JP2015210891A - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非水電解質二次電池に関する。より詳細には、正極にタングステンを含むリチウム遷移金属酸化物を備えた非水電解質二次電池に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery. More specifically, the present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery including a lithium transition metal oxide containing tungsten on a positive electrode.
リチウムイオン電池に代表される非水電解質二次電池は、軽量で高いエネルギー密度が得られることから、ポータブル電源や車両搭載用の高出力電源等として好ましく用いられている。そして車両の駆動用電源として用いられる非水電解質二次電池については、とりわけハイレート充放電(急速充放電)特性に優れることが求められている。 A non-aqueous electrolyte secondary battery represented by a lithium ion battery is preferably used as a portable power source, a high-output power source for mounting on a vehicle, and the like because it is lightweight and has a high energy density. A non-aqueous electrolyte secondary battery used as a power source for driving a vehicle is particularly required to have excellent high rate charge / discharge (rapid charge / discharge) characteristics.
かかる非水電解質二次電池に用いられる正極活物質の一つとして、リチウム遷移金属酸化物が広く一般に知られている。そして、このリチウム遷移金属酸化物にタングステン(W)を含ませることで、充放電効率のさらなる向上と、反応抵抗の低減に効果のあることが開示されている(例えば、特許文献1参照)。 As one of positive electrode active materials used for such non-aqueous electrolyte secondary batteries, lithium transition metal oxides are widely known. And it is disclosed by including tungsten (W) in this lithium transition metal oxide that it is effective in the further improvement of charging / discharging efficiency and reduction of reaction resistance (for example, refer patent document 1).
ところで、非水電解質二次電池は、高出力で高いエネルギー密度を備えるが故に、他の電池と比較してより高い安全性が求められる。したがって、例えば、過充電に陥った場合には、セパレータや電流遮断機構等によるシャットダウン機能が発現され、速やかに電池内での電気化学反応を停止することが要求される。しかしながら、上記のタングステンを含むリチウム遷移金属酸化物を正極活物質に用いた非水電解質二次電池においては、シャットダウン後も漏れ電流が流れ続け、電池の過剰な発熱が引き起こされる虞があった。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、タングステン含有リチウム遷移金属酸化物による優れた充放電特性が十分に発現されるとともに、シャットダウン後の漏れ電流が抑えられて安全性をも備えた非水電解質二次電池を提供することである。
By the way, since a nonaqueous electrolyte secondary battery has a high output and a high energy density, higher safety is required compared to other batteries. Therefore, for example, when the battery is overcharged, a shutdown function such as a separator or a current interruption mechanism is developed, and it is required to quickly stop the electrochemical reaction in the battery. However, in the non-aqueous electrolyte secondary battery using the lithium transition metal oxide containing tungsten as the positive electrode active material, there is a possibility that leakage current continues to flow even after the shutdown and excessive heat generation of the battery is caused.
The present invention has been made in view of such circumstances, and its purpose is to exhibit excellent charge / discharge characteristics due to the tungsten-containing lithium transition metal oxide sufficiently, and to suppress a leakage current after shutdown to be safe. It is providing the nonaqueous electrolyte secondary battery also provided with property.
上記課題を解決するために、本発明は、正極と負極と非水電解液とを備える非水電解質二次電池(以下、単に電池等と簡略化して記す場合がある)を提供する。ここで上記正極は、正極集電体と、正極活物質を含む正極活物質層とを有し、上記正極活物質は、ニッケル,コバルトおよびマンガンから選択される少なくとも一つの遷移金属元素と、タングステンとを含むリチウム遷移金属複合酸化物を含んでいる。より好ましくは、上記正極活物質は、タングステンと共に、ニッケル,コバルトおよびマンガンを含むリチウム遷移金属複合酸化物である。そして、上記遷移金属元素に対する上記タングステンの割合は0.3mol%以上0.7mol%以下であることを特徴としている。また、上記負極は、負極集電体と、負極活物質を含む負極活物質層とを有し、上記負極活物質は、非晶質炭素が表面に配置された天然黒鉛を含んでいる。そして、上記負極は、キャパシタンスが0.12F/g以上0.2F/g以下であることを特徴としている。 In order to solve the above problems, the present invention provides a non-aqueous electrolyte secondary battery (hereinafter sometimes simply referred to as a battery or the like) including a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte. Here, the positive electrode has a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, and the positive electrode active material includes at least one transition metal element selected from nickel, cobalt, and manganese, and tungsten. And a lithium transition metal composite oxide. More preferably, the positive electrode active material is a lithium transition metal composite oxide containing nickel, cobalt, and manganese together with tungsten. And the ratio of the said tungsten with respect to the said transition metal element is 0.3 mol% or more and 0.7 mol% or less, It is characterized by the above-mentioned. The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer including a negative electrode active material, and the negative electrode active material includes natural graphite having amorphous carbon disposed on a surface thereof. The negative electrode has a capacitance of 0.12 F / g or more and 0.2 F / g or less.
かかる構成によると、タングステンを含むリチウム遷移金属複合酸化物(以下、W含有リチウム遷移金属複合酸化物という場合がある)を用いるだけでなく、非晶質炭素が表面に配置された天然黒鉛(以下、非晶質炭素被覆黒鉛という場合がある)を併用することで、電池の充放電特性(出入力特性であり得る)を十分に高めるようにしている。そしてさらに、かかるW含有リチウム遷移金属複合酸化物と非晶質炭素被覆黒鉛の性質を見極め、両者の性質をより適切に制御して組み合わせることで、電池の出入力特性を高めるのみならず、シャットダウン後の漏れ電流をも抑制するようにしている。これにより、出入力特性と安全性とが高いレベルで兼ね備えられた非水電解質二次電池が提供される。 According to such a configuration, not only lithium transition metal composite oxide containing tungsten (hereinafter also referred to as W-containing lithium transition metal composite oxide) is used, but also natural graphite (hereinafter referred to as amorphous carbon) having amorphous carbon disposed on the surface. In some cases, the charge / discharge characteristics (which may be input / output characteristics) of the battery are sufficiently enhanced by using the amorphous carbon-coated graphite in some cases. Furthermore, by identifying the properties of the W-containing lithium transition metal composite oxide and the amorphous carbon-coated graphite, and controlling and combining these properties more appropriately, not only the battery input / output characteristics can be improved, but also the shutdown can be performed. The later leakage current is also suppressed. Thereby, a non-aqueous electrolyte secondary battery having both high input / output characteristics and safety is provided.
なお、特許文献2には、正極活物質としてLiNi1/3Co1/3Mn1/3W1/200O2を用い得ること、正極と負極の理論容量の比(Ca/Cc)を1.2以上1.5以下とすることが開示されている。また、特許文献3には、電極の反応抵抗および拡散抵抗を制御するための負極の塗布量との関係から、単位面積あたりの片面の負極の容量を0.8mAh/cm2以上1.2mAh/cm2以下とするのが好ましいことが開示されている。しかしながら、これらの特許文献には、電池のシャットダウン後の漏れ電流を低減させるという安全性の観点からの検討は為されておらず、実際にかかる漏れ電流を制御できていなかった。これに対し、本発明では、正負の活物質の組み合わせとその性質の制御によって、高い出入力特性と安全性とを実現するものである。
In
ここに開示される非水電解質二次電池の好ましい態様において、上記遷移金属元素に対する上記タングステンの割合は0.3mol%以上0.6mol%以下であることを特徴としている。かかる構成によると、漏れ電流をより確実に抑えることができ、安全性に一層優れた電池が提供される。 In a preferred embodiment of the nonaqueous electrolyte secondary battery disclosed herein, the ratio of the tungsten to the transition metal element is 0.3 mol% or more and 0.6 mol% or less. According to such a configuration, a leakage current can be more reliably suppressed, and a battery with further improved safety is provided.
ここに開示される非水電解質二次電池の好ましい態様において、上記正極と上記負極とは、セパレータを介して積層されて捲回された捲回型電極体を構成していることを特徴としている。捲回型電極体を備える電池は、放熱性が比較的劣ることに加え、より高容量かつ高エネルギー密度を実現し得ることから、過充電時に電池が発熱しやすい傾向にある。したがって、ここに開示される技術をかかる捲回型電極体を備える電池に適用することは、その効果が十分に発揮され得るために好ましい。これにより、高容量かつ高エネルギー密度を実現し、さらに安全性もが高められた電池が提供される。 In a preferred embodiment of the non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed herein, the positive electrode and the negative electrode constitute a wound electrode body that is laminated and wound via a separator. . A battery including a wound electrode body has a tendency to easily generate heat during overcharge because it has a relatively low heat dissipation and can realize a higher capacity and a higher energy density. Therefore, it is preferable to apply the technique disclosed herein to a battery including such a wound electrode body because the effect can be sufficiently exhibited. As a result, a battery that achieves a high capacity and a high energy density and is further improved in safety is provided.
ここに開示される非水電解質二次電池の好ましい態様において、上記負極活物質層は、ゴム系樹脂からなるバインダを0.4質量%以上1質量%以下の割合で含むことを特徴としている。かかる構成とすることで、機械的強度や耐久性に優れた負極活物質層を備える信頼性の高い非水電解質二次電池を実現することができる。また、負極の抵抗をより一層低く抑えることができる。 In a preferred embodiment of the non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed herein, the negative electrode active material layer includes a binder made of a rubber-based resin at a ratio of 0.4 mass% to 1 mass%. By setting it as this structure, a highly reliable nonaqueous electrolyte secondary battery provided with the negative electrode active material layer excellent in mechanical strength and durability is realizable. Further, the resistance of the negative electrode can be further reduced.
以上の非水電解質二次電池は、充放電特性(出入力特性)に特に優れ、かつ、高い安全性を兼ね備えたものとして提供される。したがって、かかる特徴を活かして、例えば、各種車両に搭載されるモータ駆動用の動力源(駆動用電源)等として用いられる非水電解質二次電池として特に好ましく用いることができる。 The above non-aqueous electrolyte secondary battery is provided as being particularly excellent in charge / discharge characteristics (input / output characteristics) and having high safety. Therefore, taking advantage of this feature, for example, it can be particularly preferably used as a non-aqueous electrolyte secondary battery used as, for example, a power source (drive power source) for driving a motor mounted on various vehicles.
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(例えば、正極活物質および負極活物質の特性等)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構造や電池の一般的な製造プロセス等)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。また、下記に示す図面における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は必ずしも実際の寸法関係を反映するものではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. Note that matters other than the matters specifically mentioned in the present specification (for example, the characteristics of the positive electrode active material and the negative electrode active material, etc.), and matters necessary for the implementation of the present invention (for example, the present invention is not characterized). The battery structure, the general manufacturing process of the battery, etc.) can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in the field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field. In addition, dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in the drawings shown below do not necessarily reflect actual dimensional relationships.
