JP2015170477A - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonaqueous electrolyte secondary battery having a positive electrode of which the operating potential is 4.3 V or higher based on metallic lithium, and having superior input and output characteristics and high durability.SOLUTION: In a nonaqueous electrolyte secondary battery, the upper-limit operating potential of a positive electrode is 4.3 V or higher based on metallic lithium. The positive electrode includes a positive electrode active material, and a carbon-deposited phosphate compound. The carbon-deposited phosphate compound is arranged by depositing a conducting carbon on at least part of the surface of an ion-conducting inorganic phosphate compound. According to a preferred embodiment, the inorganic phosphate compound includes a phosphate of an alkali metal element and/or Group II element (typically, an alkali-earth metal element).

Description

本発明は、非水電解液二次電池に関する。より詳しくは、正極の作動上限電位が金属リチウム基準で4.3V以上に設定されている該電池に関する。   The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery. More specifically, the present invention relates to the battery in which the operating upper limit potential of the positive electrode is set to 4.3 V or more based on metallic lithium.

リチウムイオン二次電池等の非水電解液二次電池は、既存の電池に比べて軽量かつエネルギー密度が高いことから、いわゆるポータブル電源や車両搭載用の高出力電源等に好ましく利用されている。
このような非水電解液二次電池では、性能向上の一環として更なる高エネルギー密度化が検討されている。かかる高エネルギー密度化は、例えば正極の作動電位を従来に比べて高く設定することで実現し得る。しかしながら、正極の作動上限電位を金属リチウム基準で凡そ4.3V以上に設定した場合、正極が高電位となる影響で電池特性(典型的には耐久性、例えば高温サイクル特性)が低下することがある。
これに関連する技術として、特許文献1には、活物質粒子の表面をリチウムイオン伝導性ガラスで被覆することによって、高電位状態における非水電解液の分解反応を抑制し、自己放電特性の改善や高温放置時の電池膨れの低減を行い得ることが開示されている。
Nonaqueous electrolyte secondary batteries such as lithium ion secondary batteries are preferably used for so-called portable power supplies, high-output power supplies for vehicles, and the like because they are lighter and have higher energy density than existing batteries.
In such a non-aqueous electrolyte secondary battery, higher energy density has been studied as part of performance improvement. Such an increase in energy density can be realized by setting the positive electrode operating potential higher than in the prior art, for example. However, when the upper limit operating potential of the positive electrode is set to about 4.3 V or more on the basis of metallic lithium, battery characteristics (typically durability, for example, high temperature cycle characteristics) may be deteriorated due to the positive electrode having a high potential. is there.
As a technology related to this, Patent Document 1 discloses that the surface of the active material particles is coated with lithium ion conductive glass, thereby suppressing the decomposition reaction of the non-aqueous electrolyte in a high potential state and improving the self-discharge characteristics. In addition, it is disclosed that battery swelling during standing at high temperatures can be reduced.

特開2003−173770号公報JP 2003-173770 A

しかしながら、リチウムイオン伝導性ガラスは、一般的に電子伝導性が極めて低い。このため、特許文献1のように活物質粒子の表面をリチウムイオン伝導性ガラスで被覆してしまうと、活物質層内の電子伝導性が阻害されて抵抗が増大することがある。かかる抵抗の増大は、とりわけハイレート充放電を繰り返す態様で使用される電池(例えば車両の動力源として用いられる電池)で問題となり、入出力特性の低下を招来し得る。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、正極の作動上限電位が金属リチウム基準で4.3V以上に設定されているエネルギー密度の高い非水電解液二次電池であって、優れた入出力特性と高い耐久性とを兼ね備える非水電解液二次電池を提供することである。
However, lithium ion conductive glass generally has very low electronic conductivity. For this reason, when the surface of the active material particles is covered with lithium ion conductive glass as in Patent Document 1, the electron conductivity in the active material layer may be inhibited and the resistance may increase. Such an increase in resistance becomes a problem especially in a battery (for example, a battery used as a power source of a vehicle) used in a mode in which high-rate charging / discharging is repeated, and may cause a decrease in input / output characteristics.
The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high energy density in which the operating upper limit potential of the positive electrode is set to 4.3 V or higher with respect to metallic lithium. Thus, a non-aqueous electrolyte secondary battery having both excellent input / output characteristics and high durability is provided.

ここに開示される非水電解液二次電池は、正極と負極と非水電解液とを備えている。上記正極は、作動上限電位が金属リチウム基準で4.3V以上である。また、上記正極は、正極活物質と炭素付着リン酸化合物とを含んでいる。炭素付着リン酸化合物は、イオン伝導性を有する無機リン酸化合物の少なくとも一部の表面に導電性炭素が付着した形態(好ましくは無機リン酸化合物の表面が導電性炭素で被覆された形態)である。
また、好適な一態様では、上記無機リン酸化合物がアルカリ金属元素および/または第2族元素(典型的にはアルカリ土類金属元素)のリン酸塩である。
The non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed herein includes a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte. The positive electrode has an operating upper limit potential of 4.3 V or more based on metallic lithium. The positive electrode includes a positive electrode active material and a carbon-attached phosphate compound. The carbon-attached phosphate compound is a form in which conductive carbon is attached to at least a part of the surface of the inorganic phosphate compound having ion conductivity (preferably a form in which the surface of the inorganic phosphate compound is coated with conductive carbon). is there.
In a preferred embodiment, the inorganic phosphate compound is a phosphate of an alkali metal element and / or a Group 2 element (typically an alkaline earth metal element).

