small, the potential window is not so wide. However, when LiPF 6 is added at 0.5 mol / L or more, the potential window is large and spreads in the noble direction, and a passive film having excellent corrosion resistance is formed. I found out.
Also in Test Example 8 using an aluminum plate, as shown in FIG. 6, it was found that the potential window widens dramatically by making LiPF 6 coexist with LiTFSI. Similarly, in Experimental Example 9 using a titanium plate, as shown in FIG. 7, it was found that LiPF 6 coexists with LiTFSI, so that the potential window is dramatically expanded.
以上の試験例7及び試験例8の電位電流曲線の測定結果から、ニッケル及びアルミニウム、チタンにおいて、LiPF6をLiTFSIと共存させることにより、電位窓が飛躍的に広がることが分かった。すなわち、リチウム塩がLITFSI単独の場合、及びLITFSIの濃度が1mol/Lに対してLiPF6がその1/10の0.1mol/Lと少ない場合には電位窓がそれほどは広くならないのに対し、LiPF6を0.5mol/L以上添加した場合には、電位窓が大きく貴の方向に広がり、耐食性に優れた不動態皮膜が形成されることが分かった。なお、LiBETIはLITFSIと同様の化学構造を有すること、及びLiBF4はLiPF6と同様の化学構造を有することから、LiBETIの替わりにLiBETIを用いたり、LiPF6の替わりにLiBF4を用いたりしても、同様の耐食性皮膜を形成できることは当然である。 From the measurement results of the potential current curves of Test Example 7 and Test Example 8 described above, it was found that the potential window was dramatically expanded by allowing LiPF 6 to coexist with LiTFSI in nickel, aluminum, and titanium. That is, when the lithium salt is LITFSI alone and when the concentration of LITFSI is 1 mol / L and LiPF 6 is as low as 0.1 mol / L of 1/10, the potential window is not so wide. It was found that when LiPF 6 was added at 0.5 mol / L or more, the potential window was large and spread in the noble direction, and a passive film excellent in corrosion resistance was formed. Since LiBETI has the same chemical structure as LITFSI and LiBF 4 has the same chemical structure as LiPF 6 , LiBETI may be used instead of LiBETI, or LiBF 4 may be used instead of LiPF 6. However, it is natural that a similar corrosion-resistant film can be formed.
<電池ケースの材質の選択>
電池ケースの材質は、電極活物質の作動電位及び電解液の種類を考慮して選択されることが好ましい。図7に各種電極活物質の電位電流曲線及び酸化還元電位(図中矢印の位置)を示す。
負極活物質の動作する電位は、カーボン系やシリコン系ではリチウムの析出電位に近い位置にあるが、チタン酸リチウム系やFe2O3系の負極活物質を用いた場合には、酸化還元電位がLi/Li+に対して1.5V程度であり、リチウムの析出電位よりもかなり高くなる。このため、たとえば、チタン酸リチウム系やFe2O3系の負極活物質を用いたリチウムイオン電池において、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート:セバコニトリル=25:25:50(容量比)とし、さらにLiBF4を1mol/Lとなるように溶解した溶液を電解液としとなるように溶解した溶液を電解液とした場合には、図3に示すように、チタン、ニッケル、アルミニウム、SUS304、SUS316及びSUS316Lを負極に接触する電池ケースの材料として用いることもできる。なぜならば、これらの材料は、チタン酸リチウム系やFe2O3系の作動電位において、還元電流が小さいことから、電池ケースの負極や電解液の変質のおそれが小さいからである。
これに対して、カーボン系やシリコン系の負極活物質を用いたリチウムイオン電池においては、チタン、ニッケル、アルミニウム、SUS304、SUS316及びSUS316Lを用いることが好ましい。なぜならば、これらの材料は、カーボン系やシリコン系の作動電位において、還元電流が小さくなっており、電池ケースの負極や電解液の変質のおそれが小さいからである。
<Selection of battery case material>
The material of the battery case is preferably selected in consideration of the operating potential of the electrode active material and the type of electrolyte. FIG. 7 shows potential-current curves and oxidation-reduction potentials (positions of arrows in the figure) of various electrode active materials.
The operating potential of the negative electrode active material is close to the lithium deposition potential in the carbon-based and silicon-based materials, but when a lithium titanate-based or Fe 2 O 3 -based negative electrode active material is used, the redox potential Is about 1.5 V with respect to Li / Li + , which is considerably higher than the deposition potential of lithium. For this reason, for example, in a lithium ion battery using a lithium titanate-based or Fe 2 O 3- based negative electrode active material, ethylene carbonate: dimethyl carbonate: sebacononitrile = 25: 25: 50 (capacity ratio), and further LiBF 4 is used. When the solution dissolved so as to be 1 mol / L is used as the electrolyte, the electrolyte is titanium, nickel, aluminum, SUS304, SUS316, and SUS316L as shown in FIG. It can also be used as a material for battery cases that come into contact with the battery. This is because these materials have a small reduction current at a lithium titanate-based or Fe 2 O 3- based operating potential, so that there is little risk of alteration of the negative electrode of the battery case or the electrolyte.
On the other hand, in a lithium ion battery using a carbon-based or silicon-based negative electrode active material, it is preferable to use titanium, nickel, aluminum, SUS304, SUS316, and SUS316L. This is because these materials have a reduced reduction current at a carbon-based or silicon-based operating potential, and are less likely to be deteriorated in the negative electrode of the battery case or the electrolytic solution.
