JP2017117579A - Lithium ion battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium ion battery having a positive electrode with improved electron conductivity.SOLUTION: A lithium ion battery comprises a positive electrode including: lithium-containing metal oxide particles 5 and 10; and an osmium coating 30 which covers at least part of a surface of the lithium-containing metal oxide particles 5 and 10. A coating thickness of the osmium coating 30 ranges 0.02 to 45 nm.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、リチウムイオン電池に関する。   The present invention relates to a lithium ion battery.

特開2015−170476号公報(特許文献1)には、正極活物質および導電助材を含むスラリーを、正極集電体の表面に塗着してなる、リチウムイオン電池の正極が開示されている。   Japanese Patent Laying-Open No. 2015-170476 (Patent Document 1) discloses a positive electrode for a lithium ion battery, in which a slurry containing a positive electrode active material and a conductive additive is applied to the surface of a positive electrode current collector. .

特開2015−170476号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-170476 国際公開第2013/065096号International Publication No. 2013/065096 特開2013−214355号公報JP 2013-214355 A

リチウムイオン電池の正極活物質として、たとえばLiCoO2等のリチウム含有金属酸化物粒子が利用されている。こうした正極活物質は、酸化物であるがゆえ、電子伝導性に乏しい。 As a positive electrode active material of a lithium ion battery, lithium-containing metal oxide particles such as LiCoO 2 are used. Since such a positive electrode active material is an oxide, it has poor electronic conductivity.

従来、正極活物質の電子伝導性を補うために、たとえばアセチレンブラック等の炭素微粒子(導電助材)が用いられている。たとえば正極活物質と炭素微粒子とを混合することにより、正極活物質の表面に、炭素微粒子を付着させることができる。正極活物質の表面において、炭素微粒子が連続して存在する部分には、電子が移動できる電子伝導パスが形成される。   Conventionally, carbon fine particles (conductive aid) such as acetylene black have been used to supplement the electron conductivity of the positive electrode active material. For example, carbon fine particles can be attached to the surface of the positive electrode active material by mixing the positive electrode active material and the carbon fine particles. On the surface of the positive electrode active material, an electron conduction path through which electrons can move is formed in a portion where carbon fine particles are continuously present.

しかしながら炭素微粒子は、混合の際に凝集しやすいため、正極活物質の表面に、炭素微粒子を連続的かつ均一に付着させることが困難である。換言すれば、正極活物質の表面における電子伝導パスには、向上の余地が残されている。   However, since the carbon fine particles easily aggregate during mixing, it is difficult to continuously and uniformly adhere the carbon fine particles to the surface of the positive electrode active material. In other words, there is room for improvement in the electron conduction path on the surface of the positive electrode active material.

本発明のリチウムイオン電池は、リチウム含有金属酸化物粒子と、該リチウム含有金属酸化物粒子の表面の少なくとも一部を被覆するオスミウム被膜と、を含む正極を備える。オスミウム被膜の膜厚は、0.02nm以上45nm以下である。   The lithium ion battery of the present invention includes a positive electrode including lithium-containing metal oxide particles and an osmium coating that covers at least a part of the surface of the lithium-containing metal oxide particles. The film thickness of the osmium coating is 0.02 nm or more and 45 nm or less.

以下、本発明について説明する。以下の説明では、リチウム含有金属酸化物粒子を「LiMeO粒子」と、オスミウム被膜を「Os被膜」と略記する場合がある。   The present invention will be described below. In the following description, the lithium-containing metal oxide particles may be abbreviated as “LiMeO particles” and the osmium film may be abbreviated as “Os film”.