正極の作動上限電位を4.3V以上とすることで、正負極間の電位差(電圧)を大きくすることができ、高エネルギー密度の電池を実現することができる。また、正極に無機リン酸化合物を備えることで、以下の効果:(1)高電位状態における非水電解液(典型的には該電解液中に含まれる支持塩、例えばLiPF)の分解反応(加水分解反応)が抑制される;(2)支持塩(例えばLiPF)の加水分解によって生成されるフッ酸(HF)が無機リン酸化合物中に捕捉(トラップ)され、非水電解液の酸性度が緩和される;のうち少なくとも1つを奏する。これによって、正極活物質の劣化(例えば構成元素の溶出)を抑制することができ、高耐久な(容量維持率の高い)電池を実現することができる。さらに、無機リン酸化合物の表面に導電性炭素を付着させることで、該無機リン酸化合物に電子伝導性を付与することができる。これにより、導電材の含有量を増加させずに(従来と同等に維持したままで)正極内に好適な導電経路(導電パス)を形成することができ、内部抵抗を大幅に低減することができる。
したがって、上記構成の非水電解液二次電池では、高エネルギー密度や高耐久性に加えて、優れた入出力特性を実現することができる。
By setting the operating upper limit potential of the positive electrode to 4.3 V or higher, the potential difference (voltage) between the positive and negative electrodes can be increased, and a battery with a high energy density can be realized. Further, by providing the positive electrode with an inorganic phosphate compound, the following effects are obtained: (1) Decomposition reaction of a non-aqueous electrolyte (typically a supporting salt such as LiPF 6 ) contained in the high potential state. (2) Hydrofluoric acid (HF) produced by hydrolysis of the supporting salt (for example, LiPF 6 ) is trapped (trapped) in the inorganic phosphate compound, and the non-aqueous electrolyte solution At least one of the following: Accordingly, deterioration of the positive electrode active material (for example, elution of constituent elements) can be suppressed, and a highly durable (high capacity maintenance rate) battery can be realized. Furthermore, electronic conductivity can be imparted to the inorganic phosphate compound by attaching conductive carbon to the surface of the inorganic phosphate compound. As a result, it is possible to form a suitable conductive path (conductive path) in the positive electrode without increasing the content of the conductive material (while maintaining the same content as before), and to greatly reduce the internal resistance. it can.
Therefore, in the non-aqueous electrolyte secondary battery having the above-described configuration, excellent input / output characteristics can be realized in addition to high energy density and high durability.

導電性炭素の付着量と初期抵抗との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the adhesion amount of conductive carbon, and initial stage resistance.

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、本発明を特徴付けない電池の一般的な製造プロセス)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. Note that matters other than the matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention (for example, a general manufacturing process of a battery that does not characterize the present invention) are known in the art. It can be grasped as a design matter of those skilled in the art based on the above. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.

ここに開示される非水電解液二次電池は、正極と負極と非水電解液とを備えている。以下、各構成要素について順に説明する。   The non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed herein includes a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte. Hereinafter, each component will be described in order.

<正極>
ここに開示される非水電解液二次電池の正極は、正極活物質と炭素付着リン酸化合物とを含んでいる。かかる正極としては、正極活物質および炭素付着リン酸化合物をバインダや導電材等とともに正極集電体上に固着させ、正極活物質層を形成した形態のものを好適に用いることができる。正極集電体としては、導電性の良好な金属(例えばアルミニウム、ニッケル等)からなる導電性部材を好適に用いることができる。
<Positive electrode>
The positive electrode of the non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed here includes a positive electrode active material and a carbon-attached phosphate compound. As such a positive electrode, a positive electrode active material and a carbon-attached phosphoric acid compound, which are fixed on a positive electrode current collector together with a binder, a conductive material, etc., can be suitably used. As the positive electrode current collector, a conductive member made of a metal having good conductivity (for example, aluminum, nickel, etc.) can be suitably used.

ここに開示される非水電解液二次電池の正極は、SOC(State of Charge:充電状態)0〜100%の範囲における作動上限電位が、金属リチウム基準で4.3V以上(好ましくは4.5V以上、より好ましくは4.6V、さらには4.7V以上)である。一般にSOC0〜100%の間で作動電位が最も高くなるのはSOC100%のときであるため、通常はSOC100%(すなわち満充電状態)における正極の作動電位を通じて、正極の作動上限電位を把握することができる。なお、ここに開示される技術は、典型的にはSOC0〜100%の範囲における正極の作動上限電位が金属リチウム基準で7.0V以下(例えば6.0V以下、5.5V以下)の非水電解液二次電池に好ましく適用され得る。   The positive electrode of the non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed herein has an operating upper limit potential in the SOC (State of Charge) range of 0 to 100% of 4.3 V or more based on metallic lithium (preferably 4. 5V or more, more preferably 4.6V, or even 4.7V or more). In general, the operating potential becomes the highest between SOC 0% and 100% when the SOC is 100%. Usually, the operating upper limit potential of the positive electrode is grasped through the operating potential of the positive electrode at the SOC 100% (that is, the fully charged state). Can do. In the technology disclosed herein, typically, the positive electrode operating upper limit potential in the SOC range of 0 to 100% is 7.0 V or less (for example, 6.0 V or less, 5.5 V or less) based on metallic lithium. It can be preferably applied to an electrolyte secondary battery.

