JP2015125949A - Lithium ion secondary 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。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery.
近年の電子機器、特に携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ビデオカメラなどの携帯用情報機器の発達や普及に伴い、小型、軽量で、かつエネルギー密度が高い二次電池の需要が大きく伸張し、なお、高性能化の検討がなされている。また、今後は自動車用等の大型電池での利用の拡大が期待されている。このような二次電池として特にリチウムイオン二次電池が注目されている。 With the development and popularization of portable information devices such as mobile phones, notebook personal computers, and video cameras in recent years, the demand for secondary batteries that are small, lightweight, and have high energy density has greatly increased. Considering higher performance. In the future, the use of large batteries for automobiles is expected to expand. As such a secondary battery, a lithium ion secondary battery is particularly attracting attention.
リチウムイオン二次電池の一般的な構造は、リチウム−コバルト複合酸化物などの正極活物質粉末、導電性粉末、及びバインダからなる正極活物質層をアルミニウム箔からなる正極集電体表面に形成してなる正極と、炭素系の負極活物質粉末、及びバインダからなる負極活物質層を銅箔からなる負極集電体表面に形成してなる負極を、多孔質のフィルムからなるセパレータを介して重ね、電解液を含浸し発電素子としたものである。 The general structure of a lithium ion secondary battery is that a positive electrode active material layer made of a positive electrode active material powder such as lithium-cobalt composite oxide, a conductive powder, and a binder is formed on the surface of a positive electrode current collector made of aluminum foil. A negative electrode formed by forming a negative electrode active material layer made of a copper foil and a negative electrode active material layer made of a copper foil on a surface of a negative electrode current collector made of a porous film. The power generation element is impregnated with an electrolytic solution.
電解液には、非プロトン性有機溶媒にLiBF4、LiPF6、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3、Li2SiF6などのLi電解質を溶解させた溶液が用いられる。リチウムイオン二次電池では、電解液は正極と負極間のイオンの受け渡しをする役割を担う。電池の高レート特性を向上するには正極と負極間のイオンの受け渡し速度をなるべく高める必要があり、電解液のイオン導電性を高くすることや、電解液の粘度を低くして、拡散による物質移動を起りやすくする必要がある。 As the electrolytic solution, a solution in which a Li electrolyte such as LiBF 4 , LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , or Li 2 SiF 6 is dissolved in an aprotic organic solvent is used. In the lithium ion secondary battery, the electrolyte plays a role of transferring ions between the positive electrode and the negative electrode. In order to improve the high rate characteristics of the battery, it is necessary to increase the ion transfer rate between the positive electrode and the negative electrode as much as possible. The ion conductivity of the electrolytic solution is increased, the viscosity of the electrolytic solution is decreased, and the substance caused by diffusion It is necessary to make movement easier.
このような要件を満たす電解液として、一般的には、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネートなどの高誘電率カーボネート溶媒と、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートやジメチルカーボネートなどの低粘度カーボネート溶媒の混合溶媒にLiPF6などのリチウム塩を溶解したものが使用されている。 As an electrolytic solution satisfying such requirements, generally, LiPF 6 is used in a mixed solvent of a high dielectric constant carbonate solvent such as propylene carbonate or ethylene carbonate and a low viscosity carbonate solvent such as diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate or dimethyl carbonate. What dissolved lithium salt, such as, is used.
しかしながら、電池を使用している間に、正極もしくは負極表面で電解液が分解し、その分解物がイオン導電性を低下させるという問題があった。分解物によるイオン導電性の低下を防ぐ方法として、フッ素化シラン化合物を電解液に添加する方法が提案されているが、高レート特性を向上させるにはまだ不十分なイオン導電性であった(特許文献1参照)。 However, while using the battery, there was a problem that the electrolytic solution was decomposed on the surface of the positive electrode or the negative electrode, and the decomposition product lowered the ionic conductivity. A method of adding a fluorinated silane compound to the electrolytic solution has been proposed as a method for preventing degradation of ionic conductivity due to decomposition products, but the ionic conductivity is still insufficient to improve high rate characteristics ( Patent Document 1).
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、電解液のイオン導電性を向上させ、高レート特性に優れたリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said subject, and it aims at providing the lithium ion secondary battery which improved the ionic conductivity of electrolyte solution and was excellent in the high rate characteristic.