図1(A)および(B)は、LiMeO粒子の表面における炭素微粒子の付着状態を示す概念図である。図1(A)および(B)に示されるように、一般にLiMeO粒子は、一次粒子5が凝集した二次粒子10であり、その表面に、ナノ〜ミクロンオーダーの微細な凹凸を有している。アセチレンブラック等の炭素微粒子20は、10〜1000nm程度の粒径を有している。しかし、この程度の粒径では、LiMeO粒子の表面の凹凸を隙間なく埋めることは困難である。   1 (A) and 1 (B) are conceptual diagrams showing the adhesion state of carbon fine particles on the surface of LiMeO particles. As shown in FIGS. 1A and 1B, LiMeO particles are generally secondary particles 10 in which primary particles 5 are aggregated, and have fine irregularities on the order of nano to micron on the surface. . The carbon fine particles 20 such as acetylene black have a particle size of about 10 to 1000 nm. However, with this particle size, it is difficult to fill the unevenness on the surface of the LiMeO particles without any gaps.

また図1(A)に示されるように、炭素微粒子20は凝集しやすいために、連続した電子伝導パスとなり難い。炭素微粒子が凝集すると、LiMeO粒子内のリチウム(Li)イオンが動き難くなり、Liイオンの拡散抵抗が大きくなる。特にハイレート充放電時は、Liイオンの動きが鈍いことに起因して、正極反応が進行しなくなる。   Further, as shown in FIG. 1A, since the carbon fine particles 20 are likely to aggregate, it is difficult to form a continuous electron conduction path. When the carbon fine particles are aggregated, lithium (Li) ions in the LiMeO particles are difficult to move, and the diffusion resistance of Li ions increases. In particular, during high-rate charge / discharge, the positive electrode reaction does not proceed due to the slow movement of Li ions.

広範囲に亘る電子伝導パスを形成するために、炭素微粒子を増量することも考えられる。しかし、炭素微粒子を増量すると、高温保存時にガス発生を伴う副反応が起こり易くなり、性能劣化が促進されることになる。また炭素微粒子が理想的に連続したとしても、粒子である以上、粒界が存在し、粒界で電子伝導パスが途切れることもあるため、広範囲に亘る電子伝導パスの形成は困難である。   In order to form an electron conduction path over a wide range, it is conceivable to increase the amount of carbon fine particles. However, when the amount of carbon fine particles is increased, a side reaction accompanied by gas generation is likely to occur during high temperature storage, and performance deterioration is promoted. Even if the carbon fine particles are ideally continuous, grain boundaries exist as long as they are particles, and the electron conduction path may be interrupted at the grain boundaries, so that it is difficult to form an electron conduction path over a wide range.

図2(A)および(B)は、本発明の正極を示す概念図である。本発明の正極では、LiMeO粒子(一次粒子5および二次粒子10)の表面に、極薄膜のOs被膜30が存在する。かかるOs被膜は、金属であるため、電子伝導性に優れ、なおかつ膜厚がサブナノ〜ナノオーダーの極薄膜であるため、LiMeO粒子の表面の凹凸に追従することができる。すなわちLiMeO粒子を均一に被覆することができる。   2A and 2B are conceptual diagrams showing the positive electrode of the present invention. In the positive electrode of the present invention, an extremely thin Os film 30 is present on the surface of LiMeO particles (primary particles 5 and secondary particles 10). Since this Os film is a metal, it is excellent in electronic conductivity, and since it is a very thin film with a film thickness of sub-nano to nano-order, it can follow the irregularities on the surface of the LiMeO particles. That is, LiMeO particles can be uniformly coated.

極薄膜のOs被膜は、たとえばプラズマCVD(plasma−enhanced Chemical Vapor Deposition)等により、形成することができる。かかる方法によれば、Os被膜を構成するOsはアモルファス金属となる。すなわち、Os被膜内には、実質的に粒界が存在せず、広範囲に亘る電子伝導パスが形成される。   The ultra-thin Os film can be formed by, for example, plasma CVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition). According to such a method, Os constituting the Os film becomes an amorphous metal. That is, there is substantially no grain boundary in the Os film, and an electron conduction path over a wide range is formed.

本発明者は、プラズマCVDにより、LiMeO粒子の表面において、0.02nm以上45nm以下の膜厚を有するOs被膜の形成に成功している。さらに当該LiMeO粒子およびOs被膜を含む、リチウムイオン電池では、正極側での電子伝導性向上の裏付けとなる、性能向上が確認されている。   The present inventor has succeeded in forming an Os film having a thickness of 0.02 nm to 45 nm on the surface of LiMeO particles by plasma CVD. Furthermore, in the lithium ion battery including the LiMeO particles and the Os film, an improvement in performance that confirms an improvement in electronic conductivity on the positive electrode side has been confirmed.