また、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート:セバコニトリル=25:25:50(容量比)とし、さらにLiBF4を1mol/Lとなるように溶解した溶液を電解液とした場合には、図3に示すように、SUS304は、5.5V vs Li/Li+で急激に酸化電流が流れることから、動作電位が高い電位であるLiCoMn04系、Li2NiP04F系、Li2CoP04F系及びLiNi0.5Mn1.504系の正極活物質を用いたリチウムイオン電池の電池ケースとしてSUS304は用いることができず、これに対して、SUS316、Ni、Al、SUS316L及びTiは用いることができる。この中でも好ましいのはNi、Al、SUS316L及びTiであり、さらに好ましいのはAl、SUS316L及びTiであり、最も好ましいのはTiである。 Further, in the case where ethylene carbonate: dimethyl carbonate: sebaconitrile = 25: 25: 50 (volume ratio) and a solution obtained by dissolving LiBF 4 to 1 mol / L is used as the electrolytic solution, as shown in FIG. , SUS304, since the rapid oxidation current flows through a 5.5V vs Li / Li +, the operating potential is at the high electric potential LiCoMn0 4 system, Li 2 NiP0 4 F-based, Li 2 CoP0 4 F system and LiNi 0.5 Mn 1.5 0 SUS304 4 based positive electrode active material as a battery case of a lithium ion battery using can not be used for this, SUS316, Ni, Al, SUS316L and Ti can be used. Among these, Ni, Al, SUS316L and Ti are preferable, Al, SUS316L and Ti are more preferable, and Ti is most preferable.
一方、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート:セバコニトリル=25:25:50(容量比)とし、さらにLiPF6を1mol/Lとなるように溶解した溶液を電解液とした場合には、図4に示すように、動作電位が高い電位であるLiCoMn04系、Li2NiP04F系、Li2CoP04F系及びLiNi0.5Mn1.504系の正極活物質を用いたリチウムイオン電池の電池ケースとして、SUS304、SUS316、Ni、Al、SUS316L及びTiの何れも用いることができる。この中でも好ましいのはSUS304、SUS316、Al、SUS316L及びTiであり、さらに好ましいのはSUS304、SUS316、Al及びSUS316Lであ。 On the other hand, when ethylene carbonate: dimethyl carbonate: sebaconitrile = 25: 25: 50 (volume ratio) and a solution in which LiPF 6 is dissolved at 1 mol / L is used as the electrolyte, as shown in FIG. As a battery case of a lithium ion battery using a positive active material of LiCoMn0 4 system, Li 2 NiP0 4 F system, Li 2 CoP0 4 F system and LiNi 0.5 Mn 1.5 0 4 system having a high operating potential, SUS304, Any of SUS316, Ni, Al, SUS316L, and Ti can be used. Among these, SUS304, SUS316, Al, SUS316L, and Ti are preferable, and SUS304, SUS316, Al, and SUS316L are more preferable.
負極活物質の動作する電位は、カーボン系やシリコン系ではリチウムの析出電位に近い位置にあるが、チタン酸リチウム系やFe2O3系の負極活物質を用いた場合には、酸化還元電位が1.5V程度であり、リチウムの析出電位よりもかなり高くなる。このため、たとえば、チタン酸リチウム系やFe2O3系の負極活物質を用いたリチウムイオン電池において、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート:セバコニトリル=25:25:50(容量比)とし、さらにLiPF6を1mol/Lとなるように溶解した溶液を電解液としとなるように溶解した溶液を電解液とした場合には、図4に示すように、銅、チタン、ニッケル、アルミニウム、SUS304、SUS316及びSUS316Lを負極に接触する電池ケースの材料として用いることもできる。なぜならば、これらの材料は、チタン酸リチウム系やFe2O3系の作動電位において、還元電流が小さいことから、電池ケースの負極や電解液の変質のおそれが小さいからである。
これに対して、カーボン系やシリコン系の負極活物質を用いたリチウムイオン電池においては、チタン、ニッケル、アルミニウム、SUS304を用いることが好ましい。なぜならば、これらの材料は、カーボン系やシリコン系の作動電位において、還元電流が小さくなっており、電池ケースの負極や電解液の変質のおそれが小さいからである。
The operating potential of the negative electrode active material is close to the lithium deposition potential in the carbon-based and silicon-based materials, but when a lithium titanate-based or Fe 2 O 3 -based negative electrode active material is used, the redox potential Is about 1.5 V, which is considerably higher than the deposition potential of lithium. For this reason, for example, in a lithium ion battery using a lithium titanate-based or Fe 2 O 3- based negative electrode active material, ethylene carbonate: dimethyl carbonate: sebacononitrile = 25: 25: 50 (capacity ratio), and further LiPF 6 is When the solution dissolved so as to be 1 mol / L is used as the electrolytic solution, the electrolytic solution is copper, titanium, nickel, aluminum, SUS304, SUS316, and SUS316L as shown in FIG. Can also be used as a material for the battery case in contact with the negative electrode. This is because these materials have a small reduction current at a lithium titanate-based or Fe 2 O 3- based operating potential, so that there is little risk of alteration of the negative electrode of the battery case or the electrolyte.
On the other hand, in a lithium ion battery using a carbon-based or silicon-based negative electrode active material, it is preferable to use titanium, nickel, aluminum, or SUS304. This is because these materials have a reduced reduction current at a carbon-based or silicon-based operating potential, and are less likely to be deteriorated in the negative electrode of the battery case or the electrolytic solution.
<リチウムイオン電池の作製>
本発明の電池ケースを用いたリチウムイオン電池の作製例を以下に示す。すなわち、まず、図8に示すように、有底円筒状のチタン製又はニッケル製の正極缶11と、有底円筒状で扁平状のチタン製又はニッケル製の負極キャップ12とを用意する。正極缶11と負極キャップ12とで電池ケースが構成される。
<Production of lithium ion battery>
An example of producing a lithium ion battery using the battery case of the present invention is shown below. That is, first, as shown in FIG. 8, a bottomed cylindrical titanium or nickel positive electrode can 11 and a bottomed cylindrical and flat titanium or nickel
ついで、図9に示すように、正極缶11内に、チタン製又はニッケル製のスペーサー13、正極活物質ペレット14及びセパレータ15を充填する。一方、負極キャップ12内に、チタン製又はニッケル製の波座金16、チタン製又はニッケル製のスペーサー17及びリチウム負極活物質18を充填する。そして、正極缶11内に電解液を入れた後、絶縁ガスケット19を介して負極キャップ12を載置してかしめて密封してリチウムイオン電池とする。
Next, as shown in FIG. 9, the cathode can 11 is filled with a
以上のように構成されたリチウムイオン電池は、充電時に正極缶11内部表面に耐食性の不動態皮膜が形成され、充分な耐食性を有することとなる。 The lithium ion battery configured as described above has sufficient corrosion resistance because a corrosion-resistant passive film is formed on the inner surface of the positive electrode can 11 during charging.
