JP2015056318A - Lithium ion battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池に関するものである。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery.
近年、地球環境への配慮から電気自動車、ハイブリッド自動車の開発及び実用化がなされ、小型、軽量で高エネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池が注目されている。しかし、リチウムイオン二次電池はCo、Ni等の希少金属含有化合物を正極材料として使用する場合が多く、リチウムイオン二次電池が広く普及するためには、コスト面、供給安定面で大きな課題である。また正極材料に起因するリチウムイオン二次電池の発火・爆発事故等が報告されており、安全性の問題が指摘されている。このような背景より、希少金属を含まない安全なリチウムイオン二次電地用正極材料の開発が期待されている。 In recent years, electric vehicles and hybrid vehicles have been developed and put into practical use in consideration of the global environment, and lithium-ion secondary batteries having a small size, light weight, and high energy density have attracted attention. However, in many cases, lithium ion secondary batteries use rare metal-containing compounds such as Co and Ni as positive electrode materials, and in order for lithium ion secondary batteries to become widespread, there are major issues in terms of cost and supply stability. is there. In addition, ignition and explosion accidents of lithium ion secondary batteries caused by the positive electrode material have been reported, and safety issues have been pointed out. From such a background, development of a safe positive electrode material for lithium ion secondary electric fields that does not contain a rare metal is expected.
このような状況の中、3.5V級のリチウムイオン二次電池用正極活物質としてオリビン型リン酸鉄リチウムが注目されている。オリビン型リン酸鉄リチウムは結晶構造中でP原子とO原子が共有結合により強く結合しているため、結晶構造が極めて安定で発火・爆発等の危険性が極めて低い正極材料である。また酸化還元反応に寄与する遷移金属原子がCoやNiではなくFeであるため、コスト面や供給安定面で大きな改善を期待できる材料である。しかしながら、リン酸鉄リチウムは、従来から使用されているコバルト酸リチウムに比べると、電池充放電時のリチウムの挿入脱離反応が遅く、電気抵抗が大きいため、大電流充放電において過電圧の増大に伴い、十分な充放電容量が得られないという問題がある。 Under such circumstances, olivine-type lithium iron phosphate has attracted attention as a positive electrode active material for a 3.5 V-class lithium ion secondary battery. Olivine-type lithium iron phosphate is a positive electrode material that has a very stable crystal structure and a very low risk of ignition and explosion because the P atom and the O atom are strongly bonded by a covalent bond in the crystal structure. Further, since the transition metal atom contributing to the oxidation-reduction reaction is Fe, not Co or Ni, it is a material that can be expected to greatly improve in terms of cost and supply stability. However, lithium iron phosphate has a slower lithium insertion / desorption reaction during battery charging / discharging and higher electrical resistance than lithium cobalt oxide used in the past, which increases the overvoltage during large current charging / discharging. Accordingly, there is a problem that sufficient charge / discharge capacity cannot be obtained.
この問題に関して、様々な取り組みがなされ、例えば、下記の(1)〜(4)の方法が提案されている。 Various approaches have been made with respect to this problem. For example, the following methods (1) to (4) have been proposed.
(1)活物質の粒子径を小さくし、比表面積を大きくする。 (1) Reduce the particle size of the active material and increase the specific surface area.
(2)活物質の粒子表面に炭素などの導電助剤を担持させる。 (2) A conductive additive such as carbon is supported on the surface of the active material particles.
(3)正極合剤を作製する際、カーボンブラックや繊維状炭素などを添加する。 (3) When producing the positive electrode mixture, carbon black, fibrous carbon, or the like is added.
(4)結着力の高い結着剤(バインダ)を使用し、構成部材の密着力を向上させる。 (4) A binding agent (binder) having a high binding force is used to improve the adhesion of the constituent members.
具体的には、上述の(1)〜(4)の方法が下記に示すように特許文献1〜4に記載などされている。 Specifically, the methods (1) to (4) described above are described in Patent Documents 1 to 4 as described below.
(1)特許文献1には、リン酸鉄リチウムの一次粒子の粒子径を3.1μm以下に限定し、正極活物質の比表面積を十分に大きくすることにより、正極内の電子伝導性を高めることが記載されている。 (1) In Patent Document 1, the particle diameter of primary particles of lithium iron phosphate is limited to 3.1 μm or less, and the specific surface area of the positive electrode active material is sufficiently increased to increase the electron conductivity in the positive electrode. It is described.
(2)特許文献2には、リン酸鉄リチウムの粒子表面に導電性微粒子を担持させ、活物質を改良することにより、大電流充放電における充放電容量を高めることが記載されている。
(2)
(3)特許文献3には、正極の電気抵抗を低下させるために、カーボンブラックなどの粉末炭素、黒鉛などの片状炭素、または繊維状炭素を複合化したリチウム鉄複合酸化物が記載されている。 (3) Patent Document 3 describes a lithium iron composite oxide obtained by combining powder carbon such as carbon black, flake carbon such as graphite, or fibrous carbon in order to reduce the electrical resistance of the positive electrode. Yes.
(4)特許文献4には、結着力が高い結着剤を使用することで、正極活物質と導電助剤、正極活物質と集電体、集電体と導電助剤の密着性を向上させ、大電流充放電時の特性を向上させることが記載されている。
(4)
一方、リン酸鉄リチウムは4V級のリチウムイオン二次電池に使用される正極活物質と比較すると、充放電時のリチウムの挿入脱離反応が遅く、急速充放電時や充放電サイクルを繰り返すことにより電極表面と集電体近傍でのリチウムイオンの濃度分布に差が現れやすい。また、リン酸鉄リチウムは充放電反応が二相共存反応で進行するため、他の正極活物質と異なる平坦な充放電電位を示す。このため、他の活物質に比べて電位が平坦であり、電位勾配がないため電極内のリチウムイオンの濃度分布が緩和されにくい。電極内のリチウムイオンの濃度の分布は電極の局所的な劣化の一因となることが考えられ、長期寿命に対しての懸念がある。 On the other hand, lithium iron phosphate has a slower lithium insertion / desorption reaction during charge / discharge and repeats rapid charge / discharge and charge / discharge cycles compared to the positive electrode active material used in 4V class lithium ion secondary batteries. Therefore, a difference tends to appear in the concentration distribution of lithium ions between the electrode surface and the vicinity of the current collector. Further, lithium iron phosphate exhibits a flat charge / discharge potential different from other positive electrode active materials because the charge / discharge reaction proceeds in a two-phase coexistence reaction. For this reason, the potential is flat compared to other active materials, and since there is no potential gradient, the concentration distribution of lithium ions in the electrode is difficult to be relaxed. The distribution of the lithium ion concentration in the electrode is considered to contribute to local degradation of the electrode, and there is a concern about a long life.
ところで、リチウム二次電池の用途のなかには、ハイレート充放電(急速充放電)を繰り返す態様で長期に亘って使用されることが想定されるものがある。車両(典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車)、定置用(自然エネルギーのバックアップシステム、工場内の電力変動緩和用途)の動力源として用いられるリチウム二次電池は、かかる使用態様が想定される代表例である。 By the way, some uses of a lithium secondary battery are assumed to be used over a long period in a mode in which high-rate charge / discharge (rapid charge / discharge) is repeated. Lithium secondary batteries used as power sources for vehicles (typically automobiles, especially hybrid cars, electric cars) and stationary equipment (renewable energy backup systems and power fluctuation mitigation applications in factories) are assumed to be used in this way. This is a representative example.
そこで、本発明はリチウムイオン二次電池用のリン酸鉄リチウム正極に関する従来の問題点を解決すべく創出されたものであり、その目的とするところは、ハイレート充放電及び充放電サイクルを繰り返すことに対しても電極内のリチウムイオンの濃度分布を抑制し、寿命特性を向上させることを目的とする。また、充放電によっても層間剥離し難く(層間の接着性が高い)、内部抵抗の上昇が抑制された品質に優れた正極及びその製造方法を提供することである。また、このような正極を備えるリチウムイオン二次電池を提供することを他の目的とする。 Therefore, the present invention was created to solve the conventional problems related to the lithium iron phosphate positive electrode for lithium ion secondary batteries, and its object is to repeat high-rate charge / discharge and charge / discharge cycles. In addition, the present invention aims to suppress the lithium ion concentration distribution in the electrode and improve the life characteristics. Another object of the present invention is to provide a positive electrode which is difficult to delaminate even by charge / discharge (high inter-layer adhesion) and excellent in quality in which an increase in internal resistance is suppressed, and a method for producing the same. Another object is to provide a lithium ion secondary battery including such a positive electrode.
そこで、本発明では、リン酸鉄リチウム正極内のリチウムイオンの濃度分布の改善とともに電極抵抗を低減した長寿命・高入出力のリチウムイオン二次電池を提供することを目的の一つとする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery having a long life and high input / output with improved electrode ion concentration and improved lithium ion concentration distribution in the lithium iron phosphate positive electrode.
上記課題を解決するために、次に示すような構成が有効と考えられる。 In order to solve the above problems, the following configuration is considered effective.
正極集電体の上に導電性物質及び結着材を含む導電層(第一層)が形成され、この導電層(第一層)の上に正極活物質(リン酸鉄リチウム)と導電剤と結着材とを含む正極活物質層(第二層)が形成された正極板と、負極活物質及び炭素系含有物を含む負極活物質層が負極集電体に形成された負極板とを、多孔質セパレータを介して配置する。そして、正極活物質層の膜厚を40μm以上200μm以下に定める。このように、正極活物質としてリン酸鉄リチウム(特にオリビン型リン酸リチウム)を用いた正極の集電体上に導電性を付与した導電層を形成すると、正極集電体近傍の導電性が高まるため、急速充放電、充放電サイクルによる電極表面と集電体近傍のリチウムイオンの濃度分布が緩和される。また、この効果は集電体と電極表面の距離が増大する厚膜電極で顕著に現れ、寿命特性が向上する。また、集電体上に導電層を形成することにより電極の電子移動抵抗を低減し、高入出力特性を向上させることができる。さらに、導電層に存在する導電性フィラーによるアンカー効果により、活物質層との密着性が向上し、充放電による層間剥離がし難く(層間の接着性が高い)なる。したがって、出入力及び寿命等の電池特性を低下させることなく、安全性の高いリチウムイオン二次電池を提供することができる。 A conductive layer (first layer) containing a conductive substance and a binder is formed on the positive electrode current collector, and a positive electrode active material (lithium iron phosphate) and a conductive agent are formed on the conductive layer (first layer). And a negative electrode plate in which a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material and a carbon-based material is formed on a negative electrode current collector; Is disposed via a porous separator. And the film thickness of a positive electrode active material layer is defined as 40 micrometers or more and 200 micrometers or less. In this way, when a conductive layer imparted with conductivity is formed on a positive electrode current collector using lithium iron phosphate (especially olivine type lithium phosphate) as a positive electrode active material, the conductivity in the vicinity of the positive electrode current collector is increased. Therefore, the concentration distribution of lithium ions near the electrode surface and the current collector due to rapid charge / discharge and charge / discharge cycles is relaxed. In addition, this effect is conspicuous in a thick film electrode in which the distance between the current collector and the electrode surface is increased, and the life characteristics are improved. In addition, by forming a conductive layer on the current collector, the electron transfer resistance of the electrode can be reduced and high input / output characteristics can be improved. Furthermore, due to the anchor effect of the conductive filler present in the conductive layer, the adhesion with the active material layer is improved, and delamination due to charge / discharge is difficult (high adhesion between layers). Accordingly, it is possible to provide a highly safe lithium ion secondary battery without deteriorating battery characteristics such as input / output and life.
また、導電層の膜を1〜5μmに定めると、電池の出入力がさらに向上し、しかも電池の長寿命化が可能になる。 Further, when the conductive layer film is set to 1 to 5 μm, the input / output of the battery is further improved and the life of the battery can be extended.
また、正極活物質層の体積空孔率を20〜50%に定めると、出入力及び寿命等の電池特性を確実に向上させることができる。また、正極活物質層には導電助剤を含有させ、正極活物質を100質量%とした場合に導電助剤の含有量を2質量%以上10質量%以下に定めるのが好ましい。正極活物質中の導電助剤の含有量をこのような範囲に定めると、さらに入出力特性等の電池性能を高めることができる。 Further, when the volume porosity of the positive electrode active material layer is set to 20 to 50%, battery characteristics such as input / output and life can be improved with certainty. The positive electrode active material layer preferably contains a conductive additive, and when the positive electrode active material is 100% by mass, the conductive auxiliary agent content is preferably set to 2% by mass or more and 10% by mass or less. When the content of the conductive additive in the positive electrode active material is set within such a range, battery performance such as input / output characteristics can be further improved.
本発明によれば、リン酸鉄リチウム正極に導電層を形成することで、安全性が高く、しかも長寿命・高入出力のリチウムイオン二次電池を提供することができる。 According to the present invention, by forming a conductive layer on a lithium iron phosphate positive electrode, it is possible to provide a lithium ion secondary battery with high safety, long life, and high input / output.
以下、本発明の実施の形態について説明する。本実施の形態においてA〜B(但し、A、Bは0以上の数字である)として範囲を示す場合には、特に明示した場合を除き、A以上B以下を示すものとする。 Embodiments of the present invention will be described below. In the present embodiment, when ranges are indicated as A to B (where A and B are numbers greater than or equal to 0), A and B are indicated unless otherwise specified.
まず、本発明の実施の形態であるリチウムイオン電池の概要構成について簡単に説明する。リチウムイオン電池は、電池容器内に、正極、負極、セパレータ及び電解液を有している。正極と負極との間にはセパレータが配置されている。正極、負極及びセパレータは、電極捲回群として捲回、もしくは電極群として積層された状態で、電池容器内に備えられている。 First, the outline structure of the lithium ion battery which is embodiment of this invention is demonstrated easily. The lithium ion battery has a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolytic solution in a battery container. A separator is disposed between the positive electrode and the negative electrode. The positive electrode, the negative electrode, and the separator are provided in the battery container in a state of being wound as an electrode winding group or stacked as an electrode group.
リチウムイオン電池を充電する際には、正極と負極との間に充電器を接続する。充電時においては、正極活物質内に挿入されているリチウムイオンが脱離し、電解液中に放出される。電解液中に放出されたリチウムイオンは、電解液中を移動し、微多孔質膜からなるセパレータを通過して、負極に到達する。この負極に到達したリチウムイオンは、負極を構成する負極活物質内に挿入される。 When charging the lithium ion battery, a charger is connected between the positive electrode and the negative electrode. At the time of charging, lithium ions inserted into the positive electrode active material are desorbed and released into the electrolytic solution. The lithium ions released into the electrolytic solution move in the electrolytic solution, pass through a separator made of a microporous film, and reach the negative electrode. The lithium ions that have reached the negative electrode are inserted into the negative electrode active material constituting the negative electrode.
放電する際には、正極と負極の間に外部負荷を接続する。放電時においては、負極活物質内に挿入されていたリチウムイオンが脱離して電解液中に放出される。このとき、負極から電子が放出される。そして、電解液中に放出されたリチウムイオンは、電解液中を移動し、微多孔質膜からなるセパレータを通過して、正極に到達する。この正極に到達したリチウムイオンは、正極を構成する正極活物質内に挿入される。このとき、正極活物質にリチウムイオンが挿入することにより、正極に電子が流れ込む。このようにして、負極から正極に電子が移動することにより放電が行われる。 When discharging, an external load is connected between the positive electrode and the negative electrode. At the time of discharging, the lithium ions inserted into the negative electrode active material are desorbed and released into the electrolytic solution. At this time, electrons are emitted from the negative electrode. Then, the lithium ions released into the electrolytic solution move in the electrolytic solution, pass through a separator made of a microporous film, and reach the positive electrode. The lithium ions reaching the positive electrode are inserted into the positive electrode active material constituting the positive electrode. At this time, when lithium ions are inserted into the positive electrode active material, electrons flow into the positive electrode. In this way, discharge is performed by the movement of electrons from the negative electrode to the positive electrode.
このように、リチウムイオンを正極活物質と負極活物質との間で挿入・脱離することにより、充放電することができる。なお、実際のリチウムイオン電池の構成例については、後述する(例えば、図1参照)。 In this manner, charging / discharging can be performed by inserting and desorbing lithium ions between the positive electrode active material and the negative electrode active material. A configuration example of an actual lithium ion battery will be described later (see, for example, FIG. 1).
次いで、本実施の形態のリチウムイオン電池の構成要素である正極、負極、電解液、セパレータ及びその他の構成部材に関し順次説明する。 Next, a positive electrode, a negative electrode, an electrolytic solution, a separator, and other components that are components of the lithium ion battery according to the present embodiment will be sequentially described.
1.正極
本実施の形態においては、長寿命で高入出力のリチウムイオン電池に適用可能な以下に示す正極を有する。
1. Positive electrode In this embodiment, the positive electrode shown below is applicable to a long-life, high-input / output lithium ion battery.