上記によれば、正極の電子伝導性が向上した、リチウムイオン電池が提供される。   According to the above, a lithium ion battery in which the electron conductivity of the positive electrode is improved is provided.

図1(A)および(B)は、リチウム含有金属酸化物粒子の表面における炭素微粒子の付着状態を示す概念図である。FIGS. 1A and 1B are conceptual diagrams showing the adhesion state of carbon fine particles on the surface of lithium-containing metal oxide particles. 図2(A)および(B)は、本発明の正極を示す概念図である。2A and 2B are conceptual diagrams showing the positive electrode of the present invention.

以下、本発明の実施形態(以下「本実施形態」と記す)について説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されるものではない。   Hereinafter, an embodiment of the present invention (hereinafter referred to as “the present embodiment”) will be described. However, the present invention is not limited to the following description.

<リチウムイオン電池>
リチウムイオン電池は、少なくとも正極、負極および非水電解質を備える。リチウムイオン電池は、正極と負極との間に介在するセパレータを備えていてもよい。以下、リチウムイオン電池を構成する各部材について説明する。
<Lithium ion battery>
The lithium ion battery includes at least a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte. The lithium ion battery may include a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode. Hereinafter, each member constituting the lithium ion battery will be described.

《正極》
正極は、たとえば正極集電体と、該正極集電体の表面に形成されている正極合材層と、を含む。正極集電体の厚さは、たとえば5〜25μm程度である。正極合材層の厚さは、たとえば10〜150μm程度である。
《Positive electrode》
The positive electrode includes, for example, a positive electrode current collector and a positive electrode mixture layer formed on the surface of the positive electrode current collector. The thickness of the positive electrode current collector is, for example, about 5 to 25 μm. The thickness of the positive electrode mixture layer is, for example, about 10 to 150 μm.

正極集電体は、たとえばアルミニウム(Al)箔等である。正極合材層は、LiMeO粒子、該LiMeO粒子の表面の少なくとも一部を被覆するOs被膜、およびバインダを含有する。すなわち本実施形態の正極は、LiMeO粒子と、該LiMeO粒子の表面の少なくとも一部を被覆するOs被膜と、を含む。バインダは、たとえばポリフッ化ビニリデン(PVdF)等でよい。正極合材層は、炭素微粒子をさらに含有していてもよい。炭素微粒子は、たとえばアセチレンブラック、サーマルブラック等でよい。本実施形態における正極合材層の組成は、たとえば以下のとおりである。以下のように本実施形態では、炭素微粒子を実質的に含有しない構成とすることもできる。   The positive electrode current collector is, for example, an aluminum (Al) foil. The positive electrode mixture layer contains LiMeO particles, an Os film that covers at least a part of the surface of the LiMeO particles, and a binder. That is, the positive electrode of the present embodiment includes LiMeO particles and an Os film that covers at least a part of the surface of the LiMeO particles. The binder may be, for example, polyvinylidene fluoride (PVdF). The positive electrode mixture layer may further contain carbon fine particles. The carbon fine particles may be acetylene black, thermal black, or the like, for example. The composition of the positive electrode mixture layer in the present embodiment is, for example, as follows. As described below, in the present embodiment, a configuration that substantially does not contain carbon fine particles may be employed.

(正極合材層の組成)
正極活物質:80〜99質量%程度
炭素微粒子:0〜10質量%程度
バインダ :1〜10質量%程度。
(Composition of positive electrode mixture layer)
Positive electrode active material: about 80 to 99% by mass Carbon fine particles: about 0 to 10% by mass Binder: about 1 to 10% by mass.