この発明はリチウムイオン電池に適用される。
ここに、リチウムイオン電池は電解液、正極、負極、セパレータ及びケースを備えてなる。
The present invention is applied to a lithium ion battery.
Here, the lithium ion battery includes an electrolytic solution, a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a case.
(電解液)
電解液はLi塩(電解質)と有機溶媒とを含んでいる。
Li塩には、Liイオン電池用の一般的なLi塩を用いることができる。例えば、LiPF6(六フッ化リン酸リチウム)、LiBF4(四フッ化ホウ酸リチウム)、LiTFSI(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)、LiTFS(トリフルオロメタンスルホン酸リチウム)、LiBETI(リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド)又はこれらの2種以上を用いることができる。
なかでも、正極の酸化還元電位が4.5V以上のものについては、LiPF6、及び/又はLiBF4を使用することが好ましい。また、LiTFSIやLiTFSやLiBETIを用いる場合、LiPF6又はLiBF4を添加することが好ましい。
(Electrolyte)
The electrolytic solution contains a Li salt (electrolyte) and an organic solvent.
As the Li salt, a general Li salt for a Li ion battery can be used. For example, LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate), LiBF 4 (lithium tetrafluoroborate), LiTFSI (lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide), LiTFS (lithium trifluoromethanesulfonate), LiBETI (lithium bis ( Pentafluoroethanesulfonyl) imide) or two or more thereof can be used.
Among them, for those redox potential of the positive electrode is more than 4.5V, it is preferable to use LiPF 6, and / or LiBF 4. In the case of using a LiTFSI and LiTFS and LiBETI, it is preferable to add LiPF 6 or LiBF 4.
有機溶媒もLiイオン電池に用いられる一般的なものを採用できる。かかる有機溶媒としては環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状炭酸エステルの中から選ばれる1種、又は2種以上が好ましい。更に好ましくは、環状炭酸エステルと鎖状炭酸エステルとを併用する。具体的には、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを併用することが特に好ましい。両者の配合割合は特に限定されない。環状カルボン酸エステルとしてはγ−ブチロラクトンを用いることができる。
更にはニトリル化合物を有機溶媒として用いることができる。ここで、ニトリル化合物としては、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物を挙げることができる。
As the organic solvent, a general solvent used for a Li ion battery can be adopted. Such an organic solvent is preferably one or more selected from cyclic carbonates, cyclic carboxylic acid esters and chain carbonates. More preferably, a cyclic carbonate and a chain carbonate are used in combination. Specifically, it is particularly preferable to use ethylene carbonate and dimethyl carbonate in combination. The blending ratio of both is not particularly limited. As the cyclic carboxylic acid ester, γ-butyrolactone can be used.
Furthermore, a nitrile compound can be used as an organic solvent. Here, as the nitrile compound, a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which a nitrile group is bonded to both ends of a chain saturated hydrocarbon compound, a chain ether in which a nitrile group is bonded to at least one terminal of a chain ether compound. Mention may be made of at least one nitrile compound among nitrile compounds and cyanoacetic acid esters.
鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物としては、例えば、スクシノニトリルNC(CH2)2CN、グルタロニトリルNC(CH2)3CN、アジポニトリルNC(CH2)4CN、セバコニトリルNC(CH2)8CN、ドデカンジニトリルNC(CH2)10CNなどのような直鎖状のジニトリル化合物の他、2−メチルグルタロニトリルNCCH(CH3)CH2CH2CN等のように分枝を有していても良い。これらの鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物は、炭素数は特に限定されないが20以下であることが好ましい。更に好ましくは7〜12である。 Examples of the chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which nitrile groups are bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound include succinonitrile NC (CH 2 ) 2 CN, glutaronitrile NC (CH 2 ) 3 CN, adiponitrile In addition to linear dinitrile compounds such as NC (CH 2 ) 4 CN, sebaconitrile NC (CH 2 ) 8 CN, dodecanedinitrile NC (CH 2 ) 10 CN, 2-methylglutaronitrile NCCH (CH 3 ) CH 2 CH 2 CN may have a branched as such. These chain saturated hydrocarbon dinitrile compounds are not particularly limited in carbon number, but are preferably 20 or less. More preferably, it is 7-12.
鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物としては、オキシジプロピオニトリルNCCH2CH2−O−CH2CH2CNや、3−メトキシプロピオニトリルCH3−O−CH2CH2CN等が挙げられる。これらの鎖式エーテルニトリル化合物は、炭素数は特に限定されないが、20以下であることが好ましい。
シアノ酢酸エステルとしてはシアノ酢酸メチル、シアノ酢酸エチル、シアノ酢酸プロピル、シアノ酢酸ブチル等が挙げられる。これらのシアノ酢酸エステルは、炭素数は特に限定されないが、20以下であることが好ましい。
Examples of the chain ether nitrile compound in which a nitrile group is bonded to at least one end of the chain ether compound include oxydipropionitrile NCCH 2 CH 2 —O—CH 2 CH 2 CN and 3-
Examples of cyanoacetic acid esters include methyl cyanoacetate, ethyl cyanoacetate, propyl cyanoacetate, and butyl cyanoacetate. These cyanoacetic acid esters are not particularly limited in carbon number, but are preferably 20 or less.