本実施の形態の正極(正極板)は、正極集電体の表面に導電性フィラーを有する導電層と該導電層上に形成された正極活物質層よりなる。本実施の形態においては、前記導電層は、膜厚を0.5〜5μmとすることが好ましく、1〜3μmとすることがより好ましい。前記活物質層は、少なくとも活物質、導電助剤及び結着剤を含む。前記活物質としては、リン酸鉄リチウムであるが、オリビン型リン酸鉄リチウム(LFP)であることが好ましい。活物質、導電助剤及び結着剤については、詳細を後述する。前記導電層及び前記正極活物質層は、例えば、集電体の両面に導電材及び正極合剤をこの順で塗布して形成される。本実施の形態においては、後述のように集電体に塗布した正極合剤を乾燥した後の活物質層の膜厚が40μm以上200μm以下であるが、電池特性の観点からは40μm以上150μm以下が好ましく、40μm以上120μm以下がより好ましい。また、前記活物質層の電極密度が1.90g/cm3〜2.30g/cm3であることが好ましい。また、正極活物質層の体積空孔率が20〜50%であることが好ましく、23〜45%であることがより好ましく、25〜40%であることが更に好ましい。さらに前記正極活物質層中の前記導電助剤の含有量は、電池特性の観点から、2質量%以上10質量%以下が好ましい。 The positive electrode (positive electrode plate) of this embodiment includes a conductive layer having a conductive filler on the surface of a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer formed on the conductive layer. In the present embodiment, the conductive layer preferably has a thickness of 0.5 to 5 μm, and more preferably 1 to 3 μm. The active material layer includes at least an active material, a conductive aid, and a binder. The active material is lithium iron phosphate, but is preferably olivine type lithium iron phosphate (LFP). Details of the active material, the conductive additive, and the binder will be described later. The conductive layer and the positive electrode active material layer are formed, for example, by applying a conductive material and a positive electrode mixture in this order on both sides of a current collector. In the present embodiment, the thickness of the active material layer after drying the positive electrode mixture applied to the current collector as described later is 40 μm or more and 200 μm or less, but from the viewpoint of battery characteristics, it is 40 μm or more and 150 μm or less. Is preferably 40 μm or more and 120 μm or less. Further, it is preferable that the electrode density of the active material layer is 1.90g / cm 3 ~2.30g / cm 3 . Further, the volume porosity of the positive electrode active material layer is preferably 20 to 50%, more preferably 23 to 45%, still more preferably 25 to 40%. Furthermore, the content of the conductive additive in the positive electrode active material layer is preferably 2% by mass or more and 10% by mass or less from the viewpoint of battery characteristics.
前記活物質層の膜厚が40μm未満では、電極内のリチウムイオンの濃度分布が起こりにくく、導電層の形成の効果が小さい。また、充放電に寄与する活物質の量が低下し、電池のエネルギー密度が低下する恐れがある。一方、前記活物質層の膜厚が200μmを超えると正極合剤の抵抗が高くなり、入出力特性が低下する恐れがある。 When the thickness of the active material layer is less than 40 μm, the concentration distribution of lithium ions in the electrode hardly occurs, and the effect of forming the conductive layer is small. In addition, the amount of the active material that contributes to charge / discharge decreases, and the energy density of the battery may decrease. On the other hand, when the film thickness of the active material layer exceeds 200 μm, the resistance of the positive electrode mixture is increased, and the input / output characteristics may be deteriorated.
また、正極活物質層の密度が1.90g/cm3未満では正極の電子移動抵抗が高くなり、入出力特性が低下する恐れがある。一方、正極活物質層の密度が2.40g/cm3を超えると活物質層の内の空孔体積が減少するためイオン拡散抵抗が増大し、入出力特性が低下する恐れがある。 On the other hand, if the density of the positive electrode active material layer is less than 1.90 g / cm 3 , the electron transfer resistance of the positive electrode is increased, and the input / output characteristics may be degraded. On the other hand, when the density of the positive electrode active material layer exceeds 2.40 g / cm 3 , the vacancy volume in the active material layer decreases, so that the ion diffusion resistance increases and the input / output characteristics may be deteriorated.
また、前記正極活物質層内の導電助剤の含有量が2質量%未満では電極の電子移動抵抗が増大し、入出力特性が低下する。一方、前記正極活物質層内の導電助剤の含有量が10質量%を超えると充放電に寄与する活物質の量が低下し、電池のエネルギー密度が低下する。 On the other hand, when the content of the conductive auxiliary in the positive electrode active material layer is less than 2% by mass, the electron transfer resistance of the electrode increases and the input / output characteristics are deteriorated. On the other hand, when the content of the conductive additive in the positive electrode active material layer exceeds 10% by mass, the amount of the active material that contributes to charge / discharge decreases, and the energy density of the battery decreases.
このように、正極活物質層において、正極活物質層の密度(活物質層の空孔率)、正極活物質層の厚みを上記範囲とすることで、オリビン型燐酸鉄リチウム(LiFePO4、以下LFPという)を正極活物質に用いたリチウムイオン電池において、長寿命かつ高入出力のリチウムイオン二次電池を実現することができる。 Thus, in the positive electrode active material layer, by setting the density of the positive electrode active material layer (the porosity of the active material layer) and the thickness of the positive electrode active material layer within the above ranges, olivine-type lithium iron phosphate (LiFePO 4 , below) In a lithium ion battery using a positive electrode active material (referred to as LFP), a long-life and high-input / output lithium ion secondary battery can be realized.
なお、前記正極活物質層の体積空孔率は、例えば正極合剤として活物質、導電助剤及び結着剤を含む場合、以下の式から算出することができる。 In addition, the volume porosity of the said positive electrode active material layer is computable from the following formula | equation, for example, when an active material, a conductive support agent, and a binder are included as a positive electrode mixture.
正極活物質層の体積空孔率(%)=[1−{(i)+(ii)+(iii)/(正極活物質層の幅×長さ×厚さ)}]×100
ここで、(i)は正極活物質層中に占める活物質の体積、(ii)は正極活物質層中に占める導電助剤の体積、及び(iii)は正極活物質層中に占める結着剤の体積を表す。(i)+(ii)+(iii)は、下記式から算出できる。
Volume porosity of positive electrode active material layer (%) = [1-{(i) + (ii) + (iii) / (width of positive electrode active material layer × length × thickness)}] × 100
Here, (i) is the volume of the active material in the positive electrode active material layer, (ii) is the volume of the conductive auxiliary agent in the positive electrode active material layer, and (iii) is the binding in the positive electrode active material layer. Represents the volume of the agent. (I) + (ii) + (iii) can be calculated from the following equation.
(i)(正極活物質層の全重量×正極活物質の正極活物質層中に占める割合)/正極活物質の真比重
(ii)(正極活物質層の全重量×導電助剤の正極活物質層中に占める割合)/導電助剤の真比重
(iii)(正極活物質層の全重量×結着剤の正極活物質層中に占める割合)/結着剤の真比重
また、オリビン型燐酸鉄リチウム(LFP)として、オリビン型結晶構造を有し、以下の組成式(化2)で表されるものを用いることが好ましい。
(I) (total weight of the positive electrode active material layer × ratio of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer) / true specific gravity of the positive electrode active material (ii) (total weight of the positive electrode active material layer × positive electrode active of the conductive auxiliary agent (Ratio in the material layer) / true specific gravity of the conductive auxiliary agent (iii) (total weight of the positive electrode active material layer × ratio of the binder in the positive electrode active material layer) / true specific gravity of the binder As lithium iron phosphate (LFP), one having an olivine crystal structure and represented by the following composition formula (Formula 2) is preferably used.
LiFe1−wM’wPO4 …(化2)
上記組成式(化2)において、(1−w)はFe(鉄)の組成比、wは元素M’の組成比を示す。Li(リチウム)の組成比は1であり、P(リン)の組成比は1であり、O(酸素)の組成比は4である。
LiFe 1-w M ′ w PO 4 (Chemical formula 2)
In the above composition formula (Formula 2), (1-w) represents the composition ratio of Fe (iron), and w represents the composition ratio of the element M ′. The composition ratio of Li (lithium) is 1, the composition ratio of P (phosphorus) is 1, and the composition ratio of O (oxygen) is 4.
元素M’は、1種以上の遷移金属元素である。 The element M ′ is one or more transition metal elements.
0≦w≦0.5である。 0 ≦ w ≦ 0.5.
上記組成式(化2)で表される化合物は、燐酸鉄リチウムのFeの一部が遷移金属元素によって置換された燐酸遷移金属リチウム化合物である。遷移金属元素として、Fe以外の任意の遷移金属元素を1種または2種以上組み合わせて用いることができる。この遷移金属元素の好適な例としては、Co、Mn、V等が挙げられる。また、導電性を高めるために、炭素を含むオリビン型燐酸鉄リチウムを用いることが好ましい。 The compound represented by the above composition formula (Formula 2) is a lithium transition metal phosphate compound in which a part of Fe of lithium iron phosphate is substituted with a transition metal element. As the transition metal element, any transition metal element other than Fe can be used alone or in combination of two or more. Preferable examples of the transition metal element include Co, Mn, V and the like. Moreover, in order to improve electroconductivity, it is preferable to use olivine type lithium iron phosphate containing carbon.
正極活物質としてオリビン型燐酸鉄リチウム(LFP)を用いた場合、充放電に伴う結晶構造の変化が少ないため、充放電を多数回繰り返した後の特性劣化が少なく、サイクル特性に優れる。これにより、電池を長寿命化することができる。 When olivine-type lithium iron phosphate (LFP) is used as the positive electrode active material, the change in the crystal structure associated with charge / discharge is small, so that there is little deterioration in characteristics after repeated many times of charge / discharge and excellent cycle characteristics. Thereby, the life of the battery can be extended.
また、オリビン型燐酸鉄リチウム(LFP)の結晶中の酸素原子は、P(リン)と共有結合することにより、安定して存在する。そのため、電池が高温環境下に晒された場合でも、正極活物質から酸素が放出される可能性が小さく、電池の安全性を高めることができる。 Moreover, the oxygen atom in the crystal | crystallization of olivine type lithium iron phosphate (LFP) exists stably by carrying out a covalent bond with P (phosphorus). Therefore, even when the battery is exposed to a high temperature environment, the possibility that oxygen is released from the positive electrode active material is small, and the safety of the battery can be improved.
このように、オリビン型燐酸鉄リチウム(LFP)は有用な特性を有するが、オリビン型燐酸鉄リチウム(LFP)自体は導電性が低く、さらに理論容量が小さく、密度も小さい。よって、オリビン型燐酸鉄リチウム(LFP)を正極活物質として用い、電池を構成した場合には、高入出力特性と電池容量(放電容量)を増加させることが困難である。そこで、本実施の形態では、正極の集電体上に導電性フィラーを有する導電層を形成することで、LFPの課題である低電子伝導を改善し、入出力特性を向上することができる。また、電子伝導性を高めることで、電極表面と集電体近傍のリチウムイオンの濃度分布が緩和され、電極の塗工量を増加し、電池を高容量化することができる。また、リチウムイオンの濃度分布が緩和により充放電で活物質が均等に反応することができるため、活物質の局所的な劣化を抑え、長寿命化が可能になる。さらに、導電層に存在するフィラーがアンカーの機能を発揮するため、導電層と活物質層との密着性が向上する。その結果、充放電による層間剥離が生じ難く(層間の接着性が高く)なるため、電池の容量及び寿命の低下を小さくすることができる。 Thus, although olivine type lithium iron phosphate (LFP) has useful characteristics, olivine type lithium iron phosphate (LFP) itself has low conductivity, and further has a small theoretical capacity and a low density. Therefore, when a battery is configured using olivine type lithium iron phosphate (LFP) as a positive electrode active material, it is difficult to increase high input / output characteristics and battery capacity (discharge capacity). Therefore, in this embodiment, by forming a conductive layer having a conductive filler over the positive electrode current collector, low electron conduction, which is a problem of LFP, can be improved, and input / output characteristics can be improved. Further, by increasing the electron conductivity, the concentration distribution of lithium ions near the electrode surface and the current collector is relaxed, the amount of electrode coating is increased, and the capacity of the battery can be increased. Further, since the active material can react evenly by charge / discharge due to relaxation of the lithium ion concentration distribution, local deterioration of the active material can be suppressed, and the life can be extended. Furthermore, since the filler present in the conductive layer exhibits an anchor function, the adhesion between the conductive layer and the active material layer is improved. As a result, delamination due to charge / discharge hardly occurs (adhesion between layers is high), so that a reduction in battery capacity and lifetime can be reduced.
このため、LFP正極の集電体表面に導電層を形成することで、低電子伝導の改善のみならず長寿命の電池の提供を可能にした。 For this reason, by forming a conductive layer on the surface of the current collector of the LFP positive electrode, it has become possible to provide a battery having a long life as well as an improvement in low electron conduction.
導電層は、主に電子導電性媒体である炭素と結着剤とから構成される。炭素は、天然あるいは人造の結晶性グラファイトや、チャネルブラック、サーマルブラック、ファーネスブラック等の各種のカーボンブラック及びガラス状カーボン等の電子導電性炭素を用いることができる。特にリチウムイオンが吸蔵放出しにくいカーボンブラックやグラファイトが、充放電サイクルによる膨張収縮が少ないので好ましい。形状は、微粒子、短繊維などの粉末が好ましく、平均粒径5μm以下であることが特に好ましい。さらに導電性を向上するために平均粒径1μm以下の炭素粉末を炭素粉末総重量に対して10%以下の範囲で添加することがより好ましい。特にグラファイトやアセチレンブラック等のカーボンブラックを組み合わせて用いることにより、集電体への良好な電気的接続が得られ、電池の寿命特性が向上し、かつ、導電層と活物質層との接着性が高まるため好ましい。 The conductive layer is mainly composed of carbon, which is an electronic conductive medium, and a binder. As the carbon, it is possible to use natural or artificial crystalline graphite, various carbon blacks such as channel black, thermal black, and furnace black, and electron conductive carbon such as glassy carbon. In particular, carbon black and graphite, which are difficult to occlude and release lithium ions, are preferable because they have less expansion and contraction due to charge / discharge cycles. The shape is preferably a powder such as fine particles or short fibers, and particularly preferably has an average particle size of 5 μm or less. In order to further improve the conductivity, it is more preferable to add carbon powder having an average particle diameter of 1 μm or less in a range of 10% or less with respect to the total weight of the carbon powder. In particular, by using a combination of carbon blacks such as graphite and acetylene black, a good electrical connection to the current collector is obtained, the battery life characteristics are improved, and the adhesion between the conductive layer and the active material layer Is preferable because of the increase.
なお、本明細書において「平均粒径」は、レーザー回折式の粒度分布測定装置により測定した体積基準のメジアン径(d50)を意味する。 In the present specification, the “average particle diameter” means a volume-based median diameter (d50) measured by a laser diffraction type particle size distribution measuring apparatus.
また、本実施形態に係る上記導電層に含まれる結着材は、有機溶剤に対して可溶性であり且つ水に対して不溶性である非水溶性ポリマーである。この種のポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリプロピレンオキサイド(PPO)、ポリエチレンオキサイド−プロピレンオキサイド共重合体(PEO−PPO)等が挙げられる。特に好ましく用いられる結着材はPVDFである。 Further, the binder contained in the conductive layer according to this embodiment is a water-insoluble polymer that is soluble in an organic solvent and insoluble in water. Examples of this type of polymer include polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene chloride (PVDC), polyacrylonitrile (PAN), polypropylene oxide (PPO), and polyethylene oxide-propylene oxide copolymer (PEO-PPO). . The binder used particularly preferably is PVDF.
以下に、正極活物質層及び集電体について詳細に説明する。正極活物質層は、正極活物質や結着材等を含有し、集電体上に形成される。その形成方法に制限はないが、例えば次のように形成される。正極活物質、結着材、及び必要に応じて用いられる導電助剤や増粘材などの他の材料を乾式で混合してシート状にし、これを集電体に圧着する(乾式法)。また、正極活物質、結着材、及び必要に応じて用いられる導電助剤や増粘材などの他の材料を分散溶媒に溶解または分散させて正極合剤のスラリーとし、これを集電体に塗布し、乾燥する(湿式法)。 Hereinafter, the positive electrode active material layer and the current collector will be described in detail. The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material, a binder, and the like, and is formed on the current collector. Although there is no restriction | limiting in the formation method, For example, it forms as follows. A positive electrode active material, a binder, and other materials such as a conductive additive and a thickener used as needed are mixed in a dry form to form a sheet, which is then pressure-bonded to a current collector (dry method). In addition, a positive electrode active material, a binder, and other materials such as a conductive aid and a thickener used as necessary are dissolved or dispersed in a dispersion solvent to form a positive electrode mixture slurry, which is used as a current collector And dried (wet method).
正極活物質としては、前述したように、オリビン型燐酸鉄リチウム(LFP)が用いられる。これらは粉状(粒状)で用いられ、混合される。 As described above, olivine type lithium iron phosphate (LFP) is used as the positive electrode active material. These are used in powder form (granular) and mixed.
この正極活物質の表面に、主体となる正極活物質を構成する物質とは異なる組成の物質を付着させてもよい。表面付着物質としては、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ホウ素、酸化アンチモン、酸化ビスマス等の酸化物、硫酸リチウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸マグネシウム、硫酸カルシウム、硫酸アルミニウム等の硫酸塩、炭酸リチウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等の炭酸塩、炭素等が挙げられる。 A substance having a composition different from that of the substance constituting the main cathode active material may be adhered to the surface of the cathode active material. Surface adhesion substances include aluminum oxide, silicon oxide, titanium oxide, zirconium oxide, magnesium oxide, calcium oxide, boron oxide, antimony oxide, bismuth oxide, lithium sulfate, sodium sulfate, potassium sulfate, magnesium sulfate, sulfuric acid Examples thereof include sulfates such as calcium and aluminum sulfate, carbonates such as lithium carbonate, calcium carbonate and magnesium carbonate, and carbon.