本発明にかかるリチウムイオン二次電池は、正極、負極、セパレータ及び電解液を含み、電解液には、化学式(1)および化学式(2)で示される化合物のうち少なくとも一方を含むことを特徴とする。 A lithium ion secondary battery according to the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolytic solution, and the electrolytic solution includes at least one of compounds represented by chemical formula (1) and chemical formula (2). To do.
〔化学式(1)において、R1、R2およびR3は炭素数1〜4のアルキル基を表し、R4、R5、R6およびR7は水素原子または炭素数1〜4のアルキル基を表す。〕
[In the chemical formula (1), R1, R2 and R3 represent an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and R4, R5, R6 and R7 represent a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms. ]
〔化学式(2)において、R8およびR9は炭素数1〜4のアルキル基を表す。〕
[In chemical formula (2), R8 and R9 represent a C1-C4 alkyl group. ]
化学式(1)もしくは化学式(2)で示される化合物のSO3CF3基が電解液中で配列し、さらには、CF3基の電子吸引性に起因する負電荷にリチウムイオンが引き寄せられ、配列したSO3CF3基に沿うようにリチウムイオンが動くことで、イオン導電性が向上するものと推測される。すなわち、リチウムイオンの動きがスムーズになることで、高レート特性が向上するものと推測される。 The SO 3 CF 3 group of the compound represented by the chemical formula (1) or the chemical formula (2) is arranged in the electrolytic solution, and further, lithium ions are attracted to the negative charge resulting from the electron withdrawing property of the CF 3 group. It is estimated that the ionic conductivity is improved by the movement of lithium ions along the SO 3 CF 3 group. That is, it is estimated that the high rate characteristics are improved by smooth movement of lithium ions.
本発明にかかるリチウムイオン二次電池は、上述の化合物が電解液中に、0.1〜10質量%含まれることを特徴とする。 The lithium ion secondary battery according to the present invention is characterized in that the above-described compound is contained in an amount of 0.1 to 10% by mass in the electrolytic solution.
添加量を上述の範囲とすることで、より効果的に高レート特性を向上させることが可能となる。 By setting the addition amount in the above range, it is possible to improve the high rate characteristics more effectively.
本発明によれば、高レート特性に優れたリチウムイオン二次電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the lithium ion secondary battery excellent in the high rate characteristic can be provided.
以下、図面を参照しながら本実施形態の好適な実施形態について説明する。ただし、本発明にかかるリチウムイオン二次電池は、以下の実施形態に限定されるものではない。なお、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present embodiment will be described with reference to the drawings. However, the lithium ion secondary battery according to the present invention is not limited to the following embodiments. In addition, the dimensional ratio of drawing is not restricted to the ratio of illustration.
(リチウムイオン二次電池)
続いて、本実施形態に係る電極、及びリチウムイオン二次電池について図1を参照して簡単に説明する。
(Lithium ion secondary battery)
Next, the electrode and the lithium ion secondary battery according to this embodiment will be briefly described with reference to FIG.
リチウムイオン二次電池100は、主として、発電要素30、発電要素30を密閉した状態で収容するケース50、及び発電要素30に接続された一対のリード60,62を備えている。
The lithium ion
発電要素30は、一対の電極10、20がセパレータ18を挟んで対向配置されたものである。正極10は、正極集電体12上に正極活物質層14が設けられたものである。負極20は、負極集電体22上に負極活物質層24が設けられたものである。正極活物質層14及び負極活物質層24がセパレータ18の両側にそれぞれ接触している。正極活物質層14、負極活物質層24、及び、セパレータ18の内部に電解液が含有されている。正極集電体12及び負極集電体22の端部には、それぞれリード60,62が接続されており、リード60,62の端部はケース50の外部にまで延びている。
The power generation element 30 is configured such that a pair of
(電解液)
電解液は、溶媒と、電解質と、添加化合物として化学式(1)および化学式(2)で示される化合物のうち少なくとも一方を含む。
(Electrolyte)
The electrolytic solution contains at least one of a solvent, an electrolyte, and a compound represented by chemical formula (1) and chemical formula (2) as an additive compound.