これらニトリル化合物は電解液において電位窓を特に正方向に広げる作用を奏する。
電位窓を広げる作用の観点からジニトリル化合物が好ましい。中でも、セバコニトリルの採用が更に好ましい。
ただし、ニトリル化合物は粘度が高いので、上述の鎖状炭酸エステル、環状炭酸エステル及び/又は環状カルボン酸エステルと併用することが好ましい。更に好ましくはニトリル化合物と鎖状炭酸エステル及び環状炭酸エステルとを併用する。鎖状炭酸エステルとしてはジメチルカーボネートを採用することができ、環状炭酸エステルとしてはエチレンカーボネートを採用することができる。
この場合、有機溶媒全体に占めるニトリル化合物の配合割合は1〜90容量%とすることが好ましい。更に好ましくは5〜70容量%であり、更に更に好ましくは、10〜50容量%である。
These nitrile compounds have the effect of expanding the potential window particularly in the positive direction in the electrolytic solution.
A dinitrile compound is preferable from the viewpoint of the action of expanding the potential window. Of these, the use of sebacononitrile is more preferable.
However, since a nitrile compound has high viscosity, it is preferable to use together with the above-mentioned chain carbonate ester, cyclic carbonate ester, and / or cyclic carboxylic acid ester. More preferably, a nitrile compound, a chain carbonate ester and a cyclic carbonate ester are used in combination. Dimethyl carbonate can be employed as the chain carbonate, and ethylene carbonate can be employed as the cyclic carbonate.
In this case, the blending ratio of the nitrile compound in the whole organic solvent is preferably 1 to 90% by volume. More preferably, it is 5-70 volume%, More preferably, it is 10-50 volume%.
Li塩の濃度は0.01mol/L以上であって、飽和状態よりも低い濃度とする。Li塩の濃度が0.01mol/L未満であると、Liイオンによるイオン伝導が小さくなり、電解液の電気抵抗が高くなるので好ましくない。他方、飽和状態を超えると、温度等の環境変化によって溶解しているLi塩が析出するので好ましくない。 The concentration of the Li salt is 0.01 mol / L or more and is lower than the saturated state. When the concentration of the Li salt is less than 0.01 mol / L, ion conduction by Li ions is reduced, and the electric resistance of the electrolytic solution is increased, which is not preferable. On the other hand, exceeding the saturation state is not preferable because the dissolved Li salt precipitates due to environmental changes such as temperature.
(正極)
正極は正極活物質と集電体とを備える。
(正極活物質)
正極活物質とは「負極よりも高い電位で結晶構造内にリチウムが挿入/離脱され、それに伴って酸化/還元が行われる物質」をいう。
正極活物質としては(1)酸化物系、(2)オリビン型結晶構造を有するリン酸塩系、及び(3)オリビンフッ化物系を挙げることができる。
(Positive electrode)
The positive electrode includes a positive electrode active material and a current collector.
(Positive electrode active material)
The positive electrode active material refers to “a material in which lithium is inserted / extracted in the crystal structure at a higher potential than the negative electrode, and oxidation / reduction is performed accordingly”.
Examples of the positive electrode active material include (1) an oxide system, (2) a phosphate system having an olivine type crystal structure, and (3) an olivine fluoride system.
(1)酸化物系
1−1具体的物質
酸化物系としては、Li1−xCoO2(x=0〜1:層状構造)、Li1−xNiO2(x=0〜1:層状構造)、Li1−xMn2O4(x=0〜1:スピネル構造)、Li2−yMnO3系(y=0〜2)及びこれらの固溶体(ここで固溶体とは、上記酸化物系の正極活物質において金属原子が自由な割合で混合された物質を指す。)を挙げることができる。また、これらのうちの金属原子を他の金属原子でドープしたものも含まれる。ドーパントとしては酸化還元反応において電気化学的な特性を変化させられるものであれば特に限定されるものではない。例えば、Li、Mg、Al、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb及びMoの1種又はそれ以上を用いることができる。
1−2 特性
この正極活物質の一般的な放電電位は5V (vs Li/Li+)未満である。但し、LiMn2O4系でNiに一部置換した、LiNi0.5Mn1.5O4は、放電電位が4.7Vであり、急速充電をおこなう際には過電圧分を加味し、5Vを超える充電電圧を必要とする場合がある。また、LiCoMnO4は放電電圧が5.2V程度から始まるため、これも充電電圧は5Vを超える。また、酸化物系は一般に300℃未満で分解し、酸素発生とともに比較的大きな発熱反応がある。このため、過充電が起こらないような制御回路が必要とされる。
(1) Oxide-based 1-1 specific substances As oxide-based materials, Li 1-x CoO 2 (x = 0 to 1: layered structure), Li 1-x NiO 2 (x = 0 to 1 : layered structure) ), Li 1-x Mn 2 O 4 (x = 0 to 1: spinel structure), Li 2−y MnO 3 system (y = 0 to 2) and solid solutions thereof (here, the solid solution is the above oxide system) In which the metal atoms are mixed in a free ratio.). Moreover, what doped the metal atom of these with the other metal atom is also contained. The dopant is not particularly limited as long as the electrochemical characteristics can be changed in the oxidation-reduction reaction. For example, one or more of Li, Mg, Al, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, and Mo can be used.
1-2 Characteristics The general discharge potential of this positive electrode active material is less than 5 V (vs Li / Li + ). However, LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 partially substituted with Ni in the LiMn 2 O 4 system has a discharge potential of 4.7 V, and takes into account overvoltage when performing rapid charging, and 5 V May require a charging voltage exceeding. Further, since LiCoMnO 4 starts with a discharge voltage of about 5.2V, the charge voltage also exceeds 5V. In addition, oxide systems generally decompose at less than 300 ° C., and have a relatively large exothermic reaction as oxygen is generated. Therefore, a control circuit that does not cause overcharging is required.