表面付着物質の付着方法としては、次の方法がある。例えば、表面付着物質を溶媒に溶解または懸濁させた液体に正極活物質を添加することにより、正極活物質に表面付着物質を含浸添加する。この後、表面付着物質を含浸した正極活物質を乾燥する。また、表面付着物質の前駆体を溶媒に溶解または懸濁させた液体に正極活物質を添加することにより、正極活物質に表面付着物質の前駆体を含浸添加する。この後、表面付着物質の前駆体を含浸した正極活物質を加熱する。また、表面付着物質の前駆体及び正極活物質の前駆体を溶媒に溶解または懸濁させた液体を焼成する。これらの方法により正極活物質の表面に表面付着物質を付着させることができる。 There are the following methods for attaching the surface adhering substance. For example, the surface active substance is impregnated and added to the positive electrode active material by adding the positive electrode active material to a liquid in which the surface adhesive substance is dissolved or suspended in a solvent. Thereafter, the positive electrode active material impregnated with the surface adhering substance is dried. In addition, the positive electrode active material is added to a liquid obtained by dissolving or suspending the precursor of the surface adhesion material in a solvent, so that the precursor of the surface adhesion material is impregnated and added to the positive electrode active material. Thereafter, the positive electrode active material impregnated with the precursor of the surface adhering material is heated. Further, a liquid obtained by dissolving or suspending the precursor of the surface adhesion substance and the precursor of the positive electrode active material in a solvent is baked. By these methods, the surface adhering substance can be attached to the surface of the positive electrode active material.
表面付着物質の量については、正極活物質の重量に対し次の範囲とすることが好ましい。範囲の下限は、好ましくは0.1ppm以上、より好ましくは1ppm以上、さらに好ましくは10ppm以上である。上限は、好ましくは20%以下、より好ましくは10%以下、さらに好ましくは5%以下である。 The amount of the surface adhering substance is preferably in the following range with respect to the weight of the positive electrode active material. The lower limit of the range is preferably 0.1 ppm or more, more preferably 1 ppm or more, and even more preferably 10 ppm or more. The upper limit is preferably 20% or less, more preferably 10% or less, and still more preferably 5% or less.
表面付着物質により、正極活物質の表面での非水系電解液の酸化反応を抑制することができ、電池寿命を向上させることができる。但し、その付着量が、少なすぎる場合には、上記効果が充分に発現せず、多すぎる場合には、リチウムイオンの出入りを阻害するため抵抗が増加する場合がある。よって、上記の範囲とすることが好ましい。 The surface adhering substance can suppress the oxidation reaction of the non-aqueous electrolyte solution on the surface of the positive electrode active material, and can improve the battery life. However, when the adhesion amount is too small, the above effect is not sufficiently exhibited. When the adhesion amount is too large, the resistance may increase in order to inhibit the entry and exit of lithium ions. Therefore, the above range is preferable.
オリビン型燐酸鉄リチウム(LFP)の正極活物質の粒子としては、塊状、多面体状、球状、楕円球状、板状、針状、柱状等のものが用いられる。中でも、一次粒子が凝集して、二次粒子を形成して成り、その二次粒子の形状が球状ないし楕円球状であるものが好ましい。 As the positive electrode active material particles of olivine type lithium iron phosphate (LFP), those in the form of a lump, polyhedron, sphere, ellipsoid, plate, needle, column or the like are used. Among them, it is preferable that the primary particles are aggregated to form secondary particles, and the shape of the secondary particles is spherical or elliptical.
電池のような電気化学素子においては、その充放電に伴い、電極中の活物質が膨張収縮をするため、そのストレスによる活物質の破壊や導電パスの切断等の劣化が生じやすい。そのため一次粒子のみの単一粒子を用いるよりも、一次粒子が凝集して、二次粒子を形成したものを用いる方が、膨張収縮のストレスを緩和し、上記劣化を防ぐことができるため好ましい。また、板状等の軸配向性の粒子よりも球状ないし楕円球状の粒子を用いる方が、電極内における配向が少なくなるため、充放電時の電極の膨張収縮が小さくなり好ましい。また、電極の形成時において、導電助剤等の他の材料とも均一に混合されやすいため好ましい。 In an electrochemical element such as a battery, the active material in the electrode expands and contracts as it is charged / discharged, so that the active material is easily damaged by the stress or the conductive path is broken. For this reason, it is preferable to use particles in which primary particles are aggregated to form secondary particles, rather than using single particles of only primary particles, because the stress of expansion and contraction can be relieved and the above deterioration can be prevented. In addition, it is preferable to use spherical or oval spherical particles rather than plate-like particles having axial orientation, since the orientation in the electrode is reduced, so that the expansion and contraction of the electrode during charge / discharge is reduced. Further, it is preferable because other materials such as a conductive additive are easily mixed uniformly at the time of forming the electrode.
オリビン型燐酸鉄リチウム(LFP)の正極活物質の粒子のメジアン径d50(一次粒子が凝集して二次粒子を形成している場合には二次粒子のメジアン径d50)について、その範囲は次のとおりである。範囲の下限は、0.1μm以上、好ましくは0.2μm以上、より好ましくは0.5μm以上であり、上限は、10μm以下、好ましくは8μm以下、より好ましくは6μm以下、さらに好ましくは4μm以下である。上記下限未満では、タップ密度(充填性)が低下し、所望のタップ密度が得られなくなる恐れがある。また、活物質の比表面積が増大するためスラリーの作製時に多量の溶剤が必要になり、さらに導電剤との間で二次凝集を起こすなどスラリーの作製が困難になる。このため、電極の形成時において、結着材や導電助剤等の他の材料との混合性が低下する恐れがある。よって、この混合物をスラリー化し塗布する際に、均一に塗布できず、スジを引く等の問題を生ずる場合がある。一方、上記上限を超えると粒子内のリチウムイオンの拡散に時間がかかるため、電池性能の低下を招く恐れがある。 The range of the median diameter d50 of the particles of the positive electrode active material of olivine type lithium iron phosphate (LFP) (the median diameter d50 of the secondary particles when the primary particles are aggregated to form secondary particles) is as follows. It is as follows. The lower limit of the range is 0.1 μm or more, preferably 0.2 μm or more, more preferably 0.5 μm or more, and the upper limit is 10 μm or less, preferably 8 μm or less, more preferably 6 μm or less, and even more preferably 4 μm or less. is there. If it is less than the said lower limit, tap density (fillability) falls and there exists a possibility that a desired tap density may not be obtained. In addition, since the specific surface area of the active material increases, a large amount of solvent is required during the production of the slurry, and further, the production of the slurry becomes difficult due to secondary aggregation with the conductive agent. For this reason, at the time of formation of an electrode, there exists a possibility that mixing property with other materials, such as a binder and a conductive support agent, may fall. Therefore, when this mixture is slurried and applied, it may not be applied uniformly, which may cause problems such as streaking. On the other hand, when the above upper limit is exceeded, it takes time to diffuse lithium ions in the particles, which may lead to a decrease in battery performance.
なお、メジアン径d50は、レーザー回折・散乱法により求めた粒度分布から求めることができる。 The median diameter d50 can be obtained from the particle size distribution obtained by the laser diffraction / scattering method.
一次粒子が凝集して二次粒子を形成している場合における一次粒子の平均粒径について、その範囲は次のとおりである。範囲の下限は、0.01μm以上、好ましくは0.05μm以上、さらに好ましくは0.08μm以上、特に好ましくは0.1μm以上であり、上限は、1μm以下、好ましくは0.5μm以下、さらに好ましくは0.3μm以下、特に好ましくは0.2μm以下である。 The range of the average particle size of the primary particles in the case where the primary particles are aggregated to form secondary particles is as follows. The lower limit of the range is 0.01 μm or more, preferably 0.05 μm or more, more preferably 0.08 μm or more, particularly preferably 0.1 μm or more, and the upper limit is 1 μm or less, preferably 0.5 μm or less, more preferably Is 0.3 μm or less, particularly preferably 0.2 μm or less.
上記上限を超えると形成する二次粒子が大きくなる。このため、活物質の比表面積が低下し、電池の電解液との反応性が低下するため、リチウムイオン二次電池用正極活物質として充放電特性が低下、特に電池容量が低下する。 When the above upper limit is exceeded, the secondary particles to be formed become large. For this reason, since the specific surface area of an active material falls and the reactivity with the electrolyte solution of a battery falls, a charge / discharge characteristic as a positive electrode active material for lithium ion secondary batteries falls, especially battery capacity falls.
一方、上記下限未満ではリン酸鉄リチウム粒子の十分な結晶性が得られず、いずれの場合も、正極活物質として優れた特性が得られない。 On the other hand, if it is less than the above lower limit, sufficient crystallinity of the lithium iron phosphate particles cannot be obtained, and in any case, excellent characteristics as a positive electrode active material cannot be obtained.
オリビン型燐酸鉄リチウム(LFP)の正極活物質の粒子のBET比表面積について、その範囲は次のとおりである。範囲の下限は、0.2m2/g以上、好ましくは0.3m2/g以上、さらに好ましくは0.4m2/g以上であり、上限は、25m2/g以下、好ましくは20m2/g以下、さらに好ましくは17m2/g以下である。上記下限未満では、電池性能が低下する恐れがある。上記上限を超えるとタップ密度が上がりにくくなり、結着材や導電助剤等の他の材料との混合性が低下する恐れがある。よって、この混合物をスラリー化し塗布する際の塗布性が劣化する恐れがある。BET比表面積は、BET法により求められた比表面積(単位gあたりの面積)である。 Regarding the BET specific surface area of the positive electrode active material particles of olivine-type lithium iron phosphate (LFP), the ranges are as follows. Lower limit of the range is, 0.2 m 2 / g or more, preferably 0.3 m 2 / g or more, still more preferably 0.4 m 2 / g or more, and the upper limit is, 25 m 2 / g or less, preferably 20 m 2 / g or less, more preferably 17 m 2 / g or less. If it is less than the said minimum, there exists a possibility that battery performance may fall. When the above upper limit is exceeded, the tap density is difficult to increase, and the miscibility with other materials such as a binder and a conductive additive may decrease. Therefore, there is a possibility that applicability at the time of slurrying and applying this mixture is deteriorated. The BET specific surface area is a specific surface area (area per unit g) determined by the BET method.
正極用の導電助剤としては、例えば、銅、ニッケル等の金属材料;天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛(グラファイト);アセチレンブラック等のカーボンブラック;ニードルコークス等の無定形炭素等の炭素質材料等が挙げられる。なお、これらのうち、1種を単独で用いてもよく、2種以上のものを組み合わせて用いてもよい。 Examples of conductive assistants for the positive electrode include metal materials such as copper and nickel; graphite such as natural graphite and artificial graphite; graphite black such as acetylene black; and carbonaceous materials such as amorphous carbon such as needle coke. Etc. Of these, one type may be used alone, or two or more types may be used in combination.
導電助剤の含有量(添加量、割合、量)について、正極合剤の重量に対する導電助剤の含有量の範囲は次のとおりである。範囲の下限は、0.01質量%以上、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは1質量%以上であり、上限は、50質量%以下、好ましくは30質量%以下、より好ましくは15質量%以下である。上記下限未満では、導電性が不充分となる恐れがある。また、上記上限を超えると、電池容量が低下する恐れがある。 About content (addition amount, a ratio, quantity) of a conductive support agent, the range of content of the conductive support agent with respect to the weight of a positive electrode mixture is as follows. The lower limit of the range is 0.01% by mass or more, preferably 0.1% by mass or more, more preferably 1% by mass or more, and the upper limit is 50% by mass or less, preferably 30% by mass or less, more preferably 15%. It is below mass%. If it is less than the above lower limit, the conductivity may be insufficient. Moreover, when the said upper limit is exceeded, there exists a possibility that battery capacity may fall.
正極活物質の結着材としては、特に限定されず、塗布法により正極活物質層を形成する場合には、分散溶媒に対する溶解性や分散性が良好な材料が選択される。具体例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、ポリイミド、芳香族ポリアミド、セルロース、ニトロセルロース等の樹脂系高分子;SBR(スチレン−ブタジエンゴム)、NBR(アクリロニトリル−ブタジエンゴム)、フッ素ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン−プロピレンゴム等のゴム状高分子;スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体またはその水素添加物、EPDM(エチレン・プロピレン・ジエン三元共重合体)、スチレン・エチレン・ブタジエン・エチレン共重合体、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体またはその水素添加物等の熱可塑性エラストマー状高分子;シンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン、ポリ酢酸ビニル、エチレン・酢酸ビニル共重合体、プロピレン・α−オレフィン共重合体等の軟質樹脂状高分子;ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン・エチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン・フッ化ビニリデン共重合体等のフッ素系高分子;アルカリ金属イオン(特にリチウムイオン)のイオン伝導性を有する高分子組成物等が挙げられる。なお、これらのうち、1種を単独で用いてもよく、2種以上のものを組み合わせて用いてもよい。正極の安定性の観点から、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)やポリテトラフルオロエチレン・フッ化ビニリデン共重合体等のフッ素系高分子を用いることが好ましい。 The binder for the positive electrode active material is not particularly limited, and when the positive electrode active material layer is formed by a coating method, a material having good solubility and dispersibility in the dispersion solvent is selected. Specific examples include resin polymers such as polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polymethyl methacrylate, polyimide, aromatic polyamide, cellulose, and nitrocellulose; SBR (styrene-butadiene rubber), NBR (acrylonitrile-butadiene rubber), fluorine Rubbery polymers such as rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene-propylene rubber; styrene / butadiene / styrene block copolymer or hydrogenated product thereof, EPDM (ethylene / propylene / diene terpolymer), styrene / Thermoplastic elastomeric polymers such as ethylene / butadiene / ethylene copolymers, styrene / isoprene / styrene block copolymers or hydrogenated products thereof; syndiotactic-1,2-polybutadiene, polyacetic acid Soft resinous polymers such as Nyl, ethylene / vinyl acetate copolymer, propylene / α-olefin copolymer; polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene, fluorinated polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene / ethylene Fluoropolymers such as copolymers and polytetrafluoroethylene / vinylidene fluoride copolymers; polymer compositions having ion conductivity of alkali metal ions (particularly lithium ions), and the like. Of these, one type may be used alone, or two or more types may be used in combination. From the viewpoint of the stability of the positive electrode, it is preferable to use a fluorine-based polymer such as polyvinylidene fluoride (PVdF) or a polytetrafluoroethylene / vinylidene fluoride copolymer.
結着材の含有量(添加量、割合、量)について、正極合剤の重量に対する結着材の含有量の範囲は次のとおりである。範囲の下限は、0.1質量%以上、好ましくは1質量%以上、さらに好ましくは3質量%以上であり、上限は、80質量%以下、好ましくは60質量%以下、さらに好ましくは40質量%以下、特に好ましくは10質量%以下である。結着材の含有量が低すぎると、正極活物質を充分に結着できず、正極の機械的強度が不足し、サイクル特性等の電池性能を劣化させてしまう恐れがある。逆に、高すぎると、電池容量や導電性が低下する恐れがある。 Regarding the content (addition amount, ratio, amount) of the binder, the range of the content of the binder with respect to the weight of the positive electrode mixture is as follows. The lower limit of the range is 0.1% by mass or more, preferably 1% by mass or more, more preferably 3% by mass or more, and the upper limit is 80% by mass or less, preferably 60% by mass or less, more preferably 40% by mass. Hereinafter, it is particularly preferably 10% by mass or less. If the content of the binder is too low, the positive electrode active material cannot be sufficiently bound, the positive electrode has insufficient mechanical strength, and battery performance such as cycle characteristics may be deteriorated. On the other hand, if it is too high, battery capacity and conductivity may be reduced.
上記湿式法や乾式法を用いて集電体上に形成された層は、正極活物質の充填密度を向上させるため、ハンドプレスやローラープレス等により圧密化することが好ましい。 In order to improve the packing density of the positive electrode active material, the layer formed on the current collector using the wet method or the dry method is preferably consolidated by a hand press, a roller press, or the like.
正極用の集電体の材質としては特に制限はなく、具体例としては、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルメッキ、チタン、タンタル等の金属材料; カーボンクロス、カーボンペーパー等の炭素質材料が挙げられる。中でも金属材料、特にアルミニウムが好ましい。 The material of the current collector for the positive electrode is not particularly limited, and specific examples include metal materials such as aluminum, stainless steel, nickel plating, titanium, and tantalum; and carbonaceous materials such as carbon cloth and carbon paper. Of these, metal materials, particularly aluminum, are preferred.
集電体の形状としては特に制限はなく、種々の形状に加工された材料を用いることができる。具体例としては、金属材料については、金属箔、金属円柱、金属コイル、金属板、金属薄膜、エキスパンドメタル、パンチメタル、発泡メタル等が挙げられ、炭素質材料については、炭素板、炭素薄膜、炭素円柱等が挙げられる。中でも、金属薄膜を用いることが好ましい。なお、薄膜は適宜メッシュ状に形成してもよい。薄膜の厚さは任意であるが、その範囲は次のとおりである。範囲の下限は、1μm以上、好ましくは3μm以上、より好ましくは5μm以上であり、上限は、1mm以下、好ましくは100μm以下、より好ましくは50μm以下である。上記下限未満では、集電体として必要な強度が不足する場合がある。また、上記上限を超えると可撓性が低下し、加工性が劣化する恐れがある。 There is no restriction | limiting in particular as a shape of an electrical power collector, The material processed into various shapes can be used. Specific examples of the metal material include a metal foil, a metal cylinder, a metal coil, a metal plate, a metal thin film, an expanded metal, a punch metal, and a foam metal, and the carbonaceous material includes a carbon plate, a carbon thin film, A carbon cylinder etc. are mentioned. Among these, it is preferable to use a metal thin film. In addition, you may form a thin film suitably in mesh shape. The thickness of the thin film is arbitrary, but the range is as follows. The lower limit of the range is 1 μm or more, preferably 3 μm or more, more preferably 5 μm or more, and the upper limit is 1 mm or less, preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less. If it is less than the said minimum, intensity | strength required as a collector may be insufficient. Moreover, when the said upper limit is exceeded, flexibility will fall and workability may deteriorate.