〔化学式(1)において、R1、R2およびR3は炭素数1〜4のアルキル基を表し、R4、R5、R6およびR7は水素原子または炭素数1〜4のアルキル基を表す。〕
[In the chemical formula (1), R1, R2 and R3 represent an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and R4, R5, R6 and R7 represent a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms. ]
〔化学式(2)において、R8およびR9は炭素数1〜4のアルキル基を表す。〕
[In chemical formula (2), R8 and R9 represent a C1-C4 alkyl group. ]
溶媒は、環状カーボネートと、低粘度溶媒と、を含有していることが好ましい。環状カーボネートは解質であるリチウム塩の解離を促す様、誘電率が20以上であることを特徴とする。低粘度溶媒はリチウムイオンの移動度を改善する様、粘度が1.0cP以下である有機溶媒のことを指す。 It is preferable that the solvent contains a cyclic carbonate and a low viscosity solvent. The cyclic carbonate is characterized by having a dielectric constant of 20 or more so as to promote dissociation of lithium salt as a denatured material. A low viscosity solvent refers to an organic solvent having a viscosity of 1.0 cP or less so as to improve the mobility of lithium ions.
環状カーボネートとしては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート及びブチレンカーボネートなどを用いることができ、中でもエチレンカーボネートを含むことが好ましい。エチレンカーボネートをプロピレンカーボネートやブチレンカーボネートと混合して使用してもよい。 As the cyclic carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and the like can be used. Among them, ethylene carbonate is preferably included. You may mix and use ethylene carbonate with propylene carbonate and butylene carbonate.
また、低粘度溶媒として、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、γ−ブチロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタンなどを用いることができ、これら低粘度溶媒を2種以上を混合して用いてもよい。 Further, as a low viscosity solvent, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, ethyl propyl carbonate, methyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, γ-butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, 1,2- Diethoxyethane or the like can be used, and two or more of these low-viscosity solvents may be mixed and used.
非水溶媒中の環状カーボネートと低粘度溶媒の割合は体積にして1:9〜1:1にすることが好ましい。 The ratio of the cyclic carbonate and the low viscosity solvent in the non-aqueous solvent is preferably 1: 9 to 1: 1 by volume.
電解質としては、LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiPOF2、LiAsF6、LiCF3SO3、LiCF3CF2SO3、LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiN(CF3CF2CO)2等が挙げられ、2種以上を混合して用いてもよい。特に、導電性が高くなるLiPF6を含むことが好ましい。 The electrolytes include LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiPOF 2 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CF 2 SO 3 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN. (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ), LiN (CF 3 CF 2 CO) 2 and the like may be mentioned, and two or more kinds may be mixed and used. Good. In particular, it is preferable to include LiPF 6 that increases conductivity.
LiPF6を非水溶媒に溶解する際は、非水電解液中の電解質の濃度を、0.5〜2.0mol/Lに調整することが好ましい。電解質の濃度が0.5mol/L以上であると、非水電解液の導電性を充分に確保することができ、充放電時に十分な容量が得られやすい。また、電解質の濃度を2.0mol/L以内に抑えることで、非水電解液の粘度上昇を抑え、リチウムイオンの移動度を充分に確保することができ、充放電時に十分な容量が得られやすくなる。 When LiPF 6 is dissolved in a non-aqueous solvent, the concentration of the electrolyte in the non-aqueous electrolyte is preferably adjusted to 0.5 to 2.0 mol / L. When the concentration of the electrolyte is 0.5 mol / L or more, the conductivity of the nonaqueous electrolytic solution can be sufficiently secured, and a sufficient capacity can be easily obtained during charging and discharging. In addition, by suppressing the electrolyte concentration to within 2.0 mol / L, it is possible to suppress an increase in the viscosity of the non-aqueous electrolyte, to sufficiently secure the mobility of lithium ions, and to obtain a sufficient capacity during charging and discharging. It becomes easy.
LiPF6をその他の電解質と混合する場合にも、非水電解液中のリチウムイオン濃度を0.5〜2.0mol/Lに調整することが好ましく、LiPF6からのリチウムイオン濃度がその50mol%以上含まれることがさらに好ましい。 Even when LiPF 6 is mixed with other electrolytes, the lithium ion concentration in the non-aqueous electrolyte is preferably adjusted to 0.5 to 2.0 mol / L, and the lithium ion concentration from LiPF 6 is 50 mol%. More preferably, it is contained.
LiPF6が水分と反応して生成するフッ化水素またはフッ素イオンは、非水電解液中に50ppm以下であることが好ましく、30ppm以下であることがさらに好ましい。そのためにも、非水電解液中の水分は50ppm以下であることが好ましく、30ppm以下であることがさらに好ましい。 Hydrogen fluoride or fluorine ions produced by the reaction of LiPF 6 with moisture is preferably 50 ppm or less, more preferably 30 ppm or less in the non-aqueous electrolyte. Therefore, the water content in the non-aqueous electrolyte is preferably 50 ppm or less, and more preferably 30 ppm or less.
