JP2017069020A - Method for manufacturing nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は,非水電解液二次電池の製造方法に関する。より詳細には,正極活物質層を形成する正極材料の1つとして,リン酸トリリチウム(Li3PO4)を用いた非水電解液二次電池の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a non-aqueous electrolyte secondary battery. More specifically, the present invention relates to a method for manufacturing a non-aqueous electrolyte secondary battery using trilithium phosphate (Li 3 PO 4 ) as one of positive electrode materials for forming a positive electrode active material layer.
リチウムイオン二次電池では,充放電に伴って電解液の酸化分解が生じることがある。また,電解液の酸化分解により酸が生じたリチウムイオン二次電池においては,その酸により正極活物質の遷移金属が溶出してしまうことがある。そして,正極活物質の遷移金属が溶出した場合には,リチウムイオン二次電池の容量維持率が低下してしまうおそれがある。 In lithium ion secondary batteries, oxidative decomposition of the electrolyte may occur with charge and discharge. In addition, in a lithium ion secondary battery in which an acid is generated by oxidative decomposition of the electrolytic solution, the transition metal of the positive electrode active material may be eluted by the acid. And when the transition metal of a positive electrode active material elutes, there exists a possibility that the capacity | capacitance maintenance factor of a lithium ion secondary battery may fall.
例えば,特許文献1には,正極活物質層に,正極活物質とともに,添加剤としてのリン酸トリリチウムを含んだ非水電解液二次電池が記載されている。そして,正極活物質層にリン酸トリリチウムが含まれていることにより,非水電解液二次電池の充放電に伴う正極活物質の遷移金属の溶出を防止することができるとされている。具体的には,リン酸トリリチウムを,電解液中に生成されたフッ酸(HF)と反応させることで酸消費材として機能させることができるとされている。そして,これにより,正極活物質の遷移金属の溶出を抑制し,非水電解液二次電池の耐久性を高めることができるとされている。 For example, Patent Document 1 describes a nonaqueous electrolyte secondary battery in which a positive electrode active material layer contains trilithium phosphate as an additive together with a positive electrode active material. And it is supposed that the elution of the transition metal of the positive electrode active material accompanying charging / discharging of a non-aqueous electrolyte secondary battery can be prevented by containing trilithium phosphate in the positive electrode active material layer. Specifically, it is said that trilithium phosphate can function as an acid consuming material by reacting with hydrofluoric acid (HF) produced in the electrolyte. As a result, elution of the transition metal of the positive electrode active material can be suppressed, and the durability of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be enhanced.
ここで,正極活物質層内に添加剤としてのリン酸トリリチウムが含まれている場合,リチウムイオン二次電池の初期充電工程では,リン酸トリリチウムとフッ酸とが反応することにより,正極活物質の表面に被膜が形成される。被膜は正極活物質の表面に形成されるため,その被膜が導電性の低いものである場合,リチウムイオン二次電池においては,内部抵抗が高くなってしまうことがあった。 Here, when trilithium phosphate as an additive is contained in the positive electrode active material layer, in the initial charging step of the lithium ion secondary battery, trilithium phosphate and hydrofluoric acid react to react with each other. A film is formed on the surface of the active material. Since the coating film is formed on the surface of the positive electrode active material, when the coating film has low conductivity, the internal resistance may be increased in the lithium ion secondary battery.
本発明は,前記した従来の技術が有する問題点の解決を目的としてなされたものである。すなわちその課題とするところは,内部抵抗の低い非水電解液二次電池を製造することのできる非水電解液二次電池の製造方法を提供することである。 The present invention has been made for the purpose of solving the problems of the prior art described above. That is, the subject is providing the manufacturing method of the non-aqueous electrolyte secondary battery which can manufacture the non-aqueous electrolyte secondary battery with low internal resistance.
この課題の解決を目的としてなされた本発明の非水電解液二次電池の製造方法は,正極板と,負極板と,フッ素を有するイオン化合物を含有する非水電解液と,正極板および負極板を電解液とともに内部に収容する電池ケースとを有し,正極板が,正極集電箔と,正極集電箔の表面に形成された正極活物質層とを有するものである非水電解液二次電池の製造方法であって,スピネル型の結晶構造を有するマンガン酸リチウムのマンガンの一部を遷移金属によって置換してなる正極活物質を,水系溶媒中に浸す事前処理を行うとともに,事前処理後の正極活物質を乾燥させる正極活物質処理工程と,バインダーと,リン酸トリリチウムと,正極活物質処理工程後の正極活物質とにより,正極集電箔の表面に正極活物質層を形成して正極板を製造する正極板製造工程と,電池ケース内に,非水電解液と,正極板および負極板とを収容して非水電解液二次電池を組み立てる組立工程と,組立工程後の非水電解液二次電池に対して初期充電を行う初期充電工程とを有することを特徴とする非水電解液二次電池の製造方法である。 The method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention made for the purpose of solving this problem includes a positive electrode plate, a negative electrode plate, a non-aqueous electrolyte containing an ion compound having fluorine, a positive electrode plate, and a negative electrode. A non-aqueous electrolytic solution having a battery case that houses the plate together with an electrolytic solution, the positive electrode plate having a positive electrode current collector foil and a positive electrode active material layer formed on a surface of the positive electrode current collector foil A method of manufacturing a secondary battery, in which a positive electrode active material obtained by substituting a part of manganese of lithium manganate having a spinel crystal structure with a transition metal is pretreated by immersing it in an aqueous solvent. The positive electrode active material layer is formed on the surface of the positive electrode current collector foil by a positive electrode active material treatment step for drying the treated positive electrode active material, a binder, trilithium phosphate, and a positive electrode active material after the positive electrode active material treatment step. Form and manufacture positive plate A positive electrode plate manufacturing process, an assembling process for assembling a nonaqueous electrolyte secondary battery by containing a nonaqueous electrolyte, a positive electrode plate and a negative electrode plate in a battery case, and a nonaqueous electrolyte solution after the assembling process. It has an initial charge process which performs initial charge with respect to a secondary battery, It is a manufacturing method of a nonaqueous electrolyte secondary battery characterized by the above-mentioned.