2.負極
本実施の形態においては、高容量で高入出力のリチウムイオン電池に適用可能な以下に示す負極を有する。本実施の形態の負極(負極板)は、集電体及びその両面に負極合剤を塗布して形成された負極活物質層よりなる。負極活物質層は、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵・放出可能な負極活物質を含有する。
2. Negative electrode In this embodiment, the negative electrode shown below is applicable to a high-capacity, high-input / output lithium-ion battery. The negative electrode (negative electrode plate) of the present embodiment includes a current collector and a negative electrode active material layer formed by applying a negative electrode mixture on both surfaces thereof. The negative electrode active material layer contains a negative electrode active material capable of electrochemically inserting and extracting lithium ions.
負極活物質としては、炭素質材料、酸化錫や酸化ケイ素等の金属酸化物、金属複合酸化物、リチウム単体やリチウムアルミニウム合金等のリチウム合金、SnやSi等のリチウムと合金形成可能な金属等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上のものを組み合わせて用いてもよい。中でも、炭素質材料またはリチウム複合酸化物が安全性の観点から好ましい。 Examples of the negative electrode active material include carbonaceous materials, metal oxides such as tin oxide and silicon oxide, metal composite oxides, lithium alloys such as lithium alone and lithium aluminum alloys, metals that can form alloys with lithium such as Sn and Si, and the like Is mentioned. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, a carbonaceous material or a lithium composite oxide is preferable from the viewpoint of safety.
金属複合酸化物としては、リチウムを吸蔵、放出可能なものであれば特に制限はないが、Ti(チタン)、Li(リチウム)またはTi及びLiの双方を含有するものが、高電流密度充放電特性の観点で好ましい。 The metal composite oxide is not particularly limited as long as it can occlude and release lithium, but Ti (titanium), Li (lithium), or those containing both Ti and Li have high current density charge / discharge. It is preferable from the viewpoint of characteristics.
炭素質材料としては、非晶質炭素、天然黒鉛、天然黒鉛に乾式のCVD(Chemical Vapor Deposition)法や湿式のスプレイ法で形成される被膜を形成した複合炭素質材料、エポキシやフェノール等の樹脂原料もしくは石油や石炭から得られるピッチ系材料を原料として焼成して得られる人造黒鉛、非晶質炭素材料などの炭素質材料を用いることができる。 Carbonaceous materials include amorphous carbon, natural graphite, composite carbonaceous materials in which a film formed by dry CVD (Chemical Vapor Deposition) method or wet spray method is formed on natural graphite, resins such as epoxy and phenol Carbonaceous materials such as artificial graphite and amorphous carbon material obtained by firing using raw materials or pitch materials obtained from petroleum or coal as raw materials can be used.
また、リチウムと化合物を形成することでリチウムを吸蔵放出できるリチウム金属、リチウムと化合物を形成し、結晶間隙に挿入されることでリチウムを吸蔵放出できる珪素、ゲルマニウム、錫など第四族元素の酸化物もしくは窒化物を用いてもよい。
In addition, lithium metal that can occlude and release lithium by forming a compound with lithium, and oxidation of
特に、炭素質材料は、導電性が高く、低温特性、サイクル安定性の面から優れた材料である。炭素質材料の中では、炭素網面層間(d002)の広い材料が、急速充放電や低温特性に優れ、好適である。しかしながら、炭素網面層間(d002)が広い材料は、充電の初期において容量や充放電効率が低いことがあるので、炭素網面層間(d002)が0.39nm以下の材料を選択することが好ましい。このような炭素質材料を、擬似異方性炭素と称する場合がある。 In particular, the carbonaceous material is a material having high conductivity, and excellent in terms of low temperature characteristics and cycle stability. Among the carbonaceous materials, a material having a wide carbon network surface layer (d002) is excellent in rapid charge / discharge and low-temperature characteristics, and is preferable. However, since a material having a wide carbon network surface layer (d002) may have a low capacity and charge / discharge efficiency at the initial stage of charging, it is preferable to select a material having a carbon network surface layer (d002) of 0.39 nm or less. . Such a carbonaceous material is sometimes referred to as pseudo-anisotropic carbon.
さらに、負極活物質として、黒鉛質、非晶質、活性炭などの導電性の高い炭素質材料を混合して用いてもよい。上記黒鉛質の材料として、以下(1)〜(3)に示す特徴を有する材料を用いても良い。 Further, as the negative electrode active material, a carbonaceous material having high conductivity such as graphite, amorphous, activated carbon or the like may be mixed and used. As the graphite material, materials having the characteristics shown in (1) to (3) below may be used.
(1)ラマン分光スペクトルで測定される1300〜1400cm−1の範囲にあるピーク強度(ID)とラマン分光スペクトルで測定される1580〜1620cm−1の範囲にあるピーク強度(IG)との強度比であるR値(ID/IG)が、0.2以上0.4以下である。 (1) the intensity ratio of the peak intensity in the range of 1300~1400Cm -1 as measured by Raman spectroscopy (ID) and the peak intensity in the range of 1580~1620Cm -1 as measured by Raman spectroscopy spectra (IG) The R value (ID / IG) is 0.2 or more and 0.4 or less.
(2)ラマン分光スペクトルで測定される1300〜1400cm−1の範囲にあるピークの半値幅Δ値が、40cm−1以上100cm−1以下である。 (2) half-value width Δ value of the peak in the range of 1300~1400Cm -1 as measured by Raman spectroscopy spectra is 40 cm -1 or more 100 cm -1 or less.
(3)X線回折における(110)面のピーク強度(I(110))と(004)面のピーク強度(I(004))との強度比X値(I(110)/I(004))が0.1以上0.45以下である。 (3) Intensity ratio X value (I (110) / I (004)) between the peak intensity (I (110)) on the (110) plane and the peak intensity (I (004)) on the (004) plane in X-ray diffraction ) Is 0.1 or more and 0.45 or less.
このような条件の黒鉛質を負極活物質として用いることにより電池性能を向上させることができる。 Battery performance can be improved by using the graphite under such conditions as the negative electrode active material.
負極活物質層は、集電体上に形成される。その形成方法に制限はないが正極活物質層と同様に乾式法や湿式法を用いて形成される。上記負極活物質は粉状(粒状)で用いられる。 The negative electrode active material layer is formed on the current collector. Although there is no restriction | limiting in the formation method, it forms using a dry method and a wet method similarly to a positive electrode active material layer. The negative electrode active material is used in the form of powder (granular).
炭素質材料の粒子のメジアン径d50について、その範囲は次のとおりである。範囲の下限は、1μm以上、好ましくは3μm以上、より好ましくは5μm以上、さらに好ましくは7μm以上であり、上限は、100μm以下、好ましくは50μm以下、より好ましくは40μm以下、さらに好ましくは30μm以下、特に好ましくは25μm以下である。上記下限未満では、不可逆容量が増大して、初期の電池容量の損失を招く恐れがある。また、上記上限を超えると電極の形成時に負極合剤の塗布面が不均一となり、電極形成に支障をきたす恐れがある。 The range of the median diameter d50 of the carbonaceous material particles is as follows. The lower limit of the range is 1 μm or more, preferably 3 μm or more, more preferably 5 μm or more, further preferably 7 μm or more, and the upper limit is 100 μm or less, preferably 50 μm or less, more preferably 40 μm or less, more preferably 30 μm or less, Particularly preferably, it is 25 μm or less. If it is less than the lower limit, the irreversible capacity increases, which may cause a loss of initial battery capacity. On the other hand, when the above upper limit is exceeded, the application surface of the negative electrode mixture becomes non-uniform during the formation of the electrode, which may hinder the electrode formation.
炭素質材料の粒子のBET比表面積について、その範囲は次のとおりである。範囲の下限は、0.1m2/g以上、好ましくは0.7m2/g以上、より好ましくは1.0m2/g以上、さらに好ましくは1.5m2/g以上である。上限は、100m2/g以下、好ましくは25m2/g以下、より好ましくは15m2/g以下、さらに好ましくは10m2/g以下である。上記下限未満では、充電時に負極におけるリチウムイオンの吸蔵性が低下しやすく、負極表面にリチウムが析出する恐れがある。また、上記上限を超えると非水系電解液との反応性が増加し、負極近傍での発生ガスが増加する恐れがある。 The range of the BET specific surface area of the carbonaceous material particles is as follows. The lower limit of the range is 0.1 m 2 / g or more, preferably 0.7 m 2 / g or more, more preferably 1.0 m 2 / g or more, and further preferably 1.5 m 2 / g or more. The upper limit is 100 m 2 / g or less, preferably 25 m 2 / g or less, more preferably 15 m 2 / g or less, and still more preferably 10 m 2 / g or less. If it is less than the said minimum, the occlusion of the lithium ion in a negative electrode will fall easily at the time of charge, and there exists a possibility that lithium may precipitate on the negative electrode surface. Moreover, when the said upper limit is exceeded, the reactivity with a non-aqueous electrolyte solution will increase and there exists a possibility that the generated gas in the negative electrode vicinity may increase.
炭素質材料の粒子の細孔径分布(細孔の大きさとその体積の関係)は、水銀ポロシメトリー(水銀圧入法)により求められる。この細孔径分布から細孔容積を求めることができる。炭素質材料の粒子について、細孔容積の範囲は次のとおりである。 The pore size distribution (relationship between pore size and volume) of the carbonaceous material particles is obtained by mercury porosimetry (mercury intrusion method). The pore volume can be determined from this pore size distribution. For carbonaceous material particles, the pore volume ranges are as follows.
炭素質材料の粒子の細孔容積V(0.01−1)(その直径が0.01μm以上、1μm以下に相当する、粒子内の空隙、粒子表面の凹凸による窪み、粒子間の接触面間の空隙等の総量)について、その範囲は次のとおりである。細孔容積V(0.01−1)の下限は、0.01mL/g以上、好ましくは0.05mL/g以上、より好ましくは0.1mL/g以上であり、上限は、0.6mL/g以下、好ましくは0.4mL/g以下、より好ましくは0.3mL/g以下である。 Pore volume V of particles of carbonaceous material (0.01-1) (the diameter of which corresponds to 0.01 μm or more and 1 μm or less, voids in the particles, depressions due to irregularities on the particle surface, between the contact surfaces between the particles The total range of voids, etc.) is as follows. The lower limit of the pore volume V (0.01-1) is 0.01 mL / g or more, preferably 0.05 mL / g or more, more preferably 0.1 mL / g or more, and the upper limit is 0.6 mL / g. g or less, preferably 0.4 mL / g or less, more preferably 0.3 mL / g or less.
上記上限を超えると、電極の形成時に必要となる結着材が増加する恐れがある。上記下限未満では、高電流密度充放電特性が低下し、さらに、充放電時の電極の膨張収縮の緩和効果が低下する恐れがある。 When the above upper limit is exceeded, there is a possibility that the binder necessary for forming the electrode increases. If it is less than the said lower limit, a high current density charge / discharge characteristic may fall, and also the relaxation effect of the expansion / contraction of the electrode at the time of charge / discharge may fall.
また、炭素質材料の粒子の細孔容積V(0.01−100)(その直径が0.01μm以上、100μm以下に相当する、粒子内の空隙、粒子表面の凹凸による窪み、粒子間の接触面間の空隙等の総量)について、その範囲は次のとおりである。細孔容積V(0.01−100)の下限は、好ましくは0.1mL/g以上、より好ましくは0.25mL/g以上、さらに好ましくは0.4mL/g以上であり、上限は、10mL/g以下、好ましくは5mL/g以下、より好ましくは2mL/g以下である。上記上限を超えると、電極の形成時に必要となる結着材が増加する恐れがある。また、上記下限未満では、電極の形成時に結着材や増粘材への分散性が低下する恐れがある。 Also, pore volume V (0.01-100) of particles of carbonaceous material (the diameter of which corresponds to 0.01 μm or more and 100 μm or less, voids in the particles, depressions due to irregularities on the particle surface, contact between particles) The range of the total amount of voids between the surfaces is as follows. The lower limit of the pore volume V (0.01-100) is preferably 0.1 mL / g or more, more preferably 0.25 mL / g or more, still more preferably 0.4 mL / g or more, and the upper limit is 10 mL. / G or less, preferably 5 mL / g or less, more preferably 2 mL / g or less. When the above upper limit is exceeded, there is a possibility that the binder necessary for forming the electrode increases. Moreover, if it is less than the said minimum, there exists a possibility that the dispersibility to a binder or a thickener may fall at the time of electrode formation.
また、炭素質材料の粒子の平均細孔径について、その範囲は次のとおりである。平均細孔径の下限は、好ましくは0.05μm以上、より好ましくは0.1μm以上、さらに好ましくは0.5μm以上であり、上限は、50μm以下、好ましくは20μm以下、より好ましくは10μm以下である。上記上限を超えると、電極の形成時に必要となる結着材が増加する恐れがある。また、上記下限未満では、高電流密度充放電特性が低下する恐れがある。 The range of the average pore diameter of the carbonaceous material particles is as follows. The lower limit of the average pore diameter is preferably 0.05 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, further preferably 0.5 μm or more, and the upper limit is 50 μm or less, preferably 20 μm or less, more preferably 10 μm or less. . When the above upper limit is exceeded, there is a possibility that the binder necessary for forming the electrode increases. Moreover, if it is less than the said minimum, there exists a possibility that a high current density charge / discharge characteristic may fall.
炭素質材料の粒子のタップ密度について、その範囲は次のとおりである。タップ密度の下限は、0.1g/cm3以上であり、好ましくは0.5g/cm3以上、さらに好ましくは0.7g/cm3以上、特に好ましくは1g/cm3以上である。上限は、好ましくは2g/cm3以下、さらに好ましくは、1.8g/cm3以下、特に好ましくは1.6g/cm3以下である。上記下限未満では、負極活物質層中の負極活物質の充填密度が低下し、所定の電池容量を確保できない恐れがある。また、上記上限を超えると、負極活物質層中の負極活物質間の空隙が少なくなり、粒子間の導電性が確保され難くなる場合がある。 The ranges of the tap density of the carbonaceous material particles are as follows. The lower limit of the tap density is 0.1 g / cm 3 or more, preferably 0.5 g / cm 3 or more, more preferably 0.7 g / cm 3 or more, and particularly preferably 1 g / cm 3 or more. The upper limit is preferably 2 g / cm 3 or less, more preferably 1.8 g / cm 3 or less, and particularly preferably 1.6 g / cm 3 or less. If it is less than the said minimum, the packing density of the negative electrode active material in a negative electrode active material layer falls, and there exists a possibility that a predetermined battery capacity cannot be ensured. On the other hand, when the above upper limit is exceeded, voids between the negative electrode active materials in the negative electrode active material layer are reduced, and it may be difficult to ensure conductivity between particles.
また、負極活物質として用いる第1炭素質材料に、これとは異なる性質の第2炭素質材料を導電材として添加してもよい。上記性質とは、X線回折パラメータ、メジアン径、アスペクト比、BET比表面積、配向比、ラマンR値、タップ密度、真密度、細孔分布、円形度、灰分量の一つ以上の特性を示す。 Moreover, you may add the 2nd carbonaceous material of a property different from this to the 1st carbonaceous material used as a negative electrode active material as a electrically conductive material. The above properties indicate one or more characteristics of X-ray diffraction parameters, median diameter, aspect ratio, BET specific surface area, orientation ratio, Raman R value, tap density, true density, pore distribution, circularity, and ash content. .
好ましい形態としては、第2炭素質材料(導電材)として、体積基準の粒度分布がメジアン径を中心としたときに左右対称とならない炭素質材料を用いる形態がある。また、第2炭素質材料(導電材)として、負極活物質として用いる第1炭素質材料とラマンR値が異なる炭素質材料を用いる形態や、第2炭素質材料(導電材)として、負極活物質として用いる第1炭素質材料とX線パラメータが異なる炭素質材料を用いる形態等がある。 As a preferred form, there is a form using a carbonaceous material that is not symmetrical when the volume-based particle size distribution is centered on the median diameter as the second carbonaceous material (conductive material). Further, as the second carbonaceous material (conductive material), a form using a carbonaceous material having a Raman R value different from that of the first carbonaceous material used as the negative electrode active material, or as the second carbonaceous material (conductive material), There is a form using a carbonaceous material having a different X-ray parameter from the first carbonaceous material used as a substance.
第2炭素質材料(導電材)としては、黒鉛質、非晶質、活性炭などの導電性の高い炭素質材料を用いることができる。具体的には、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛(グラファイト)、アセチレンブラック等のカーボンブラック、ニードルコークス等の無定形炭素等を用いることができる。これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上のものを組み合わせて用いてもよい。このように、第2炭素質材料(導電材)を添加することにより、電極の抵抗を低減するなどの効果を奏する。 As the second carbonaceous material (conductive material), a highly conductive carbonaceous material such as graphite, amorphous, activated carbon or the like can be used. Specifically, graphite (graphite) such as natural graphite and artificial graphite, carbon black such as acetylene black, and amorphous carbon such as needle coke can be used. These may be used alone or in combination of two or more. Thus, by adding the second carbonaceous material (conductive material), there are effects such as reducing the resistance of the electrode.