このような作動上限電位を示す正極は、SOCが0〜100%の範囲における作動電位の最高値が金属リチウム基準で4.3V以上の正極活物質を使用することによって実現し得る。なかでも、SOC100%における作動電位が金属リチウム基準で4.3Vを超え、好ましくは4.5V以上、より好ましくは4.6V以上、さらには4.7V以上の正極活物質の使用が好ましい。具体例として、スピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物が挙げられる。なかでも好ましい一態様として、以下の一般式(I):
Li(NiMn2−y―z )O4+α (I)
で表されるリチウムニッケルマンガン複合酸化物が挙げられる。ここで、Mは、Ni,Mn以外の任意の遷移金属元素または典型金属元素(例えば、Ti,Cr,Fe,Co,Cu,ZnおよびAlから選択される1種または2種以上)であり得る。あるいは、半金属元素(例えば、B,SiおよびGeから選択される1種または2種以上)や非金属元素であってもよい。また、x、y、zは、0.8≦x≦1.2、0<y、0≦z、y+z<2(典型的にはy+z≦1)を満たす値であり、αは、−0.2≦α≦0.2で電荷中性条件を満たすように定まる値であり、qは、0≦q≦1である。好ましい一態様では、yは、0.2≦y≦1.0(より好ましくは0.4≦y≦0.6、例えば0.45≦y≦0.55)であり、zは、0≦z<1.0(例えば0≦z≦0.3)である。また、qは、0≦q≦1であり、qが0より大きい場合、AはFまたはClであり得る。
一般式(I)で表される化合物の一好適例としては、LiNi0.45Fe0.05Mn1.45Ti0.05が挙げられる。
A positive electrode exhibiting such an operating upper limit potential can be realized by using a positive electrode active material having a maximum operating potential of 4.3 V or higher with respect to metallic lithium in a SOC range of 0 to 100%. Among them, it is preferable to use a positive electrode active material having an operating potential at 100% SOC exceeding 4.3 V based on metallic lithium, preferably 4.5 V or more, more preferably 4.6 V or more, and further 4.7 V or more. As a specific example, a lithium-manganese composite oxide having a spinel structure can be given. Among these, as a preferred embodiment, the following general formula (I):
Li x (Ni y Mn 2- y-z M 1 z) O 4 + α A q (I)
The lithium nickel manganese composite oxide represented by these is mentioned. Here, M 1 is any transition metal element or typical metal element other than Ni and Mn (for example, one or more selected from Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, and Al). obtain. Alternatively, it may be a metalloid element (for example, one or more selected from B, Si and Ge) and a nonmetallic element. X, y, and z are values satisfying 0.8 ≦ x ≦ 1.2, 0 <y, 0 ≦ z, and y + z <2 (typically y + z ≦ 1), and α is −0. .2 ≦ α ≦ 0.2, a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition, and q is 0 ≦ q ≦ 1. In one preferred embodiment, y is 0.2 ≦ y ≦ 1.0 (more preferably 0.4 ≦ y ≦ 0.6, such as 0.45 ≦ y ≦ 0.55), and z is 0 ≦ 0. z <1.0 (for example, 0 ≦ z ≦ 0.3). Also, q is 0 ≦ q ≦ 1, and when q is greater than 0, A can be F or Cl.
A preferred example of the compound represented by the general formula (I) is LiNi 0.45 Fe 0.05 Mn 1.45 Ti 0.05 O 4 .

一般に、正極活物質の構成元素に遷移金属元素(特にマンガン)を含む場合、高電位状態において、正極活物質中から遷移金属元素が溶出することがあり得る。しかしながら、ここに開示される技術によれば、このような現象を高度に防止することができ、高エネルギー密度と高耐久性とを兼ね備えた非水電解液二次電池を実現することができる。   Generally, when a transition metal element (especially manganese) is contained in the constituent element of the positive electrode active material, the transition metal element may be eluted from the positive electrode active material in a high potential state. However, according to the technology disclosed herein, such a phenomenon can be prevented to a high degree, and a non-aqueous electrolyte secondary battery having both high energy density and high durability can be realized.

正極活物質は、平均粒径(二次粒径)が5〜20μm(典型的には10〜15μm)程度の粒子状であるとよい。また、正極活物質の比表面積は、通常0.1〜30m/g程度が適当であり、例えば0.〜10m/g程度であるとよい。なお、本明細書において「平均粒径」とは、特に限定しない限り、レーザー回折・光散乱法に基づく体積基準の粒度分布において粒径が小さい微粒子側からの累積頻度50体積%に相当する粒径(D50、メジアン径ともいう。)をいう。また、本明細書中において「比表面積」とは、窒素ガスを用いたBET法(例えばBET1点法)によって測定された表面積(BET比表面積)を示す。 The positive electrode active material is preferably in the form of particles having an average particle size (secondary particle size) of about 5 to 20 μm (typically 10 to 15 μm). The specific surface area of the positive electrode active material is usually about 0.1 to 30 m 2 / g. It is good that it is about 10 m 2 / g. In the present specification, unless otherwise specified, the “average particle size” means particles corresponding to a cumulative frequency of 50% by volume from the side of fine particles having a small particle size in the volume-based particle size distribution based on the laser diffraction / light scattering method. Diameter (D 50 , also referred to as median diameter). In the present specification, the “specific surface area” indicates a surface area (BET specific surface area) measured by a BET method using nitrogen gas (for example, a BET one-point method).

炭素付着リン酸化合物は、イオン伝導性を有する無機リン酸化合物の少なくとも一部の表面に導電性炭素が付着してなる。このような形態の炭素付着リン酸化合物は、例えば、所定の比率で量りとった無機リン酸化合物と導電性炭素とを適当な混合機に投入し、所定の処理条件でメカノケミカル処理を行うことによって作製することができる。かかる処理には、従来用いられる粉砕・混合装置(例えばジェットミル、プラネタリーミキサー、ホモジナイザー、ディスパー等)を特に限定なく用いることができる。メカノケミカル処理では、粉末状の材料(微粒子)に圧縮力、剪断力、摩擦力等の機械的エネルギーを加えることによって、材料同士を物理的に結合させる(複合化する)ことができる。すなわち、無機リン酸化合物の表面に導電性炭素を(典型的にはアイランド状に)付着させることができる。好ましくは、無機リン酸化合物の表面を導電性炭素で被覆(カーボンコート)することができる。   The carbon-attached phosphate compound is formed by attaching conductive carbon to at least a part of the surface of an inorganic phosphate compound having ion conductivity. The carbon-attached phosphate compound having such a form is, for example, that an inorganic phosphate compound and conductive carbon measured in a predetermined ratio are put into an appropriate mixer and subjected to mechanochemical treatment under predetermined processing conditions. Can be produced. For such treatment, a conventionally used pulverization / mixing apparatus (for example, a jet mill, a planetary mixer, a homogenizer, a disper, etc.) can be used without particular limitation. In the mechanochemical treatment, the materials can be physically coupled (composited) by applying mechanical energy such as compressive force, shearing force, and frictional force to the powdery material (fine particles). That is, conductive carbon can be attached (typically in an island shape) to the surface of the inorganic phosphate compound. Preferably, the surface of the inorganic phosphate compound can be coated with conductive carbon (carbon coating).