本発明に係る非水電解液二次電池の製造方法では,まず,正極活物質処理工程により,正極活物質を,表面に十分な厚みのMn3+の層が形成されたものとすることができる。また,初期充電工程の初期充電では,正極活物質の表面に保護被膜が形成される。そして,初期充電工程において形成される正極活物質表面の保護被膜を,正極活物質として表面に十分な厚みのMn3+の層を有するものを用いていることにより,薄いものとすることができる。これにより,製造される非水電解液二次電池の内部抵抗を低減することができる。 In the method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, first, the positive electrode active material can be formed with a sufficiently thick Mn 3+ layer on the surface by the positive electrode active material treatment step. . In the initial charging in the initial charging step, a protective film is formed on the surface of the positive electrode active material. The protective film on the surface of the positive electrode active material formed in the initial charging step can be made thin by using a positive electrode active material having a sufficiently thick Mn 3+ layer on the surface. Thereby, the internal resistance of the manufactured non-aqueous electrolyte secondary battery can be reduced.
本発明によれば,内部抵抗の低い非水電解液二次電池を製造することのできる非水電解液二次電池の製造方法が提供されている。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the nonaqueous electrolyte secondary battery which can manufacture a nonaqueous electrolyte secondary battery with low internal resistance is provided.
以下,本発明を具体化した最良の形態について,図面を参照しつつ詳細に説明する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the best mode for embodying the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
まず,本形態に係る電池100(図1参照)について説明する。図1に,本形態に係る電池100の断面図を示す。電池100は,図1に示すように,電極体110および電解液120を電池ケース130の内部に収容してなるリチウムイオン二次電池である。また,電池ケース130は,ケース本体131と封口板132とを備えている。封口板132は,絶縁部材133を備えている。
First, the battery 100 (refer FIG. 1) which concerns on this form is demonstrated. FIG. 1 shows a cross-sectional view of a
本形態の電解液120は,リチウム塩を溶解させた有機溶剤よりなる非水電解液である。具体的には,本形態の電解液120では,非水溶媒である有機溶剤として,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)とを混合した混合有機溶媒を用いている。なお,電解液120には,その他の非水溶媒である,ジメチルカーボネート(DMC)などを用いることもできる。以下に,本形態の電解液120の混合有機溶媒における体積比を示している。
EC :3
EMC:7
The
EC: 3
EMC: 7
また,本形態の電解液120には,リチウム塩として,フッ素を有する化合物である六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を用いている。すなわち,電解液120は,フッ素を有するイオン化合物を含有する非水電解液である。なお,リチウム塩としては,LiPF6の他,LiBF4,LiAsF6,LiCF3SO3,LiC4F9SO3,LiN(CF3SO2)2,LiC(CF3SO2)3などを用いることもできる。また,上記のリチウム塩を複数,組み合わせて用いてもよい。なお,本形態の電解液120は,上記の混合有機溶媒に,LiPF6を添加し,Liイオンを1.0mol/lの濃度としたものである。
Further, the
図2は,電極体110を構成する正極板160,負極板170,セパレータ180の断面図である。正極板160,負極板170,セパレータ180はいずれも,図2において紙面奥行き方向に長いシート状のものである。電極体110は,正極板160,負極板170,セパレータ180を,図2に示すように重ね合わせつつ,図2における左右方向を捲回軸の方向として,扁平形状に捲回したものである。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
図2に示すように,正極板160は,正極集電箔161の両面に,正極活物質層162を形成してなるものである。正極集電箔161としては,アルミニウム箔を用いることができる。また,図2に示す捲回前の本形態に係る正極活物質層162は,正極活物質165,導電助材166,バインダー167,リン酸トリリチウム(Li3PO4)168を含んでいる。
As shown in FIG. 2, the
正極活物質165は,電池100において充放電に寄与する成分であり,リチウムイオンを吸蔵および放出することができるものである。本形態では,正極活物質165として,スピネル型の結晶構造を有するマンガン酸リチウム(LiMn2O4)のマンガン(Mn)の一部を遷移金属によって置換してなるものを用いている。本形態では,具体的に,正極活物質165として,LiNi1/2Mn3/2O4を用いている。このLiNi1/2Mn3/2O4は,金属リチウム(Li)を基準としたときの作動電位の上限が,4.75Vのものである。
The positive electrode active material 165 is a component that contributes to charging and discharging in the
導電助材166は,正極活物質層162の導電性を高めることのできるものである。導電助材166としては,例えば,アセチレンブラック(AB)を用いることができる。バインダー167は,正極活物質層162内に含まれている材料を互いに結着させることにより正極活物質層162を形成するとともに,正極活物質層162を正極集電箔161の表面に結着させることができるものである。バインダー167としては,例えば,ポリフッ化ビニリデン(PVdF)を用いることができる。また,リン酸トリリチウム168は,正極活物質165の表面に保護被膜を形成することができる添加剤である。この点については,後述する。