第2炭素質材料(導電材)の含有量(添加量、割合、量)について、負極合剤の重量に対する導電材の含有量の範囲は次のとおりである。範囲の下限は、1質量%以上、好ましくは2質量%以上、より好ましくは3質量%以上であり、上限は、45質量%以下、好ましくは40質量%以下である。上記下限未満では、導電性の向上効果が得にくく、また、上記上限を超えると、初期不可逆容量の増大を招く恐れがある。 Regarding the content (addition amount, ratio, amount) of the second carbonaceous material (conductive material), the range of the content of the conductive material relative to the weight of the negative electrode mixture is as follows. The lower limit of the range is 1% by mass or more, preferably 2% by mass or more, more preferably 3% by mass or more, and the upper limit is 45% by mass or less, preferably 40% by mass or less. If it is less than the above lower limit, it is difficult to obtain the effect of improving conductivity, and if it exceeds the above upper limit, the initial irreversible capacity may be increased.
負極用の集電体の材質としては特に制限はなく、具体例としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等の金属材料が挙げられる。中でも、加工のし易さとコストの観点から銅が好ましい。 There is no restriction | limiting in particular as a material of the electrical power collector for negative electrodes, As a specific example, metal materials, such as copper, nickel, stainless steel, nickel plating steel, are mentioned. Among these, copper is preferable from the viewpoint of ease of processing and cost.
集電体の形状としては特に制限はなく、種々の形状に加工された材料を用いることができる。具体例としては、金属箔、金属円柱、金属コイル、金属板、金属薄膜、エキスパンドメタル、パンチメタル、発泡メタル等が挙げられる。中でも、金属薄膜が好ましく、銅箔がより好ましい。銅箔には、圧延法により形成された圧延銅箔と、電解法により形成された電解銅箔とがあり、どちらも集電体として用いて好適である。 There is no restriction | limiting in particular as a shape of an electrical power collector, The material processed into various shapes can be used. Specific examples include metal foil, metal cylinder, metal coil, metal plate, metal thin film, expanded metal, punch metal, and foam metal. Among these, a metal thin film is preferable, and a copper foil is more preferable. The copper foil includes a rolled copper foil formed by a rolling method and an electrolytic copper foil formed by an electrolytic method, both of which are suitable for use as a current collector.
集電体の厚さに制限はないが、厚さが25μm未満の場合、純銅よりも強銅合金(リン青銅、チタン銅、コルソン合金、Cu−Cr−Zr合金等)を用いることでその強度を向上させることができる。 The thickness of the current collector is not limited, but when the thickness is less than 25 μm, its strength can be increased by using a strong copper alloy (phosphor bronze, titanium copper, Corson alloy, Cu—Cr—Zr alloy, etc.) rather than pure copper. Can be improved.
負極活物質を用いて形成した負極活物質層の構成に特に制限はないが、負極活物質層の密度の範囲は次のとおりである。負極活物質層の密度の下限は、好ましくは0.7g/cm3以上、より好ましくは0.8g/cm3、さらに好ましくは0.9g/cm3以上であり、上限は、2g/cm3以下、好ましくは1.9g/cm3以下、より好ましくは1.8g/cm3以下、さらに好ましくは1.7g/cm3以下である。 Although there is no restriction | limiting in particular in the structure of the negative electrode active material layer formed using the negative electrode active material, The range of the density of a negative electrode active material layer is as follows. The lower limit of the density of the negative electrode active material layer is preferably 0.7 g / cm 3 or more, more preferably 0.8 g / cm 3 , still more preferably 0.9 g / cm 3 or more, and the upper limit is 2 g / cm 3. Hereinafter, it is preferably 1.9 g / cm 3 or less, more preferably 1.8 g / cm 3 or less, and even more preferably 1.7 g / cm 3 or less.
上記上限を超えると、負極活物質の粒子が破壊されやすくなり、初期の不可逆容量の増加や、集電体と負極活物質との界面付近への非水系電解液の浸透性の低下による高電流密度充放電特性の劣化を招く恐れがある。また、上記下限未満では、負極活物質間の導電性が低下するため電池抵抗が増大し、単位容積あたりの容量が低下する恐れがある。 When the above upper limit is exceeded, particles of the negative electrode active material are likely to be destroyed, and a high current is generated due to an increase in the initial irreversible capacity and a decrease in the permeability of the non-aqueous electrolyte solution near the interface between the current collector and the negative electrode active material. The density charge / discharge characteristics may be deteriorated. In addition, if it is less than the above lower limit, the conductivity between the negative electrode active materials is lowered, so that the battery resistance is increased and the capacity per unit volume may be lowered.
負極活物質の結着材としては、非水系電解液や電極の形成時に用いる分散溶媒に対して安定な材料であれば、特に制限はない。具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、芳香族ポリアミド、セルロース、ニトロセルロース等の樹脂系高分子;SBR(スチレン−ブタジエンゴム)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、フッ素ゴム、NBR(アクリロニトリル− ブタジエンゴム)、エチレン−プロピレンゴム等のゴム状高分子;スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体またはその水素添加物;EPDM(エチレン・プロピレン・ジエン三元共重合体)、スチレン・エチレン・ブタジエン・スチレン共重合体、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体またはその水素添加物等の熱可塑性エラストマー状高分子; シンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン、ポリ酢酸ビニル、エチレン・酢酸ビニル共重合体、プロピレン・α−オレフィン共重合体等の軟質樹脂状高分子;ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン・エチレン共重合体等のフッ素系高分子;アルカリ金属イオン(特にリチウムイオン)のイオン伝導性を有する高分子組成物等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 The binder for the negative electrode active material is not particularly limited as long as it is a material that is stable to the non-aqueous electrolyte and the dispersion solvent used when forming the electrode. Specifically, resin-based polymers such as polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polymethyl methacrylate, aromatic polyamide, cellulose, nitrocellulose; SBR (styrene-butadiene rubber), isoprene rubber, butadiene rubber, fluorine rubber, NBR ( Acrylonitrile-butadiene rubber), rubber-like polymers such as ethylene-propylene rubber; styrene / butadiene / styrene block copolymer or hydrogenated product thereof; EPDM (ethylene / propylene / diene terpolymer), styrene / ethylene / Thermoplastic elastomeric polymer such as butadiene / styrene copolymer, styrene / isoprene / styrene block copolymer or hydrogenated product thereof; syndiotactic-1,2-polybutadiene, polyvinyl acetate, ethylene -Soft resinous polymers such as vinyl acetate copolymer, propylene / α-olefin copolymer; Fluorine such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, fluorinated polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene / ethylene copolymer Polymer polymers; polymer compositions having alkali metal ion (especially lithium ion) ion conductivity, and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
スラリーを形成するための分散溶媒としては、負極活物質、結着材、及び必要に応じて用いられる導電材や増粘材などを溶解または分散することが可能な溶媒であれば、その種類に制限はなく、水系溶媒と有機系溶媒のどちらを用いてもよい。水系溶媒の例としては、水、アルコールと水との混合溶媒等が挙げられ、有機系溶媒の例としては、N−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン、テトラヒドロフラン(THF)、トルエン、アセトン、ジエチルエーテル、ジメチルアセトアミド、ヘキサメチルホスファルアミド、ジメチルスルホキシド、ベンゼン、キシレン、キノリン、ピリジン、メチルナフタレン、ヘキサン等が挙げられる。特に水系溶媒を用いる場合、増粘材を用いることが好ましい。この増粘材に併せて分散材等を加え、SBR等のラテックスを用いてスラリー化する。なお、上記分散溶媒は、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 As the dispersion solvent for forming the slurry, any solvent can be used as long as it can dissolve or disperse the negative electrode active material, the binder, and the conductive material and the thickener used as necessary. There is no restriction, and either an aqueous solvent or an organic solvent may be used. Examples of the aqueous solvent include water, a mixed solvent of alcohol and water, etc., and examples of the organic solvent include N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, Methyl acrylate, diethyltriamine, N, N-dimethylaminopropylamine, tetrahydrofuran (THF), toluene, acetone, diethyl ether, dimethylacetamide, hexamethylphosphalamide, dimethyl sulfoxide, benzene, xylene, quinoline, pyridine, methylnaphthalene And hexane. In particular, when an aqueous solvent is used, it is preferable to use a thickener. A dispersing agent or the like is added to the thickener, and a slurry such as SBR is made into a slurry. In addition, the said dispersion solvent may be used individually by 1 type, or may be used in combination of 2 or more type.
結着材の含有量(添加量、割合、量)について、負極合剤の重量に対する結着材の含有量の範囲は次のとおりである。範囲の下限は、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは0.5質量%以上、さらに好ましくは0.6質量%以上である。上限は、20質量%以下、好ましくは15質量%以下、より好ましくは10質量%以下、さらに好ましくは8質量%以下である。 Regarding the content (addition amount, ratio, amount) of the binder, the range of the content of the binder with respect to the weight of the negative electrode mixture is as follows. The lower limit of the range is preferably 0.1% by mass or more, more preferably 0.5% by mass or more, and further preferably 0.6% by mass or more. The upper limit is 20% by mass or less, preferably 15% by mass or less, more preferably 10% by mass or less, and still more preferably 8% by mass or less.
上記上限を超えると、電池容量に寄与しない結着材の割合が増加し、電池容量の低下を招く恐れがある。また、上記下限未満では、負極活物質層の強度の低下を招く恐れがある。 When the upper limit is exceeded, the proportion of the binder that does not contribute to the battery capacity increases, which may lead to a decrease in battery capacity. Moreover, if it is less than the said minimum, there exists a possibility of causing the fall of the intensity | strength of a negative electrode active material layer.
特に、結着材として、SBRに代表されるゴム状高分子を主要成分として用いる場合の負極合剤の重量に対する結着材の含有量の範囲は次のとおりである。範囲の下限は、0.1質量%以上、好ましくは0.5質量%以上、より好ましくは0.6質量%以上であり、上限は、5質量%以下、好ましくは3質量%以下、より好ましくは2質量%以下である。 In particular, the range of the binder content with respect to the weight of the negative electrode mixture when a rubbery polymer typified by SBR is used as the main component as the binder is as follows. The lower limit of the range is 0.1% by mass or more, preferably 0.5% by mass or more, more preferably 0.6% by mass or more, and the upper limit is 5% by mass or less, preferably 3% by mass or less, more preferably. Is 2% by mass or less.
また、結着材として、ポリフッ化ビニリデンに代表されるフッ素系高分子を主要成分として用いる場合の負極合剤の重量に対する結着材の含有量の範囲は次のとおりである。範囲の下限は、1質量%以上、好ましくは2質量%以上、より好ましくは3質量%以上であり、上限は、15質量%以下、好ましくは10質量%以下、より好ましくは8質量%以下である。 Further, the range of the binder content relative to the weight of the negative electrode mixture in the case where a fluorine-based polymer typified by polyvinylidene fluoride is used as the main component as the binder is as follows. The lower limit of the range is 1% by mass or more, preferably 2% by mass or more, more preferably 3% by mass or more, and the upper limit is 15% by mass or less, preferably 10% by mass or less, more preferably 8% by mass or less. is there.
増粘材は、スラリーの粘度を調製するために使用される。増粘材としては、特に制限はないが、具体的には、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、酸化スターチ、リン酸化スターチ、カゼイン及びこれらの塩等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 The thickener is used to adjust the viscosity of the slurry. The thickener is not particularly limited, and specific examples include carboxymethyl cellulose, methyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, ethyl cellulose, polyvinyl alcohol, oxidized starch, phosphorylated starch, casein, and salts thereof. These may be used alone or in combination of two or more.
増粘材を用いる場合の負極合剤の重量に対する増粘材の含有量の範囲は次のとおりである。範囲の下限は、0.1質量%以上、好ましくは0.5質量%以上、より好ましくは0.6質量%以上であり、上限は、5質量%以下、好ましくは3質量%以下、より好ましくは2質量%以下である。 The range of the content of the thickener relative to the weight of the negative electrode mixture when the thickener is used is as follows. The lower limit of the range is 0.1% by mass or more, preferably 0.5% by mass or more, more preferably 0.6% by mass or more, and the upper limit is 5% by mass or less, preferably 3% by mass or less, more preferably. Is 2% by mass or less.
上記下限未満では、スラリーの塗布性が低下する恐れがある。また、上記上限を超えると、負極活物質層に占める負極活物質の割合が低下し、電池容量の低下や負極活物質間の抵抗の上昇の恐れがある。 If it is less than the said minimum, there exists a possibility that the applicability | paintability of a slurry may fall. When the above upper limit is exceeded, the ratio of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer decreases, and there is a risk of a decrease in battery capacity and an increase in resistance between the negative electrode active materials.
3.電解液
本実施の形態の電解液は、リチウム塩(電解質)と、これを溶解する非水系溶媒から構成される。必要に応じて、添加材を加えてもよい。
3. Electrolytic Solution The electrolytic solution of the present embodiment is composed of a lithium salt (electrolyte) and a non-aqueous solvent that dissolves the lithium salt. You may add an additive as needed.
リチウム塩としては、リチウムイオン電池用の非水系電解液の電解質として使用可能なリチウム塩であれば特に制限はないが、例えば以下に示す無機リチウム塩、含フッ素有機リチウム塩やオキサラトボレート塩等が挙げられる。 The lithium salt is not particularly limited as long as it is a lithium salt that can be used as an electrolyte of a non-aqueous electrolyte for a lithium ion battery. For example, the following inorganic lithium salts, fluorine-containing organic lithium salts, oxalate borate salts, etc. Is mentioned.
無機リチウム塩としては、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6等の無機フッ化物塩や、LiClO4、LiBrO4、LiIO4等の過ハロゲン酸塩や、LiAlCl4等の無機塩化物塩等が挙げられる。
Examples of the
含フッ素有機リチウム塩としては、リチウムビスフルオロスルホニルイミド:LiFSI、LiCF3SO3等のパーフルオロアルカンスルホン酸塩;LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO9)等のパーフルオロアルカンスルホニルイミド塩;LiC(CF3SO2)3等のパーフルオロアルカンスルホニルメチド塩;Li[PF5(CF2CF2CF3)]、Li[PF4(CF2CF2CF3)2]、Li[PF3(CF2CF2CF3)3]、Li[PF5(CF2CF2CF2CF3)]、Li[PF4(CF2CF2CF2CF3)2]、Li[PF3(CF2CF2CF2CF3)3]等のフルオロアルキルフッ化リン酸塩等が挙げられる。
Examples of the fluorine-containing organic lithium salt include lithium bisfluorosulfonylimide: perfluoroalkane sulfonate such as LiFSI and LiCF 3 SO 3 ; LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 , LiN Perfluoroalkanesulfonylimide salts such as (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 9 ); Perfluoroalkanesulfonylmethide salts such as LiC (CF 3 SO 2 ) 3 ; Li [PF 5 (CF 2 CF 2 CF 3)], Li [PF 4 (
オキサラトボレート塩としては、リチウムビス(オキサラト)ボレート、リチウムジフルオロオキサラトボレート等が挙げられる。 Examples of the oxalatoborate salt include lithium bis (oxalato) borate and lithium difluorooxalatoborate.
これらのリチウム塩は、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。中でも、溶媒に対する溶解性、二次電池とした場合の充放電特性、出力特性、サイクル特性等を総合的に判断すると、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)が好ましい。 These lithium salts may be used alone or in combination of two or more. Among them, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) is preferable when comprehensively judging the solubility in a solvent, charge / discharge characteristics in the case of a secondary battery, output characteristics, cycle characteristics, and the like.
2種以上のリチウム塩を用いる場合の好ましい一例は、LiPF6とLiBF4との併用である。この場合には、両者の合計に占めるLiBF4の割合が、0.01質量%以上、20質量%以下であることが好ましく、0.1質量%以上、5質量%以下であることがより好ましい。また、他の好ましい一例は、無機フッ化物塩とパーフルオロアルカンスルホニルイミド塩との併用であり、この場合には、両者の合計に占める無機フッ化物塩の割合は、70質量%以上、99質量%以下であることが好ましく、80質量%以上、98質量%以下であることがより好ましい。上記2つの好ましい例によれば、温保存による特性劣化を抑制することができる。 A preferable example in the case of using two or more lithium salts is a combination of LiPF 6 and LiBF 4 . In this case, the proportion of LiBF 4 in the total of both is preferably 0.01% by mass or more and 20% by mass or less, and more preferably 0.1% by mass or more and 5% by mass or less. . Another preferred example is the combined use of an inorganic fluoride salt and a perfluoroalkanesulfonylimide salt. In this case, the proportion of the inorganic fluoride salt in the total of both is 70% by mass or more and 99% by mass. % Or less, more preferably 80% by mass or more and 98% by mass or less. According to the above two preferred examples, it is possible to suppress deterioration of characteristics due to warm storage.