本明細書において「非水電解質二次電池」とは、電荷担体を非水電解液中に含む二次電池をいう。また「二次電池」とは、リチウム二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池等のいわゆる化学電池の他、化学電池(例えばリチウム二次電池)と同様の産業分野で同様に使用され得る蓄電素子(例えば、疑似容量キャパシタ、レドックスキャパシタ)、およびこれらを組み合わせたハイブリッドキャパシタ、リチウムイオンキャパシタ等を包含する用語である。また、「リチウム二次電池」とは、電解質イオンとしてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンの移動により充放電が実現される二次電池をいう。一般にリチウムイオン電池、リチウムポリマー電池等と称される二次電池は、本明細書におけるリチウム二次電池に包含される典型例である。また、本明細書において「活物質」とは、正極側または負極側において電荷担体となる化学種(リチウム二次電池ではリチウムイオン)を可逆的に吸蔵および放出し得る物質(化合物)をいう。 In the present specification, the “non-aqueous electrolyte secondary battery” refers to a secondary battery containing a charge carrier in a non-aqueous electrolyte. “Secondary batteries” are used in the same industrial fields as chemical batteries (for example, lithium secondary batteries) in addition to so-called chemical batteries such as lithium secondary batteries, nickel hydride batteries, nickel cadmium batteries, and lead storage batteries. It is a term including a storage element (for example, a pseudo-capacitance capacitor, a redox capacitor) that can be obtained, a hybrid capacitor that combines these, a lithium ion capacitor, and the like. The “lithium secondary battery” refers to a secondary battery that uses lithium ions as electrolyte ions and is charged and discharged by movement of lithium ions between the positive and negative electrodes. A secondary battery generally referred to as a lithium ion battery, a lithium polymer battery, or the like is a typical example included in the lithium secondary battery in this specification. In the present specification, the “active material” refers to a substance (compound) capable of reversibly occluding and releasing chemical species (lithium ions in a lithium secondary battery) serving as a charge carrier on the positive electrode side or the negative electrode side.
[非水電解質二次電池]
以下、ここで開示される非水電解質二次電池について、好適な一実施形態を例にして説明する。図1は、ここに開示される非水電解質二次電池10の構成を示す断面模式図である。この非水電解質二次電池10は、本質的に、正極30と負極50と非水電解液(図示せず)とを備えている。以下に各構成要素について説明する。
[Nonaqueous electrolyte secondary battery]
Hereinafter, the nonaqueous electrolyte secondary battery disclosed herein will be described by taking a preferred embodiment as an example. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a nonaqueous electrolyte
[正極]
正極30は、典型的には、正極集電体32上に正極活物質層34が備えられることで構成されている。この正極活物質層34は、正極活物質を備えるものであれば特に限定されないが、典型的には、正極活物質が導電材と共にバインダ(結着剤)により互いに結合され、正極集電体32に接合された形態であり得る。このような正極30は、例えば、正極活物質と導電材とバインダ(結着剤)とを適当な溶媒(例えばN−メチル−2−ピロリドン)に分散させてなる正極ペーストを正極集電体32の表面に供給した後、乾燥して溶媒を除去することにより作製することができる。正極集電体32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、チタン、ステンレス鋼等)からなる導電性部材を好適に使用することができる。
[Positive electrode]
The
正極活物質は、ニッケル(Ni),コバルト(Co)およびマンガン(Mn)から選択される少なくとも一つの遷移金属元素と、タングステン(W)とを含むリチウム遷移金属複合酸化物を含んでいる。なかでも、構成元素としてW,Li,Ni,CoおよびMnを含む層状構造(典型的には、六方晶系に属する層状岩塩型構造)のリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物を好ましく用いることができる。具体的には、例えば、Wを含有するLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等のいわゆる三元系のリチウム遷移金属複合酸化物は、熱安定性に優れ、且つ高いエネルギー密度を実現し得る正極活物質として好ましい。ここで、上記W含有リチウム遷移金属複合酸化物の基本となるリチウム遷移金属複合酸化物は、Ci,CoおよびMn以外の遷移金属元素を含んでいても良い。かかる遷移金属元素としては、元素周期律表の第3族から第11族に存在する元素を特に制限なく考慮することができる。好ましくは、チタン(Ti),バナジウム(V),クロム(Cr),鉄(Fe)等の第4周期に属する元素である。
The positive electrode active material includes a lithium transition metal composite oxide containing at least one transition metal element selected from nickel (Ni), cobalt (Co), and manganese (Mn), and tungsten (W). Among these, lithium nickel cobalt manganese composite oxide having a layered structure (typically a layered rock salt structure belonging to a hexagonal system) containing W, Li, Ni, Co and Mn as constituent elements can be preferably used. Specifically, for example, so-called ternary lithium transition metal composite oxides such as LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 containing W have excellent thermal stability and high energy density. Is preferable as a positive electrode active material capable of realizing the above. Here, the lithium transition metal composite oxide serving as the basis of the W-containing lithium transition metal composite oxide may contain a transition metal element other than Ci, Co, and Mn. As such transition metal elements, elements existing in
そしてこれら遷移金属元素の合計に対するWの割合が0.3mol%以上0.7mol%以下に規定される。遷移金属元素の合計に対するWの割合がかかる範囲にあることで、Wの価数変化により電池の充放電効率を向上させ、特に電池の放電抵抗を低く抑えるとともに、漏れ電流の発生を抑制することができる。なお、かかる観点において、遷移金属元素の合計に対するWの割合は、0.2mol%を超えた場合に上記の効果を得ることができ、典型的には0.3mol%以上、好ましくは0.4mol%以上、例えば0.5mol%以上とすることができる。また上記Wの割合は、0.8mol%よりも小さい場合に上記の効果を得ることができ、典型的には0.7mol%以下、好ましくは0.65mol%以下、例えば0.6mol%以下とすることができる。なお、Wは正極活物質(W含有リチウム遷移金属複合酸化物)粒子の一次粒子の表面(粒子界面を包含する)に存在する(偏在する)のが好ましい。このようなW含有リチウム遷移金属複合酸化物は、例えば、特許文献1の開示に基づき好適に製造することができる。また、本発明の目的を損なわない範囲において、上記W含有リチウム遷移金属複合酸化物が、リチウム、遷移金属元素、Wおよび酸素以外の任意元素を含むことは許容される。かかる任意元素としては、例えば、Al、Mo、Cu、Zn、Ga、In、Sn、La、Ce、CaおよびNa等が例示される。
And the ratio of W with respect to the sum total of these transition metal elements is prescribed | regulated to 0.3 mol% or more and 0.7 mol% or less. The ratio of W to the total of transition metal elements is within this range, so that the charge / discharge efficiency of the battery is improved by changing the valence of W, and in particular, the discharge resistance of the battery is kept low and the occurrence of leakage current is suppressed. Can do. In this respect, the above effect can be obtained when the ratio of W to the total of transition metal elements exceeds 0.2 mol%, typically 0.3 mol% or more, preferably 0.4 mol%. % Or more, for example, 0.5 mol% or more. The above effect can be obtained when the ratio of W is less than 0.8 mol%, and typically 0.7 mol% or less, preferably 0.65 mol% or less, for example 0.6 mol% or less. can do. In addition, it is preferable that W exists (is unevenly distributed) on the surface (including the particle interface) of the primary particles of the positive electrode active material (W-containing lithium transition metal composite oxide) particles. Such a W-containing lithium transition metal composite oxide can be suitably manufactured based on the disclosure of
上記正極活物質には、W含有リチウム遷移金属複合酸化物以外のこの種の正極用活物質(例えば、LiNiO2、LiCoO2、LiFeO2、LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4,LiCrMnO4、LiFePO4等に代表される、層状系,スピネル系等のリチウム複合金属酸化物等)が例えば、正極活物質の50質量%未満(典型的には30質量%以下、例えば10質量%以下)の割合で含まれることを妨げない。
かかる正極活物質は、粒子状のものを好適に用いることができる。正極活物質の平均粒子径は特に制限されず、電池の構成や用途によって適宜調整することができる。例えば、正極活物質の平均粒子径は、1μm以上25μm以下(典型的には2μm以上20μm以下、例えば6μm以上15μm以下)とすることができる。なお、本明細書において「平均粒子径」とは、一般的なレーザー回折・光散乱法に基づく粒度分布測定により測定した体積基準の粒度分布において、累積50%に相当する粒径(D50)を示す。
The positive electrode active material includes this kind of positive electrode active material other than the W-containing lithium transition metal composite oxide (for example, LiNiO 2 , LiCoO 2 , LiFeO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , LiCrMnO 4 , LiFePO 4, and the like, such as layered or spinel-based lithium composite metal oxides, for example, is less than 50% by mass of the positive electrode active material (typically 30% by mass or less, for example, 10% (Mass% or less) is not prevented from being included.
As the positive electrode active material, a particulate material can be preferably used. The average particle diameter of the positive electrode active material is not particularly limited, and can be appropriately adjusted depending on the configuration and use of the battery. For example, the average particle diameter of the positive electrode active material can be 1 μm to 25 μm (typically 2 μm to 20 μm, for example, 6 μm to 15 μm). In the present specification, the “average particle size” means a particle size (D 50 ) corresponding to a cumulative 50% in a volume-based particle size distribution measured by a particle size distribution measurement based on a general laser diffraction / light scattering method. Indicates.
バインダとしては、従来から非水電解質二次電池に用いられる接着能を有する物質の1種または2種以上を特に限定することなく使用することができる。例えば、正極ペーストの形態に調製して正極活物質層を形成する場合には、後述する溶媒中に均質に溶解または分散し得る化合物を用いることができる。例えば、有機溶剤系のペーストを用いて正極活物質層を形成する場合には、有機溶剤に分散または溶解するポリマー材料を好ましく採用し得る。かかるポリマー材料としては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリ塩化ビニリデン(PVdC)、ポリエチレンオキサイド等が挙げられる。あるいは、水系のペーストを用いて正極活物質層を形成する場合には、水に溶解または分散するポリマー材料を好ましく採用し得る。かかるポリマー材料としては、セルロース系ポリマー、フッ素系樹脂、酢酸ビニル共重合体、ゴム類等が例示される。より具体的には、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、アクリル酸変性SBR樹脂(SBR系ラテックス)等が挙げられる。特に限定するものではないが、正極活物質層全体に占めるバインダの割合は、例えば0.5質量%以上10質量%以下(好ましくは1質量%以上5質量%以下)とすることができる。なお、ここに開示されるバインダは、結着剤としての作用の他に、増粘剤等の役割を担うこともできる。 As the binder, one or more kinds of substances having adhesive ability that are conventionally used in nonaqueous electrolyte secondary batteries can be used without any particular limitation. For example, when the positive electrode active material layer is formed in the form of a positive electrode paste, a compound that can be dissolved or dispersed homogeneously in a solvent described later can be used. For example, when the positive electrode active material layer is formed using an organic solvent-based paste, a polymer material that is dispersed or dissolved in an organic solvent can be preferably used. Examples of such a polymer material include polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinylidene chloride (PVdC), and polyethylene oxide. Alternatively, when the positive electrode active material layer is formed using an aqueous paste, a polymer material that is dissolved or dispersed in water can be preferably used. Examples of such polymer materials include cellulose polymers, fluorine resins, vinyl acetate copolymers, rubbers, and the like. More specifically, carboxymethylcellulose (CMC), hydroxypropylmethylcellulose, polyvinyl alcohol, polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene butadiene rubber (SBR), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, acrylic acid-modified SBR resin (SBR latex). Although it does not specifically limit, the ratio of the binder to the whole positive electrode active material layer can be 0.5 mass% or more and 10 mass% or less (preferably 1 mass% or more and 5 mass% or less), for example. In addition, the binder disclosed here can also play the role of a thickener etc. other than the effect | action as a binder.