The conductive auxiliary material 166 can increase the conductivity of the positive electrode active material layer 162. As the conductive additive 166, for example, acetylene black (AB) can be used. The binder 167 forms the positive electrode active material layer 162 by binding the materials contained in the positive electrode active material layer 162 to each other, and binds the positive electrode active material layer 162 to the surface of the positive electrode
また,図2に示すように,負極板170は,負極集電箔171の両面に,負極活物質層172を形成してなるものである。負極集電箔171としては,銅箔を用いることができる。また,本形態に係る負極活物質層172は,負極活物質175,バインダー176を含んでいる。
Further, as shown in FIG. 2, the
負極活物質175は,電池100において充放電に寄与する成分であり,リチウムイオンを吸蔵および放出することができるものである。バインダー176は,負極活物質層172内に含まれている材料を互いに結着させることにより負極活物質層172を形成するとともに,負極活物質層172を負極集電箔171の表面に結着させることができるものである。負極活物質175としては,例えば,天然黒鉛などを用いることができる。バインダー176としては,例えば,スチレンブタジエンゴム(SBR)などを用いることができる。
The negative electrode active material 175 is a component that contributes to charging and discharging in the
また,図2に示すように,正極板160には,正極活物質層162が形成されておらず,正極集電箔161が露出している部分がある。負極板170についても,負極活物質層172が形成されておらず,負極集電箔171が露出している部分がある。
Further, as shown in FIG. 2, the
そして,図1に示す捲回後の電極体110において,右側の端部は,正極板160における正極集電箔161の露出部分のみからなる部分である。また,図1に示す電極体110の左側の端部は,負極板170における負極集電箔171の露出部分のみからなる部分である。
In the
さらに,図1に示すように,電極体110の正極集電箔161からなる右側の端部には,正極端子140が接続されている。電極体110の負極集電箔171からなる左側の端部には,負極端子150が接続されている。正極端子140および負極端子150は,それぞれ電極体110と接続されていない側の端を,絶縁部材133を介し,電池ケース130の外部に突出させている。
Further, as shown in FIG. 1, a
一方,図1における電極体110の中央部分は,図2に示すように,正極板160の正極活物質層162の形成されている部分,および,負極板170の負極活物質層172が形成されている部分が,セパレータ180を介して重なっている部分である。そして,電池100は,正極端子140および負極端子150を介し,電極体110の中央部分において,充電および放電を行うものである。
On the other hand, in the central portion of the
次に,本形態の電池100の製造方法について説明する。本形態の電池100の製造手順を,図3に示す。図3に示すように,本形態では,電池100を,正極活物質処理工程(S101),正極ペースト製造工程(S102),正極板製造工程(S103),組立工程(S104),初期充電工程(S105)により製造する。
Next, a method for manufacturing the
まず,正極活物質処理工程(S101)より説明する。本工程では,正極活物質165を水系溶媒中に浸した状態で事前処理するとともに,乾燥を行う。具体的には,まず,正極活物質165であるLiNi1/2Mn3/2O4を,水中に投入し,混練を行う。水中混練は,例えば,15分,行うこととすることができる。また,水中混練は,正極活物質165の解砕処理を兼ねたものであってもよい。そして,この水中混練により,LiNi1/2Mn3/2O4のLi+イオンと水のH+イオンとの交換反応が生じる。 First, the positive electrode active material processing step (S101) will be described. In this step, the positive electrode active material 165 is pretreated while being immersed in an aqueous solvent and is dried. Specifically, first, LiNi 1/2 Mn 3/2 O 4 which is the positive electrode active material 165 is put into water and kneaded. The underwater kneading can be performed, for example, for 15 minutes. In addition, the underwater kneading may also serve as a crushing treatment for the positive electrode active material 165. Then, this underwater kneading causes an exchange reaction between Li + ions of LiNi 1/2 Mn 3/2 O 4 and H + ions of water.
続いて,正極活物質処理工程では,水中混練後の正極活物質165について,例えば,150℃の温度で3時間,乾燥させる。この高温乾燥により,正極活物質165からは,一部,酸素が脱離する。その酸素の脱離は,正極活物質165の表面ほど,生じやすいものである。そして,高温乾燥により,正極活物質165に組成変更を生じさせ,正極活物質165を,表面に十分な厚みのMn3+の層が形成されたものとすることができる。 Subsequently, in the positive electrode active material treatment step, the positive electrode active material 165 after being kneaded in water is dried at, for example, a temperature of 150 ° C. for 3 hours. Due to this high temperature drying, oxygen is partially released from the positive electrode active material 165. The desorption of oxygen is more likely to occur on the surface of the positive electrode active material 165. Then, the composition of the positive electrode active material 165 is changed by high-temperature drying, and the positive electrode active material 165 can have a sufficiently thick Mn 3+ layer formed on the surface.