無機リン酸化合物としては、イオン伝導性を有する物質を特に限定なく用いることができる。このような性質を示す一好適例として、全固体電池の電解質として機能し得ることが知られている無機固体電解質材料が挙げられる。例えば電荷担体がリチウムイオン(Li)の場合には、LiPO,LiPON(リン酸リチウムオキシナイトライド)等のリン酸系リチウムイオン伝導体;Li1.5Al0.5Ge1.5(PO等のナシコン型リチウムイオン伝導体;ペロブスカイト型リチウムイオン伝導体;thio−LISICON型リチウムイオン伝導体;等が例示される。なお、上記では電荷担体がLiである例を示しているが、他のカチオン(典型的には、Na、K等のアルカリ金属イオンや、Mg2+、Ca2+等のアルカリ土類金属イオン)であってもよい。なかでも、アルカリ金属元素および/または第2族元素(典型的にはアルカリ土類金属元素)のリン酸塩、例えばNaPO,KPO,Mg(PO,Ca(PO等の使用が好ましい。
無機リン酸化合物は、導電性炭素を好適に付着させる観点と、正極活物質層内に良好な導電パスを形成する観点から、平均粒径(二次粒径)が1〜15μm(典型的には2〜10μm)程度の粒子状であるとよい。また、無機リン酸化合物の比表面積は、通常5〜50m/g程度が適当であり、典型的には10〜40m/g、例えば20〜30m/g程度であるとよい。
As the inorganic phosphate compound, a substance having ion conductivity can be used without any particular limitation. One preferred example of such properties is an inorganic solid electrolyte material that is known to function as an electrolyte for an all-solid battery. For example, when the charge carrier is lithium ion (Li + ), a phosphate lithium ion conductor such as Li 3 PO 4 , LiPON (lithium phosphate oxynitride); Li 1.5 Al 0.5 Ge 1. 5 (PO 4 ) 3 and other NASICON type lithium ion conductors; perovskite type lithium ion conductors; thio-LISICON type lithium ion conductors; In the above example, the charge carrier is Li + , but other cations (typically, alkali metal ions such as Na + and K + , and alkaline earth metals such as Mg 2+ and Ca 2+). Ion). Among them, phosphates of alkali metal elements and / or group 2 elements (typically alkaline earth metal elements), such as Na 3 PO 4 , K 3 PO 4 , Mg 3 (PO 4 ) 2 , Ca 3 Use of (PO 4 ) 2 or the like is preferable.
The inorganic phosphoric acid compound has an average particle size (secondary particle size) of 1 to 15 μm (typically from the viewpoint of suitably attaching conductive carbon and forming a good conductive path in the positive electrode active material layer. Is preferably in the form of particles of about 2 to 10 μm. The specific surface area of the inorganic phosphoric acid compound is suitably usually 5 to 50 m 2 / g approximately, typically may is 10 to 40 m 2 / g, for example 20 to 30 m 2 / g approximately.

導電性炭素としては、高い電子伝導性を有するカーボン材料を特に限定なく用いることができる。好適例として、カーボンブラック(典型的にはアセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック)、活性炭、黒鉛、炭素繊維、カーボンナノチューブ等が挙げられる。
好適な一態様では、上記無機リン酸化合物を100質量部としたときに、上記導電性炭素の付着量が5質量部以上(典型的には5〜50質量部、例えば10〜30質量部)である。付着量を5質量部以上とすることで、無機リン酸化合物に高い導電性を付与することができる。また、導電性炭素は無機リン酸化合物に比べて嵩高いため、必要最小限に抑えることが好ましい。付着量を30質量部以下とすることで、正極活物質層の一層の高密度化を実現することができる。
As the conductive carbon, a carbon material having high electronic conductivity can be used without particular limitation. Preferable examples include carbon black (typically acetylene black, ketjen black, furnace black), activated carbon, graphite, carbon fiber, carbon nanotube and the like.
In a preferred embodiment, when the inorganic phosphate compound is 100 parts by mass, the amount of the conductive carbon deposited is 5 parts by mass or more (typically 5 to 50 parts by mass, for example, 10 to 30 parts by mass). It is. By setting the adhesion amount to 5 parts by mass or more, high conductivity can be imparted to the inorganic phosphate compound. Moreover, since conductive carbon is bulky compared with an inorganic phosphoric acid compound, it is preferable to suppress to the minimum necessary. By setting the amount of adhesion to 30 parts by mass or less, it is possible to realize a higher density of the positive electrode active material layer.

また、バインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等のハロゲン化ビニル樹脂;ポリエチレンオキサイド(PEO)等のポリアルキレンオキサイド;等のポリマー材料を好適に用いることができる。導電材としては、例えば、カーボンブラック(典型的にはアセチレンブラック、ケッチェンブラック)、活性炭、黒鉛、炭素繊維等の炭素材料を好適に用いることができる。なお、導電材と上記導電性炭素とは同種の材料(例えば、いずれもカーボンブラック)であってもよく、異種の材料であってもよい。   As the binder, for example, a polymer material such as a vinyl halide resin such as polyvinylidene fluoride (PVdF); a polyalkylene oxide such as polyethylene oxide (PEO); or the like can be suitably used. As the conductive material, for example, carbon materials such as carbon black (typically acetylene black and ketjen black), activated carbon, graphite, and carbon fiber can be suitably used. Note that the conductive material and the conductive carbon may be the same type of material (for example, both are carbon black) or different types of materials.