(2)オリビン型結晶構造を有するリン酸塩系
2−1具体的物質
オリビン型結晶構造を有するリン酸塩系としては、Li1−xNiPO4 (x=0〜1)、Li1−xCoPO4 (x=0〜1)、Li1−xMnPO4 (x=0〜1)、Li1−xFePO4 (x=0〜1)及びこれらの固溶体(ここで固溶体とは、上記リン酸塩系の正極活物質において金属原子が自由な割合で混合された物質を指す。)を挙げることができる。また、これらのうちの金属原子を他の金属原子でドープしたものも含まれる。ドーパントとしては酸化還元反応において電気化学的な特性を変化させられるものであれば特に限定されるものではない。例えば、Mg、Al、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb及びMoの1種又は2種以上を用いることができる(特開2008−130525号参照)。
2−2 特性
この正極活物質の酸化還元電位は、上記酸化物系とは異なり300℃未満では発熱反応が小さい上、酸素は発生せず、安全性が高いことから注目されている。また、リン酸塩系のうち、LiCoPO4系は放電電位が4.8V程度であり、急速充電に際しては5V以上で耐電圧を有する電解液が必要とされる。LiNiPO4の放電電位は5.2V (vs Li/Li+)が示唆されている。
(2) Phosphate-based 2-1 specific substance having olivine-type crystal structure As phosphate-based substances having olivine-type crystal structure, Li 1-x NiPO 4 (x = 0 to 1 ), Li 1-x CoPO 4 (x = 0 to 1 ), Li 1-x MnPO 4 (x = 0 to 1 ), Li 1-x FePO 4 (x = 0 to 1) and their solid solutions (herein the solid solution is the above-mentioned phosphorus In the acid salt positive electrode active material, it refers to a material in which metal atoms are mixed in a free ratio. Moreover, what doped the metal atom of these with the other metal atom is also contained. The dopant is not particularly limited as long as the electrochemical characteristics can be changed in the oxidation-reduction reaction. For example, one or more of Mg, Al, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, and Mo can be used (see JP 2008-130525 A).
2-2 Characteristics The oxidation-reduction potential of this positive electrode active material is attracting attention because, unlike the above oxide system, if it is less than 300 ° C., the exothermic reaction is small, oxygen is not generated, and safety is high. Of the phosphate systems, the LiCoPO 4 system has a discharge potential of about 4.8 V, and an electrolyte having a withstand voltage of 5 V or more is required for rapid charging. It is suggested that the discharge potential of LiNiPO 4 is 5.2 V (vs Li / Li + ).
(3)オリビンフッ化物系
3−1 具体的物質
Li2−xNiPO4F (x=0〜2)、Li2−xCoPO4F (x=0〜2)が知られており、その他Li2−xMnPO4F (x=0〜2)、Li2−xFePO4F (x=0〜2)が考えられる。
また、これらの固溶体(ここで固溶体とは、上記オリビンフッ化物系の正極活物質において金属原子が自由な割合で混合された物質を指す。)も挙げることができる。さらに、これらのうちの金属原子を他の金属原子でドープしたものも含まれる。ドーパントとしては酸化還元反応において電気化学的な特性を変化させられるものであれば特に限定されるものではない。例えば、Mg、Al、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb及びMoの1種又はそれ以上を用いることができる。
3−2 特性
この正極活物質の酸化還元電位はオリビン系と同様に、上記酸化物系とは異なり、300℃未満の分解では、発熱反応が小さい上、酸素発生がないため、正極活物質由来の電池発火の影響は小さいと考えられ安全性の面で注目されている。また、電池の電気容量密度(mAh/g)を上記リン酸塩系よりも高くできる(特開2003−229126号公報参照)。しかし、例えばLi2CoPO4F系は、平均放電電位が4.8V程度であり、急速充電に際しては5V以上で耐電圧を有する電解液が必要とされる。また、Li2NiPO4F系の放電電位は5.2V(vs Li/Li+)程度であり、5V以上で耐電圧を有する電解液が必要とされる。
(3) Olivine fluoride system 3-1 Specific substances Li 2-x NiPO 4 F (x = 0-2), Li 2-x CoPO 4 F (x = 0-2) are known, and other Li 2 -x MnPO 4 F (x = 0~2 ), Li 2-x FePO 4 F (x = 0~2) are considered.
Further, these solid solutions (herein, the solid solution refers to a material in which metal atoms are mixed in a free ratio in the olivine fluoride-based positive electrode active material) can also be mentioned. Furthermore, the thing which doped the metal atom of these with another metal atom is also contained. The dopant is not particularly limited as long as the electrochemical characteristics can be changed in the oxidation-reduction reaction. For example, one or more of Mg, Al, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, and Mo can be used.
3-2 Characteristics Similar to the olivine system, the redox potential of this positive electrode active material is different from that of the above oxide system. The effect of battery ignition is considered to be small, and is attracting attention in terms of safety. Moreover, the electric capacity density (mAh / g) of a battery can be made higher than the said phosphate system (refer Unexamined-Japanese-Patent No. 2003-229126). However, for example, the Li 2 CoPO 4 F system has an average discharge potential of about 4.8 V, and an electrolytic solution having a withstand voltage of 5 V or more is required for rapid charging. Further, the discharge potential of the Li 2 NiPO 4 F system is about 5.2 V (vs Li / Li + ), and an electrolytic solution having a withstand voltage at 5 V or more is required.
(4)その他
その他、リチウム非含有のFeF3、有機導電性物質を用いた共役系ポリマー、シェブレル相化合物等を用いることもできる。また、遷移金属カルコゲン化物、バナジウム酸化物およびそのリチウム塩、ニオブ酸化物およびそのリチウム塩、さらには、複数の異なった正極活物質を混合して用いることも可能である。
正極活物質粒子の平均粒径は、特に限定はされないが、10nm〜30μmであることが好ましい。
(4) Others In addition, lithium-free FeF 3 , a conjugated polymer using an organic conductive material, a chevrel phase compound, or the like can also be used. In addition, transition metal chalcogenides, vanadium oxides and lithium salts thereof, niobium oxides and lithium salts thereof, and a plurality of different positive electrode active materials may be used in combination.
The average particle diameter of the positive electrode active material particles is not particularly limited, but is preferably 10 nm to 30 μm.