次に,正極ペースト製造工程(S102)を行う。正極ペースト製造工程では,正極板160の正極活物質層162の形成に用いる正極ペーストを製造する。正極ペーストの製造には,前述した正極活物質層162に含まれている成分である正極活物質165,導電助材166,バインダー167,リン酸トリリチウム168を用いる。正極活物質165としては,上記の正極活物質処理工程によって得られたMn3+の表層を有するものを用いる。
Next, a positive electrode paste manufacturing step (S102) is performed. In the positive electrode paste manufacturing process, a positive electrode paste used for forming the positive electrode active material layer 162 of the
そして,正極活物質165,導電助材166,バインダー167,リン酸トリリチウム168を溶媒中に分散させることにより正極ペーストを製造する。溶媒としては,N−メチルピロリドン(NMP)を用いることができる。正極ペースト製造工程は,具体的には,例えば,高速分散機ホモディスパーを用いることにより実施することができる。また,正極ペーストの粘度は,2500cp以上に調整すればよい。 Then, the positive electrode active material 165, the conductive additive 166, the binder 167, and the trilithium phosphate 168 are dispersed in a solvent to produce a positive electrode paste. As the solvent, N-methylpyrrolidone (NMP) can be used. Specifically, the positive electrode paste manufacturing process can be performed by using, for example, a high-speed disperser homodisper. Moreover, what is necessary is just to adjust the viscosity of a positive electrode paste to 2500 cp or more.
また,以下に,正極ペーストに用いる各材料の質量比の一例を示している。
LiNi1/2Mn3/2O4:92.1
AB :0.9
PVdF :4
Li3PO4 :3
Moreover, an example of the mass ratio of each material used for the positive electrode paste is shown below.
LiNi 1/2 Mn 3/2 O 4 : 92.1
AB: 0.9
PVdF: 4
Li 3 PO 4 : 3
次に,正極板製造工程(S103)を行う。正極板製造工程では,正極ペースト製造工程において製造した正極ペーストにより,正極活物質層162を形成する。すなわち,正極集電箔161の表面に正極活物質層162を形成することにより正極板160を製造する。
Next, a positive electrode plate manufacturing step (S103) is performed. In the positive electrode plate manufacturing process, the positive electrode active material layer 162 is formed from the positive electrode paste manufactured in the positive electrode paste manufacturing process. That is, the
具体的には,まず,正極集電箔161の表面のうち,正極活物質層162を形成する領域に正極ペーストを塗布する。次に,塗布した正極ペーストを乾燥させ,正極ペースト中の溶媒成分を除去する。正極ペーストの乾燥は,例えば,140℃〜190℃の温度で行うことができる。これにより,正極集電箔161の表面に,正極活物質層162を形成することができる。
Specifically, first, a positive electrode paste is applied to a region of the surface of the positive electrode
すなわち,正極ペーストを乾燥させることにより,正極ペーストに含まれていた正極活物質165などの各材料がバインダー167によって互いに結着されることで,正極活物質層162が形成される。また,バインダー167により,正極活物質層162は,正極集電箔161の表面に結着される。これにより,正極板160が製造される。
That is, by drying the positive electrode paste, the materials such as the positive electrode active material 165 included in the positive electrode paste are bound to each other by the binder 167, whereby the positive electrode active material layer 162 is formed. Further, the positive electrode active material layer 162 is bound to the surface of the positive electrode
さらに,本形態の正極板製造工程では,正極集電箔161の表面に形成された正極活物質層162を,その厚み方向に加圧するプレスを行う。このプレスには,小型ロールプレス機を用いることができる。そして,プレスにより,正極活物質層162の密度を調整することができる。本形態では,プレスにより,正極活物質層162の密度を,2.2〜2.4g/cm3としている。
Furthermore, in the positive electrode plate manufacturing process of this embodiment, pressing is performed to pressurize the positive electrode active material layer 162 formed on the surface of the positive electrode
続いて,組立工程(S104)を行う。組立工程では,まず,電極体110を製造する。具体的には,正極板製造工程において製造した正極板160を負極板170とともに,これらの間にセパレータ180を挟み込みつつ扁平形状に捲回することにより製造する。セパレータ180としては,ポリプロピレン(PP),ポリエチレン(PE)等を単体で,あるいは,これらが複数積層された複合材料を用いることができる。
Subsequently, an assembly process (S104) is performed. In the assembly process, first, the
負極板170は,正極板160とは異なる材料よりなる負極ペーストを用いて製造することができる。すなわち,負極ペーストは,負極活物質175とバインダー176とを溶媒中に分散させることにより製造することができる。そして,その負極ペーストを負極集電箔171に塗布し,塗布した負極ペーストを乾燥させることにより負極活物質層172を形成することができる。これにより,負極集電箔171の表面に負極活物質層172を有する負極板170を製造することができる。
The
次に,電極体110を,ケース本体131の開口よりその内部に収容する。また,ケース本体131の開口を封口板132によって塞ぐとともに,これらを接合する。正極端子140や負極端子150については,電極体110をケース本体131の内部に収容する前に,電極体110に接続しておけばよい。電池ケース130の接合や,正極端子140および負極端子150と電極体110との接合は,溶接などにより行うことができる。
Next, the