化学式(1)および化学式(2)で示される化合物のうち少なくとも一方を含有することによる効果発現のメカニズムははっきりとしないが、本発明者らは以下のように考えている。 Although the mechanism of the effect expression by containing at least one of the compounds represented by the chemical formula (1) and the chemical formula (2) is not clear, the present inventors consider as follows.
図2は、化学式(1)で示される化合物を含有することによる効果発現のメカニズムを示した模式図である。化学式(1)で示される化合物は、Si原子とSO3CF3基の間に芳香族環を介しており、Si原子同士、および芳香族環同士のπ電子共役系による高密度パッキングの相互作用により、電解液中で会合状態を取りやすいと考えられる。そのような会合状態を形成することで、SO3CF3基も配列することになり、CF3基の電子吸引性に起因する負電荷にリチウムイオンが引き寄せられ、配列したSO3CF3基に沿うようにリチウムイオンが動くことで、イオン導電性が向上するものと推測される。 FIG. 2 is a schematic diagram showing a mechanism of effect expression by containing the compound represented by the chemical formula (1). In the compound represented by the chemical formula (1), an aromatic ring is interposed between the Si atom and the SO 3 CF 3 group, and the interaction of high-density packing due to the π-electron conjugated system between the Si atoms and between the aromatic rings. Therefore, it is considered that an association state is easily obtained in the electrolytic solution. By forming such an association state, SO 3 CF 3 groups are also arranged, and lithium ions are attracted to the negative charge due to the electron withdrawing property of the CF 3 groups, and the arranged SO 3 CF 3 groups are attracted to the arranged SO 3 CF 3 groups. It is presumed that the ionic conductivity is improved by the movement of lithium ions along the line.
図3は、化学式(2)で示される化合物を含有することによる効果発現のメカニズムを示した模式図である。化学式(2)で示される化合物は、Si原子を挟んでSO3CF3基が対称に配置した構造であり、Si原子同士の相互作用および対称構造により、電解液中で会合状態を取りやすいと考えられる。そのような会合状態を形成することで、SO3CF3基が配列することになり、CF3基の電子吸引性に起因する負電荷にリチウムイオンが引き寄せられ、配列したSO3CF3基に沿うようにリチウムイオンが動くことで、イオン導電性が向上するものと推測される。 FIG. 3 is a schematic diagram showing a mechanism of effect expression by containing the compound represented by the chemical formula (2). The compound represented by the chemical formula (2) has a structure in which SO 3 CF 3 groups are arranged symmetrically with Si atoms in between, and it is easy to assume an association state in the electrolyte solution due to the interaction and symmetrical structure of Si atoms. Conceivable. By forming such an association state, SO 3 CF 3 groups are arranged, and lithium ions are attracted to the negative charge due to the electron withdrawing properties of the CF 3 groups, and the arranged SO 3 CF 3 groups are attracted to the arranged SO 3 CF 3 groups. It is presumed that the ionic conductivity is improved by the movement of lithium ions along the line.
これに対し、Si原子を挟んでSO3CF3基が対称に配置していない構造(例えば、トリフルオロメタンスルホン酸トリメチルシリル)では、電解液溶媒と界面活性剤のようなミセル構造を取りやすく、イオン導電性に優れた配列構造を取りにくいと考えられる。その結果、リチウムイオンの動きがスムーズとはならず、高レート特性の向上が困難となる。図4に模式図を示す。 On the other hand, in the structure where the SO 3 CF 3 group is not symmetrically arranged with the Si atom in between (for example, trimethylsilyl trifluoromethanesulfonate), it is easy to take a micellar structure such as an electrolyte solvent and a surfactant. It is thought that it is difficult to obtain an array structure with excellent conductivity. As a result, the movement of lithium ions is not smooth, and it is difficult to improve the high rate characteristics. FIG. 4 shows a schematic diagram.
このように、本実施形態の化合物を添加剤として用いることで、電解液中でのイオン導電性が向上し、すなわち、リチウムイオンの動きがスムーズになることで、高レート特性を向上させることが出来る。 Thus, by using the compound of this embodiment as an additive, the ionic conductivity in the electrolytic solution is improved, that is, the movement of lithium ions is smoothed, thereby improving the high rate characteristics. I can do it.