(正極用集電体)
正極用集電体とは正極活物質を担持する導電性の基板である。
正極の集電体の成形材料は、充電時において安定であることが要求される。特に、酸化還元電位の高いオリビン型結晶構造を有するリン酸塩系及びオリビンフッ化物系の正極活物質を用いるときには、耐食性に優れた素材を使用することが好ましい。
例えば、電解質としてLiPF6、LiBF4を使用する場合、オーステナイト系ステンレス、Ni、Al、Ti等を用いることができるが、使用する正極活物質の動作電位を考慮し、適宜選択することが好ましい。例えば、電解質としてLiPF6を用いる場合は、Li/Li+電極に対して6Vでも使用することができるが、電解質としてLiBF4を用いる場合、SUS304はLi/Li+電極に対し5.8V以下で充放電可能な場合のみ用いることができる。また、電解質としてLiTFSIを使用する場合、正極集電体表面に耐食性皮膜を形成させるべく、LiPF6を共存させることが好ましい。LiBETI及びLiTFSもLiTFSIの場合と同様である。
また、Al等の導電金属材料へ導電性DLC(ダイヤモンドライクカーボン)を周知の方法で被覆したものを集電体として用いることもできる。電解質がLiBF4やLiPF6など、容易にフッ化物皮膜を形成するようなリチウム塩の場合は、アルミニウム上へ厚いフッ化皮膜が形成し、耐食性は向上するものの、電子伝導性が低下し、ひいてはオーミック過電圧増加に伴う、高出力化が阻害されることとなる。Al等の導電金属材料へ導電性DLCを被覆すれば、フッ化物皮膜は導電性DLCの欠陥部分の極わずかな面積でのみ発生するだけである。このため、高電圧化しても電子伝導性の低下は無視できる程度となり、懸念されている高電圧化による出力低下は防ぐことが可能となる。
ここで、導電性ダイヤモンドライクカーボンとは、ダイヤモンド結合(炭素同士のSP3混成軌道結合)とグラファイト結合(炭素同士のSP2混成軌道結合)の両方の結合が混在しているアモルファス構造をとるカーボンのうち、導電性が1000Ωcm以下のものをいう。ただし、アモルファス構造以外に、部分的にグラファイト構造からなる結晶構造(すなわちSP2混成軌道結合からなる六方晶系結晶構造)からなる相を有し、これにより導電性が発揮されるものも含まれる。グラファイトとダイヤモンドの中間の性質を有するダイヤモンドライクカーボンは、成膜時にダイヤモンドライクカーボンを構成する炭素原子のSP2混成軌道結合とSP3混成軌道結合の比率を調整することで、導電性を調節することができる。
勿論、上記耐食性導電性金属材料を導電性DLCで被覆してもよい。
集電体の形状及び構造は、正極活物質や電池の構造に応じて、任意に設計可能である。
(Current collector for positive electrode)
The positive electrode current collector is a conductive substrate carrying a positive electrode active material.
The molding material for the current collector of the positive electrode is required to be stable during charging. In particular, when using a phosphate-based and olivine fluoride-based positive electrode active material having an olivine-type crystal structure with a high redox potential, it is preferable to use a material excellent in corrosion resistance.
For example, when LiPF 6 or LiBF 4 is used as the electrolyte, austenitic stainless steel, Ni, Al, Ti, or the like can be used, but it is preferable to select them appropriately in consideration of the operating potential of the positive electrode active material to be used. For example, when LiPF 6 is used as the electrolyte, it can be used even at 6 V with respect to the Li / Li + electrode. However, when LiBF 4 is used as the electrolyte, SUS304 is 5.8 V or less with respect to the Li / Li + electrode. It can be used only when charge / discharge is possible. Further, when LiTFSI is used as the electrolyte, it is preferable that LiPF 6 coexists in order to form a corrosion-resistant film on the surface of the positive electrode current collector. LiBETI and LiTFS are the same as in LiTFSI.
In addition, a conductive metal material such as Al coated with conductive DLC (diamond-like carbon) by a well-known method can be used as a current collector. When the electrolyte is a lithium salt such as LiBF 4 or LiPF 6 that easily forms a fluoride film, a thick fluoride film is formed on the aluminum and the corrosion resistance is improved, but the electronic conductivity is lowered, and consequently The increase in output accompanying the increase in ohmic overvoltage is impeded. If the conductive metal material such as Al is coated with the conductive DLC, the fluoride film is generated only in a very small area of the defective portion of the conductive DLC. For this reason, even if the voltage is increased, the decrease in electron conductivity is negligible, and it is possible to prevent the decrease in output due to the increased voltage, which is a concern.
Here, the conductive diamond-like carbon is carbon having an amorphous structure in which both diamond bonds (SP 3 hybrid orbital bonds between carbons) and graphite bonds (SP 2 hybrid orbital bonds between carbons) are mixed. Among them, the one whose conductivity is 1000 Ωcm or less. However, in addition to the amorphous structure, those having a phase composed of a crystal structure partially composed of a graphite structure (that is, a hexagonal crystal structure composed of SP 2 hybrid orbital bonds) and thereby exhibiting conductivity are also included. . Diamond-like carbon having properties intermediate between graphite and diamond adjusts the conductivity by adjusting the ratio of SP 2 hybrid orbital bonds and SP 3 hybrid orbital bonds of the carbon atoms constituting diamond-like carbon during film formation. be able to.
Of course, you may coat | cover the said corrosion-resistant electroconductive metal material with electroconductive DLC.
The shape and structure of the current collector can be arbitrarily designed according to the structure of the positive electrode active material and the battery.