非水系電解液中の電解質の濃度に特に制限はないが、電解質の濃度範囲は次のとおりである。濃度の下限は、0.5mol/L以上、好ましくは0.6mol/L以上、より好ましくは0.7mol/L以上である。また、濃度の上限は、2mol/L以下、好ましくは1.8mol/L以下、より好ましくは1.7mol/L以下である。濃度が低すぎると、電解液の電気伝導率が不充分となる恐れがある。また、濃度が高すぎると、粘度が上昇するため電気伝導度が低下する恐れがある。このような電気伝導度の低下により、リチウムイオン電池の性能が低下する恐れがある。 Although there is no restriction | limiting in particular in the density | concentration of the electrolyte in a non-aqueous electrolyte solution, The density | concentration range of an electrolyte is as follows. The lower limit of the concentration is 0.5 mol / L or more, preferably 0.6 mol / L or more, more preferably 0.7 mol / L or more. Further, the upper limit of the concentration is 2 mol / L or less, preferably 1.8 mol / L or less, more preferably 1.7 mol / L or less. If the concentration is too low, the electric conductivity of the electrolytic solution may be insufficient. On the other hand, if the concentration is too high, the viscosity increases and the electrical conductivity may decrease. Such a decrease in electrical conductivity may reduce the performance of the lithium ion battery.
非水系溶媒としては、リチウムイオン電池用の電解質の溶媒として使用可能な非水系溶媒であれば特に制限はないが、例えば次の環状カーボネート、鎖状カーボネート、鎖状エステル、環状エーテル及び鎖状エーテル等が挙げられる。 The non-aqueous solvent is not particularly limited as long as it is a non-aqueous solvent that can be used as an electrolyte solvent for lithium ion batteries. For example, the following cyclic carbonates, chain carbonates, chain esters, cyclic ethers and chain ethers are used. Etc.
環状カーボネートとしては、環状カーボネートを構成するアルキレン基の炭素数が2〜6のものが好ましく、2〜4のものがより好ましい。具体的には、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等が挙げられる。中でも、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートが好ましい。 As the cyclic carbonate, those having 2 to 6 carbon atoms of the alkylene group constituting the cyclic carbonate are preferable, and those having 2 to 4 are more preferable. Specific examples include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and the like. Of these, ethylene carbonate and propylene carbonate are preferable.
鎖状カーボネートとしては、ジアルキルカーボネートが好ましく、2つのアルキル基の炭素数が、それぞれ1〜5のものが好ましく、1〜4のものがより好ましい。具体的には、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジ−n−プロピルカーボネート等の対称鎖状カーボネート類;エチルメチルカーボネート、メチル−n−プロピルカーボネート、エチル−n−プロピルカーボネート等の非対称鎖状カーボネート類等が挙げられる。中でも、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が好ましい。 As the chain carbonate, dialkyl carbonate is preferable, and the number of carbon atoms of the two alkyl groups is preferably 1 to 5, and more preferably 1 to 4. Specifically, symmetrical chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and di-n-propyl carbonate; asymmetric chain carbonates such as ethyl methyl carbonate, methyl-n-propyl carbonate, and ethyl-n-propyl carbonate Is mentioned. Of these, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate are preferable.
鎖状エステルとしては、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、プロピオン酸メチル等が挙げられる。中でも、低温特性改善の観点から酢酸メチルを用いることが好ましい。 Examples of chain esters include methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, and methyl propionate. Among them, it is preferable to use methyl acetate from the viewpoint of improving the low temperature characteristics.
環状エーテルとしては、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等が挙げられる。中でも、入出力特性改善の観点からテトラヒドロフランを用いることが好ましい。 Examples of the cyclic ether include tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydropyran and the like. Of these, tetrahydrofuran is preferably used from the viewpoint of improving input / output characteristics.
鎖状エーテルとしては、ジメトキシエタン、ジメトキシメタン等が挙げられる。 Examples of chain ethers include dimethoxyethane and dimethoxymethane.
これらは単独で用いても、2種類以上を併用してもよいが、2種以上の化合物を併用した混合溶媒を用いることが好ましい。例えば、環状カーボネート類の高誘電率溶媒と、鎖状カーボネート類や鎖状エステル類等の低粘度溶媒とを併用するのが好ましい。好ましい組み合わせの一つは、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類とを主体とする組み合わせである。中でも、非水系溶媒に占める環状カーボネート類と鎖状カーボネート類との合計が、80容量%以上、好ましくは85容量%以上、より好ましくは90容量%以上であり、かつ環状カーボネート類と鎖状カーボネート類との合計に対する環状カーボネート類の容量が次の範囲であるものが好ましい。環状カーボネート類の容量の下限は、5%以上、好ましくは10%以上、より好ましくは15%以上であり、上限は、50%以下、好ましくは35%以下、より好ましくは30%以下である。このような非水系溶媒の組み合わせを用いることで、電池のサイクル特性や高温保存特性(特に、高温保存後の残存容量及び高負荷放電容量)が向上する。 These may be used alone or in combination of two or more, but it is preferable to use a mixed solvent in which two or more compounds are used in combination. For example, it is preferable to use a high dielectric constant solvent of cyclic carbonates in combination with a low viscosity solvent such as chain carbonates or chain esters. One of the preferable combinations is a combination mainly composed of cyclic carbonates and chain carbonates. Among them, the total of the cyclic carbonates and the chain carbonates in the non-aqueous solvent is 80% by volume or more, preferably 85% by volume or more, more preferably 90% by volume or more, and the cyclic carbonates and the chain carbonates. It is preferable that the cyclic carbonates have a capacity in the following range with respect to the total of the above. The lower limit of the capacity of the cyclic carbonates is 5% or more, preferably 10% or more, more preferably 15% or more, and the upper limit is 50% or less, preferably 35% or less, more preferably 30% or less. By using such a combination of non-aqueous solvents, battery cycle characteristics and high-temperature storage characteristics (particularly, remaining capacity and high-load discharge capacity after high-temperature storage) are improved.
環状カーボネート類と鎖状カーボネート類の好ましい組み合わせの具体例としては、エチレンカーボネートとジメチルカーボネート、エチレンカーボネートとジエチルカーボネート、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネート、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとジエチルカーボネート、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、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとエチルメチルカーボネート、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとジエチルカーボネートとエチルメチルカーボネート等が挙げられる。 Specific examples of preferred combinations of cyclic carbonates and chain carbonates include ethylene carbonate and dimethyl carbonate, ethylene carbonate and diethyl carbonate, ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate, ethylene carbonate and dimethyl carbonate and diethyl carbonate, ethylene carbonate and dimethyl carbonate And ethyl methyl carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate.
これらのエチレンカーボネートと鎖状カーボネート類との組み合わせに、さらにプロピレンカーボネートを加えた組み合わせも、好ましい組み合わせとして挙げられる。プロピレンカーボネートを含有する場合には、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートの容量比は、99:1〜40:60が好ましく、95:5〜50:50がより好ましい。さらに、非水系溶媒に占めるプロピレンカーボネートの量について、その範囲は次のとおりである。プロピレンカーボネートの量の下限は、0.1容量%以上、好ましくは1容量%以上、より好ましくは2容量%以上であり、上限は、10容量%以下、好ましくは8容量%以下、より好ましくは5容量%以下である。このような組み合わせによれば、エチレンカーボネートと鎖状カーボネート類との組み合わせの特性を維持しつつ、さらに低温特性を向上させることができる。 A combination in which propylene carbonate is further added to the combination of these ethylene carbonates and chain carbonates is also a preferable combination. When propylene carbonate is contained, the volume ratio of ethylene carbonate to propylene carbonate is preferably 99: 1 to 40:60, and more preferably 95: 5 to 50:50. Further, the range of the amount of propylene carbonate in the non-aqueous solvent is as follows. The lower limit of the amount of propylene carbonate is 0.1% by volume or more, preferably 1% by volume or more, more preferably 2% by volume or more, and the upper limit is 10% by volume or less, preferably 8% by volume or less, more preferably 5% by volume or less. According to such a combination, the low temperature characteristics can be further improved while maintaining the characteristics of the combination of ethylene carbonate and chain carbonates.
これらの組み合わせの中で、鎖状カーボネート類として非対称鎖状カーボネート類を含有するものがさらに好ましい。具体例としては、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、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとエチルメチルカーボネート、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとジエチルカーボネートとエチルメチルカーボネートの組み合わせが挙げられる。このような、エチレンカーボネートと対称鎖状カーボネート類と非対称鎖状カーボネート類との組み合わせにより、サイクル特性や大電流放電特性を向上させることができる。中でも、非対称鎖状カーボネート類がエチルメチルカーボネートであるものが好ましく、また、ジアルキルカーボネートを構成するアルキル基の炭素数が1〜2であるものが好ましい。 Among these combinations, those containing asymmetric chain carbonates as chain carbonates are more preferable. Specific examples include a combination of ethylene carbonate, dimethyl carbonate and ethyl methyl carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate. Such a combination of ethylene carbonate, symmetric chain carbonates and asymmetric chain carbonates can improve cycle characteristics and large current discharge characteristics. Among these, those in which the asymmetric chain carbonates are ethyl methyl carbonate are preferable, and those in which the alkyl group constituting the dialkyl carbonate has 1 to 2 carbon atoms are preferable.
好ましい混合溶媒の他の例は、鎖状エステルを含有するものである。特に、上記環状カーボネート類と鎖状カーボネート類との混合溶媒に、鎖状エステルを含有するものが、電池の低温特性向上の観点から好ましい。鎖状エステルとしては、酢酸メチル、酢酸エチルが特に好ましい。非水系溶媒に占める鎖状エステルの容量の下限は、5%以上、好ましくは8%以上、より好ましくは15%以上であり、上限は、50%以下、好ましくは35%以下、より好ましくは30%以下、さらに好ましくは25%以下である。 Another example of a preferable mixed solvent is one containing a chain ester. In particular, those containing a chain ester in the mixed solvent of the cyclic carbonates and the chain carbonates are preferable from the viewpoint of improving the low-temperature characteristics of the battery. As the chain ester, methyl acetate and ethyl acetate are particularly preferable. The lower limit of the capacity of the chain ester in the non-aqueous solvent is 5% or more, preferably 8% or more, more preferably 15% or more, and the upper limit is 50% or less, preferably 35% or less, more preferably 30 % Or less, more preferably 25% or less.
他の好ましい非水系溶媒の例は、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート及びブチレンカーボネートよりなる群から選ばれた1種の有機溶媒、またはこの群から選ばれた2種以上の有機溶媒からなる混合溶媒であり、この混合溶媒の非水系溶媒に占める容量を、60容量%以上とするものである。こうした混合溶媒は引火点が50℃以上となるように各種溶媒を選択して調整することが好ましく、中でも引火点が70℃以上となるように調整することがより好ましい。このような混合溶媒を用いた非水系電解液は、高温で使用しても溶媒の蒸発や液漏れが少なくなる。中でも、非水系溶媒に占めるエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとの合計が、80容量%以上、好ましくは90容量%以上であり、かつエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとの容量比が30:70〜60:40であるものを用いると、サイクル特性や大電流放電特性等を向上させることができる。 Examples of other preferable non-aqueous solvents are one organic solvent selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate and butylene carbonate, or a mixed solvent consisting of two or more organic solvents selected from this group. The volume of the mixed solvent in the non-aqueous solvent is 60% by volume or more. These mixed solvents are preferably adjusted by selecting various solvents so that the flash point is 50 ° C. or higher, and more preferably adjusted so that the flash point is 70 ° C. or higher. A non-aqueous electrolyte using such a mixed solvent is less likely to evaporate or leak when used at high temperatures. Among them, the total of ethylene carbonate and propylene carbonate in the non-aqueous solvent is 80% by volume or more, preferably 90% by volume or more, and the volume ratio of ethylene carbonate to propylene carbonate is 30:70 to 60:40. If some are used, cycle characteristics, large current discharge characteristics, and the like can be improved.
添加材としては、リチウムイオン電池の非水系電解液用の添加材であれば特に制限はないが、例えば、窒素、硫黄または窒素及び硫黄を含有する複素環化合物、環状カルボン酸エステル、フッ素含有環状カーボネート、その他の分子内に不飽和結合を有する化合物が挙げられる。 The additive is not particularly limited as long as it is an additive for a non-aqueous electrolyte of a lithium ion battery. For example, nitrogen, sulfur or a heterocyclic compound containing nitrogen and sulfur, a cyclic carboxylic acid ester, a fluorine-containing cyclic Examples thereof include carbonates and other compounds having an unsaturated bond in the molecule.
窒素、硫黄または窒素及び硫黄を含有する複素環化合物としては、特に限定はないが、1−メチル−2−ピロリジノン、1,3−ジメチル−2−ピロリジノン、1,5−ジメチル−2−ピロリジノン、1−エチル−2−ピロリジノン、1−シクロヘキシル−2−ピロリジノン等のピロリジノン類;3−メチル−2−オキサゾリジノン、3−エチル−2−オキサゾリジノン、3−シクロヘキシル−2−オキサゾリジノン等のオキサゾリジノン類;1−メチル−2−ピペリドン、1−エチル−2−ピペリドン等のピペリドン類;1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、1,3−ジエチル−2−イミダゾリジノン等のイミダゾリジノン類;スルホラン、2−メチルスルホラン、3−メチルスルホラン等のスルホラン類;スルホレン;エチレンサルファイト、プロピレンサルファイト等のサルファイト類;1,3−プロパンスルトン、1−メチル−1,3−プロパンスルトン、3−メチル−1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトン、1,3−プロペンスルトン、1,4−ブテンスルトン等のスルトン類等が挙げられる。中でも、1−メチル−2−ピロリジノン、1−メチル−2−ピペリドン、1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトン、1,3−プロペンスルトン、1,4−ブテンスルトン等が電池の長寿命化の観点から特に好ましい。 The heterocyclic compound containing nitrogen, sulfur or nitrogen and sulfur is not particularly limited, but 1-methyl-2-pyrrolidinone, 1,3-dimethyl-2-pyrrolidinone, 1,5-dimethyl-2-pyrrolidinone, Pyrrolidinones such as 1-ethyl-2-pyrrolidinone and 1-cyclohexyl-2-pyrrolidinone; Oxazolidinones such as 3-methyl-2-oxazolidinone, 3-ethyl-2-oxazolidinone and 3-cyclohexyl-2-oxazolidinone; Piperidones such as methyl-2-piperidone and 1-ethyl-2-piperidone; imidazolidinones such as 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone and 1,3-diethyl-2-imidazolidinone; sulfolane; Sulfolanes such as 2-methylsulfolane and 3-methylsulfolane; sulfolene; ethylene Sulphites such as phytite and propylene sulfite; 1,3-propane sultone, 1-methyl-1,3-propane sultone, 3-methyl-1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone, 1,3- And sultone such as propene sultone and 1,4-butene sultone. Among them, 1-methyl-2-pyrrolidinone, 1-methyl-2-piperidone, 1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone, 1,3-propene sultone, 1,4-butene sultone, etc., prolong the battery life. From the viewpoint of
環状カルボン酸エステルとしては、特に限定はないが、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、γ−ヘキサラクトン、γ−ヘプタラクトン、γ−オクタラクトン、γ−ノナラクトン、γ−デカラクトン、γ−ウンデカラクトン、γ−ドデカラクトン、α−メチル-γ-ブチロラクトン、α−エチル-γ-ブチロラクトン、α−プロピル-γ-ブチロラクトン、α−メチル−γ−バレロラクトン、α−エチル−γ−バレロラクトン、α,α−ジメチル-γ-ブチロラクトン、α,α-ジメチル−γ−バレロラクトン、δ−バレロラクトン、δ−ヘキサラクトン、δ−オクタラクトン、δ−ノナラクトン、δ−デカラクトン、δ−ウンデカラクトン、δ−ドデカラクトン等が挙げられる。中でも、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等が電池の長寿命化の観点から特に好ましい。 The cyclic carboxylic acid ester is not particularly limited, but γ-butyrolactone, γ-valerolactone, γ-hexalactone, γ-heptalactone, γ-octalactone, γ-nonalactone, γ-decalactone, and γ-undecalactone. , Γ-dodecalactone, α-methyl-γ-butyrolactone, α-ethyl-γ-butyrolactone, α-propyl-γ-butyrolactone, α-methyl-γ-valerolactone, α-ethyl-γ-valerolactone, α, α-dimethyl-γ-butyrolactone, α, α-dimethyl-γ-valerolactone, δ-valerolactone, δ-hexalactone, δ-octalactone, δ-nonalactone, δ-decalactone, δ-undecalactone, δ- Examples include dodecalactone. Among these, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, and the like are particularly preferable from the viewpoint of extending the battery life.
フッ素含有環状カーボネートとしては、特に限定はないが、フルオロエチレンカーボネート、ジフルオロエチレンカーボネート、トリフルオロエチレンカーボネート、テトラフルオロエチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネート等が挙げられる。中でも、フルオロエチレンカーボネート等が電池の長寿命化の観点から特に好ましい。 The fluorine-containing cyclic carbonate is not particularly limited, and examples thereof include fluoroethylene carbonate, difluoroethylene carbonate, trifluoroethylene carbonate, tetrafluoroethylene carbonate, and trifluoropropylene carbonate. Among these, fluoroethylene carbonate and the like are particularly preferable from the viewpoint of extending the life of the battery.