(リチウム含有金属酸化物粒子)
LiMeO粒子は、リチウムイオン電池の正極活物質として機能する。LiMeO粒子は、特に限定されない。LiMeO粒子は、たとえばLiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn24、一般式LiNiCoMn(ただしa+b+c=1、0<a<1、0<b<1、0<c<1である)で表される化合物等でよい。本実施形態では、Li、金属(Me)および酸素(O)を含有する限り、たとえばLiFePO等のリン酸塩も、LiMeO粒子に属するものとする。
(Lithium-containing metal oxide particles)
LiMeO particle | grains function as a positive electrode active material of a lithium ion battery. The LiMeO particles are not particularly limited. LiMeO particles include, for example, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , general formula LiNi a Co b Mn c O 2 (where a + b + c = 1, 0 <a <1, 0 <b <1, 0 <c <1) may be used. In this embodiment, Li, as long as it contains a metal (Me) and oxygen (O), in for example be a phosphate such as LiFePO 4, and those belonging to LiMeO particles.

LiMeO粒子(二次粒子)のd50は、たとえば1〜20μm程度である。二次粒子を構成する一次粒子のd50は、たとえば10nm〜5μm程度である。ここで「d50」とは、レーザ回折/散乱法によって測定された体積基準の粒度分布において、累計50%での粒径を示している。   The d50 of LiMeO particles (secondary particles) is, for example, about 1 to 20 μm. The d50 of the primary particles constituting the secondary particles is, for example, about 10 nm to 5 μm. Here, “d50” indicates the particle size at a cumulative 50% in the volume-based particle size distribution measured by the laser diffraction / scattering method.

(オスミウム被膜)
Os被膜は、LiMeO粒子の表面の少なくとも一部を被覆している。ここで「LiMeO粒子の表面」とは、一次粒子の表面および二次粒子の表面を示す。Os被膜は、好ましくはLiMeO粒子の表面の全体を被覆する。ただし、Os被膜は、LiMeO粒子の少なくとも一部を被覆していればよく、少なくとも一部を被覆している限り、本発明の効果は示されると考えられる。
(Osmium coating)
The Os film covers at least a part of the surface of the LiMeO particles. Here, the “surface of LiMeO particles” indicates the surface of primary particles and the surface of secondary particles. The Os coating preferably covers the entire surface of the LiMeO particles. However, the Os film only needs to cover at least part of the LiMeO particles, and the effect of the present invention is considered to be exhibited as long as at least part of the Os film is covered.

また本実施形態の正極合材層は、Os被膜によって少なくとも一部を被覆されているLiMeO粒子を含有する限り、Os被膜によって被覆されていないLiMeO粒子を含有していてもよい。正極合材層に含有されるLiMeO粒子のうち、Os被膜によって被覆されているLiMeO粒子の割合が多いほど、いっそう大きな電子伝導性の向上効果が期待できる。   In addition, the positive electrode mixture layer of the present embodiment may contain LiMeO particles that are not covered with the Os film as long as they contain LiMeO particles that are at least partially covered with the Os film. Of the LiMeO particles contained in the positive electrode mixture layer, the larger the proportion of LiMeO particles covered with the Os film, the greater the effect of improving the electron conductivity.

Os被膜の膜厚は、0.02nm以上45nm以下である。かかる範囲で電子伝導性の向上による電池性能の向上が確認されている。電子伝導性の観点から、膜厚は、好ましくは1.8nm以上である。さらに高温保存特性およびサイクル特性の観点から、膜厚は、好ましくは9.5nm以下であり、より好ましくは4.3nm以下である。   The film thickness of the Os film is 0.02 nm or more and 45 nm or less. In such a range, it has been confirmed that the battery performance is improved by improving the electron conductivity. From the viewpoint of electron conductivity, the film thickness is preferably 1.8 nm or more. Furthermore, from the viewpoint of high-temperature storage characteristics and cycle characteristics, the film thickness is preferably 9.5 nm or less, and more preferably 4.3 nm or less.