(正極の前処理)
リチウムイオン電池用正極は、リチウムイオン電池に組み込む前に、ニトリル化合物を1容量%以上含む有機溶媒中にリチウム塩が溶解した前処理用電解液中に正電極を浸漬する浸漬処理工程を行い、さらに電極に正電圧を付与する正電圧処理工程を行なう。こうして前処理された電極は、ニトリル化合物を全く含まない電解液や、ニトリル化合物の添加量の少ない電解液を用いたリチウムイオン電池に用いても、電位窓が広く、高い電位においても電解液を分解し難くなる(特願2009−180007号参照)。このような広い電位窓の電極となる理由は、電極上に窒素を成分として含む耐食性の皮膜が形成されるためであると推測される。
(Pretreatment of positive electrode)
The positive electrode for a lithium ion battery performs an immersion treatment step of immersing the positive electrode in a pretreatment electrolytic solution in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent containing 1% by volume or more of a nitrile compound before being incorporated in the lithium ion battery, Further, a positive voltage processing step for applying a positive voltage to the electrode is performed. The electrode thus pretreated has a wide potential window even when used in an electrolyte solution containing no nitrile compound or in a lithium ion battery using an electrolyte solution with a small amount of nitrile compound added. It becomes difficult to disassemble (see Japanese Patent Application No. 2009-180007). The reason why the electrode has such a wide potential window is presumed to be that a corrosion-resistant film containing nitrogen as a component is formed on the electrode.
(負極)
負極は負極活物質と集電体とを備える。
(負極活物質)
負極活物質とは「正極よりも低い電位で結晶構造内にリチウムが挿入/離脱され、それに伴って酸化/還元が行われる物質」をいう。
負極活物質としては、例えば、人造黒鉛、天然黒鉛、ハードカーボン等の種々の炭素材料やチタン酸リチウム(Li4Ti5O12)、H2Ti12O25、H2Ti6O13、Fe2O3などが挙げられる。また、これらを適宜混合した複合体も挙げることができる。さらには、Si微粒子やSi薄膜、これらのSiがSi−Ni、Si−Cu、Si−Nb、Si−Zn、Si−Sn等のSi系合金となった微粒子や薄膜が挙げられる。さらには、SiO酸化物、Si−SiO2複合体、Si−SiO2−カーボンなどの複合体等を挙げることができる。
(Negative electrode)
The negative electrode includes a negative electrode active material and a current collector.
(Negative electrode active material)
The negative electrode active material refers to “a material in which lithium is inserted / extracted in the crystal structure at a lower potential than the positive electrode, and oxidation / reduction is performed accordingly”.
Examples of the negative electrode active material include various carbon materials such as artificial graphite, natural graphite, and hard carbon, lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), H 2 Ti 12 O 25 , H 2 Ti 6 O 13 , Fe 2 O 3 etc. are mentioned. Moreover, the composite material which mixed these suitably can also be mentioned. Furthermore, there may be mentioned Si fine particles and Si thin films, and fine particles and thin films in which these Si are Si-based alloys such as Si—Ni, Si—Cu, Si—Nb, Si—Zn, Si—Sn. Further, SiO oxide, Si-SiO 2 composite, Si-SiO 2 - can be given complex, etc., such as carbon.
(負極用集電体)
負極用の集電体は汎用的な導電性金属材料、Cu、Al、Ni、Ti、オーステナイト系ステンレス等で形成することができる。
但し、電解液にニトリル化合物を用いたとき(他の有機溶剤との併用を含む)には、電解液中のLi塩に応じて適宜選択する必要がある。すなわち、電解質としてLiPF6、LiBF4を使用する場合、オーステナイト系ステンレス、Ni、Al、Ti等の使用が可能となる。ただし、使用する負極活物質の動作電位に応じて、適宜選択する必要がある。負極活物質としてカーボン系やSi系を使用する場合において、電解質としてLiBF4を使用した場合は、Cu以外のAl、Ni、Ti、オーステナイト系ステンレス等からなる集電体を使用することができる。負極活物質としてチタン酸リチウムやFe2O3系の化合物を用いた場合は、Cuを含む上記材料の全てが適用可能である。一方、電解質としてLiPF6使用時はAl、Ni及びTiが好ましく、オーステナイト系ステンレス及びCuは好ましくない。また、電解質としてLiTFSIや、LiBETI、やLiTFSを使用する場合、Ni、Ti、Al、Cu、オーステナイト系ステンレスの何れも使用することができる。
(Current collector for negative electrode)
The current collector for the negative electrode can be formed of a general-purpose conductive metal material, Cu, Al, Ni, Ti, austenitic stainless steel, or the like.
However, when a nitrile compound is used for the electrolytic solution (including combined use with other organic solvents), it is necessary to select appropriately according to the Li salt in the electrolytic solution. That is, when LiPF 6 or LiBF 4 is used as the electrolyte, austenitic stainless steel, Ni, Al, Ti, or the like can be used. However, it is necessary to select appropriately according to the operating potential of the negative electrode active material to be used. In the case of using carbon or Si as the negative electrode active material, when LiBF 4 is used as the electrolyte, a current collector made of Al, Ni, Ti, austenitic stainless or the like other than Cu can be used. In the case where lithium titanate or a Fe 2 O 3 based compound is used as the negative electrode active material, all of the above materials containing Cu are applicable. On the other hand, when LiPF 6 is used as the electrolyte, Al, Ni and Ti are preferable, and austenitic stainless steel and Cu are not preferable. In addition, when LiTFSI, LiBETI, or LiTFS is used as the electrolyte, any of Ni, Ti, Al, Cu, and austenitic stainless steel can be used.