正極に含まれる無機リン酸化合物は、正極活物質100質量部に対して、0.1〜5質量部とすることが適当であり、通常は0.5〜2質量部とするとよい。電子伝導性の低い無機リン酸化合物の添加量を低く抑えることで、正極に好適な電子伝導性を付与することができる。これにより、正極の内部抵抗を一層低減することができる。   The inorganic phosphate compound contained in the positive electrode is suitably 0.1 to 5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material, and usually 0.5 to 2 parts by mass. By suppressing the addition amount of the inorganic phosphate compound having low electron conductivity to a low level, suitable electron conductivity can be imparted to the positive electrode. Thereby, the internal resistance of the positive electrode can be further reduced.

正極活物質層全体に占める正極活物質の割合は、凡そ50質量%以上(典型的には50〜95質量%)とすることが適当であり、通常は凡そ80〜95質量%とするとよい。正極活物質層全体に占める無機リン酸化合物の割合は例えば凡そ0.1〜5質量%とすることができ、通常は凡そ0.5〜2質量%とするとよい。正極活物質層全体に占めるバインダの割合は、例えば凡そ0.5〜10質量%とすることができ、通常は凡そ1〜5質量%とするとよい。正極活物質層全体に占める導電材と導電性炭素の総和の割合は、例えば凡そ2〜15質量%とすることができ、通常は凡そ5〜9質量%とするとよい。   The proportion of the positive electrode active material in the entire positive electrode active material layer is suitably about 50% by mass or more (typically 50 to 95% by mass), and usually about 80 to 95% by mass. The proportion of the inorganic phosphate compound in the entire positive electrode active material layer can be, for example, about 0.1 to 5% by mass, and usually about 0.5 to 2% by mass. The ratio of the binder to the whole positive electrode active material layer can be, for example, about 0.5 to 10% by mass, and usually about 1 to 5% by mass. The ratio of the sum of the conductive material and the conductive carbon in the entire positive electrode active material layer can be, for example, about 2 to 15% by mass, and usually about 5 to 9% by mass.

<負極>
ここに開示される非水電解液二次電池の負極としては、負極集電体上に、負極活物質をバインダや増粘剤等とともに固着させ、負極活物質層を形成した形態のものを好適に用いることができる。負極集電体としては、導電性の良好な金属(例えば、銅、ニッケル等)からなる導電性材料を好適に用いることができる。負極活物質としては、黒鉛(グラファイト)、難黒鉛化炭素(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素(ソフトカーボン)等の炭素材料を用いることができ、なかでも黒鉛を好適に用いることができる。バインダとしては、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等を好適に用いることができる。増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)のセルロース系材料を好適に用いることができる。負極集電体としては、導電性の良好な金属(例えば銅)からなる導電性材料を好適に用いることができる。
<Negative electrode>
As the negative electrode of the non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed herein, a negative electrode active material layer is preferably formed by adhering a negative electrode active material together with a binder, a thickener, etc. on a negative electrode current collector. Can be used. As the negative electrode current collector, a conductive material made of a metal having good conductivity (for example, copper, nickel, etc.) can be suitably used. As the negative electrode active material, carbon materials such as graphite (graphite), non-graphitizable carbon (hard carbon), graphitizable carbon (soft carbon) and the like can be used, and among them, graphite can be preferably used. As the binder, styrene butadiene rubber (SBR), polytetrafluoroethylene (PTFE) or the like can be suitably used. As the thickener, a cellulose-based material of carboxymethyl cellulose (CMC) can be suitably used. As the negative electrode current collector, a conductive material made of a highly conductive metal (for example, copper) can be suitably used.

<非水電解液>
ここに開示される非水電解液二次電池の非水電解液は、典型的には常温(例えば25℃)において液状を呈し、好ましくは使用温度域内(例えば−20〜60℃)において常に液状を呈する。非水電解液としては、非水溶媒中に支持塩(例えば、リチウムイオン二次電池ではリチウム塩。)を含有させたものを好適に用いることができる。
非水溶媒としては、非水電解液二次電池に利用し得ることが知られている各種有機溶剤を用いることができる。なかでも耐酸化性の高い(すなわち酸化分解電位の高い)ものが好ましい。好適例として、カーボネート類、エーテル類、エステル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類等のフッ素化物(フッ素含有非水溶媒)が挙げられる。特には、フッ素化カーボネートの使用が好ましい。具体的には、フルオロエチレンカーボネート(FEC)等のフッ素化環状カーボネート;メチル(2,2,2−トリフルオロエチル)カーボネート(MTFEC)等のフッ素化鎖状カーボネート;を好適に用いることができる。これにより、上記高電圧正極材料(作動上限電位が金属リチウム基準で4.3V以上と高い正極活物質)を用いた場合であっても、耐久性に優れた電池を実現することができる。
支持塩としては、リチウム塩、ナトリウム塩、マグネシウム塩等を用いることができ、なかでもLiPF、LiBF等のリチウム塩を好適に用いることができる。
<Non-aqueous electrolyte>
The non-aqueous electrolyte solution of the non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed herein typically exhibits a liquid state at normal temperature (for example, 25 ° C.), and is preferably always liquid within the operating temperature range (for example, −20 to 60 ° C.). Presents. As the nonaqueous electrolytic solution, a nonaqueous solvent containing a supporting salt (for example, a lithium salt in a lithium ion secondary battery) can be suitably used.
As the non-aqueous solvent, various organic solvents known to be usable for non-aqueous electrolyte secondary batteries can be used. Among them, those having high oxidation resistance (that is, high oxidative decomposition potential) are preferable. Preferable examples include fluorinated products (fluorine-containing nonaqueous solvent) such as carbonates, ethers, esters, nitriles, sulfones, and lactones. In particular, the use of fluorinated carbonate is preferred. Specifically, a fluorinated cyclic carbonate such as fluoroethylene carbonate (FEC); a fluorinated chain carbonate such as methyl (2,2,2-trifluoroethyl) carbonate (MTFEC); can be preferably used. Thereby, even if it is a case where the said high voltage positive electrode material (The positive electrode active material whose operation upper limit electric potential is 4.3 V or more high with respect to metallic lithium) is used, the battery excellent in durability is realizable.
As the supporting salt, lithium salts, sodium salts, magnesium salts, and the like can be used, and among them, lithium salts such as LiPF 6 and LiBF 4 can be preferably used.