上述の化合物の含有量は0.1〜10質量%が好ましい。 The content of the above-mentioned compound is preferably 0.1 to 10% by mass.
添加量を上述の範囲とすることで、より効果的に高レート特性を向上させることが可能となる。 By setting the addition amount in the above range, it is possible to improve the high rate characteristics more effectively.
(正極)
正極10は、正極集電体12の両面に正極活物質層14を備えて構成されている。さらに正極活物質層14は、正極活物質材料と、導電助剤と、結着剤とを含む塗料を正極集電体12に塗布することによって形成されている。
(Positive electrode)
The
正極活物質材料は、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入(インターカレーション)、又は、リチウムイオンと該リチウムイオンのカウンターアニオン(例えば、PF6 −)とのドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知の電極活物質材料を使用できる。例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、リチウムマンガンスピネル(LiMn2O4)、一般式:LiNixCoyMnzO2(x+y+z=1)やLiaNixCoyAl1−x−yO2(0.98<a<1.2、0<x,y<1)で表される複合金属酸化物、オリビン型LiMPO4(ただし、Mは、Co、Ni、Mn、FeまたはVを示す)等の複合金属酸化物が挙げられる。 The positive electrode active material is composed of lithium ion occlusion and release, lithium ion desorption and insertion (intercalation), or doping and dedoping of a lithium ion and a counter anion (for example, PF 6 − ) of the lithium ion. Is not particularly limited as long as it can reversibly proceed, and a known electrode active material can be used. For example, lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganese spinel (LiMn 2 O 4 ), general formula: LiNi x Co y Mn z O 2 (x + y + z = 1) or Li a Ni x Co y Al 1-xy O 2 (0.98 <a <1.2, 0 <x, y <1) A composite metal oxide, olivine-type LiMPO 4 (where M is Co, Ni , Mn, Fe, or V)).
導電助剤は特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、カーボンブラックのような熱分解炭素、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成材料、炭素繊維、あるいは活性炭などの炭素材が挙げられる。また、難黒鉛化性炭素、易黒鉛化性炭素、黒鉛などの負極活物質材料を、形状を変えて添加してもよい。 The conductive auxiliary agent is not particularly limited, and a known conductive auxiliary agent can be used. Examples thereof include carbon materials such as pyrolytic carbon such as carbon black, cokes, glassy carbons, organic polymer compound fired materials, carbon fibers, and activated carbon. Moreover, you may add negative electrode active material materials, such as non-graphitizable carbon, easily graphitizable carbon, and graphite, changing a shape.
カーボンブラックとしては、特に、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等が好ましく、ケッチェンブラックが特に好ましい。電子伝導性の多孔体を含有させることにより正極活物質材料の粒子と結着剤の界面に空孔を形成でき、その空孔により正極活物質層14への電解液の染み込みを容易にするので好ましい。
As carbon black, acetylene black, ketjen black and the like are particularly preferable, and ketjen black is particularly preferable. By including an electron conductive porous body, pores can be formed at the interface between the positive electrode active material material particles and the binder, and the penetration of the electrolyte into the positive electrode
結着剤は、前述の正極活物質材料の粒子と導電助剤の粒子とを結着可能なものであれば特に限定されない。例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等のフッ素樹脂が挙げられる。また、この結着剤は、前述の正極活物質材料の粒子と導電助剤の粒子との結着のみならず、正極集電体12への結着に対しても寄与している。
The binder is not particularly limited as long as it can bind the particles of the positive electrode active material and the particles of the conductive additive. For example, a fluororesin such as polyvinylidene fluoride (PVDF) can be used. Further, the binder contributes not only to the binding of the particles of the positive electrode active material and the particles of the conductive auxiliary agent, but also to the binding to the positive electrode
正極集電体12は、リチウムイオン二次電池用の集電体に使用されている各種公知の金属箔を用いることができる。具体的には、アルミニウム箔を用いることが好ましい。
As the positive electrode
(負極)
負極20は、負極集電体22の両面に負極活物質層24を備えて構成されている。さらに、負極活物質層24は、負極活物質材料と、導電助剤と、結着剤とを含む塗料を負極集電体22に塗布することによって形成されている。
(Negative electrode)
The
負極活物質材料は、天然黒鉛、人造黒鉛(難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温度焼成炭素等)、MCF(メソカーボンファイバ)等の炭素材から選ばれる少なくとも1種を含んでいる。中でも、良好な負極容量及びサイクル特性を示すことから人造黒鉛が好ましく、電極密度向上の観点から、人造黒鉛を天然黒鉛と混合して使用することが更に好ましい。その他、例えば、Al、Si、Sn等のリチウムと化合物を形成することのできる金属、SiO2、SnO2等の酸化物を主体とする非晶質の化合物、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)など公知の負極活物質材料を炭素材と混合させて使用してもよい。 The negative electrode active material includes at least one selected from carbon materials such as natural graphite, artificial graphite (non-graphitizable carbon, graphitizable carbon, low-temperature calcined carbon, etc.), MCF (mesocarbon fiber), and the like. Among these, artificial graphite is preferable because it exhibits a favorable negative electrode capacity and cycle characteristics, and from the viewpoint of improving electrode density, it is more preferable to use artificial graphite mixed with natural graphite. In addition, for example, a metal capable of forming a compound with lithium such as Al, Si and Sn, an amorphous compound mainly composed of an oxide such as SiO 2 and SnO 2 , lithium titanate (Li 4 Ti 5 O A known negative electrode active material such as 12 ) may be mixed with a carbon material.