Os被膜を構成するOsは、好ましくはアモルファス金属である。ただし、Osの一部は金属結晶であってもよい。Os被膜に、金属結晶であるOsが含まれていたとしても、本発明の効果は示されると考えられる。   Os constituting the Os film is preferably an amorphous metal. However, a part of Os may be a metal crystal. Even if Os which is a metal crystal is included in the Os film, it is considered that the effect of the present invention is exhibited.

Os被膜は、実質的にOsのみから構成される。ここで「実質的にOsのみから構成される」とは、Os被膜が、Os以外に、その形成過程で不可避的に混入する不可避的不純物を含み得ることを示す。Os被膜におけるOsの構成比率は、好ましくは95原子%以上であり、より好ましくは98原子%以上であり、特に好ましくは99原子%以上である。   The Os film is substantially composed only of Os. Here, “substantially composed only of Os” indicates that the Os film may contain unavoidable impurities inevitably mixed in the formation process in addition to Os. The constituent ratio of Os in the Os film is preferably 95 atomic% or more, more preferably 98 atomic% or more, and particularly preferably 99 atomic% or more.

(オスミウム被膜の形成方法)
本実施形態のOs被膜は、たとえば次の方法で形成することができる。先ず、所定の溶媒(たとえばN−メチル−2−ピロリドン;NMP)中に、LiMeO粒子およびバインダを分散させ、正極スラリーを調製する。正極集電体上に、正極スラリーを塗工し、乾燥させることにより、正極合材層を形成する。これにより正極を得る。
(Method of forming osmium coating)
The Os film of this embodiment can be formed by the following method, for example. First, LiMeO particles and a binder are dispersed in a predetermined solvent (for example, N-methyl-2-pyrrolidone; NMP) to prepare a positive electrode slurry. A positive electrode slurry is applied on the positive electrode current collector and dried to form a positive electrode mixture layer. Thereby, a positive electrode is obtained.

次いで、プラズマCVD装置を用いて、LiMeO粒子の表面の少なくとも一部に、アモルファスOsを蒸着させることにより、Os被膜を形成する。プラズマCVD装置には、いわゆる「オスミウム・プラズマコーター」(「オスミウムコーター」と称される場合もある)が好適である。以下、オスミウム・プラズマコーターを用いた例を説明する。   Next, an Os film is formed by vapor-depositing amorphous Os on at least a part of the surface of the LiMeO particles using a plasma CVD apparatus. A so-called “osmium plasma coater” (sometimes referred to as “osmium coater”) is suitable for the plasma CVD apparatus. Hereinafter, an example using an osmium plasma coater will be described.

オスミウム・プラズマコーターは、Os被膜の原料であるOsO4を昇華ガスとし、直流グロー放電により、これをプラズマ化させる。OsO4がプラズマ化すると、チャンバ内に、負グロー相領域(陰極側)および陽光柱領域(陽極側)の2つの領域が形成される。負グロー相領域では、陽イオン化したOsガス分子が濃縮し、激しく衝突し合うため、該負グロー相領域内に試料を配置しておくことにより、試料の表面に、純度が高いOsの薄膜が形成される。こうして形成されたOs被膜は、実質的に粒界を有しないアモルファス金属から構成される。 The osmium plasma coater uses OsO 4 , which is a raw material for the Os film, as a sublimation gas and converts it into plasma by direct current glow discharge. When OsO 4 is turned into plasma, two regions of a negative glow phase region (cathode side) and a positive column region (anode side) are formed in the chamber. In the negative glow phase region, positively ionized Os gas molecules concentrate and collide violently. Therefore, by placing the sample in the negative glow phase region, a thin Os film with high purity is formed on the surface of the sample. It is formed. The Os film formed in this way is composed of an amorphous metal having substantially no grain boundary.