導電材としては、従来から二次電池に用いられる物質の1種または2種以上を特に限定することなく使用することができる。例えば、カーボンブラック(例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック等)、コークス、黒鉛(天然黒鉛およびその改質体、人造黒鉛)等の炭素材料を用いることができる。なかでも、粒径が小さく比表面積の大きなカーボンブラック(典型的には、アセチレンブラック)を好ましく用いることができる。特に限定するものではないが、正極活物質層全体に占める導電材の割合は、例えば1質量%以上15質量%以下(典型的には5質量%以上10質量%以下)とすることができる。 As the conductive material, one or more kinds of substances conventionally used in secondary batteries can be used without any particular limitation. For example, carbon materials such as carbon black (for example, acetylene black, furnace black, ketjen black, etc.), coke, graphite (natural graphite and modified products thereof, artificial graphite), and the like can be used. Among these, carbon black (typically acetylene black) having a small particle size and a large specific surface area can be preferably used. Although it does not specifically limit, the ratio of the electrically-conductive material to the whole positive electrode active material layer can be 1 mass% or more and 15 mass% or less (typically 5 mass% or more and 10 mass% or less), for example.
なお、正極30の作製に使用する溶媒は、上述のように、水系溶媒と有機溶剤(非水系溶媒)に大別される。有機溶媒としては、例えば、具体的には、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、N,N−ジメチルアセトアミド、2−プロパノール、シクロヘキサノン、酢酸メチル、酢酸エチル、アクリル酸メチル等が挙げられる。また、水系溶媒としては、水または水を主体とする混合溶媒であることが好ましい。該混合溶媒を構成する水以外の溶媒としては、水と均質に混合し得る有機溶剤(低級アルコール、低級ケトン等)の1種または2種以上を適宜選択して用いることができる。例えば、該水系溶媒の80質量%以上(より好ましくは90質量%以上、さらに好ましくは95質量%以上)が水である水系溶媒の使用が好ましい。特に好ましい例として、実質的に水からなる水系溶媒(例えば水)が挙げられる。
In addition, the solvent used for preparation of the
ここで開示される製造方法では、例えば、正極集電体上に上記正極ペーストまたは造粒体を付与した後に、適当な乾燥手段でこれらペースト(または造粒体)に含まれる溶媒を除去する。そして溶媒を除去した後、正極に適宜プレス処理を施すことによって、正極活物質層の厚みや密度を調整することができる。プレス処理には、例えば、ロールプレス法、平板プレス法等、従来公知の各種プレス方法を採用することができる。正極活物質層の密度は、例えば1.5g/cm3以上、典型的には2g/cm3以上であって、4.5g/cm3以下、典型的には4.2g/cm3以下とすることが好ましい。 In the production method disclosed herein, for example, after the positive electrode paste or the granulated body is applied on the positive electrode current collector, the solvent contained in the paste (or the granulated body) is removed by an appropriate drying means. Then, after removing the solvent, the thickness and density of the positive electrode active material layer can be adjusted by appropriately pressing the positive electrode. For the press treatment, various conventionally known press methods such as a roll press method and a flat plate press method can be employed. The density of the positive electrode active material layer is, for example, 1.5 g / cm 3 or more, typically 2 g / cm 3 or more, and 4.5 g / cm 3 or less, typically 4.2 g / cm 3 or less. It is preferable to do.
[負極]
負極50は、負極集電体52上に負極活物質層54が備えられることで構成されている。この負極活物質層54は、負極活物質を備えている。典型的には、負極活物質がバインダ(結着剤)により互いに結合されるとともに、負極集電体52に接合された形態であり得る。そして、本発明の非水電解質二次電池10においては、負極活物質として、非晶質炭素が表面に配置された天然黒鉛(非晶質炭素被覆黒鉛)を含んでいる。このような負極50は、例えば、負極活物質とバインダとを適当な溶媒(例えば、水やN−メチル−2−ピロリドン、好ましくは水。)に分散させてなる負極ペーストを負極集電体52の表面に供給した後、乾燥して溶媒を除去することにより作製することができる。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、チタン、ステンレス鋼等)からなる導電性部材を好適に使用することができる。
[Negative electrode]
The
なお、非晶質炭素被覆黒鉛については、粒状の黒鉛の少なくとも一部の表面に非晶質炭素が配置されているものであれば特に制限されない。好ましくは、粒状炭素の表面のほぼ全てを非晶質炭素の膜で被覆された形態である。かかる観点から、本明細書において、非晶質炭素被覆黒鉛とは、必ずしも黒鉛の外表面の全てが非晶質炭素で覆われた形態に限定されない。なお、非晶質炭素はその表面にエッジ面が多く露出しており、電荷担体の受入性が高い(すなわち、電荷担体の吸蔵・放出スピードが速い)。また、黒鉛は、理論容量が大きく、エネルギー密度に優れている。したがって、負極活物質として非晶質炭素被覆黒鉛を用いることで、大容量でエネルギー密度が高く、かつ、入出力特性に優れた非水電解質二次電池を実現することが可能となる。 The amorphous carbon-coated graphite is not particularly limited as long as amorphous carbon is disposed on at least a part of the surface of the granular graphite. Preferably, almost all of the surface of the granular carbon is covered with an amorphous carbon film. From this viewpoint, in the present specification, the amorphous carbon-coated graphite is not necessarily limited to a form in which the entire outer surface of the graphite is covered with amorphous carbon. Note that amorphous carbon has a large number of edge surfaces exposed on its surface, and has a high charge carrier acceptability (that is, the charge carrier is occluded / released quickly). Graphite has a large theoretical capacity and is excellent in energy density. Therefore, by using amorphous carbon-coated graphite as the negative electrode active material, it is possible to realize a non-aqueous electrolyte secondary battery having a large capacity, high energy density, and excellent input / output characteristics.
このような非晶質炭素被覆黒鉛は、従来公知の各種の手法によって作製することができる。例えば、先ず、原料としての黒鉛と非晶質炭素源(例えば、易黒鉛化炭素等の無機炭素材料や、有機高分子材料等)とを準備する。そして黒鉛の表面に、例えばCVD法(Chemical Vapor Deposition)等の気相法や、液相法、固相法等によって、非晶質炭素源を付着させる。黒鉛としては、塊状黒鉛、鱗片状黒鉛等の天然黒鉛、炭素前駆体を焼成処理して得られる人造黒鉛、あるいは、上記黒鉛に粉砕、篩分け、プレス等の加工処理を施したものを用いることができる。また、非晶質炭素源は、採用する非晶質炭素被覆黒鉛の作製手法にも因るため一概には言えないが、例えば、CVD法では、エチレン、アセチレン、プロピレン等の不飽和脂肪族炭化水素;メタン、エタン、プロパン等の飽和脂肪族炭化水素;ベンゼン、トルエン、ナフタレン等の芳香族炭化水素;等の各種炭化水素化合物等の、熱やプラズマ等により分解されて上記核材表面に炭素膜を形成し得る化合物(ガス)であり得る。あるいは、液相法および固相法においては、ナフタレン、アントラセン等の芳香族炭化水素、コールタールピッチ、石油ピッチ、木タールピッチ等のピッチ類等であり得る。そして、非晶質炭素源が付着された黒鉛材料を、高温(例えば500℃〜1500℃)で焼成して炭化させる。次いで、得られた炭化物を適宜粉砕、篩分けすることによって、ここに開示される性状の非晶質炭素被覆黒鉛を作製することができる。 Such amorphous carbon-coated graphite can be produced by various conventionally known methods. For example, first, graphite and an amorphous carbon source (for example, an inorganic carbon material such as graphitizable carbon or an organic polymer material) are prepared as raw materials. Then, an amorphous carbon source is attached to the surface of the graphite by a vapor phase method such as a CVD method (Chemical Vapor Deposition), a liquid phase method, a solid phase method, or the like. As graphite, natural graphite such as massive graphite and flake graphite, artificial graphite obtained by firing a carbon precursor, or those obtained by subjecting the above graphite to processing such as pulverization, sieving, pressing, etc. Can do. In addition, the amorphous carbon source cannot be generally described because it depends on the method for producing the amorphous carbon-coated graphite employed. For example, in the CVD method, unsaturated aliphatic carbonization such as ethylene, acetylene, and propylene is used. Hydrogen: saturated aliphatic hydrocarbons such as methane, ethane, propane, etc .; aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, naphthalene, etc .; It can be a compound (gas) that can form a film. Alternatively, in the liquid phase method and the solid phase method, aromatic hydrocarbons such as naphthalene and anthracene, pitches such as coal tar pitch, petroleum pitch, and wood tar pitch can be used. Then, the graphite material to which the amorphous carbon source is attached is fired and carbonized at a high temperature (for example, 500 ° C. to 1500 ° C.). Next, the obtained carbide is appropriately pulverized and sieved to produce amorphous carbon-coated graphite having the properties disclosed herein.