更に、負極活物質材料以外の各構成要素(導電助剤、結着剤)は、正極10で使用されるものと同様の物質を使用することができる。したがって、負極20に含まれる結着剤も、前述の正極活物質材料の粒子と導電助剤の粒子との結着のみならず、負極集電体22への結着に対しても寄与している。
Furthermore, the same material as that used for the
負極集電体22は、リチウムイオン二次電池用の集電体に使用されている各種公知の金属箔を用いることができる。具体的には、銅箔を用いることが好ましい。 As the negative electrode current collector 22, various known metal foils used for current collectors for lithium ion secondary batteries can be used. Specifically, it is preferable to use a copper foil.
(セパレータ)
セパレータ18は絶縁性の多孔体から形成されていれば、材料、製法等は特に限定されず、リチウムイオン二次電池100に用いられている公知のセパレータを使用することができる。例えば、絶縁性の多孔体としては、公知のポリオレフィン樹脂、具体的にはポリエチレン、ポリプロピレン、1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン、1−ヘキセンなどを重合した結晶性の単独重合体または共重合体が挙げられる。これらの単独重合体または共重合体は、1種を単独で使用することができるが、2種以上のものを混合して用いてもよい。また、単層であっても複層であってもよい。
(Separator)
As long as the separator 18 is formed of an insulating porous material, the material, the manufacturing method, and the like are not particularly limited, and a known separator used in the lithium ion
ケース50は、その内部に発電要素30及び電解質溶液を密封するものである。ケース50は、電解質溶液の外部への漏出や、外部からのリチウムイオン二次電池100内部への水分等の侵入等を抑止できる物であれば特に限定されない。例えば、ケース50として、図1に示すように、金属箔52を高分子膜54で両側からコーティングした金属ラミネートフィルムを利用できる。金属箔52としては例えばアルミ箔を、合成樹脂膜54としてはポリプロピレン等の膜を利用できる。例えば、外側の高分子膜54の材料としては融点の高い高分子例えばポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアミド等が好ましく、内側の高分子膜54の材料としてはポリエチレン、ポリプロピレン等が好ましい。
The
リード60,62は、アルミやニッケル等の導電材料から形成されている。 The leads 60 and 62 are made of a conductive material such as aluminum or nickel.
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明について更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated in more detail, this invention is not limited to these Examples at all.
以下に示す手順により、実施例1〜21、比較例1〜3および参考例1〜2のリチウムイオン二次電池を作製し、評価を行った。 The lithium ion secondary batteries of Examples 1 to 21, Comparative Examples 1 to 3, and Reference Examples 1 to 2 were prepared and evaluated according to the following procedure.
(実施例1)
まず、正極を作製した。正極の作製においても、正極活物質材料としてLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(90質量%)、導電助剤としてカーボンブラック(6質量%)、結着剤としてPVDF(4質量%)を混合し、NMP中に分散させ、スラリーを得た。得られたスラリーを集電体であるアルミニウム箔に塗布して乾燥させ、圧延を行い、正極を得た。
Example 1
First, a positive electrode was produced. Also in the production of the positive electrode, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (90% by mass) as the positive electrode active material, carbon black (6% by mass) as the conductive additive, and PVDF (4 as the binder) (Mass%) was mixed and dispersed in NMP to obtain a slurry. The obtained slurry was applied to an aluminum foil as a current collector, dried, rolled, and a positive electrode was obtained.