その他の分子内に不飽和結合を有する化合物としては、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、ジビニルエチレンカーボネート、メチルビニルカーボネート、エチルビニルカーボネート、プロピルビニルカーボネート、ジビニルカーボネート、アリルメチルカーボネート、アリルエチルカーボネート、アリルプロピルカーボネート、ジアリルカーボネート、ジメタリルカーボネート等のカーボネート類;酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、アクリル酸ビニル、クロトン酸ビニル、メタクリル酸ビニル、酢酸アリル、プロピオン酸アリル、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸プロピル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸プロピル等のエステル類;ジビニルスルホン、メチルビニルスルホン、エチルビニルスルホン、プロピルビニルスルホン、ジアリルスルホン、アリルメチルスルホン、アリルエチルスルホン、アリルプロピルスルホン等のスルホン類; ジビニルサルファイト、メチルビニルサルファイト、エチルビニルサルファイト、ジアリルサルファイト等のサルファイト類;ビニルメタンスルホネート、ビニルエタンスルホネート、アリルメタンスルホネート、アリルエタンスルホネート、メチルビニルスルホネート、エチルビニルスルホネート等のスルホネート類;ジビニルサルフェート、メチルビニルサルフェート、エチルビニルサルフェート、ジアリルサルフェート等のサルフェート類等が挙げられる。中でも、ビニレンカーボネート、ジメタリルカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、ジビニルエチレンカーボネート、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、アクリル酸ビニル、ジビニルスルホン、ビニルメタンスルホネート等が電池の長寿命化の観点から特に好ましい。 Other compounds having an unsaturated bond in the molecule include vinylene carbonate, vinyl ethylene carbonate, divinyl ethylene carbonate, methyl vinyl carbonate, ethyl vinyl carbonate, propyl vinyl carbonate, divinyl carbonate, allyl methyl carbonate, allyl ethyl carbonate, allyl propyl. Carbonates such as carbonate, diallyl carbonate, dimethallyl carbonate; vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl acrylate, vinyl crotonate, vinyl methacrylate, allyl acetate, allyl propionate, methyl acrylate, ethyl acrylate, propyl acrylate , Esters such as methyl methacrylate, ethyl methacrylate, propyl methacrylate; divinyl sulfone, methyl vinyl sulfone Sulfones such as ethyl vinyl sulfone, propyl vinyl sulfone, diallyl sulfone, allyl methyl sulfone, allyl ethyl sulfone, allyl propyl sulfone; sulfites such as divinyl sulfite, methyl vinyl sulfite, ethyl vinyl sulfite, diallyl sulfite; Examples of the sulfonates include vinyl methane sulfonate, vinyl ethane sulfonate, allyl methane sulfonate, allyl ethane sulfonate, methyl vinyl sulfonate, and ethyl vinyl sulfonate; and sulfates such as divinyl sulfate, methyl vinyl sulfate, ethyl vinyl sulfate, and diallyl sulfate. Among these, vinylene carbonate, dimethallyl carbonate, vinyl ethylene carbonate, divinyl ethylene carbonate, vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl acrylate, divinyl sulfone, vinyl methanesulfonate, and the like are particularly preferable from the viewpoint of extending the life of the battery.
上記添加材以外に、求められる機能に応じて過充電防止材、負極皮膜形成材、正極保護材、高入出力材等の他の添加材を用いてもよい。 In addition to the above additives, other additives such as an overcharge preventing material, a negative electrode film forming material, a positive electrode protective material, and a high input / output material may be used depending on the required function.
過充電防止材としては、ビフェニル、アルキルビフェニル、ターフェニル、ターフェニルの部分水素化体、シクロヘキシルベンゼン、t−ブチルベンゼン、t−アミルベンゼン、ジフェニルエーテル、ジベンゾフラン等の芳香族化合物;2−フルオロビフェニル、o−シクロヘキシルフルオロベンゼン、p−シクロヘキシルフルオロベンゼン等の上記芳香族化合物の部分フッ素化物;2,4−ジフルオロアニソール、2,5−ジフルオロアニソール、2,6−ジフルオロアニソール、3,5−ジフルオロアニソール等の含フッ素アニソール化合物等が挙げられる。中でも、ビフェニル、アルキルビフェニル、ターフェニル、ターフェニルの部分水素化体、シクロヘキシルベンゼン、t−ブチルベンゼン、t−アミルベンゼン、ジフェニルエーテル、ジベンゾフラン等の芳香族化合物が好ましい。これらの過充電防止材は、2種類以上併用して用いてもよい。2種以上併用する場合は、特に、シクロヘキシルベンゼンやターフェニル(またはその部分水素化体)と、t−ブチルベンゼンやt−アミルベンゼンとを併用するのが好ましい。 As an overcharge preventing material, aromatic compounds such as biphenyl, alkylbiphenyl, terphenyl, partially hydrogenated terphenyl, cyclohexylbenzene, t-butylbenzene, t-amylbenzene, diphenyl ether, dibenzofuran; 2-fluorobiphenyl, Partially fluorinated products of the above aromatic compounds such as o-cyclohexylfluorobenzene and p-cyclohexylfluorobenzene; 2,4-difluoroanisole, 2,5-difluoroanisole, 2,6-difluoroanisole, 3,5-difluoroanisole and the like And a fluorine-containing anisole compound. Of these, aromatic compounds such as biphenyl, alkylbiphenyl, terphenyl, terphenyl partially hydrogenated, cyclohexylbenzene, t-butylbenzene, t-amylbenzene, diphenyl ether, and dibenzofuran are preferable. These overcharge prevention materials may be used in combination of two or more. When using 2 or more types together, it is particularly preferable to use cyclohexylbenzene or terphenyl (or a partially hydrogenated product thereof) together with t-butylbenzene or t-amylbenzene.
負極皮膜形成材としては、無水コハク酸、無水グルタル酸、無水マレイン酸、無水シトラコン酸、無水グルタコン酸、無水イタコン酸、シクロヘキサンジカルボン酸無水物等が挙げられる。中でも、無水コハク酸、無水マレイン酸が好ましい。これらの負極皮膜形成材は2種類以上併用して用いてもよい。 Examples of the negative electrode film-forming material include succinic anhydride, glutaric anhydride, maleic anhydride, citraconic anhydride, glutaconic anhydride, itaconic anhydride, cyclohexanedicarboxylic anhydride, and the like. Of these, succinic anhydride and maleic anhydride are preferable. Two or more of these negative electrode film forming materials may be used in combination.
正極保護材としては、ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド、ジメチルサルファイト、ジエチルサルファイト、メタンスルホン酸メチル、ブスルファン、トルエンスルホン酸メチル、ジメチルサルフェート、ジエチルサルフェート、ジメチルスルホン、ジエチルスルホン、ジフェニルスルフィド、チオアニソール、ジフェニルジスルフィド等が挙げられる。中でも、メタンスルホン酸メチル、ブスルファン、ジメチルスルホンが好ましい。これらの正極保護材は2種類以上併用して用いてもよい。 As a positive electrode protective material, dimethyl sulfoxide, diethyl sulfoxide, dimethyl sulfite, diethyl sulfite, methyl methanesulfonate, busulfan, methyl toluenesulfonate, dimethyl sulfate, diethyl sulfate, dimethyl sulfone, diethyl sulfone, diphenyl sulfide, thioanisole, And diphenyl disulfide. Of these, methyl methanesulfonate, busulfan, and dimethylsulfone are preferable. Two or more of these positive electrode protective materials may be used in combination.
高入出力材としては、パーフルオロアルキルスルホン酸、パーフルオロアルキルカルボン酸のアンモニウム塩、カリウム塩もしくはリチウム塩; パーフルオロアルキルポリオキシエチレンエーテル、フッ素化アルキルエステル等の界面活性材が挙げられる。中でも、パーフルオロアルキルポリオキシエチレンエーテル、フッ素化アルキルエステルが好ましい。 Examples of the high input / output material include surfactants such as perfluoroalkyl sulfonic acid, ammonium salt, potassium salt or lithium salt of perfluoroalkyl carboxylic acid; perfluoroalkyl polyoxyethylene ether and fluorinated alkyl ester. Among these, perfluoroalkyl polyoxyethylene ether and fluorinated alkyl ester are preferable.
非水系電解液中における添加材の割合に特に限定はないが、その範囲は次のとおりである。なお、複数の添加材を用いる場合は、それぞれの添加材の割合を意味する。非水系電解液に対する添加材の割合の下限は、好ましくは0.01質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上、さらに好ましくは0.2質量%以上であり、上限は、好ましくは5質量%以下、より好ましくは3質量%以下、さらに好ましくは2質量%以下である。 Although there is no limitation in particular in the ratio of the additive in a non-aqueous electrolyte solution, the range is as follows. In addition, when using a some additive, the ratio of each additive is meant. The lower limit of the ratio of the additive to the non-aqueous electrolyte is preferably 0.01% by mass or more, more preferably 0.1% by mass or more, still more preferably 0.2% by mass or more, and the upper limit is preferably 5%. It is at most 3% by mass, more preferably at most 3% by mass, even more preferably at most 2% by mass.
上記他の添加剤により、過充電による異常時の急激な電極反応の抑制、高温保存後の容量維持特性やサイクル特性の向上、入出力特性の向上等を図ることができる。 By using the other additives, it is possible to suppress a rapid electrode reaction at the time of abnormality due to overcharge, improve capacity maintenance characteristics and cycle characteristics after high temperature storage, and improve input / output characteristics.
4.セパレータ
セパレータは、正極及び負極間を電子的には絶縁しつつもイオン透過性を有し、かつ、正極側における酸化性及び負極側における還元性に対する耐性を備えるものであれば特に制限はない。このような特性を満たすセパレータの材料(材質)としては、樹脂、無機物、ガラス繊維等が用いられる。
4). Separator The separator is not particularly limited as long as it has ion permeability while electronically insulating the positive electrode and the negative electrode, and has resistance to oxidation on the positive electrode side and reducibility on the negative electrode side. As a material (material) of the separator satisfying such characteristics, a resin, an inorganic material, glass fiber, or the like is used.
樹脂としては、オレフィン系ポリマー、フッ素系ポリマー、セルロース系ポリマー、ポリイミド、ナイロン等が用いられる。具体的には、非水系電解液に対して安定で、保液性の優れた材料の中から選ぶのが好ましく、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンを原料とする多孔性シートまたは不織布等を用いることが好ましい。 As the resin, an olefin polymer, a fluorine polymer, a cellulose polymer, polyimide, nylon, or the like is used. Specifically, it is preferable to select from materials that are stable with respect to non-aqueous electrolytes and have excellent liquid retention properties. For example, porous sheets or nonwoven fabrics made from polyolefins such as polyethylene and polypropylene may be used. preferable.
無機物としては、アルミナや二酸化珪素等の酸化物類、窒化アルミニウムや窒化珪素等の窒化物類、硫酸バリウムや硫酸カルシウム等の硫酸塩類が用いられる。例えば、繊維形状または粒子形状の上記無機物を、不織布、織布、微多孔性フィルム等の薄膜形状の基材に付着させたものをセパレータとして用いることができる。薄膜形状の基材としては、孔径が0.01〜1μm、厚さが5〜50μmのものが好適に用いられる。また、例えば、繊維形状または粒子形状の上記無機物を、樹脂等の結着材を用いて複合多孔層としたものをセパレータとして用いることができる。さらに、この複合多孔層を、正極または負極の表面に形成し、セパレータとしてもよい。例えば、90%粒径が1μm未満のアルミナ粒子をフッ素樹脂を結着材として結着させた複合多孔層を、正極の表面に形成してもよい。 As the inorganic material, oxides such as alumina and silicon dioxide, nitrides such as aluminum nitride and silicon nitride, and sulfates such as barium sulfate and calcium sulfate are used. For example, what made the said inorganic substance of fiber shape or particle shape adhere to thin film-shaped base materials, such as a nonwoven fabric, a woven fabric, and a microporous film, can be used as a separator. As a thin film-shaped substrate, a substrate having a pore diameter of 0.01 to 1 μm and a thickness of 5 to 50 μm is preferably used. In addition, for example, a separator in which a composite porous layer is formed using the above-described inorganic material in a fiber shape or a particle shape by using a binder such as a resin can be used as a separator. Furthermore, this composite porous layer may be formed on the surface of the positive electrode or the negative electrode to form a separator. For example, a composite porous layer in which alumina particles having a 90% particle size of less than 1 μm are bound using a fluororesin as a binder may be formed on the surface of the positive electrode.
5.その他の構成部材
リチウムイオン電池のその他の構成部材として、開裂弁を設けてもよい。開裂弁が開放することで、電池内部の圧力上昇を抑制でき、安全性を向上させることができる。
5. Other constituent members As other constituent members of the lithium ion battery, a cleavage valve may be provided. By opening the cleavage valve, it is possible to suppress an increase in pressure inside the battery and to improve safety.
また、温度上昇に伴い不活性ガス(例えば、二酸化炭素など)を放出する構成部を設けてもよい。このような構成部を設けることで、電池内部の温度が上昇した場合に、不活性ガスの発生により速やかに開裂弁を開けることができ、安全性を向上させることができる。上記構成部に用いられる材料としては、炭酸リチウムやポリアルキレンカーボネート樹脂等が挙げられる。ポリアルキレンカーボネート樹脂としては、例えば、ポリエチレンカーボネート、ポリプロピレンカーボネート、ポリ(1,2−ジメチルエチレンカーボネート)、ポリブテンカーボネート、ポリイソブテンカーボネート、ポリペンテンカーボネート、ポリヘキセンカーボネート、ポリシクロペンテンカーボネート、ポリシクロヘキセンカーボネート、ポリシクロヘプテンカーボネート、ポリシクロオクテンカーボネート、ポリリモネンカーボネート等が挙げられる。上記構成部に用いられる材料としては、炭酸リチウム、ポリエチレンカーボネート、ポリプロピレンカーボネートが好ましい。 Moreover, you may provide the structure part which discharge | releases inert gas (for example, carbon dioxide etc.) with a temperature rise. By providing such a component, when the temperature inside the battery rises, the cleavage valve can be opened quickly due to the generation of inert gas, and safety can be improved. Examples of the material used for the above components include lithium carbonate and polyalkylene carbonate resin. Examples of the polyalkylene carbonate resin include polyethylene carbonate, polypropylene carbonate, poly (1,2-dimethylethylene carbonate), polybutene carbonate, polyisobutene carbonate, polypentene carbonate, polyhexene carbonate, polycyclopentene carbonate, polycyclohexene carbonate, and polycyclohexane. Examples include heptene carbonate, polycyclooctene carbonate, and polylimonene carbonate. As a material used for the said structural part, lithium carbonate, polyethylene carbonate, and polypropylene carbonate are preferable.
以下、実施例に基づき本実施の形態をさらに詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。 Hereinafter, the present embodiment will be described in more detail based on examples. The present invention is not limited to the following examples.
[正極板の作製]
正極板の作製を以下のように行った。
[Production of positive electrode plate]
The positive electrode plate was produced as follows.
黒鉛(グラファイト)を60質量%と、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を40質量%とを、N−メチルピロリドンに溶解したものを混合して、スラリーとした。このスラリーを、ダイコータを用いて正極集電体(厚みが20μmのアルミニウム箔)の両面に均一に塗布して乾燥後の厚さが1〜7μmとなるように導電層を形成した。 A mixture of 60% by mass of graphite (graphite) and 40% by mass of polyvinylidene fluoride (PVDF) dissolved in N-methylpyrrolidone was mixed to obtain a slurry. This slurry was uniformly applied to both surfaces of a positive electrode current collector (aluminum foil having a thickness of 20 μm) using a die coater, and a conductive layer was formed so that the thickness after drying became 1 to 7 μm.
その後、オリビン型燐酸鉄リチウム(LFP)を正極活物質に、導電助剤としてアセチレンブラック(平均粒径:50nm)と、結着材としてポリフッ化ビニリデンとを順次添加し、混合することにより正極合剤を得た。重量比は、活物質:導電助剤:結着材=90:5:5とした。さらに上記混合物に対し、分散溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を添加し、混練することによりスラリーを形成した。このスラリーを先に述べた、導電層を形成した集電体の両面に、前記ダイコータを用いて均等かつ均質に所定量塗布した。アルミニウム箔は、短辺(幅)が350mmの矩形状であり、片側の長辺に沿って50mmの幅の未塗布部を残した。その後、乾燥処理を施し、所定密度までプレスにより圧密化した。次いで、裁断により、幅350mmの正極板を得た。この際、上記未塗布部に切り欠きを入れ、切り欠き残部をリード片とした。リード片の幅は10mm、隣り合うリード片の間隔は20mmとした。 Thereafter, olivine-type lithium iron phosphate (LFP) is added to the positive electrode active material, acetylene black (average particle diameter: 50 nm) as a conductive auxiliary agent, and polyvinylidene fluoride as a binder are sequentially added and mixed. An agent was obtained. The weight ratio was set to active material: conductive aid: binder = 90: 5: 5. Further, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a dispersion solvent was added to the above mixture and kneaded to form a slurry. A predetermined amount of this slurry was uniformly and uniformly applied to both surfaces of the current collector on which the conductive layer was formed, using the die coater. The aluminum foil had a rectangular shape with a short side (width) of 350 mm, and an uncoated portion with a width of 50 mm was left along the long side on one side. Then, the drying process was performed and it consolidated by the press to the predetermined density. Next, a positive electrode plate having a width of 350 mm was obtained by cutting. At this time, a notch was made in the uncoated part, and the remaining part of the notch was used as a lead piece. The width of the lead piece was 10 mm, and the interval between adjacent lead pieces was 20 mm.