この方法では、原料をガス化しているため、凹凸の激しいLiMeO粒子の表面に、Os被膜を均一に形成できる。また正極合材層は、粒子層であるため、粒子間の空隙が完全に埋まることはなく、多孔質である。そのため、原料ガスが正極合材層の奥深くまで入りこみ、正極合材層の内部に存在するLiMeO粒子の表面にも、Os被膜を形成することができる。Os被膜の膜厚は、放電電流および放電時間により調整することができる。予め、所定の条件下での放電時間と膜厚との関係を測定しておけば、同条件下での放電時間からLiMeO粒子の表面に形成されたOs被膜の膜厚を推定することができる。   In this method, since the raw material is gasified, the Os film can be uniformly formed on the surface of the LiMeO particles having severe irregularities. Further, since the positive electrode mixture layer is a particle layer, the voids between the particles are not completely filled and are porous. Therefore, the source gas penetrates deep into the positive electrode mixture layer, and an Os film can be formed on the surface of the LiMeO particles existing inside the positive electrode mixture layer. The film thickness of the Os film can be adjusted by the discharge current and the discharge time. If the relationship between the discharge time and the film thickness under a predetermined condition is measured in advance, the film thickness of the Os film formed on the surface of the LiMeO particles can be estimated from the discharge time under the same condition. .

《負極》
負極は、たとえば負極集電体と、該負極集電体の表面に形成されている負極合材層と、を含む。負極集電体の厚さは、たとえば5〜25μm程度である。負極合材層の厚さは、たとえば10〜150μm程度である。
<Negative electrode>
The negative electrode includes, for example, a negative electrode current collector and a negative electrode mixture layer formed on the surface of the negative electrode current collector. The thickness of the negative electrode current collector is, for example, about 5 to 25 μm. The thickness of the negative electrode mixture layer is, for example, about 10 to 150 μm.

負極集電体は、たとえば銅(Cu)箔等である。負極合材層は、負極活物質およびバインダを含有する。負極活物質は、黒鉛、易黒鉛化性炭素および難黒鉛化性炭素等の炭素系負極活物質でもよいし、珪素(Si)、錫(Sn)等を含有する合金系負極活物質でもよい。バインダは、たとえばカルボキシメチルセルロース(CMC)およびスチレンブタジエンゴム(SBR)の混合物等でよい。   The negative electrode current collector is, for example, a copper (Cu) foil. The negative electrode mixture layer contains a negative electrode active material and a binder. The negative electrode active material may be a carbon-based negative electrode active material such as graphite, graphitizable carbon, and non-graphitizable carbon, or may be an alloy-based negative electrode active material containing silicon (Si), tin (Sn), or the like. The binder may be, for example, a mixture of carboxymethyl cellulose (CMC) and styrene butadiene rubber (SBR).

《セパレータ》
セパレータは、絶縁性を有する多孔膜である。セパレータは、たとえばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン材料により構成される。セパレータの厚さは、たとえば5〜50μm程度である。セパレータの孔径、空孔率は、透気度が所望の値となるように適宜調整できる。
<< Separator >>
The separator is a porous film having insulating properties. The separator is made of a polyolefin material such as polyethylene (PE) or polypropylene (PP). The thickness of the separator is, for example, about 5 to 50 μm. The pore diameter and porosity of the separator can be appropriately adjusted so that the air permeability becomes a desired value.

《非水電解質》
非水電解質は、液体電解質(すなわち電解液)であってもよいし、固体電解質であってもよいし、あるいはゲル状の電解質であってもよい。たとえば電解液は、非プロトン性溶媒に、Li塩を溶解させた溶液である。
《Nonaqueous electrolyte》
The non-aqueous electrolyte may be a liquid electrolyte (that is, an electrolytic solution), a solid electrolyte, or a gel electrolyte. For example, the electrolytic solution is a solution in which a Li salt is dissolved in an aprotic solvent.

非プロトン性溶媒は、たとえば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)等の環状カーボネートと、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)等の鎖状カーボネートとの混合物でよい。環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合比は、体積比で、たとえば環状カーボネート:鎖状カーボネート=1:9〜5:5程度でよい。   Examples of the aprotic solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC), and chain carbonates such as dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), and diethyl carbonate (DEC). It may be a mixture. The mixing ratio of the cyclic carbonate and the chain carbonate may be a volume ratio, for example, cyclic carbonate: chain carbonate = 1: 9 to 5: 5.