次に、負極を作製した。負極の作製においては、先ず、負極活物質材料として人造黒鉛(90質量%)、導電助剤としてカーボンブラック(2質量%)、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFという。)(8質量%)を混合し、溶剤のN−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPという。)中に分散させ、スラリーを得た。得られたスラリーをドクターブレード法により集電体である電解銅箔に塗布し、110℃で乾燥させた。乾燥後に圧延を行い、負極を得た。 Next, a negative electrode was produced. In the production of the negative electrode, first, artificial graphite (90% by mass) as a negative electrode active material, carbon black (2% by mass) as a conductive auxiliary, and polyvinylidene fluoride (hereinafter referred to as PVDF) (8% by mass) as a binder. %) Was mixed and dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter referred to as NMP) as a solvent to obtain a slurry. The obtained slurry was applied to an electrolytic copper foil as a current collector by a doctor blade method and dried at 110 ° C. After drying, rolling was performed to obtain a negative electrode.
次に、電解液を調製した。エチレンカーボネート、ジエチルカーボネートを体積比3:7で混合した溶液中に、LiPF6を1.0mol/Lの割合で添加した。この電解液の全体に、化学式(1)で示される化合物として、R1、R2、R3およびR4がCH3基であり、R5、R6およびR7が水素原子である化合物を添加化合物として0.05質量%含まれるように添加して電解液を得た。 Next, an electrolytic solution was prepared. LiPF 6 was added at a rate of 1.0 mol / L in a solution in which ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 3: 7. In the entire electrolyte solution, 0.05 mass of the compound represented by the chemical formula (1) is added as a compound in which R1, R2, R3, and R4 are CH 3 groups, and R5, R6, and R7 are hydrogen atoms. % Was added to obtain an electrolytic solution.
〔化学式(1)において、R1、R2、R3およびR4はCH3基を表し、R5、R6およびR7は水素原子を表す。〕
[In the chemical formula (1), R 1, R 2, R 3 and R 4 represent a CH 3 group, and R 5,
得られた負極及び正極の間にポリエチレンからなるセパレータを挟んで積層し積層体(素体)を得た。得られた積層体をアルミラミネートパックに入れ、このアルミラミネートパックに非水電解液を注入した後に真空シールし、リチウムイオン二次電池(縦:60mm、横:85mm、厚さ:3mm)を作製した。 A laminated body (element body) was obtained by laminating a separator made of polyethylene between the obtained negative electrode and positive electrode. The obtained laminate is placed in an aluminum laminate pack, a non-aqueous electrolyte is injected into the aluminum laminate pack, and then vacuum-sealed to produce a lithium ion secondary battery (length: 60 mm, width: 85 mm, thickness: 3 mm). did.
(実施例2〜21及び比較例1〜3)
電解液に含有する添加化合物として化学式(1)で示される化合物のR1からR7または、化学式(2)で示される化合物のR8からR9を表1に示すように変更し含有量を表1に示すように変えた以外は、実施例1と同様にして実施例2〜21のリチウムイオン二次電池を作製した。また、添加化合物として、化学式(3)〜(5)の化合物を用い、添加量を4.0質量%とする以外は実施例1と同様にして比較例1〜3のリチウムイオン二次電池を作製した。
(Examples 2 to 21 and Comparative Examples 1 to 3)
As an additive compound contained in the electrolytic solution, R1 to R7 of the compound represented by the chemical formula (1) or R8 to R9 of the compound represented by the chemical formula (2) are changed as shown in Table 1, and the contents are shown in Table 1. Except for this change, lithium ion secondary batteries of Examples 2 to 21 were produced in the same manner as Example 1. Further, the lithium ion secondary batteries of Comparative Examples 1 to 3 were used in the same manner as in Example 1 except that the compounds represented by the chemical formulas (3) to (5) were used as additive compounds and the addition amount was 4.0% by mass. Produced.