なお、非晶質炭素被覆黒鉛の性状(例えば、D50値、BET比表面積等)は、例えば使用する原料の種類や性状(特には平均粒径)、焼成・炭化温度、炭化後の粉砕や篩分け等によって調整することができる。例えば、平均粒径(D50)がおよそ5〜20μmで、BET法による比表面積がおよそ1.8〜5.6m2/g程度のものを好ましく用いることができる。上記負極活物質には、非晶質炭素被覆黒鉛以外のこの種の負極用活物質(例えば、天然黒鉛,人造黒鉛等の黒鉛;難黒鉛化炭素,易黒鉛化炭素,カーボンナノチューブ等の炭素材料;リチウムチタン複合酸化物等の金属酸化物;スズやケイ素等のリチウムと合金を形成し得る金属等)が例えば、負極活物質の50質量%未満(典型的には30質量%以下、例えば10質量%以下)の割合で含まれることを妨げない。 The properties of amorphous carbon-coated graphite (for example, D50 value, BET specific surface area, etc.) include, for example, the type and properties of raw materials used (particularly the average particle size), firing / carbonization temperature, pulverization and sieve after carbonization. It can be adjusted by dividing. For example, those having an average particle diameter (D50) of about 5 to 20 μm and a specific surface area by the BET method of about 1.8 to 5.6 m 2 / g can be preferably used. As the negative electrode active material, this kind of negative electrode active material other than amorphous carbon-coated graphite (for example, graphite such as natural graphite and artificial graphite; carbon material such as non-graphitizable carbon, graphitizable carbon, and carbon nanotube) Metal oxide such as lithium-titanium composite oxide; metal that can form an alloy with lithium such as tin and silicon) is, for example, less than 50% by mass of the negative electrode active material (typically 30% by mass or less, for example, 10 (Mass% or less) is not prevented from being included.
バインダとしては、上記正極活物質層用のバインダとして例示したポリマー材料から適当なものを選択することができる。例えば、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等が例示される。特にスチレンブタジエンゴム(SBR)に代表されるゴム系樹脂からなるバインダは、機械的強度や耐久性に優れた負極活物質層を備える信頼性の高い非水電解質二次電池を実現し得るために好ましい。負極活物質層全体に占めるバインダの割合は特に制限されないが、例えば0.1質量%〜10質量%程度の範囲で調整することができる。とりわけバインダ量を0.4質量%以上1質量%以下の割合とすることで、負極の抵抗をより一層低く抑えることができる。これにより、より高品位な非水電解質二次電池を提供することができる。 As the binder, an appropriate material can be selected from the polymer materials exemplified as the binder for the positive electrode active material layer. For example, styrene butadiene rubber (SBR), polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE) and the like are exemplified. In particular, a binder made of a rubber-based resin typified by styrene butadiene rubber (SBR) can realize a highly reliable nonaqueous electrolyte secondary battery including a negative electrode active material layer having excellent mechanical strength and durability. preferable. The ratio of the binder in the entire negative electrode active material layer is not particularly limited, but can be adjusted, for example, in the range of about 0.1% by mass to 10% by mass. In particular, the resistance of the negative electrode can be further reduced by setting the binder amount to a ratio of 0.4% by mass or more and 1% by mass or less. Thereby, a higher quality nonaqueous electrolyte secondary battery can be provided.
負極活物質層54全体に占める負極活物質の割合は、およそ50質量%以上とすることが適当であり、好ましくは90質量%〜99質量%、例えば95質量%〜99質量%である。そして、上記負極に適宜プレス処理を施すことによって、負極活物質層の厚みや密度を調整することができる。プレス処理後の負極活物質層の厚みは、例えば20μm以上、典型的には50μm以上であって、200μm以下、典型的には100μm以下とすることができる。また、負極活物質層の密度は特に限定されないが、例えば0.8g/cm3以上、典型的には1.0g/cm3以上であって、1.6g/cm3以下、典型的には1.5g/cm3以下、例えば1.4g/cm3以下とすることができる。
The proportion of the negative electrode active material in the entire negative electrode
(負極のキャパシタンス)
そして本発明の非水電解質二次電池においては、負極は、キャパシタンスが0.12F/g以上0.2F/g以下の範囲であることを特徴としている。負極活物質として非晶質炭素被覆黒鉛を用いて負極を作製した場合において、負極のキャパシタンスを上記範囲とすることで、例えば充電抵抗を低く抑えることができ、入力特性に優れた非水電解質二次電池を実現することができる。また、特定の正極活物質を用いた正極との組み合わせにおいて、シャットダウン後の漏れ電流を低減でき、安全性に優れた非水電解質二次電池を実現することができる。ここでは、負極のキャパシタンスが0.12F/g以上であることで、概ね全ての用途の電池について入力特性が良好であると判断することができる。負極のキャパシタンスは、好ましくは0.13F/g以上であり、より好ましくは0.14F/g以上、例えば0.15F/g以上である。また、負極のキャパシタンスが0.2F/g以下であることで、漏れ電流が十分に抑制され得ると判断するようにしている。負極のキャパシタンスは、好ましくは0.192F/g以下であり、より好ましくは0.19F/g以下、例えば0.18F/g以下である。
(Negative capacitance)
In the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the negative electrode has a capacitance in the range of 0.12 F / g or more and 0.2 F / g or less. When a negative electrode is produced using amorphous carbon-coated graphite as the negative electrode active material, by setting the capacitance of the negative electrode within the above range, for example, the charging resistance can be kept low, and a non-aqueous electrolyte with excellent input characteristics can be obtained. A secondary battery can be realized. Further, in combination with a positive electrode using a specific positive electrode active material, a leakage current after shutdown can be reduced, and a non-aqueous electrolyte secondary battery excellent in safety can be realized. Here, when the capacitance of the negative electrode is 0.12 F / g or more, it can be determined that the input characteristics are good for the batteries for almost all uses. The capacitance of the negative electrode is preferably 0.13 F / g or more, more preferably 0.14 F / g or more, for example, 0.15 F / g or more. Further, it is determined that the leakage current can be sufficiently suppressed when the capacitance of the negative electrode is 0.2 F / g or less. The capacitance of the negative electrode is preferably 0.192 F / g or less, more preferably 0.19 F / g or less, for example 0.18 F / g or less.
なお、負極のキャパシタンスは、以下の手順で求めることができる。すなわち、対象とする負極50を未充電状態で2枚用意して構成されるシンメトリーセル100について、一般的な交流インピーダンス法により測定した特定の周波数領域のインピーダンスZ(f)を測定する。そしてかかるインピーダンスZ(f)の定量値を、その周波数に対する電気二重層容量C(f)へと変換し、その最大収束値に基づき負極のキャパシタンスを算出する。本発明においては、かかる最大収束値を、周波数0.1Hzにおける電気二重層容量の実部成分C’(f)として得るようにする。そしてこの値を、負極活物質の単位重量あたりに換算することで、負極のキャパシタンスが算出される。
図2は、負極のキャパシタンスを測定するために用いるシンメトリーセル100の構成を例示している。シンメトリーセル100は、測定対象の負極50を下記のサイズで2枚用意し、これらをセパレータ70を介して絶縁した状態で、負極活物質層54が対向するように配置することで構成することができる。負極50は、例えば、概ね下記の範囲であれば任意の構成とすることができる。
Note that the capacitance of the negative electrode can be obtained by the following procedure. That is, for a
FIG. 2 illustrates the configuration of a
<シンメトリーセルの基本的な構成>
負極活物質層:[バインダ+増粘剤](質量比)=98:2〜99:1
目付量:3.5〜3.8mg/cm2(片面)
活物質層密度:0.90g/cm3〜1.40g/cm3
負極サイズ:4.5cm×4.7cm
電解液 :1.1mol/LのLiPF6を含むEC:DMC:EMC=3:4:3(体積比)
<Basic configuration of symmetry cell>
Negative electrode active material layer: [binder + thickener] (mass ratio) = 98: 2-99: 1
Weight per unit area: 3.5 to 3.8 mg / cm 2 (one side)
Active material layer density: 0.90 g / cm 3 to 1.40 g / cm 3
Negative electrode size: 4.5cm x 4.7cm
Electrolyte solution: EC containing 1.1 mol / L LiPF 6 : DMC: EMC = 3: 4: 3 (volume ratio)
負極50を構成する負極集電体52としては、上述のごとく各種の導電性の良好な金属の箔等を用いることができる。特に限定されるものではないが、好ましくは、厚みが10μm程度の銅箔である。なお、電解液の混合溶液の構成におけるECはエチレンカーボネートを、DMCはジメチルカーボネートを、EMCはエチルメチルカーボネートを示している。セパレータとしては、絶縁性とイオン透過性とを兼ね備えるものであれば特に制限されることなく、従来公知の各種のセパレータを用いることができる。上記の通り対向配置された負極50と電解液とを、例えば、外部から2枚の負極50間に電圧の印加が可能な状態として、ラミネートバック等の電池ケース80に収容することで、シンメトリーセル100を構築することができる。
As the negative electrode
このように構成したシンメトリーセル100について、交流インピーダンスを測定する。交流インピーダンスの測定方法は特に限定されず、例えば、汎用の高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)アナライザを用いるFFT法や、単一正弦波を掃引して測定する周波数応答アナライザ(FRA:Frequency Response Analyzer)等の各種の方式を適宜採用することができる。例えば、以下のようにして測定することができる。まず、上記の電極50間に直流電流を流し、次いで微小交流電流を重畳させたときの各周波数における応答電圧を測定することでインピーダンスを算出し、フーリエ変換することで、インピーダンスの周波数特性を求める。または、発振器から交流信号を電極50間に印加し、電圧計で試料電圧(V)を、電流計で試料電流(I)を測定する等してインピーダンスの周波数特性を求めるようにしても良い。測定に際し、典型的には、交流電圧の周波数を100000Hz程度の高周波から0.1Hz程度の低周波へと変化させる。交流電圧の振幅については特に制限されないが1〜10mV程度、例えば5mV程度を目安に設定することができる。
AC impedance is measured for the
測定により得られたインピーダンスの周波数特性は、例えば、典型的には、Cole−Coleプロット(ナイキストプロット)を作成し、等価回路にフィッティングさせて解析することで、電気二重層容量を得ることができる。本発明では、インピーダンスの周波数特性から、いわゆる電気二重層容量と呼ばれる成分を抽出し、0.1Hzという充分な低周波における電気二重層容量に基づき「負極活物質のキャパシタンス」を規定している。かかる負極活物質のキャパシタンスは、具体的には、例えば以下のようにして算出することができる。まず、測定により得られた周波数fに関するインピーダンス特性は、下記式(1)で表すことができる。このインピーダンスZ(f)の関係を、電気二重層容量C(f)との関係を示す式(2)に変換する。ここで、この電気二重層容量C(f)は式(3)で表すことができ、その実部成分C’(f)と虚部成分C”(f)はそれぞれ式(4)および式(5)で表すことができる。したがって、式(4)から周波数が0.1Hzの時の電気二重層容量C’値を算出すればよい。 The frequency characteristics of the impedance obtained by the measurement can be typically obtained, for example, by creating a Cole-Cole plot (Nyquist plot) and fitting it into an equivalent circuit for analysis. . In the present invention, a so-called electric double layer capacitance component is extracted from the frequency characteristics of impedance, and the “capacitance of the negative electrode active material” is defined based on the electric double layer capacitance at a sufficiently low frequency of 0.1 Hz. Specifically, the capacitance of the negative electrode active material can be calculated as follows, for example. First, the impedance characteristic regarding the frequency f obtained by the measurement can be expressed by the following formula (1). The relationship of the impedance Z (f) is converted into an equation (2) indicating the relationship with the electric double layer capacitance C (f). Here, the electric double layer capacitance C (f) can be expressed by Expression (3), and its real part component C ′ (f) and imaginary part component C ″ (f) are expressed by Expression (4) and Expression (5), respectively. Therefore, the electric double layer capacitance C ′ value when the frequency is 0.1 Hz may be calculated from the equation (4).