さらに,組立工程では,電解液120についても,電池ケース130の内部に収容する。電解液120は,例えば,電池ケース130の接合前に,ケース本体131の開口よりその内部に収容することができる。あるいは,電池ケース130の内部と外部とに連通する注液口を設けておき,その注液口より電池ケース130内に注液してもよい。注液口は,電解液120の注液後,塞げばよい。よって,組立工程により,電池100を組み立てることができる。
Further, in the assembly process, the
次いで,初期充電工程(S105)を行う。本工程は,組立工程により構成された電池100の最初の充電である初期充電を行う工程である。本形態の初期充電工程では,電池100の充電容量が満充電容量となるまでCC(ConstantCurrent)充電を行い,SOC(State Of Charge)を100%とする。そして,本形態では,この初期充電工程を行うことにより,電池100を製造することができる。
Next, an initial charging step (S105) is performed. This process is a process of performing initial charging, which is the initial charging of the
ここで,本形態では,正極活物質165として,金属リチウムを基準としたときの作動電位の上限が4.3V以上の高電位であるLiNi1/2Mn3/2O4を用いている。具体的に,本形態で用いているLiNi1/2Mn3/2O4は,前述したように,金属リチウムを基準としたときの作動電位の上限が,4.75Vである。このため,初期充電工程では,電池100の電池電圧が,4.3V以上である4.75Vとなる。
Here, in this embodiment, LiNi 1/2 Mn 3/2 O 4 whose upper limit of the operating potential is 4.3 V or higher with respect to metallic lithium is used as the positive electrode active material 165. Specifically, LiNi 1/2 Mn 3/2 O 4 used in the present embodiment has an upper limit of the working potential of 4.75 V based on metallic lithium as described above. For this reason, in the initial charging step, the battery voltage of the
そして,電位が4.3V以上まで上昇した正極活物質層162中の正極活物質165の表面では,電解液120中の溶媒成分が酸化分解され,水素イオンが発生しがちである。さらに,発生した水素イオンが電解液120中のフッ素イオンと反応することにより,フッ酸(HF)が発生する。
Then, on the surface of the positive electrode active material 165 in the positive electrode active material layer 162 whose potential has increased to 4.3 V or higher, the solvent component in the
また,初期充電工程において発生したフッ酸は,正極活物質層162内に含まれているリン酸トリリチウム168と反応する。すなわち,リン酸トリリチウム168は,フッ酸と反応することによって溶解される。さらに,溶解したリン酸トリリチウム168は,正極活物質165の表面に存在する金属イオン種と反応する。そして,フッ酸によって溶解したリン酸トリリチウム168と正極活物質165の表面に存在する金属イオン種とが反応することにより,正極活物質165の表面には被膜が形成される。 In addition, hydrofluoric acid generated in the initial charging step reacts with trilithium phosphate 168 contained in the positive electrode active material layer 162. That is, trilithium phosphate 168 is dissolved by reacting with hydrofluoric acid. Further, the dissolved trilithium phosphate 168 reacts with the metal ion species present on the surface of the positive electrode active material 165. A film is formed on the surface of the positive electrode active material 165 by the reaction between the trilithium phosphate 168 dissolved by hydrofluoric acid and the metal ion species present on the surface of the positive electrode active material 165.
そして,正極活物質165の表面に形成された被膜を,正極活物質165の保護被膜として機能させることができる。すなわち,保護被膜が形成された正極活物質165の表面では,その後,電解液120中の溶媒成分が酸化分解されてしまうことが抑制される。よって,フッ酸によって正極活物質165の遷移金属が溶出してしまうことについても抑制され,電池100が劣化してしまうことを抑制することができる。
The film formed on the surface of the positive electrode active material 165 can function as a protective film for the positive electrode active material 165. That is, on the surface of the positive electrode active material 165 on which the protective film is formed, the solvent component in the
また,前述したように,正極活物質165の保護被膜は,フッ酸によって溶解したリン酸トリリチウム168と,正極活物質165の表面に存在する金属イオン種との反応によって形成される。このため,正極活物質165の表面に存在する金属イオン種が少ない場合には,正極活物質165の保護被膜の形成に係る反応速度が遅くなってしまう傾向にある。よって,正極活物質165の表面に存在する金属イオン種が少ない場合には,初期充電中に発生するフッ酸の量が多くなってしまう傾向にある。 As described above, the protective film of the positive electrode active material 165 is formed by a reaction between trilithium phosphate 168 dissolved by hydrofluoric acid and metal ion species present on the surface of the positive electrode active material 165. For this reason, when there are few metal ion species which exist on the surface of the positive electrode active material 165, it exists in the tendency for the reaction rate concerning formation of the protective film of the positive electrode active material 165 to become slow. Therefore, when the metal ion species present on the surface of the positive electrode active material 165 is small, the amount of hydrofluoric acid generated during the initial charge tends to increase.