[負極板の作製]
負極板の作製を以下のように行った。負極活物質として非晶質炭素(クレハ社製)を用いた。この非晶質炭素に結着材としてポリフッ化ビニリデンを添加した。これらの重量比は、活物質:結着材=92:8とした。これに分散溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を添加し、混練することによりスラリーを形成した。このスラリーを負極用の集電体である厚さ10μmの圧延銅箔の両面に、ダイコータを用いて実質的に均等かつ均質に所定量塗布した。圧延銅箔は、短辺(幅)が355mmの矩形状であり、片側の長辺に沿って50mmの幅の未塗布部を残した。その後、乾燥処理を施し、所定密度までプレスにより圧密化した。負極活物質層の密度は1.1g/cm3 とした。次いで、裁断により、幅355mmの負極板を得た。この際、上記未塗布部に切り欠きを入れ、切り欠き残部をリード片とした。リード片の幅は10mm、隣り合うリード片の間隔は20mmとした。
[Production of negative electrode plate]
The negative electrode plate was produced as follows. Amorphous carbon (manufactured by Kureha) was used as the negative electrode active material. Polyvinylidene fluoride was added as a binder to the amorphous carbon. The weight ratio of these was active material: binder = 92: 8. A dispersion solvent N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was added thereto and kneaded to form a slurry. A predetermined amount of this slurry was applied to both surfaces of a rolled copper foil having a thickness of 10 μm, which is a negative electrode current collector, substantially uniformly and uniformly using a die coater. The rolled copper foil had a rectangular shape with a short side (width) of 355 mm, and left an uncoated part with a width of 50 mm along the long side on one side. Then, the drying process was performed and it consolidated by the press to the predetermined density. The density of the negative electrode active material layer was 1.1 g / cm 3 . Next, a negative electrode plate having a width of 355 mm was obtained by cutting. At this time, a notch was made in the uncoated part, and the remaining part of the notch was used as a lead piece. The width of the lead piece was 10 mm, and the interval between adjacent lead pieces was 20 mm.
[電池の作製]
図1にリチウムイオン電池の断面図を示す。上記正極板と上記負極板とを、これらが直接接触しないように厚さ30μmのポリエチレン製のセパレータを挟んで捲回する。このとき、正極板のリード片と負極板のリード片とが、それぞれ捲回群の互いに反対側の両端面に位置するようにする。また、正極板、負極板、セパレータの長さを調整し、捲回群径は65±0.1とした。
[Production of battery]
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a lithium ion battery. The positive electrode plate and the negative electrode plate are wound with a polyethylene separator having a thickness of 30 μm interposed therebetween so that they are not in direct contact with each other. At this time, the lead piece of the positive electrode plate and the lead piece of the negative electrode plate are respectively positioned on the opposite end surfaces of the winding group. Further, the lengths of the positive electrode plate, the negative electrode plate, and the separator were adjusted, and the wound group diameter was set to 65 ± 0.1.
次いで、図1に示すように、正極板から導出されているリード片9を変形させ、その全てを正極側の鍔部7の底部付近に集合し、接触させる。正極側の鍔部7は、捲回群6の軸芯のほぼ延長線上にある極柱(正極外部端子1)の周囲から張り出すよう一体成形されており、底部と側部とを有する。その後、超音波溶接によりリード片9を鍔部7の底部に接続し固定する。負極板から導出されているリード片9’と負極側の鍔部7の底部も同様に接続し固定する。この負極側の鍔部7は、捲回群6の軸芯のほぼ延長線上にある極柱(負極外部端子1’)周囲から張り出すよう一体成形されており、底部と側部とを有する。
Next, as shown in FIG. 1, the
その後、粘着テープを用い、正極外部端子1側の鍔部7の側部及び負極外部端子1’の鍔部7の側部を覆い、絶縁被覆8を形成した。同様に、捲回群6の外周にも絶縁被覆8を形成した。例えば、この粘着テープを、正極外部端子1側の鍔部7の側部から捲回群6の外周面に亘って、さらに、捲回群6の外周面から負極外部端子1’側の鍔部7の側部に亘って、何重にも巻くことにより絶縁被覆8を形成する。絶縁被覆(粘着テープ)8としては、基材がポリイミドで、その片面にヘキサメタアクリレートからなる粘着材を塗布した粘着テープを用いた。捲回群6の最大径部がステンレス製の電池容器5内径よりも僅かに小さくなるように絶縁被覆8の厚さ(粘着テープの巻き数)を調整し、捲回群6を電池容器5内に挿入した。なお、電池容器5の外径は67mm、内径は66mmのものを用いた。
Thereafter, an insulating
次いで、図1に示すように、セラミックワッシャ3’を、先端が正極外部端子1を構成する極柱及び先端が負極外部端子1’を構成する極柱にそれぞれ嵌め込む。セラミックワッシャ3’は、アルミナ製であり、電池蓋4の裏面と当接する部分の厚さが2mm、内径16mm、外径25mmである。次いで、セラミックワッシャ3を電池蓋4に載置した状態で、正極外部端子1をセラミックワッシャ3に通し、また、他のセラミックワッシャ3を他の電池蓋4に載置した状態で、負極外部端子1’を他のセラミックワッシャ3に通す。セラミックワッシャ3は、アルミナ製であり、厚さ2mm、内径16mm、外径28mmの平板状である。
Next, as shown in FIG. 1, the ceramic washer 3 ′ is fitted into a pole column whose tip constitutes the positive electrode external terminal 1 and a pole column whose tip constitutes the negative electrode external terminal 1 ′. The ceramic washer 3 ′ is made of alumina, and the thickness of the portion in contact with the back surface of the
その後、電池蓋4の周端面を電池容器5の開口部に嵌合し、双方の接触部の全域をレーザー溶接する。このとき、正極外部端子1及び負極外部端子1’は、それぞれ電池蓋4,4’の中心にある穴(孔)を貫通して電池蓋4,4’の外部に突出している。電池蓋4には、電池の内圧上昇に応じて開裂する開裂弁10が設けられている。なお、開裂弁10の開裂圧は、13〜18kg/cm2とした。
Thereafter, the peripheral end surface of the
次いで、図1に示すように、金属ワッシャ11を、正極外部端子1及び負極外部端子1’にそれぞれ嵌め込む。これによりセラミックワッシャ3上に金属ワッシャ11が配置される。金属ワッシャ11は、ナット2の底面より平滑な材料よりなる。
Next, as shown in FIG. 1, the
次いで、金属製のナット2を正極外部端子1及び負極外部端子1’にそれぞれ螺着し、セラミックワッシャ3、金属ワッシャ11、セラミックワッシャ3’を介して電池蓋4,4’を鍔部7とナット2と間で締め付けることにより固定する。このときの締め付けトルク値は70kgf・cmとした。なお、締め付け作業が終了するまで金属ワッシャ11は回転しなかった。この状態では、電池蓋4,4’の裏面と鍔部7との間に介在させたゴム(EPDM)製のOリング12の圧縮により電池容器5の内部の発電要素は外気から遮断されている。
Next, a
その後、電池蓋4’に設けられた注液口13から電解液を所定量電池容器5内に注入し、その後、注液口13を封止することにより円筒形リチウムイオン電池20を完成させた。
Thereafter, a predetermined amount of electrolyte was injected into the battery container 5 from the injection port 13 provided in the
電解液としては、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を、それぞれの体積比2:3:2で混合した混合溶液中へ、6フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1.2mol/L溶解したものを用いた。なお、本実施例で作製した円筒形リチウムイオン電池20には、電池容器5の内圧の上昇に応じて電流を遮断するように作動する電流遮断機構は設けられていない。
As an electrolytic solution, 1.2 mol / L of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was dissolved in a mixed solution in which ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate were mixed at a volume ratio of 2: 3: 2. What was done was used. Note that the cylindrical
[電池特性(放電特性)の評価]
このように作製したリチウムイオン電池の電池特性を、下記に示す方法で評価した。
[Evaluation of battery characteristics (discharge characteristics)]
The battery characteristics of the lithium ion battery produced in this way were evaluated by the methods shown below.
作製したリチウムイオン電池について、正極合材空孔率、正極合材塗布量及び導電層の厚みを変化させた電池の各率放電特性を評価した。 About the produced lithium ion battery, each rate discharge characteristic of the battery which changed the positive electrode compound material porosity, the positive electrode compound material coating amount, and the thickness of the conductive layer was evaluated.
放電特性の評価結果は表1(表1−1、表1−2、及び表1−3)に示すとおりである。高率放電試験により高率放電特性を評価した。高率放電試験では、まず、25℃の環境下において4.2〜2.0Vの電圧範囲で、0.5CAの電流値による充放電サイクルを2回繰り返した。さらに4.2Vまで電池の充電後、電流値0.5CA、3CAの各電流値で終止電圧2.0Vの定電流放電による充放電を行った。3CA/0.5CA放電容量比は各電池での0.5CA放電容量に対する3CA放電での容量比を意味する。 The evaluation results of the discharge characteristics are as shown in Table 1 (Table 1-1, Table 1-2, and Table 1-3). High rate discharge characteristics were evaluated by a high rate discharge test. In the high rate discharge test, first, a charge / discharge cycle with a current value of 0.5 CA was repeated twice in a voltage range of 4.2 to 2.0 V in an environment of 25 ° C. Further, after charging the battery to 4.2 V, charging and discharging were performed by constant current discharge with a final voltage of 2.0 V at current values of 0.5 CA and 3 CA. The 3CA / 0.5CA discharge capacity ratio means a capacity ratio in 3CA discharge to 0.5 CA discharge capacity in each battery.
(実施例1〜81)
表1に示すように、導電層の厚み、正極合材空孔率及び正極合材厚みを変化させ正極合材を作製し、電池の捲回群径65mm、外形67mm、内径66mmとした電池を作製した。各率(0.5CA及び3CA)放電特性、0.5CA時での体積エネルギー密度、出力特性(3CA放電容量/0.5CA放電容量)の評価結果を表1(表1−1、表1−2、及び表1−3)に示した。
As shown in Table 1, a battery having a wound group diameter of 65 mm, an outer diameter of 67 mm, and an inner diameter of 66 mm was prepared by changing the thickness of the conductive layer, the positive electrode mixture porosity, and the positive electrode mixture thickness. Produced. Table 1 (Table 1-1, Table 1-) shows the evaluation results of each rate (0.5 CA and 3 CA) discharge characteristics, volume energy density at 0.5 CA, and output characteristics (3 CA discharge capacity / 0.5 CA discharge capacity). 2 and Table 1-3).
(実施例82〜86)
表2に示すように、導電層の厚み、正極合材空孔率及び正極合材厚みを変化させ正極合材を作製し、電池の捲回群径65mm、外形67mm、内径66mmとした電池を作製した。なお、実施例1〜81において負極活物質として用いた非晶質炭素に代え、実施例82〜86では負極活物質として日立化成工業株式会社製の黒鉛系の材料である表面被覆黒鉛SMG−KB1を用いた。
As shown in Table 2, a battery having a wound group diameter of 65 mm, an outer diameter of 67 mm, and an inner diameter of 66 mm was prepared by changing the thickness of the conductive layer, the positive electrode mixture porosity, and the positive electrode mixture thickness. Produced. In addition, instead of the amorphous carbon used as the negative electrode active material in Examples 1 to 81, surface-coated graphite SMG-KB1 which is a graphite-based material manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd. as the negative electrode active material in Examples 82 to 86. Was used.
(比較例1〜3)
表3に示すように、導電層の厚み、正極合材空孔率及び正極合材厚みを変化させ正極合材を作製し、電池の捲回群径65mm、外形67mm、内径66mmとした電池を作製した。各率(0.5CA及び3CA)放電特性、0.5CA時での体積エネルギー密度、出力特性(3CA放電容量/0.5CA放電容量)の評価結果を表3に示した。
As shown in Table 3, a battery having a wound group diameter of 65 mm, an outer diameter of 67 mm, and an inner diameter of 66 mm was prepared by changing the thickness of the conductive layer, the positive electrode mixture porosity, and the positive electrode mixture thickness. Produced. Table 3 shows the evaluation results of each rate (0.5 CA and 3 CA) discharge characteristics, volumetric energy density at 0.5 CA, and output characteristics (3 CA discharge capacity / 0.5 CA discharge capacity).
表1の実施例4、20、36、52、68、81及び表3の比較例1を比較すると、正極活物質層の空孔率と厚みが同じであっても、膜厚が1〜7μmの導電層を形成することで高率放電特性が向上し、出力特性が改善することがわかる。特に、導電層の膜厚が1〜5μmの範囲では、より良好な高率放電特性及び出力特性が得られることがわかる。 When Examples 4, 20, 36, 52, 68, 81 in Table 1 and Comparative Example 1 in Table 3 are compared, the film thickness is 1 to 7 μm even if the porosity and thickness of the positive electrode active material layer are the same. It can be seen that the high rate discharge characteristics are improved and the output characteristics are improved by forming the conductive layer. In particular, it can be seen that better high rate discharge characteristics and output characteristics can be obtained when the thickness of the conductive layer is in the range of 1 to 5 μm.
また、表1の実施例69及び表3の比較例2を比較すると、同じ導電層の厚み、正極合材空孔率であっても、正極合材厚みを40μmまで増加させることで、出力特性を維持しながら電池容量かつ体積エネルギー密度が増加することがわかる。 Further, when Example 69 in Table 1 and Comparative Example 2 in Table 3 are compared, output characteristics can be increased by increasing the thickness of the positive electrode mixture to 40 μm even when the thickness of the same conductive layer and the porosity of the positive electrode mixture are increased. It can be seen that the battery capacity and the volume energy density increase while maintaining the above.
また、実施例82〜86に示すように負極を非晶質炭素から黒鉛系に変更した場合においても、電池の放電特性には影響を及ぼさないことがわかる。 It can also be seen that even when the negative electrode is changed from amorphous carbon to graphite as shown in Examples 82 to 86, the discharge characteristics of the battery are not affected.
[寿命特性の評価]
次にリチウムイオン電池正極において、導電層の厚みとサイクル寿命の関係を確認した。導電層の厚みを変化させた正極集電体を使用しリチウムイオン電池を作製した。
[Evaluation of life characteristics]
Next, in the lithium ion battery positive electrode, the relationship between the thickness of the conductive layer and the cycle life was confirmed. A lithium ion battery was manufactured using a positive electrode current collector in which the thickness of the conductive layer was changed.
その後、寿命特性は充放電を繰り返すサイクル試験にて評価した。充電パターンは、それぞれのリチウム二次電池を1CAの定電流充電を上限電圧4.2Vまで行い、続いて4.2Vで定電圧充電を行った。放電は、1Cで定電流放電を2.0Vまで行うものとした。なお、ここでの正極活物質層の厚みは100μm、正極活物質層の空孔率は35%、導電助剤の添加量は、正極活物質層100質量%に対して5.0質量%とした。試験結果を表4及び図2に示す。
表4に示すように、導電層を形成した正極を使用した電池においてサイクル試験開始時の容量に対する容量維持率が導電層を形成しない比較例3と比較してサイクル特性が向上した。導電層を形成した実施例5、37、及び69では導電層の効果により、リチウムイオンの濃度分布が緩和により充放電で活物質が均等に反応することができるため、活物質の局所的な劣化を抑え、長寿命化が可能になる。 As shown in Table 4, in the battery using the positive electrode on which the conductive layer was formed, the cycle retention was improved as compared with Comparative Example 3 in which the capacity retention ratio relative to the capacity at the start of the cycle test was not formed. In Examples 5, 37, and 69 in which the conductive layer was formed, the active material can react evenly by charge / discharge due to the relaxation of the lithium ion concentration distribution due to the effect of the conductive layer. This makes it possible to extend the service life.
なお、本実施の形態では、正極活物質層の体積空孔率が35%の場合のみ示されているが、正極活物質層の体積空孔率は20〜50%の範囲内で本発明の効果が得られることが確認されている。また、本実施の形態では、正極活物質中の導電助剤の添加量が5.0質量%の場合のみ示されているが、正極活物質中の導電助剤の添加量が2質量%以上10質量%以下の範囲内で本発明の効果が得られることが確認されている。 In the present embodiment, only when the positive electrode active material layer has a volume porosity of 35%, the positive electrode active material layer has a volume porosity of 20 to 50% within the range of the present invention. It has been confirmed that an effect can be obtained. Further, in the present embodiment, it is shown only when the addition amount of the conductive additive in the positive electrode active material is 5.0% by mass, but the addition amount of the conductive auxiliary agent in the positive electrode active material is 2% by mass or more. It has been confirmed that the effects of the present invention can be obtained within a range of 10% by mass or less.
以上、本発明の実施の形態および実施例について具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく変更が可能であるのは勿論である。 Although the embodiments and examples of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to these embodiments and examples, and modifications based on the technical idea of the present invention are possible. Of course there is.
本発明は、リチウムイオン電池に有効に適用することができる。 The present invention can be effectively applied to lithium ion batteries.
1 正極外部端子
1’ 負極外部端子
2 ナット
3,3’ セラミックワッシャ
4,4’ 電池蓋
5 電池容器
6 捲回群
7 鍔部
8 絶縁被覆
9,9’ リード片
10 開裂弁
11 金属ワッシャ
12 Oリング
13 注液口
20 円筒形リチウムイオン電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Positive electrode external terminal 1 'Negative electrode
Claims (4)
前記活物質層中の活物質がリン酸鉄リチウムであり、
前記活物質層の膜厚が40μm以上200μm以下であるリチウム二次電池。 A lithium secondary battery comprising a positive electrode plate in which a conductive layer is laminated on a positive electrode current collector and an active material layer is further laminated on the conductive layer,
The active material in the active material layer is lithium iron phosphate,
A lithium secondary battery in which the thickness of the active material layer is 40 μm or more and 200 μm or less.
上記導電助剤の含有量は、前記活物質層の全重量に対して2質量%以上10質量%以下である請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。 The active material layer contains a conductive additive,
4. The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the content of the conductive auxiliary agent is 2% by mass or more and 10% by mass or less with respect to the total weight of the active material layer.
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