なお、上記で求めた0.1Hzの時の電気二重層容量C’は、シンメトリーセル100の全体に生じる総電荷量であるため、これを負極活物質の単位重量あたりの電荷量に換算することで、負極活物質のキャパシタンスとする。この計算に当たっては、下式(6)の関係から、式(7)で示される1枚の電極50の容量C1’が算出される。そして、この1枚の電極50の容量C1’を1枚の電極の活物質層に含まれる総活物質の質量で割ることで、活物質のキャパシタンス値を求めればよい。以上の負極のキャパシタンスは、より詳細には、例えば、特許文献4を参照して測定することができる。
Since the electric double layer capacity C ′ obtained at 0.1 Hz obtained above is the total charge amount generated in the
[セパレータ]
セパレータ70は、正極30(正極活物質層34)と負極50(負極活物質層54)とを絶縁するとともに、電荷担体の透過性を有する構成材料であり、典型的には上記正極30と負極50との間に配置される。セパレータ70は、非水電解質の保持機能や、所定の温度以上で軟化又は溶融して電荷担体の移動を防止するシャットダウン機能を備えるようにしてもよい。かかるセパレータとしては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂からなる微多孔質樹脂シートを好適に用いることができる。なかでも、PEやPP等のポリオレフィン樹脂からなる微多孔質シートは、シャットダウン温度を80℃〜140℃(典型的には110℃〜140℃、例えば120℃〜135℃)の範囲で好適に設定できるために好ましい。かかるセパレータは、単一の材料から構成される単層構造であってもよく、材質や性状(例えば、平均厚みや空孔率等)の異なる2種以上の微多孔質樹脂シートが積層された構造(例えば、PE層の両面にPP層が積層された三層構造)であってもよい。セパレータ70の平均厚みは特に限定されないが、通常、10μm以上、典型的には15μm以上、例えば17μm以上とすることができる。また、上限については、40μm以下、典型的には30μm以下、例えば25μm以下とすることができる。平均厚みが上記範囲内にあることで、電荷担体の透過性を良好に保つことができ、かつ、微小な短絡(漏れ電流)がより生じ難くなる。このため、入出力特性と安全性とをより高いレベルで両立することができる。
[Separator]
The
[非水電解質]
非水電解質としては、典型的には、非水溶媒中に支持塩(例えば、リチウム塩、ナトリウム塩、マグネシウム塩等であり、リチウムイオン二次電池ではリチウム塩)を溶解または分散させたものを採用し得る。あるいは、液状の非水電解質にポリマーが添加されてゲル状となった、いわゆる固体電解質であってもよい。
非水溶媒としては、一般的な非水電解質二次電池において電解液として用いられる各種の有機溶媒のうち1種を単独で、または2種以上を組み合わせて用いることができる。例えば、具体的には、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等のカーボネート、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、モノフルオロエチレンカーボネート(MFEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)等のフッ素化環状カーボネート等を好適に採用し得る。
支持塩としては、一般的な非水電解質二次電池に用いられる各種のものを適宜選択して採用することができる。例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、Li(CF3SO2)2N、LiCF3SO3等のリチウム塩を用いることが例示される。このような支持塩は、1種を単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いてもよい。かかる支持塩は、非水電解質における濃度が0.7mol/L〜1.3mol/Lの範囲内となるように調製することが好ましい。
[Nonaqueous electrolyte]
As the non-aqueous electrolyte, typically, a non-aqueous solvent in which a supporting salt (for example, a lithium salt, a sodium salt, a magnesium salt, etc., or a lithium salt in a lithium ion secondary battery) is dissolved or dispersed is used. Can be adopted. Alternatively, a so-called solid electrolyte in which a polymer is added to a liquid non-aqueous electrolyte to form a gel may be used.
As the non-aqueous solvent, one of various organic solvents used as an electrolytic solution in a general non-aqueous electrolyte secondary battery can be used alone or in combination of two or more. For example, specifically, carbonates such as ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC),
As the supporting salt, various kinds of salts used for general nonaqueous electrolyte secondary batteries can be appropriately selected and employed. For example, the use of lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiCF 3 SO 3 is exemplified. Such supporting salts may be used singly or in combination of two or more. Such a supporting salt is preferably prepared so that the concentration in the non-aqueous electrolyte is within the range of 0.7 mol / L to 1.3 mol / L.
また、非水電解質は、本発明の非水電解質二次電池の特性を損なわない限り、各種の添加剤等を含んでいても良い。かかる添加剤としては、ビニレンカーボネート(VC),フルオロエチレンカーボネート(FEC)等の皮膜形成剤、ビフェニル(BP),シクロヘキシルベンゼン(CHB)等のガス発生添加剤等が挙げられる。 In addition, the nonaqueous electrolyte may contain various additives and the like as long as the characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention are not impaired. Examples of such additives include film forming agents such as vinylene carbonate (VC) and fluoroethylene carbonate (FEC), and gas generating additives such as biphenyl (BP) and cyclohexylbenzene (CHB).
以下、特に限定することを意図したものではないが、本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池10の構成について、図1に示す典型的な角型電池の例を適宜参照しつつ、さらに詳細に説明する。図1に示す非水電解質二次電池10は、正極30と負極50とを備える電極体20が、図示しない非水電解質とともに扁平な箱型形状の電池ケース80に収容された構成を有している。電池ケース80は、扁平な直方体の一の面(図では上面)が開放された形状のケース本体84と、その開口面を塞ぐ蓋体82とを備えている。電池ケース80の上面(典型的には、蓋体82)には、外部接続用の正極端子40と、外部接続用の負極端子60とが、電池ケース80とは絶縁された状態で配設されている。また、電池ケース80の上面(典型的には、蓋体82)には、従来の非水電解質二次電池の電池ケースと同様に、電池ケース80の内部で発生したガスを外部に排出するための安全弁88や、電解液の注入を行う注液口86が備えられている。かかる構成の非水電解質二次電池10は、例えば、蓋体82に電極体20を取り付けた後、ケース本体84の開口面から電極体20をその内部に収容しつつ、ケース本体84の開口面を蓋体82で封止することで電池10を組み立てる。次いで、蓋体82に設けられた注液口86から非水電解質を注入し、かかる注液口86を溶接等により封止することによって構築することができる。
Hereinafter, although not intended to be particularly limited, the configuration of the nonaqueous electrolyte
なお、電極体20は、具体的には、正極30と負極50とが、例えば、セパレータを介して重ね合わされて構成されている。図1に示される電極体20は、長尺シート状の正極(正極シート)30と、長尺シート状の負極(負極シート)50とが、2枚のセパレータ70を介して互いに絶縁されるよう重ね合わされ、捲回された捲回電極体20である。かかる捲回電極体20は、電池ケース80に対応した扁平形状に捲回されているか、あるいは、捲回後に扁平形状に整形されている。このような捲回型電極体は、正極30と負極50との対向が複数積層されているために、否積層タイプの電池と比べて、さらには板状電極が複数積層された積層型電極体と比べて、電池反応による発熱が放出され難い。したがって、このような電池にここに開示される技術を適用するのは好ましい態様であり得る。
Specifically, the
かかる捲回型電極体において、正極30は、長尺状の正極集電体32の少なくとも一方の表面(典型的には両面)に、長手方向の端部に沿って正極集電体32が露出するように正極活物質層34が形成されている。負極50は、長尺状の負極集電体52の少なくとも一方の表面(典型的には両面)に、長手方向の端部に沿って負極集電体52が露出するように負極活物質層54が形成されている。かかる形態の正極30および負極50を、互いの集電体32,52の露出部が反対の端部に突出するように重ね合わせて捲回することで、捲回電極体20においても捲回軸方向の両端部に当該露出部が突出されている。そして、かかる正極集電体32および負極集電体52が、それぞれ、正極端子40および負極端子60に電気的に接続されている。これにより、電極体20に蓄積されている電荷をこれら端子40,60を介して外部に出力(放電)したり、これら端子40,60を介して外部から電極体20に電荷を入力(充電)したりすることができる。
In such a wound electrode body, the
ここに開示される非水電解質二次電池は各種用途に利用可能であるが、例えば、従来品に比べて優れた入出力特性と高い安全性とを兼ね備えたものであり得る。また、これらの優れた電池性能と信頼性(過充電時の熱安定性等の安全性を包含する)とを高いレベルで両立可能なものであり得る。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が要求される用途、高い信頼性を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。なお、かかる二次電池は、典型的には複数個を直列および/または並列に接続してなる組電池の形態で使用され得る。 The non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed herein can be used for various applications. For example, the non-aqueous electrolyte secondary battery can have both excellent input / output characteristics and high safety compared to conventional products. In addition, these excellent battery performance and reliability (including safety such as thermal stability during overcharge) can be compatible at a high level. Therefore, taking advantage of such characteristics, it can be preferably used in applications requiring high energy density and high input / output density and applications requiring high reliability. Examples of such applications include drive power supplies mounted on vehicles such as plug-in hybrid vehicles, hybrid vehicles, and electric vehicles. Such secondary batteries can typically be used in the form of an assembled battery in which a plurality are connected in series and / or in parallel.
以下、具体的な実施例として、ここに開示される非水電解質二次電池を作製した。なお、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。 Hereinafter, the nonaqueous electrolyte secondary battery disclosed here was produced as a specific example. It should be noted that the present invention is not intended to be limited to those shown in the specific examples.