さらに,初期充電中に発生するフッ酸の量が多くなるほど,形成される正極活物質165の保護被膜は厚くなってしまう傾向にある。初期充電中にフッ酸と反応するリン酸トリリチウム168および正極活物質165の表面に存在する金属イオン種の量が多くなるからである。そして,正極活物質165の保護被膜は,厚いほど,抵抗値の高いものとなる傾向にある。すなわち,正極活物質165の表面に存在する金属イオン種が少ない場合には,電池100の内部抵抗値が高くなってしまうという問題がある。
Furthermore, as the amount of hydrofluoric acid generated during initial charging increases, the protective film of the positive electrode active material 165 formed tends to be thicker. This is because the amount of metal ion species present on the surfaces of the trilithium phosphate 168 and the positive electrode active material 165 that react with hydrofluoric acid during initial charging increases. The protective film of the positive electrode active material 165 tends to have a higher resistance value as the thickness increases. That is, when the number of metal ion species present on the surface of the positive electrode active material 165 is small, there is a problem that the internal resistance value of the
そこで,本形態では,正極活物質165について,予め正極活物質処理工程を行っている。正極活物質処理工程では,前述したように,正極活物質165を,表面に十分な厚みのMn3+の層が形成されたものとしている。このため,電解液120と接触した正極活物質165では,表面のMn3+の層において不均化反応が生じることにより,Mnイオンが発生する。なお,Mn3+の層において生じる不均化反応とは、次の式(1)により示す反応である。
2Mn3+ → Mn2+ + Mn4+ (1)
Therefore, in this embodiment, the positive electrode active material treatment process is performed in advance for the positive electrode active material 165. In the positive electrode active material treatment step, as described above, the positive electrode active material 165 has a sufficiently thick Mn 3+ layer formed on the surface. For this reason, in the positive electrode active material 165 in contact with the
2Mn 3+ → Mn 2+ + Mn 4+ (1)
つまり,本形態では,正極活物質165の表面のMn3+の層において生じた不均化反応によってMn2+が溶出することにより,正極活物質165の付近に,金属イオン種であるMn2+が十分に存在した状態とすることができる。よって,本形態では,正極活物質165の保護被膜の形成に係る反応速度を速いものとし,初期充電における早期に,正極活物質165の表面に保護被膜を形成することができる。このため,初期充電中に発生するフッ酸の発生量を少なくすることができ,正極活物質165に形成される保護被膜を薄いものとすることができる。これにより,本形態では,電池100の内部抵抗を低減することができる。
In other words, in this embodiment, Mn 2+ is eluted by the disproportionation reaction generated in the Mn 3+ layer on the surface of the positive electrode active material 165, so that the metal ion species Mn 2+ is sufficiently present in the vicinity of the positive electrode active material 165. It can be in the state that exists. Therefore, in this embodiment, the reaction rate related to the formation of the protective film of the positive electrode active material 165 is high, and the protective film can be formed on the surface of the positive electrode active material 165 early in the initial charge. Therefore, the amount of hydrofluoric acid generated during initial charging can be reduced, and the protective film formed on the positive electrode active material 165 can be made thin. Thereby, in this embodiment, the internal resistance of the
また,初期充電中におけるフッ酸の発生量は,初期充電におけるCレートが高いほど,多くなる傾向にある。しかし,本形態では,正極活物質165の保護被膜の形成に係る反応速度が速いものであるため,初期充電を高いCレートで行ったとしても,フッ酸の発生量が抑制される。初期充電における早期に,正極活物質165の表面に保護被膜を形成することができるからである。つまり,本形態では,初期充電を高いCレートで行ったとしても,正極活物質165に形成される保護被膜を薄いものとすることができる。また,初期充電を高いCレートで行うことにより,初期充電工程を短時間で安価に実施することができる。すなわち,本形態では,内部抵抗の低い電池100を,短時間で安価に製造することができる。
In addition, the amount of hydrofluoric acid generated during initial charging tends to increase as the C rate during initial charging increases. However, in this embodiment, since the reaction rate related to the formation of the protective film of the positive electrode active material 165 is high, the amount of hydrofluoric acid generated is suppressed even if the initial charge is performed at a high C rate. This is because a protective film can be formed on the surface of the positive electrode active material 165 early in the initial charging. That is, in this embodiment, the protective film formed on the positive electrode active material 165 can be thin even if the initial charging is performed at a high C rate. In addition, by performing the initial charging at a high C rate, the initial charging process can be performed in a short time and at a low cost. That is, in this embodiment, the
また,本発明者らは,以下に説明する実験により,本発明の効果の確認を行った。本実験には,本発明に係る実施例1,実施例2の電池と,これと比較するための比較例1,比較例2の電池とを作製し,これらを用いた。 Moreover, the present inventors confirmed the effect of this invention by the experiment demonstrated below. In this experiment, the batteries of Examples 1 and 2 according to the present invention and the batteries of Comparative Examples 1 and 2 for comparison with the batteries were produced and used.
実施例と比較例との違いは,図3により説明した正極活物質処理工程(S101)を行ったか否かである。すなわち,実施例では,図3により説明した方法によって電池を作製した。これに対し,比較例については,図3に示す手順のうち,正極活物質処理工程を行わずに電池を作製した。つまり,比較例では,図3により説明した正極ペースト製造工程(S102)以降の手順によって電池を作製した。 The difference between the example and the comparative example is whether or not the positive electrode active material processing step (S101) described with reference to FIG. 3 was performed. That is, in the example, a battery was manufactured by the method described with reference to FIG. On the other hand, in the comparative example, a battery was manufactured without performing the positive electrode active material treatment step in the procedure shown in FIG. That is, in the comparative example, a battery was manufactured by the procedure after the positive electrode paste manufacturing step (S102) described with reference to FIG.
なお,比較例についても,電池の作製に使用した各材料については,実施例と同様のものである。このため,比較例の正極ペースト製造工程で使用した正極活物質は,実施例の正極活物質工程で使用した,正極活物質工程前の正極活物質と同じものである。次の表1に,実施例および比較例についてそれぞれ,電池の作製工程における異なる条件について示している。 In the comparative example, each material used for manufacturing the battery is the same as in the example. For this reason, the positive electrode active material used in the positive electrode paste manufacturing process of the comparative example is the same as the positive electrode active material used in the positive electrode active material process of the example and before the positive electrode active material process. Table 1 below shows the different conditions in the battery fabrication process for the examples and comparative examples.
表1に示すように,実施例1,2はそれぞれ,正極活物質処理工程を,異なるpHの水を使用して行ったものである。具体的には,実施例1では,pH7の水を用いて正極活物質処理工程を行った。実施例2では,pH5の水を用いて正極活物質処理工程を行った。 As shown in Table 1, in Examples 1 and 2, the positive electrode active material treatment step was performed using water having different pHs. Specifically, in Example 1, the positive electrode active material treatment step was performed using pH 7 water. In Example 2, the positive electrode active material treatment step was performed using water having a pH of 5.