<非水電解液二次電池の用途>
ここに開示される非水電解液二次電池(いわゆる5V級電池)は各種用途に利用可能であるが、正極活物質の作動電位の引き上げと、正極集電体からの構成金属元素の溶出が抑制され、かつ正極内の導電性が高められている効果により、従来に比べて高い電池特性を実現し得る。例えば、高エネルギー密度と高出力密度と高耐久性とを兼ね備え得る。したがって、このような特徴を活かして、高エネルギー密度や高入出力密度、高耐久性が要求される用途で好ましく用いることができる。かかる用途としては、例えば、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド自動車、電気自動車等の車両に搭載される駆動用電源が挙げられる。
<Applications of non-aqueous electrolyte secondary batteries>
The non-aqueous electrolyte secondary battery (so-called 5V class battery) disclosed herein can be used for various applications. However, the working potential of the positive electrode active material is increased and the constituent metal elements are eluted from the positive electrode current collector. Due to the effect of being suppressed and the conductivity in the positive electrode being increased, it is possible to achieve higher battery characteristics than in the past. For example, high energy density, high output density, and high durability can be combined. Therefore, taking advantage of such characteristics, it can be preferably used in applications requiring high energy density, high input / output density, and high durability. Examples of such applications include drive power supplies mounted on vehicles such as plug-in hybrid vehicles, hybrid vehicles, and electric vehicles.

以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に限定す
ることを意図したものではない。
Hereinafter, some examples relating to the present invention will be described, but the present invention is not intended to be limited to such examples.

〈正極の作製(例1)〉
正極活物質として、NiMnスピネル(LiNi0.5Mn1.5、Ti・Feドープ品、平均粒径:13.3μm)を用意した。この正極活物質と、導電材としてのアセチレンブラック(AB、電気化学工業社製、商品名「デンカブラック HS−100」)と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを、LiNi0.5Mn1.5:AB:PVdF=89:8:3の質量比となるよう秤量し、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)と混合してスラリー状の組成物を調製した。この組成物をアルミニウム箔(正極集電体)に塗付し、乾燥させて正極活物質層を形成することにより、正極(例1)を作製した。
<Preparation of positive electrode (Example 1)>
As the positive electrode active material, NiMn spinel (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , Ti · Fe doped product, average particle size: 13.3 μm) was prepared. This positive electrode active material, acetylene black (AB, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., trade name “DENKA BLACK HS-100”) as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder were combined with LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 : AB: PVdF = 89: 8: 3 was weighed so as to have a mass ratio and mixed with N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to prepare a slurry composition. This composition was applied to an aluminum foil (positive electrode current collector) and dried to form a positive electrode active material layer, thereby producing a positive electrode (Example 1).

〈正極の作製(例2)〉
無機リン酸化合物として市販のLiPO(和光純薬製、平均粒径:6.1μm、比表面積:29m/g)を用意した。このLiPO(コート無しLiPO)と、正極活物質とを、1:100の質量比で混合した。次に、かかる混合物と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを、(LiNi0.5Mn1.5+コート無しLiPO):AB:PVdF=89:8:3の質量比となるよう秤量し、NMPと混合してスラリー状の組成物を調製した。そして、この組成物をアルミニウム箔(正極集電体)に塗付し、乾燥させて正極活物質層を形成することにより、正極(例2)を作製した。
<Preparation of positive electrode (Example 2)>
Commercially available Li 3 PO 4 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, average particle size: 6.1 μm, specific surface area: 29 m 2 / g) was prepared as the inorganic phosphate compound. This Li 3 PO 4 (uncoated Li 3 PO 4 ) and the positive electrode active material were mixed at a mass ratio of 1: 100. Next, such a mixture, acetylene black (AB) as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 + uncoated Li 3 PO 4 ): AB: PVdF = 89: 8: 3 was weighed so as to have a mass ratio and mixed with NMP to prepare a slurry-like composition. And this composition was apply | coated to aluminum foil (positive electrode collector), it was made to dry and a positive electrode active material layer was formed, and the positive electrode (Example 2) was produced.

〈正極の作製(例3)〉
(LiNi0.5Mn1.5+コート無しLiPO):AB:PVdF=87:10:3としたこと以外は上記例2と同様に、正極(例3)を作製した。
<Preparation of positive electrode (Example 3)>
(LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 + Uncoated Li 3 PO 4 ): A positive electrode (Example 3) was produced in the same manner as in Example 2 except that AB: PVdF = 87: 10: 3.