[負極の作製]
平均粒子径の異なる7種の天然黒鉛粉末と、非晶質炭素としてのピッチを準備し、これら原料の質量比が96:4となるように混合することでピッチを天然黒鉛粉末に含浸させた。このピッチ付き天然黒鉛を、不活性雰囲気下、800℃〜1300℃で10時間焼成し、表面に非晶質炭素が配置された黒鉛(非晶質炭素被覆黒鉛)を得た。この非晶質炭素被覆黒鉛に対し、粉砕および篩分けの条件を異ならせることで、性状の異なる5種類の負極活物質a〜eを得た。なお、これらの負極活物質は、平均粒径(D50)が5〜20μm、BET比表面積が1.8〜5.6m2/gの範囲であった。
[Production of negative electrode]
Seven kinds of natural graphite powders having different average particle diameters and pitches as amorphous carbon were prepared, and the pitches were impregnated into the natural graphite powders by mixing so that the mass ratio of these raw materials was 96: 4. . This natural graphite with pitch was fired at 800 ° C. to 1300 ° C. for 10 hours under an inert atmosphere to obtain graphite having amorphous carbon disposed on the surface (amorphous carbon-coated graphite). Five types of negative electrode active materials a to e having different properties were obtained by changing the grinding and sieving conditions for the amorphous carbon-coated graphite. These negative electrode active materials had an average particle diameter (D 50 ) of 5 to 20 μm and a BET specific surface area of 1.8 to 5.6 m 2 / g.
この負極活物質a〜eと、バインダとしてのスチレンブタジエンゴム(SBR)と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とを、これら材料の質量比が98.6:0.7:0.7となるようイオン交換水を加えて混練することで、負極ペーストを調製した。そしてこの負極ペーストを、負極集電体としての厚さ10μmの銅箔に、両面での目付量が7.3mg/cm2となるように塗付し、乾燥させることで、負極活物質層を形成した。次いで、この負極活物質層の密度が0.9〜1.3g/cm3となるように圧延プレスすることにより、負極シートとした。そしてこのシートを、負極活物質層の幅が102mm、長さが3200mmとなるように切り出して、負極a〜eを得た。 The negative electrode active materials a to e, styrene butadiene rubber (SBR) as a binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) as a thickener have a mass ratio of these materials of 98.6: 0.7: 0.7. A negative electrode paste was prepared by adding ion-exchanged water and kneading. Then, this negative electrode paste was applied to a copper foil having a thickness of 10 μm as a negative electrode current collector so that the basis weight on both sides was 7.3 mg / cm 2 and dried, whereby the negative electrode active material layer was formed. Formed. Next, the negative electrode active material layer was rolled and pressed so that the density was 0.9 to 1.3 g / cm 3 to obtain a negative electrode sheet. And this sheet | seat was cut out so that the width | variety of a negative electrode active material layer might be 102 mm and length might be 3200 mm, and negative electrode ae was obtained.
[キャパシタンスの測定]
用意した5種類の負極a〜eのキャパシタンスを、交流インピーダンス法により測定した。具体的には、先ず、上記の負極シートから、4.5cm×4.7cm(負極活物質層の面積:約21.15cm2)の大きさの負極をそれぞれ2枚ずつ切り出し、真空中、80℃、12時間の条件で乾燥させた。この2枚の負極を、微多孔性のポリプロピレンからなるセパレータを介して負極活物質層が対向するように重ねあわせ、1mlの非水電解液を真空含浸させるとともにラミネートバッグに収容して、シンメトリーセルを構築した。非水電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とをEC:DMC:EMC=3:4:3の体積比で含む混合溶媒に、1.1mol/LのLiPF6を溶解させたものを用いた。
[Measurement of capacitance]
The capacitances of the five types of prepared negative electrodes a to e were measured by an AC impedance method. Specifically, first, two negative electrodes each having a size of 4.5 cm × 4.7 cm (the area of the negative electrode active material layer: about 21.15 cm 2 ) were cut out from the above negative electrode sheet, and each of the negative electrodes was 80 in vacuum. Drying was carried out at 12 ° C. for 12 hours. The two negative electrodes are overlapped with a separator made of microporous polypropylene so that the negative electrode active material layers face each other, and 1 ml of nonaqueous electrolyte is vacuum impregnated and accommodated in a laminate bag. Built. As a non-aqueous electrolyte, 1.1 mol in a mixed solvent containing ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) at a volume ratio of EC: DMC: EMC = 3: 4: 3. / L LiPF 6 dissolved was used.
そしてシンメトリーセルについて、交流インピーダンスの測定を行い、各負極のキャパシタンスを算出した。交流インピーダンスの測定は、ソーラトロン社製「1287型ポテンショ/ガルバノスタット」および「1255B型周波数応答アナライザ(FRA)」を用い、25℃で入力電圧を5mVとし、10000Hz〜0.1Hzの範囲で周波数依存性のインピーダンスを測定した。キャパシタンスの解析には、ソーラトロン社製の解析ソフトウェア「ZPlot/CorrWare」を用い、インピーダンス測定結果を周波数に対する電気二重層容量成分の関係に変換し、この周波数と電気二重層容量成分との関係から、0.1Hzにおける電気二重層容量(F)を負極活物質の単位重量(g)当たりの値に変換することで、負極のキャパシタンス(F/g)とした。これにより得られた負極とキャパシタンスとの関係を、下記の表1に示した。 And about the symmetry cell, the alternating current impedance was measured and the capacitance of each negative electrode was computed. AC impedance is measured using Solartron's “1287 type potentio / galvanostat” and “1255B type frequency response analyzer (FRA)”. Sex impedance was measured. In the analysis of the capacitance, using the analysis software “ZPlot / Corware” manufactured by Solartron, the impedance measurement result is converted into the relationship of the electric double layer capacitance component to the frequency, and from the relationship between this frequency and the electric double layer capacitance component, The capacitance (F / g) of the negative electrode was obtained by converting the electric double layer capacity (F) at 0.1 Hz into a value per unit weight (g) of the negative electrode active material. Table 1 below shows the relationship between the negative electrode and the capacitance thus obtained.
[正極の作製]
以下の手順で、タングステン(W)を5通りの割合で含むリチウム遷移金属複合酸化物からなる正極活物質を用意した。すなわち、先ず、硫酸ニッケル(NiSO4)と硫酸コバルト(CoSO4)と硫酸マンガン(MnSO4)とを水に溶解させて、Ni:Co:Mnのモル比が1:1:1であり、かつNi,CoおよびMnの合計濃度が1.8mol/Lである水溶液Aを調製した。
また、パラタングステン酸アンモニウム(5(NH4)2O・12WO3)を水に溶解させて、Wの濃度が0.05mol/LのW水溶液Bを調製した。
[Production of positive electrode]
A positive electrode active material made of a lithium transition metal composite oxide containing tungsten (W) at five ratios was prepared by the following procedure. That is, first, nickel sulfate (NiSO 4 ), cobalt sulfate (CoSO 4 ), and manganese sulfate (MnSO 4 ) are dissolved in water, and the molar ratio of Ni: Co: Mn is 1: 1: 1, and An aqueous solution A having a total concentration of Ni, Co and Mn of 1.8 mol / L was prepared.
Further, ammonium paratungstate (5 (NH 4 ) 2 O · 12WO 3 ) was dissolved in water to prepare a W aqueous solution B having a W concentration of 0.05 mol / L.
次いで、攪拌装置および窒素導入管を備えた反応槽に、その容量の半分程度の水を入れ、攪拌しながら40℃に加熱した。該反応槽を窒素置換した後、窒素気流下、反応槽内の空間を酸素濃度2.0%の非酸化性雰囲気に維持しつつ、25%(質量基準)水酸化ナトリウム水溶液と25%(質量基準)アンモニア水とをそれぞれ適量加えて、液温25℃を基準とするpHが12.0であり、液相のアンモニア濃度が20g/Lであるアルカリ性の水溶液C(NH3・NaOH水溶液)を調製した。 Next, about half of the capacity of water was placed in a reaction vessel equipped with a stirrer and a nitrogen introduction tube, and heated to 40 ° C. while stirring. After the atmosphere in the reaction vessel was replaced with nitrogen, 25% (mass basis) sodium hydroxide aqueous solution and 25% (mass basis) were maintained in a non-oxidizing atmosphere with an oxygen concentration of 2.0% under a nitrogen stream. Standard) Aqueous aqueous solution C (NH 3 · NaOH aqueous solution) having a pH of 12.0 based on a liquid temperature of 25 ° C. and a liquid phase ammonia concentration of 20 g / L was added by adding appropriate amounts of ammonia water. Prepared.
次に、上記反応槽中のアルカリ性水溶液Cに、上記でそれぞれ調製した水溶液AおよびBと、25%水酸化ナトリウム水溶液と、25%アンモニア水とを、一定速度で供給することにより、反応液をpH12.0以上(具体的にはpH12.0〜14.0)、かつアンモニア濃度20g/Lに維持しながら、該反応液から水酸化物を晶析させた(核生成段階)。なお、上記アルカリ性水溶液Aと水溶液Bとは、遷移金属(Ni,Co,Mn)の合計に対するWの割合Xが(a)0.2mol%,(b)0.3mol%,(c)0.6mol%,(d)0.8mol%,(e)1mol%、となるよう5通りの割合で加えるようにした。 Next, by supplying the aqueous solutions A and B prepared above, 25% aqueous sodium hydroxide, and 25% aqueous ammonia at a constant rate to the alkaline aqueous solution C in the reaction vessel, Hydroxides were crystallized from the reaction solution while maintaining the pH at 12.0 or higher (specifically, pH 12.0 to 14.0) and an ammonia concentration of 20 g / L (nucleation stage). In the alkaline aqueous solution A and the aqueous solution B, the ratio X of W to the total of transition metals (Ni, Co, Mn) is (a) 0.2 mol%, (b) 0.3 mol%, (c) 0. It was made to add in 5 ratios so that it might become 6 mol%, (d) 0.8 mol%, and (e) 1 mol%.
そして、上記反応槽への各液の供給速度を調節して反応液のpH12.0未満(具体的には、pH10.5〜11.9に調整し、液相のアンモニア濃度を1〜10g/Lの範囲の所定濃度に制御しつつ、上記で生成した核の粒子成長反応を行った(粒子成長段階)。生成物を反応槽から取り出し、水洗し、乾燥させて、(Ni1/3Co1/3Mn1/3)1−XWX(OH)2を基本構成とする複合水酸化物(前駆体水酸化物)を得た。この前駆体水酸化物に、大気雰囲気中、150℃で12時間の熱処理を施した。 And the supply rate of each liquid to the said reaction tank is adjusted, pH of reaction liquid is less than 12.0 (specifically, it adjusts to pH10.5-11.9, and the ammonia concentration of a liquid phase is 1-10 g / The particle growth reaction of the nuclei generated above was performed while controlling the concentration to a predetermined concentration in the range of L. (Particle growth stage) The product was removed from the reaction vessel, washed with water, and dried (Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 ) 1-X W X (OH) 2 to obtain a composite hydroxide (precursor hydroxide) having a basic composition of 150% in the atmospheric air, 150 Heat treatment was carried out at 12 ° C. for 12 hours.