また,表1には,実施例1,2および比較例1,2のそれぞれについて,正極ペースト製造工程において使用した正極活物質の表面のMn3+の層の厚みを示している。正極活物質の表面のMn3+の層の厚みは,正極活物質処理工程後,正極ペースト製造工程において正極ペースト中に混入する前の正極活物質について,STEM−EELS(電子エネルギー損失分光法)を用いた測定より得た値である。 Table 1 shows the thickness of the Mn 3+ layer on the surface of the positive electrode active material used in the positive electrode paste manufacturing process for each of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2. The thickness of the Mn 3+ layer on the surface of the positive electrode active material is determined according to STEM-EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy) for the positive electrode active material after mixing in the positive electrode paste in the positive electrode paste manufacturing process after the positive electrode active material treatment process. It is a value obtained from the measurement used.
表1に示すように,比較例1,2はともに,正極活物質処理工程を行っていないため,正極活物質の表面のMn3+の層の厚みが5nmと薄いものである。これに対し,実施例1,2はともに,正極活物質処理工程によって,正極活物質の表面のMn3+の層の厚みが5nmよりも厚いものとなっている。具体的に,実施例1については,正極活物質の表面のMn3+の層の厚みが20nmであった。実施例2については,正極活物質の表面のMn3+の層の厚みが200nmであった。 As shown in Table 1, since both of Comparative Examples 1 and 2 were not subjected to the positive electrode active material treatment step, the thickness of the Mn 3+ layer on the surface of the positive electrode active material was as thin as 5 nm. On the other hand, in both Examples 1 and 2, the thickness of the Mn 3+ layer on the surface of the positive electrode active material is greater than 5 nm by the positive electrode active material treatment step. Specifically, in Example 1, the thickness of the Mn 3+ layer on the surface of the positive electrode active material was 20 nm. In Example 2, the thickness of the Mn 3+ layer on the surface of the positive electrode active material was 200 nm.
また,表1に示すように,実施例1,2および比較例2では,5Cの電流値で1回の充電によって初期充電工程を行った。一方,比較例1については,0.3Cの電流値で3回の充電によって初期充電工程を行った。 Further, as shown in Table 1, in Examples 1 and 2 and Comparative Example 2, the initial charging step was performed by one charge at a current value of 5C. On the other hand, about the comparative example 1, the initial charge process was performed by 3 times charge with the electric current value of 0.3C.
そして,本実験では,上記のように作製した実施例および比較例の各電池について,初期充電後の初期内部抵抗を測定し,その測定値について比較した。初期内部抵抗の測定は,実施例および比較例の電池についていずれも,温度25℃の環境で,SOCが60%の状態から一定時間放電させ,その間の電圧の変化量により行った。図4に,実施例および比較例の電池のそれぞれについて測定した初期内部抵抗値を示している。 In this experiment, the initial internal resistance after the initial charging was measured for each of the batteries of Examples and Comparative Examples manufactured as described above, and the measured values were compared. The initial internal resistance was measured by discharging the battery of the example and the comparative example from a state where the SOC was 60% for a certain period of time in an environment at a temperature of 25 ° C., and changing the voltage during that time. FIG. 4 shows the initial internal resistance values measured for the batteries of the examples and comparative examples.
図4に示すように,比較例2は,比較例1よりも,初期内部抵抗値が高いものである。これは,比較例2においては,比較例1よりも,初期充電を高いCレートで行ったことにより,初期内部抵抗値が高くなってしまったと考えられる。すなわち,比較例2では,比較例1よりも,初期充電に係るCレートが高いことにより,初期充電中におけるフッ酸の発生量が多く,正極活物質の表面に形成された保護被膜が厚みの厚いものとなってしまったと考えられる。さらに,比較例2では,正極活物質の表面の保護被膜の厚みが厚いことにより,比較例1よりも初期内部抵抗値が高くなってしまったものと考えられる。 As shown in FIG. 4, Comparative Example 2 has a higher initial internal resistance value than Comparative Example 1. This is probably because the initial internal resistance value was higher in Comparative Example 2 than in Comparative Example 1 because the initial charging was performed at a higher C rate. That is, in Comparative Example 2, the C rate related to the initial charge is higher than that in Comparative Example 1, so that the amount of hydrofluoric acid generated during the initial charge is large, and the protective coating formed on the surface of the positive electrode active material has a large thickness. It is thought that it became thick. Further, in Comparative Example 2, it is considered that the initial internal resistance value was higher than that in Comparative Example 1 due to the thickness of the protective film on the surface of the positive electrode active material.
一方,図4に示すように,実施例1,2はともに,比較例1よりも初期内部抵抗値が低いものである。これは,実施例1,2ではともに,正極活物質処理工程によって表面のMn3+の層の厚みを厚くした正極活物質を用いたことによるものである。すなわち,実施例1,2では,前述したように,正極活物質の付近に金属イオン種であるMn2+が十分に存在した状態であることにより,初期充電の早期に正極活物質の表面に保護被膜が形成され,フッ酸の発生量が少なくなっていたものと考えられる。よって,実施例1,2ではともに,正極活物質の表面の保護被膜の厚み薄いことにより,比較例1よりも初期内部抵抗値が低かったものと考えられる。 On the other hand, as shown in FIG. 4, both Examples 1 and 2 have lower initial internal resistance values than Comparative Example 1. This is because in both Examples 1 and 2, the positive electrode active material in which the thickness of the Mn 3+ layer on the surface was increased by the positive electrode active material treatment step was used. That is, in Examples 1 and 2, as described above, since the metal ion species Mn 2+ was sufficiently present in the vicinity of the positive electrode active material, the surface of the positive electrode active material was protected early in the initial charge. It is thought that a film was formed and the amount of hydrofluoric acid generated was reduced. Therefore, in both Examples 1 and 2, it is considered that the initial internal resistance value was lower than that of Comparative Example 1 because the protective coating on the surface of the positive electrode active material was thin.