〈正極の作製(例4〜9)〉
先ず、上記LiPOと、導電性炭素としてのアセチレンブラック(AB、電気化学工業社製、商品名「デンカブラック HS−100」)とを、ホソカワミクロン社製の型式「ノビルタ NOB−MINI」に投入し、回転速度5000rpmの条件で10分間コーティング処理を施した。なお、導電性炭素(AB)は、無機リン酸化合物(LiPO)100質量部に対して、1質量部・3質量部・5質量部・10質量部・20質量部・30質量部の割合で添加した。このようにして、無機リン酸化合物の表面に導電性炭素が付着した炭素付着リン酸化合物(例4〜9)を得た。
次に、上記コート無しLiPOに替えて上記準備した炭素付着リン酸化合物を使用したこと以外は上記例2と同様に、正極(例4〜9)を作製した。
<Preparation of positive electrode (Examples 4 to 9)>
First, Li 3 PO 4 and acetylene black (AB, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., trade name “Denka Black HS-100”) as conductive carbon are converted into a model “Nobilta NOB-MINI” manufactured by Hosokawa Micron. The coating was applied for 10 minutes under the condition of a rotational speed of 5000 rpm. In addition, conductive carbon (AB) is 1 part by mass, 3 parts by mass, 5 parts by mass, 10 parts by mass, 20 parts by mass, and 30 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the inorganic phosphate compound (Li 3 PO 4 ). The ratio was added. In this way, carbon-attached phosphate compounds (Examples 4 to 9) having conductive carbon attached to the surface of the inorganic phosphate compound were obtained.
Next, positive electrodes (Examples 4 to 9) were prepared in the same manner as in Example 2 except that the prepared carbon-attached phosphate compound was used instead of the uncoated Li 3 PO 4 .

〈負極の作製〉
負極活物質としてのグラファイト(C)と、バインダとしてのカルボキシメチルセルロース(CMC)およびスチレンブタジエンゴム(SBR)とを、C:CMC:SBR=98:1:1の質量比となるよう秤量し、イオン交換水と混合してスラリー状の組成物を調製した。この組成物を銅箔(負極集電体)に塗付、乾燥させて負極活物質層を形成した。
<Preparation of negative electrode>
Graphite (C) as the negative electrode active material, carboxymethyl cellulose (CMC) and styrene butadiene rubber (SBR) as the binder are weighed so as to have a mass ratio of C: CMC: SBR = 98: 1: 1. A slurry-like composition was prepared by mixing with exchange water. This composition was applied to a copper foil (negative electrode current collector) and dried to form a negative electrode active material layer.

〈非水電解液二次電池の構築〉
上記作製した正極と負極とをセパレータを介して積層し、電極体(例1〜9)を作製した。なお、セパレータとしては、ポリエチレン(PE)/ポリプロピレン(PP)/ポリエチレン(PE)からなる三層構造の多孔質フィルムを用いた。また、環状カーボネートとしてのモノフルオロエチレンカーボネート(MFEC)と、鎖状カーボネートとしてのトリフルオロジメチルカーボネート(TFDMC)とを1:1の体積比で含む混合溶媒に、支持塩としてのLiPFを1.0mol/Lの濃度となるように溶解し、非水電解液を調製した。上記電極体と非水電解液とをラミネート製の電池ケースに収容した後、封止して、非水電解液二次電池(例1〜9)を構築した。なお、表1において正極活物質層全体に対する炭素材料の割合は、LiPOの表面にコートした導電性炭素(アセチレンブラック)と、導電材として添加した炭素材料(アセチレンブラック)の総和を表している。
<Construction of non-aqueous electrolyte secondary battery>
The produced positive electrode and negative electrode were laminated via a separator to produce electrode bodies (Examples 1 to 9). As the separator, a porous film having a three-layer structure made of polyethylene (PE) / polypropylene (PP) / polyethylene (PE) was used. Further, a mixed solvent containing monofluoroethylene carbonate (MFEC) as a cyclic carbonate and trifluorodimethyl carbonate (TFDMC) as a chain carbonate in a volume ratio of 1: 1, and LiPF 6 as a supporting salt are 1. It melt | dissolved so that it might become a 0 mol / L density | concentration, and prepared the non-aqueous electrolyte. The electrode body and the non-aqueous electrolyte were accommodated in a battery case made of laminate, and then sealed to construct a non-aqueous electrolyte secondary battery (Examples 1 to 9). In Table 1, the ratio of the carbon material to the entire positive electrode active material layer represents the sum of the conductive carbon (acetylene black) coated on the surface of Li 3 PO 4 and the carbon material added as a conductive material (acetylene black). ing.

〈コンディショニング処理〉
上記構築した電池(例1〜9)に対して、25℃の温度環境下で、以下の充放電パターン(1),(2)を3サイクル繰り返して、コンディショニング処理を施した。
(1)正極電位が4.9Vとなるまで1/3Cのレートで定電流(CC)充電した後、10分休止する。
(2)正極電位が3.5Vとなるまで1/3CのレートでCC放電した後、10分休止する。
<Conditioning process>
The battery thus constructed (Examples 1 to 9) was subjected to conditioning treatment by repeating the following charge / discharge patterns (1) and (2) for 3 cycles under a temperature environment of 25 ° C.
(1) After charging at a constant current (CC) at a rate of 1/3 C until the positive electrode potential becomes 4.9 V, the battery is paused for 10 minutes.
(2) CC discharge at a rate of 1/3 C until the positive electrode potential becomes 3.5 V, and then rest for 10 minutes.

〈初期抵抗〉
上記コンディショニング処理後の電池(例1〜9)に対して、25℃の温度環境下で、SOCが60%となるまで1/3CのレートでCC充電を行った。SOC60%の状態に調整した電池に対して、1C,3C,5C,10Cの各レートでCC放電を行い、それぞれ放電開始から10秒間の電圧降下量を測定した。測定された電圧降下の値(V)を対応する電流値で除してIV抵抗(Ω)を算出し、その平均値を初期抵抗とした。結果を表1に示す。また、図1にはカーボンコート量と初期抵抗との関係を示す。
<Initial resistance>
The batteries after the conditioning treatment (Examples 1 to 9) were subjected to CC charging at a rate of 1/3 C under a temperature environment of 25 ° C. until the SOC reached 60%. CC discharge was performed at 1C, 3C, 5C, and 10C rates on the battery adjusted to an SOC of 60%, and the amount of voltage drop for 10 seconds from the start of discharge was measured. The IV resistance (Ω) was calculated by dividing the measured voltage drop value (V) by the corresponding current value, and the average value was taken as the initial resistance. The results are shown in Table 1. FIG. 1 shows the relationship between the carbon coat amount and the initial resistance.