その後、上記前駆体水酸化物とLi2CO3(リチウム源)とを、(Ni+Co+Mn):Liのモル比が1.16:1となるように混合した(混合工程)。この未焼成混合物を、大気雰囲気中、最高焼成温度900℃に3時間保持する第一焼成段階に供し、次いで最高焼成温度730℃に8時間保持する第二焼成段階に供した。その後、かかる焼成物を冷却し、解砕し、篩い分けを行った。これにより、Li1.15(Ni1/3Co1/3Mn1/3)1−XWXO2、(ただし、X=(a)0.2,(b)0.3,(c)0.6,(d)0.8または(e)1)で表される平均組成の正極活物質粒子を得た。 Thereafter, the precursor hydroxide and Li 2 CO 3 (lithium source) were mixed so that the molar ratio of (Ni + Co + Mn): Li was 1.16: 1 (mixing step). This unfired mixture was subjected to a first firing stage in which the maximum firing temperature was maintained at 900 ° C. for 3 hours in an air atmosphere, and then to a second firing stage in which the maximum firing temperature was maintained at 730 ° C. for 8 hours. Thereafter, the fired product was cooled, crushed and sieved. Accordingly, Li 1.15 (Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 ) 1-X W X O 2 (where X = (a) 0.2, (b) 0.3, (c ) 0.6, (d) 0.8 or (e) 1) positive electrode active material particles having an average composition were obtained.
上記で用意した5通りの正極活物質と、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、これら材料の質量比が90:8:2となるようにN−メチルピロリドン(NMP)と混合して、正極ペーストを調製した。この正極ペーストを、正極集電体としての厚さ15μmの長尺のアルミニウム箔に、両面での目付量が11.2mg/cm2となるよう塗付し、乾燥させることで、正極活物質層を形成した。次いで、この正極活物質層の密度が1.8〜2.4g/cm3となるように圧延プレスすることにより、正極シートとした。そしてこのシートを、正極活物質層の幅が98mm、長さが3000mmとなるように切り出して、正極a〜eとした。 The five positive electrode active materials prepared above, acetylene black (AB) as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder so that the mass ratio of these materials is 90: 8: 2. A positive electrode paste was prepared by mixing with N-methylpyrrolidone (NMP). This positive electrode paste is applied to a long aluminum foil having a thickness of 15 μm as a positive electrode current collector so that the weight per unit area is 11.2 mg / cm 2, and is dried. Formed. Next, the positive electrode active material layer was rolled and pressed so that the density of the positive electrode active material layer was 1.8 to 2.4 g / cm 3 to obtain a positive electrode sheet. And this sheet | seat was cut out so that the width | variety of a positive electrode active material layer might be 98 mm and length might be 3000 mm, and it was set as positive electrode ae.
[評価用リチウムイオン二次電池の用意]
本実施形態では、上記で用意した負極a〜eと正極a〜eとを用いて、計25種類のリチウムイオン二次電池を構築した。具体的には、いずれかの正極と負極とを、セパレータを介してそれぞれ重ね合わせた。負極と正極とは、互いの集電体の露出部が反対側に位置するように、また、負極活物質層が正極活物質層を幅方向で覆うように積層した。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)の三層構造の微多孔質シートを用いた。そして、この積層体を長尺方向に捲回した後、扁平形状に成形することで、捲回電極体(正負極の充電容量比:1.5〜2.0、捲回数:29ターン)を作製した。
次いで、電池ケースの蓋体に正極端子および負極端子を取り付け、これらの端子を捲回電極体端部に露出した正極集電体および負極集電体にそれぞれ溶接した。このようにして蓋体と連結された捲回電極体を電池ケースの開口部からその内部に収容し、開口部と蓋体を溶接(封口)した。
[Preparation of lithium ion secondary battery for evaluation]
In the present embodiment, a total of 25 types of lithium ion secondary batteries were constructed using the negative electrodes a to e and the positive electrodes a to e prepared above. Specifically, any one of the positive electrode and the negative electrode was superposed via a separator. The negative electrode and the positive electrode were laminated so that the exposed portion of the current collector was positioned on the opposite side, and the negative electrode active material layer covered the positive electrode active material layer in the width direction. As the separator, a microporous sheet having a three-layer structure of polyethylene (PE) / polypropylene (PP) / polyethylene (PE) was used. And after winding this laminated body to the elongate direction, by forming in a flat shape, the winding electrode body (Charge capacity ratio of positive / negative electrode: 1.5-2.0, the frequency | count of winding: 29 turns) Produced.
Next, a positive electrode terminal and a negative electrode terminal were attached to the lid of the battery case, and these terminals were welded to the positive electrode current collector and the negative electrode current collector exposed at the ends of the wound electrode body, respectively. The wound electrode body thus connected to the lid body was accommodated in the battery case from the opening of the battery case, and the opening and the lid were welded (sealed).
そして、上記電池ケースの蓋体に設けられた注入孔から非水電解液を注入して、評価用のリチウムイオン二次電池1〜25を得た。非水電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とジメチルカーボネート(DMC)とをEC:EMC:DMC=3:3:4の体積比で含む混合溶媒に、支持塩としてのLiPF6を1.1mol/Lの濃度で溶解させたものを用いた。 And the non-aqueous electrolyte was inject | poured from the injection hole provided in the cover body of the said battery case, and the lithium ion secondary batteries 1-25 for evaluation were obtained. As a non-aqueous electrolyte, a mixed solvent containing ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), and dimethyl carbonate (DMC) in a volume ratio of EC: EMC: DMC = 3: 3: 4 is used as a supporting salt. In which LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1.1 mol / L was used.
[入力特性の評価]
正極b,c,eと負極a〜eとを組み合わせて構築した用意したリチウムイオン電池6〜15、21〜25について、適切な初期コンディショニング処理を施した後、充電抵抗を測定することで入力特性を評価した。具体的には、まず、初期コンディショニング処理として、25℃の温度条件下において、正負極端子間の電圧が4.1Vとなるまで0.2Cの充電レートで定電流充電する操作と、正負極端子間の電圧が3.0Vとなるまで0.2Cの放電レートで定電流放電させる操作を1サイクルとして、これを3サイクル繰り返す処理を行った。次いで、各電池をSOC(State of Charge)60%(定格容量の60%)の充電状態に調整し、−30℃の温度環境下において、交流インピーダンス法により充電抵抗(反応抵抗)を測定した。交流インピーダンスの測定は、振幅:5mV、測定周波数範囲:10000Hz〜0.1Hzの条件で行い、得られたCole−Coleプロットを等価回路にフィッティングさせることで反応抵抗(mΩ)を算出した。
[Evaluation of input characteristics]
About the prepared lithium ion batteries 6-15 and 21-25 constructed by combining the positive electrodes b, c, e and the negative electrodes a to e, after performing appropriate initial conditioning treatment, the input resistance is measured by measuring the charging resistance. Evaluated. Specifically, first, as an initial conditioning process, under a temperature condition of 25 ° C., an operation of constant current charging at a charging rate of 0.2 C until the voltage between the positive and negative terminals becomes 4.1 V, and positive and negative terminals The operation of constant current discharge at a discharge rate of 0.2 C until the voltage between them was 3.0 V was set as one cycle, and this was repeated three cycles. Next, each battery was adjusted to a SOC (State of Charge) 60% (60% of the rated capacity) state of charge, and the charging resistance (reaction resistance) was measured by an AC impedance method in a temperature environment of −30 ° C. AC impedance was measured under the conditions of amplitude: 5 mV and measurement frequency range: 10000 Hz to 0.1 Hz, and the reaction resistance (mΩ) was calculated by fitting the obtained Cole-Cole plot to an equivalent circuit.
なお、交流インピーダンスの測定および解析には、以下の機器を用いた。
測定装置:Solartron社製、「1287型ポテンショ/ガルバノスタット」および「1255B型周波数応答アナライザ(FRA)」
解析ソフト :ZPlot/CorrWare
このようにして求めた充電抵抗を、リチウムイオン二次電池22の充電抵抗値を100(基準)とした相対値である「充電抵抗比」として表し、表1に示した。また、充電抵抗比と負極のキャパシタンスとの関係を図3に示した。
The following equipment was used for the measurement and analysis of AC impedance.
Measuring devices: “1287 type potentio / galvanostat” and “1255B type frequency response analyzer (FRA)” manufactured by Solartron
Analysis software: ZPlot / Corware
The charging resistance thus obtained is expressed as “charging resistance ratio” which is a relative value with the charging resistance value of the lithium ion secondary battery 22 being 100 (reference), and is shown in Table 1. FIG. 3 shows the relationship between the charging resistance ratio and the negative electrode capacitance.
図3から明らかなように、負極のキャパシタンスが増大すると電池の充電抵抗比が減少する傾向が認められた。これは、負極の反応面積が増大するほど、キャパシタンスが大きくなることに因るものと考えられる。そしてこの傾向について、正極の種類、すなわち正極活物質のWの割合、による有意な差は見られなかった。この充電抵抗比は、負極のキャパシタンスが約0.12F/gよりも小さくなる場合に急激に増大することがわかった。したがって、電池の入力特性を良好な状態に保つためには、負極としてキャパシタンスが約0.12F/g以上のもの(例えば負極b〜e)を用いるのが好ましいことが解った。 As can be seen from FIG. 3, when the negative electrode capacitance increases, the charge resistance ratio of the battery tends to decrease. This is considered due to the fact that the capacitance increases as the reaction area of the negative electrode increases. And about this tendency, the significant difference by the kind of positive electrode, ie, the ratio of W of a positive electrode active material, was not seen. This charge resistance ratio was found to increase sharply when the negative electrode capacitance was less than about 0.12 F / g. Therefore, it was found that in order to keep the input characteristics of the battery in a good state, it is preferable to use a negative electrode having a capacitance of about 0.12 F / g or more (for example, negative electrodes b to e).