(正極用電子伝導部材)
正極活物質には導電性の小さいものがある。従って、正極活物質と集電体との間に導電性の電子伝導部材を介在させて、両者の間に十分な電子伝導パスを確保することが好ましい。
ここで電子伝導部材は正極活物質と集電体との間に電子伝導パスを形成できればその形態は特に限定されるものではなく、例えばアセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト粉、ダイヤモンドライクカーボン、グラッシーカーボン等の導電性粉体(導電助剤)を用いることができる。ダイヤモンドライクカーボン及びグラッシーカーボンは、カーボンブラックやグラファイトよりもはるかに広い電位窓を有しており、高電位を付与した場合の耐食性に優れているため、好適に用いることができる。また、これらの導電助剤に金属微粒子が担持されていることも好ましい。金属微粒子としては、例えばPt、Au、Ni等が挙げられる。これらは、単独で用いても良いし、これらの合金であっても良い。
電子伝導材料として、正極活物質を被覆する導電性皮膜(DLC膜等)、正極活物質を埋入させた導電性薄膜(金の薄膜等)を用いることができる。
特に、Li2NiPO4F系の正極活物質はそれ自身の及び/又はその表面皮膜の導電性が小さいので、これを集電体へ単に担持させてなるものではリチウムイオン電池の正極として機能しない場合がある。Li2NiPO4F系の正極活物質の性能評価のために、これを金等の導電薄膜へハンマー等で物理的に打ち込み、電池の正極を形成することができる。
ここにLi2NiPO4F系正極活物質とはLi2NiPO4F及びこれへ適宜ドーパントをドープしたものを指す。
(Electroconductive member for positive electrode)
Some positive electrode active materials have low electrical conductivity. Therefore, it is preferable to provide a sufficient electron conduction path between the positive electrode active material and the current collector by interposing a conductive electron conduction member.
Here, the form of the electron conducting member is not particularly limited as long as an electron conducting path can be formed between the positive electrode active material and the current collector. For example, carbon black such as acetylene black, graphite powder, diamond-like carbon, glassy Conductive powder (conductive aid) such as carbon can be used. Diamond-like carbon and glassy carbon have a much wider potential window than carbon black and graphite, and are excellent in corrosion resistance when a high potential is applied, and therefore can be suitably used. Moreover, it is also preferable that metal fine particles are supported on these conductive assistants. Examples of the metal fine particles include Pt, Au, Ni and the like. These may be used alone or an alloy thereof.
As the electron conductive material, a conductive film (such as a DLC film) covering the positive electrode active material or a conductive thin film (such as a gold thin film) in which the positive electrode active material is embedded can be used.
In particular, since the Li 2 NiPO 4 F-based positive electrode active material has low conductivity of its own and / or its surface coating, it does not function as a positive electrode of a lithium ion battery if it is simply supported on a current collector. There is a case. In order to evaluate the performance of the Li 2 NiPO 4 F-based positive electrode active material, it can be physically driven into a conductive thin film such as gold with a hammer or the like to form the positive electrode of the battery.
Here, the Li 2 NiPO 4 F-based positive electrode active material refers to Li 2 NiPO 4 F and a material appropriately doped with dopant.
(負極用電子伝導部材)
正極用電子伝導部材と同様な物を用いることができる。
(Electroconductive member for negative electrode)
The thing similar to the electron conductive member for positive electrodes can be used.
(セパレータ)
セパレータは電解液中へ浸漬され、正極と負極とを分離し両者の短絡を防ぐとともに、Liイオンの通過を許容する。
かかるセパレータには、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂から成る多孔質フィルムが挙げられる。
(Separator)
The separator is immersed in the electrolytic solution, separates the positive electrode and the negative electrode, prevents a short circuit therebetween, and allows the passage of Li ions.
Examples of such separators include porous films made of polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene.
この発明は、上記発明の実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
以下、次の事項を開示する。
(1) 鎖状炭酸エステル、環状炭酸エステル及び環状カルボン酸エステルの少なくとも一つと、ジニトリル化合物とを含む溶媒にフッ素を含むリチウム塩が溶解している電解液を備え、正極及び負極に接触し、充電時の電圧が5V以上であるリチウムイオン電池に用いられる電池ケースであって、少なくとも該電池ケースの前記電解液と接触する部分は、SUS316若しくはSUS316Lからなる基材、又は、チタン若しくはニッケルからなる基材、からなることを特徴とする電池ケース。
(2) 前記リチウム塩にはLiPF6及び/又はLiBF4が含まれていることを特徴とする(1)記載の電池ケース。
(3) 前記リチウム塩には、さらにLiTFSI及び/又はLiBETIが含まれていることを特徴とする(2)記載の電池ケース。
(4) SUS316若しくはSUS316Lからなる電池ケースの基材又はチタン若しくはニッケルからなる電池ケースの基材であって、正極及び負極に接触する基材を、環状炭酸エステル及び/又は鎖状炭酸エステルとジニトリル化合物とを含む溶媒にフッ素を含むリチウム塩が溶解している電解液へ接触させるステップと、
前記電解液へ接触した前記基材に5V以上の電圧を印加して前記基材の表面に不動態皮膜を形成するステップと、を含むリチウムイオン電池の製造方法。
The present invention is not limited to the description of the embodiment of the invention. Various modifications may be included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the description of the scope of claims.
The following matters are disclosed below.
(1) An electrolytic solution in which a lithium salt containing fluorine is dissolved in a solvent containing at least one of a chain carbonate ester, a cyclic carbonate ester and a cyclic carboxylate ester, and a dinitrile compound, and is in contact with the positive electrode and the negative electrode; A battery case used for a lithium ion battery having a voltage of 5 V or more during charging, wherein at least a portion of the battery case that comes into contact with the electrolyte is made of a base material made of SUS316 or SUS316L, or made of titanium or nickel A battery case comprising a base material.
(2) The battery case according to (1), wherein the lithium salt contains LiPF 6 and / or LiBF 4 .
(3) The battery case according to (2), wherein the lithium salt further contains LiTFSI and / or LiBETI.
(4) A battery case substrate made of SUS316 or SUS316L or a battery case substrate made of titanium or nickel, which is made of a cyclic carbonate and / or a chain carbonate and a dinitrile. Contacting an electrolytic solution in which a lithium salt containing fluorine is dissolved in a solvent containing a compound;
Applying a voltage of 5 V or higher to the base material in contact with the electrolytic solution to form a passive film on the surface of the base material.
11、12…チタン又はニッケルからなる電池ケース(11…正極缶、12…負極キャップ)
13…スペーサー
14…正極活物質ペレット
15…セパレータ
16…波座金
17…スペーサー
18…リチウム負極活物質
19…絶縁ガスケット
11, 12 ... Battery case made of titanium or nickel (11 ... positive electrode can, 12 ... negative electrode cap)
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