〈高温耐久試験〉
次に、初期性能測定後の電池(例1〜9)を、温度60℃に設定された恒温槽内に2時間以上静置した後、以下の充放電操作(1),(2)を200サイクル繰り返した。
(1)2Cのレートで4.9VまでCC充電した後、10分休止する。
(2)2Cのレートで3.5VまでCC放電した後、10分休止する。
容量維持率(%)は、1サイクル目の放電容量に対する高温耐久試験後の放電容量の割合((200サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100(%))として算出した。結果を表1に示す。
<High temperature durability test>
Next, after the batteries (Examples 1 to 9) after the initial performance measurement were left in a thermostatic chamber set at a temperature of 60 ° C. for 2 hours or more, the following charge / discharge operations (1) and (2) were performed in 200. The cycle was repeated.
(1) After charging CC to 4.9V at a rate of 2C, pause for 10 minutes.
(2) After CC discharge to 3.5 V at a rate of 2C, pause for 10 minutes.
The capacity retention rate (%) was calculated as the ratio of the discharge capacity after the high-temperature endurance test to the discharge capacity at the first cycle ((discharge capacity at the 200th cycle / discharge capacity at the first cycle) × 100 (%)). The results are shown in Table 1.

Figure 2015170477
Figure 2015170477

表1より明らかなように、正極にLiPOを含まない例1では、容量維持率が相対的に低く、耐久性が不足していた。正極にコート無しLiPOを混合した例2では、例1に比べて大幅に耐久性の改善がみられたが、背反として初期抵抗の増加が認められた。これは、LiPOの電子伝導性の低さに起因するものと考えられる。また、導電材の割合を増やした例3ではやや抵抗が低減されていたが、その効果は小さかった。このことから、LiPOに起因する抵抗の増加に対しては、単純に導電材の添加量を増やすだけでは解決が難しいことがわかった。例3では、さらに正極活物質層全体に対する炭素材料の割合が大きくなり、これに起因してエネルギー密度が低下することも懸念された。 As is clear from Table 1, in Example 1 in which the positive electrode did not contain Li 3 PO 4 , the capacity retention rate was relatively low and the durability was insufficient. In Example 2 in which uncoated Li 3 PO 4 was mixed with the positive electrode, durability was significantly improved as compared with Example 1, but an increase in initial resistance was observed as a contradiction. This is considered due to the low electronic conductivity of Li 3 PO 4 . In Example 3 in which the proportion of the conductive material was increased, the resistance was slightly reduced, but the effect was small. From this, it has been found that the increase in resistance caused by Li 3 PO 4 is difficult to solve by simply increasing the amount of conductive material added. In Example 3, the ratio of the carbon material with respect to the whole positive electrode active material layer was further increased, and there was a concern that the energy density was lowered due to this.

これらに対して、表1および図1に示すように、正極に炭素付着LiPOを含む例4〜9では、耐久性が高く、かつABの割合(カーボンコート量)が増すにつれて抵抗低減の効果が大きく現れていた。なかでも、ABの添加量を5質量部以上(換言すれば、LiPOの比表面積に対して1.68mg/m以上)とすることで、初期抵抗を2Ω以下と相対的に低く抑えることができた。このことから、ここに開示される技術によれば、正極活物質層全体に対する炭素材料の割合を大きく増加させずに正極の抵抗を効率的に低減できるとわかった。
以上の結果から、正極に炭素付着リン酸化合物を含ませることで、耐久性に優れ、かつ低抵抗な非水電解液二次電池を実現することができるとわかった。かかる結果は、本発明の技術的意義を示すものである。
On the other hand, as shown in Table 1 and FIG. 1, in Examples 4 to 9 in which the positive electrode contains carbon-attached Li 3 PO 4 , the durability is high and the resistance decreases as the proportion of AB (carbon coating amount) increases. The effect of In particular, the initial resistance is relatively low at 2Ω or less by setting the amount of AB to be 5 parts by mass or more (in other words, 1.68 mg / m 2 or more with respect to the specific surface area of Li 3 PO 4 ). I was able to suppress it. From this, it was found that according to the technique disclosed herein, the resistance of the positive electrode can be efficiently reduced without greatly increasing the ratio of the carbon material to the entire positive electrode active material layer.
From the above results, it was found that a non-aqueous electrolyte secondary battery having excellent durability and low resistance can be realized by including a carbon-attached phosphate compound in the positive electrode. This result shows the technical significance of the present invention.

以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態および実施例は例示にすぎず、ここに開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。   As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail, the said embodiment and Example are only illustrations and what changed and modified the above-mentioned specific example is included in the invention disclosed here.

Claims (1)

正極と負極と非水電解液とを備える非水電解液二次電池であって、
前記正極は、
作動上限電位が金属リチウム基準で4.3V以上であり、
正極活物質と、炭素付着リン酸化合物であってイオン伝導性を有する無機リン酸化合物の少なくとも一部の表面に導電性炭素が付着してなる炭素付着リン酸化合物と、を含む、非水電解液二次電池。
A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte,
The positive electrode is
The operating upper limit potential is 4.3 V or more with respect to metallic lithium,
Non-aqueous electrolysis comprising: a positive electrode active material; and a carbon-attached phosphate compound that is a carbon-attached phosphate compound and has an ion conductivity and is formed by attaching conductive carbon to at least a part of the surface of the inorganic phosphate compound. Liquid secondary battery.
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