〔化学式(2)において、R8およびR9は炭素数1〜4のアルキル基を表す。〕
[In chemical formula (2), R8 and R9 represent a C1-C4 alkyl group. ]
(参考例1)
正極活物質材料をLiCoO2に変更する以外は、実施例4と同様にして参考例1のリチウムイオン二次電池を作製した。
(Reference Example 1)
A lithium ion secondary battery of Reference Example 1 was produced in the same manner as in Example 4 except that the positive electrode active material was changed to LiCoO 2 .
(参考例2)
負極活物質材料をSiO2に変更する以外は、実施例14と同様にして参考例2のリチウムイオン二次電池を作製した。
(Reference Example 2)
Except for changing the negative electrode active material material SiO 2 was to prepare a lithium ion secondary battery of Example 2 in the same manner as in Example 14.
(初期充放電)
実施例1〜21、比較例1〜3および参考例1〜2で得られたリチウムイオン二次電池について、恒温槽にて25℃に設定された環境下で初回の充電を行い、その直後に初回放電を行った。なお、充電は30mAで4.2Vまで定電流定電圧充電を行い、放電は30mAで2.5Vまで定電流放電を行った。
(Initial charge / discharge)
About the lithium ion secondary battery obtained in Examples 1-21, Comparative Examples 1-3, and Reference Examples 1-2, the first charge was performed in the environment set to 25 degreeC in the thermostat, and immediately after that First discharge was performed. The charging was performed at a constant current and constant voltage up to 4.2 V at 30 mA, and the discharging was performed at a constant current of 2.5 mA at 30 mA.
(レート特性の測定)
初期充放電を終えたリチウムイオン二次電池について、1C(25℃で定電流放電を行ったときに1時間で放電終了となる電流値)から10C(25℃で定電流放電を行ったときに0.1時間で放電終了となる電流値)までの放電容量を測定した。1Cでの放電容量を100%とした場合の5Cでの放電容量の比率(%)を高レート特性として求めた。実施例1〜21および参考例1〜2の結果を表1に、比較例1〜3の結果を表2に示す。
(Measurement of rate characteristics)
For lithium ion secondary batteries that have undergone initial charge / discharge, from 1C (current value at which discharge is completed in 1 hour when constant current discharge is performed at 25 ° C.) to 10C (when constant current discharge is performed at 25 ° C.) The discharge capacity was measured up to the current value at which discharge was completed in 0.1 hour. The ratio (%) of the discharge capacity at 5C when the discharge capacity at 1C is 100% was determined as the high rate characteristic. The results of Examples 1-21 and Reference Examples 1-2 are shown in Table 1, and the results of Comparative Examples 1-3 are shown in Table 2.
実施例1〜21と比較例1〜3との比較より、電解液が、化学式(1)および化学式(2)で示される化合物のうち少なくとも一方を含有することにより、高レート特性を得られることが確認できた。 From comparison between Examples 1 to 21 and Comparative Examples 1 to 3, the electrolyte solution can obtain high rate characteristics by containing at least one of the compounds represented by chemical formula (1) and chemical formula (2). Was confirmed.
また、実施例1〜6および実施例11〜16より、電解液が、化学式(1)および化学式(2)で示される化合物のうち少なくとも一方を0.1質量%〜10質量%含有することにより、より良好な高レート特性を得られることが確認できた。 Moreover, by Examples 1-6 and Examples 11-16, electrolyte solution contains 0.1 mass%-10 mass% of at least one among the compounds shown by Chemical formula (1) and Chemical formula (2). It was confirmed that better high rate characteristics could be obtained.
参考例1〜2より、電解液が、化学式(1)および化学式(2)で示される化合物のうち少なくとも一方を含有することにより、正極活物質材料や負極活物質材料によらず高レート特性を得られることが確認できた。 From Reference Examples 1 and 2, when the electrolytic solution contains at least one of the compounds represented by the chemical formula (1) and the chemical formula (2), high rate characteristics can be obtained regardless of the positive electrode active material or the negative electrode active material. It was confirmed that it was obtained.
10・・・正極、20・・・負極、12・・・正極集電体、14・・・正極活物質層、18・・・セパレータ、22・・・負極集電体、24・・・負極活物質層、30・・・発電要素、50・・・ケース、52・・・金属箔、54・・・高分子膜、60,62・・・リード、100・・・リチウムイオン二次電池
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記電解液には、化学式(1)および化学式(2)で示される化合物のうち少なくとも一方を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池。
The lithium ion secondary battery, wherein the electrolytic solution contains at least one of compounds represented by chemical formula (1) and chemical formula (2).
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