また,実施例1,2はともに,比較例1よりも,初期充電に係るCレートが高いものである。つまり,実施例1,2はともに,初期充電工程に要した時間が,比較例1よりも短いものである。従って,本実験により,本形態に係る実施例1,2では,内部抵抗の低い電池を,短時間で安価に製造することができることが確認された。 Further, both Examples 1 and 2 have a higher C rate for initial charging than Comparative Example 1. That is, in both Examples 1 and 2, the time required for the initial charging process is shorter than that in Comparative Example 1. Therefore, it was confirmed by this experiment that in Examples 1 and 2 according to this embodiment, a battery having a low internal resistance can be manufactured in a short time and at a low cost.
以上詳細に説明したように,本実施の形態の電池100の製造方法は,正極活物質処理工程,正極板製造工程,組立工程,初期充電工程を有する。正極活物質処理工程では,スピネル型の結晶構造を有するマンガン酸リチウムのマンガンの一部を遷移金属によって置換してなる正極活物質であるLiNi1/2Mn3/2O4を,水に浸しつつ混練する事前処理を行い,その後,乾燥させる。この正極活物質工程により,正極活物質を,表面に十分な厚みのMn3+の層が形成されたものとすることができる。正極板製造工程では,バインダー,リン酸トリリチウム,正極活物質処理工程後の正極活物質により製造された正極ペーストを用いて,正極集電箔の表面に正極活物質層を形成して正極板を製造する。組立工程では,正極板および負極板を,これらの間にセパレータを挟み込みつつ捲回して電極体となし,電解液とともに電池ケース内に収容する。そして,その後,初期充電工程の初期充電において,正極活物質の表面に保護被膜を形成させる。初期充電工程において形成される正極活物質表面の保護被膜は,正極活物質として表面に十分な厚みのMn3+の層を有するものを用いていることにより,薄いものである。これにより,内部抵抗の低い非水電解液二次電池を製造することのできる非水電解液二次電池の製造方法が実現されている。
As described above in detail, the method for manufacturing
なお,本実施の形態は単なる例示にすぎず,本発明を何ら限定するものではない。従って本発明は当然に,その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良,変形が可能である。例えば,扁平形状をした捲回型の電極体110に限らず,円筒形状をした捲回型の電極体を用いることもできる。また例えば,捲回型に限らず,積層型の電極体にも適用することが可能である。
Note that this embodiment is merely an example, and does not limit the present invention. Therefore, the present invention can naturally be improved and modified in various ways without departing from the gist thereof. For example, not only the flat
100 電池
110 電極体
120 電解液
130 電池ケース
160 正極板
161 正極集電箔
162 正極活物質層
165 正極活物質
167 バインダー
168 リン酸トリリチウム
170 負極板
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記正極板が,正極集電箔と,前記正極集電箔の表面に形成された正極活物質層とを有するものである非水電解液二次電池の製造方法において,
スピネル型の結晶構造を有するマンガン酸リチウムのマンガンの一部を遷移金属によって置換してなる正極活物質を,水系溶媒中に浸す事前処理を行うとともに,前記事前処理後の前記正極活物質を乾燥させる正極活物質処理工程と,
バインダーと,リン酸トリリチウムと,前記正極活物質処理工程後の前記正極活物質とにより,前記正極集電箔の表面に前記正極活物質層を形成して前記正極板を製造する正極板製造工程と,
前記電池ケース内に,前記非水電解液と,前記正極板および前記負極板とを収容して非水電解液二次電池を組み立てる組立工程と,
前記組立工程後の非水電解液二次電池に対して初期充電を行う初期充電工程とを有することを特徴とする非水電解液二次電池の製造方法。 A positive electrode plate, a negative electrode plate, a nonaqueous electrolytic solution containing an ionic compound having fluorine, and a battery case containing the positive electrode plate and the negative electrode plate together with the electrolytic solution,
In the method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the positive electrode plate has a positive electrode current collector foil and a positive electrode active material layer formed on the surface of the positive electrode current collector foil,
The cathode active material obtained by substituting a part of manganese of lithium manganate having a spinel type crystal structure with a transition metal is subjected to a pretreatment soaking in an aqueous solvent, and the cathode active material after the pretreatment is A positive electrode active material treatment step to be dried;
A positive electrode plate manufacturing the positive electrode plate by forming the positive electrode active material layer on the surface of the positive electrode current collector foil with a binder, trilithium phosphate, and the positive electrode active material after the positive electrode active material treatment step. Process,
An assembly step of assembling the non-aqueous electrolyte secondary battery by accommodating the non-aqueous electrolyte, the positive electrode plate and the negative electrode plate in the battery case;
A non-aqueous electrolyte secondary battery manufacturing method comprising: an initial charging step of performing initial charging on the non-aqueous electrolyte secondary battery after the assembly step.
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