[出力特性の評価]
負極a,b,dと正極a〜dとを組み合わせて構築したリチウムイオン電池について、放電抵抗を測定することで出力特性を評価した。具体的には、まず、初期コンディショニング処理として、25℃の温度条件下において、正負極端子間の電圧が4.1Vとなるまで0.2Cの充電レートで定電流充電する操作と、正負極端子間の電圧が3.0Vとなるまで0.2Cの放電レートで定電流放電させる操作を1サイクルとして、これを3サイクル繰り返す処理を行った。次いで、25℃の温度条件下において、1Cの定電流で電池電圧が3.7Vに到達するまでCC充電した後、充電電流が1/10Cとなるまで当該電圧でCV充電した。その後、10Cの定電流で10秒間ハイレート放電を行い、このときの電圧降下から下記の式を用いて放電抵抗(IV抵抗)を算出した。
放電抵抗=(放電直前の電圧−放電10秒後の電圧)/(放電電流)
このようにして求めた放電抵抗を、上記のリチウムイオン二次電池22の充電抵抗値を100(基準)とした相対値である「放電抵抗比」として表し、表1に示した。また、放電抵抗比と正極のWの割合との関係を図4に示した。
[Evaluation of output characteristics]
About the lithium ion battery constructed | assembled combining the negative electrode a, b, d and the positive electrodes ad, output characteristics were evaluated by measuring discharge resistance. Specifically, first, as an initial conditioning process, under a temperature condition of 25 ° C., an operation of constant current charging at a charging rate of 0.2 C until the voltage between the positive and negative terminals becomes 4.1 V, and positive and negative terminals The operation of constant current discharge at a discharge rate of 0.2 C until the voltage between them was 3.0 V was set as one cycle, and this was repeated three cycles. Next, under a temperature condition of 25 ° C., CC charging was performed at a constant current of 1 C until the battery voltage reached 3.7 V, and then CV charging was performed at the voltage until the charging current reached 1/10 C. Thereafter, high-rate discharge was performed at a constant current of 10 C for 10 seconds, and the discharge resistance (IV resistance) was calculated from the voltage drop at this time using the following equation.
Discharge resistance = (voltage immediately before discharge−voltage after 10 seconds of discharge) / (discharge current)
The discharge resistance thus obtained is expressed as “discharge resistance ratio” which is a relative value with the charge resistance value of the lithium ion secondary battery 22 as 100 (reference), and is shown in Table 1. FIG. 4 shows the relationship between the discharge resistance ratio and the W ratio of the positive electrode.
図4から明らかなように、正極活物質に含まれるWの割合が一定量以上の場合に、電池の放電抵抗比を低く維持できる傾向が認められた。そしてかかる傾向に関し、負極の種類、すなわち負極のキャパシタンスの違い、による有意な差は見られなかった。この放電抵抗比は、正極活物質に含まれる遷移金属元素に対するWの割合が0.2mol%よりも多くなった場合に低く維持できていることがわかった。したがって、電池の出力特性を良好な状態に保つためには、かかるWの割合が0.2mol%未満、例えば0.3mol%以上の正極活物質(例えば正極b〜e)を用いて電池を構築するのが好ましいことがわかった。 As apparent from FIG. 4, when the proportion of W contained in the positive electrode active material is a certain amount or more, a tendency that the discharge resistance ratio of the battery can be kept low was recognized. And regarding this tendency, there was no significant difference due to the type of negative electrode, that is, the difference in capacitance of the negative electrode. This discharge resistance ratio was found to be kept low when the ratio of W to the transition metal element contained in the positive electrode active material was greater than 0.2 mol%. Therefore, in order to keep the output characteristics of the battery in a good state, a battery is constructed using a positive electrode active material (for example, positive electrodes b to e) having a W ratio of less than 0.2 mol%, for example, 0.3 mol% or more. It turned out to be preferable.
[安全性の評価]
上記で出力特性に優れると判断された正極b〜eと、負極a〜eとを組み合わせて構築したリチウムイオン電池6〜25について、過充電によるシャットダウン後の安全性について評価した。具体的には、まず、各電池に対し、25℃において、正負極端子間の電圧が4.1Vとなるまで0.2Cの充電レートで定電流充電する操作と、正負極端子間の電圧が3.0Vとなるまで0.2Cの放電レートで定電流放電させる操作を1サイクルとし、これを3サイクル繰り返すコンディショニング処理を施した。次いで、各電池をSOC30%に調整したのち、電池の最高到達電圧が40Vとなるまで40Aの定電流で充電した。かかる過充電により電池を強制的にシャットダウンさせた。そして、シャットダウン後10分間の電流値を測定し、この10分の間に測定された最大の電流値を「漏れ電流」とした。漏れ電流の測定結果を表1に、漏れ電流とキャパシタンスとの関係を図5に示した。
[Safety evaluation]
The lithium ion batteries 6 to 25 constructed by combining the positive electrodes b to e determined to have excellent output characteristics and the negative electrodes a to e were evaluated for safety after shutdown due to overcharge. Specifically, first, for each battery, at 25 ° C., the operation of constant current charging at a charging rate of 0.2 C until the voltage between the positive and negative terminals becomes 4.1 V, and the voltage between the positive and negative terminals is The operation of constant current discharge at a discharge rate of 0.2 C until 3.0 V was taken as one cycle, and a conditioning treatment was repeated for 3 cycles. Next, each battery was adjusted to
図5から明らかなように、概ね、負極のキャパシタンスが増大すると漏れ電流が大きくなる傾向が見られた。これは、負極の反応面積の増大によりキャパシタンスが増大することと、負極の反応面積の増大により負極活物質と電解液との接触が増えて、発熱量が増大することとに因るものと考えられる。しかしながら、かかる傾向は、正極の種類、すなわち正極活物質のWの割合、によって大きく異なることがわかった。 As apparent from FIG. 5, the leakage current tends to increase as the negative electrode capacitance increases. This is thought to be due to an increase in capacitance due to an increase in the reaction area of the negative electrode and an increase in heat generation due to an increase in contact between the negative electrode active material and the electrolyte due to an increase in the reaction area of the negative electrode. It is done. However, it has been found that this tendency varies greatly depending on the type of positive electrode, that is, the proportion of W in the positive electrode active material.
すなわち、正極dおよびeを用いた場合、負極aとの組み合わせにおいては漏れ電流が少なく、過充電によるシャットダウン時の安全性が高いと言える。しかしながら、負極b〜eとの組み合わせにおいては、漏れ電流が著しく増大した。すなわち、過充電によるシャットダウン後も電池内に電流が流れつづけ、更なる過充電状態が引き起こされる可能性があり、安全性が劣ることがわかった。ここで、負極aを用いた電池は、正極の種類に関わらず入力特性が著しく劣ってしまう。したがって、Wの割合の多い正極活物質を用いた正極dおよびeを備える電池は、入出力特性および安全性の全てを満足することが難しいと言える。 That is, when the positive electrodes d and e are used, it can be said that the leakage current is small in combination with the negative electrode a, and the safety at the time of shutdown due to overcharge is high. However, the leakage current significantly increased in combination with the negative electrodes b to e. That is, it has been found that even after a shutdown due to overcharge, current continues to flow in the battery, which may cause a further overcharge state, resulting in poor safety. Here, the battery using the negative electrode a has extremely poor input characteristics regardless of the type of the positive electrode. Therefore, it can be said that it is difficult for a battery including positive electrodes d and e using a positive electrode active material having a high W ratio to satisfy all of input / output characteristics and safety.
一方、正極bおよびcを用いた場合、負極a〜dとの組み合わせにおいては漏れ電流が少なく、過充電によるシャットダウン時の安全性が高いと言える。しかしながら負極eとの組み合わせにおいては、漏れ電流が著しく増大し、過充電によるシャットダウン後も電流が流れ、更なる過充電状態が引き起こされ得ることがわかった。したがって、正極bおよびcに組み合わせる負極としては、キャパシタンスが約0.264F/gよりも小さいもの(例えば0.25F/g以下、より好ましくは0.2F/g以下のもの)を用いるのが良いことがわかる。また、安全性に優れる電池を構築するには、Wの割合が約0.7mol%以下(例えば、0.6mol%以下)に抑えられた正極活物質を用いた正極を使用するのが良いこともわかる。 On the other hand, when the positive electrodes b and c are used, it can be said that the leakage current is small in the combination with the negative electrodes a to d, and the safety at the time of shutdown due to overcharge is high. However, in combination with the negative electrode e, it has been found that the leakage current increases remarkably, the current flows even after shutdown due to overcharge, and a further overcharge state can be caused. Therefore, as the negative electrode combined with the positive electrodes b and c, one having a capacitance smaller than about 0.264 F / g (for example, 0.25 F / g or less, more preferably 0.2 F / g or less) may be used. I understand that. In order to construct a battery with excellent safety, it is preferable to use a positive electrode using a positive electrode active material in which the W ratio is suppressed to about 0.7 mol% or less (for example, 0.6 mol% or less). I understand.
以上のことから、入出力特性および安全性ともに兼ね備えた電池を得るには、キャパシタンスがおよそ0.12F/g以上0.25F/g以下(例えば、0.12F/g以上0.2F/g以下)の負極を用い、遷移金属元素に対するWの割合がおよそ0.2mol%超過0.7mol%以下(例えば、0.3mol%以上0.6mol%以下)の正極活物質を含む正極を用いるのが良いことが確認できた。 From the above, in order to obtain a battery having both input / output characteristics and safety, the capacitance is about 0.12 F / g or more and 0.25 F / g or less (for example, 0.12 F / g or more and 0.2 F / g or less). ) And a positive electrode containing a positive electrode active material in which the ratio of W to the transition metal element is approximately 0.2 mol% and 0.7 mol% or less (eg, 0.3 mol% or more and 0.6 mol% or less). It was confirmed that it was good.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 As mentioned above, although the specific example of this invention was demonstrated in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
10 電池
20 電極体
30 正極(正極シート)
32 正極集電体
34 正極活物質層
40 正極端子
50 負極(負極シート)
52 負極集電体
54 負極活物質層
60 負極端子
70 セパレータ
80 電池ケース
82 蓋体
84 ケース本体
86 注液口
88 安全弁
100 シンメトリーセル
10
32 Positive electrode
52 Negative electrode
Claims (5)
前記正極は、正極集電体と、正極活物質を含む正極活物質層とを有し、
前記正極活物質は、ニッケル,コバルトおよびマンガンから選択される少なくとも一つの遷移金属元素と、タングステンとを含むリチウム遷移金属複合酸化物を含み、
前記遷移金属元素に対する前記タングステンの割合は0.3mol%以上0.7mol%以下であり、
前記負極は、負極集電体と、負極活物質を含む負極活物質層とを有し、
前記負極活物質は、非晶質炭素が表面に配置された天然黒鉛を含み、
前記負極は、キャパシタンスが0.12F/g以上0.2F/g以下である、
非水電解質二次電池。 A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte,
The positive electrode has a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material,
The positive electrode active material includes a lithium transition metal composite oxide containing at least one transition metal element selected from nickel, cobalt and manganese and tungsten,
The ratio of the tungsten to the transition metal element is 0.3 mol% or more and 0.7 mol% or less,
The negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material,
The negative electrode active material includes natural graphite having amorphous carbon disposed on the surface,
The negative electrode has a capacitance of 0.12 F / g or more and 0.2 F / g or less.
Non-aqueous electrolyte secondary battery.
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WO2016136211A1 (en) * | 2015-02-27 | 2016-09-01 | 三洋電機株式会社 | Nonaqueous electrolyte secondary battery |
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- 2014-04-24 JP JP2014090689A patent/JP2015210891A/en active Pending
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