Li塩は、たとえばLiPF6、Li[(FSO22N](略称「LiFSI」)等でよい。電解液におけるLi塩の濃度は、たとえば0.5〜1.5モル/リットル程度でよい。 The Li salt may be, for example, LiPF 6 , Li [(FSO 2 ) 2 N] (abbreviation “LiFSI”), or the like. The concentration of the Li salt in the electrolytic solution may be about 0.5 to 1.5 mol / liter, for example.

以下、実施例を用いて本実施形態を説明する。ただし本実施形態は以下の例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present embodiment will be described using examples. However, the present embodiment is not limited to the following example.

<リチウムイオン電池の製造>
以下のようにして各種リチウムイオン電池を製造し、その性能を評価した。
<Manufacture of lithium ion batteries>
Various lithium ion batteries were produced as follows and their performance was evaluated.

《実施例1》
1.正極の製造
以下の材料を準備した。
Example 1
1. Production of positive electrode The following materials were prepared.

(正極用材料)
LiMeO粒子:LiNi1/3Co1/3Mn1/32(NCM)
炭素微粒子 :アセチレンブラック(AB)
バインダ :PVdF
溶媒 :NMP
正極集電体 :Al箔(厚さ=15μm)。
(Positive electrode material)
LiMeO particles: LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (NCM)
Carbon fine particles: Acetylene black (AB)
Binder: PVdF
Solvent: NMP
Positive electrode current collector: Al foil (thickness = 15 μm).

プラネタリミキサを用いて、NCM、AB、PVdFおよびNMPを所定の配合で混合することにより、正極スラリーを調製した。ダイコータを用いて、正極スラリーをAl箔の表面に塗工し、乾燥させることにより、正極合材層を形成した。さらに所定の寸法に加工することにより、帯状のシート部材である正極を得た。   A positive electrode slurry was prepared by mixing NCM, AB, PVdF, and NMP in a predetermined composition using a planetary mixer. The positive electrode slurry was applied to the surface of the Al foil using a die coater and dried to form a positive electrode mixture layer. Furthermore, the positive electrode which is a strip | belt-shaped sheet member was obtained by processing into a predetermined dimension.

正極をオスミウム・プラズマコーター(プラズマCVD装置)のチャンバ内(陰極側)に配置し、NCMの表面の少なくとも一部を被覆するOs被膜を形成した。Os被膜の形成条件は、以下のとおりである。   The positive electrode was placed in the chamber (cathode side) of an osmium plasma coater (plasma CVD apparatus) to form an Os film covering at least part of the surface of the NCM. The conditions for forming the Os film are as follows.

(Os被膜の形成条件)
真空度 :7Pa
放電電流:10mA
放電時間:2秒間。
(Os film formation conditions)
Degree of vacuum: 7Pa
Discharge current: 10 mA
Discharge time: 2 seconds.

2.負極の製造
以下の材料を準備した。
2. Production of negative electrode The following materials were prepared.

(負極用材料)
負極活物質:黒鉛
バインダ :CMCおよびSBR
溶媒 :水
負極集電体:銅箔。
(Material for negative electrode)
Negative electrode active material: Graphite Binder: CMC and SBR
Solvent: Water Negative electrode current collector: Copper foil.

プラネタリミキサを用いて、黒鉛、CMC、SBRおよび水を所定の配合で混合することにより、負極スラリーを調製した。ダイコータを用いて、負極スラリーを銅箔の表面に塗工し、乾燥させることにより、負極合材層を形成した。さらに所定の寸法に加工することにより、帯状のシート部材である負極を得た。   A negative electrode slurry was prepared by mixing graphite, CMC, SBR, and water in a predetermined composition using a planetary mixer. A negative electrode slurry was applied to the surface of the copper foil using a die coater and dried to form a negative electrode mixture layer. Furthermore, the negative electrode which is a strip | belt-shaped sheet member was obtained by processing into a predetermined dimension.

3.組み立て
ポリオレフィン材料により構成されるセパレータを準備した。セパレータを挟んで正極と負極とを積層し、さらに巻回することにより、巻回電極群を構成した。巻回電極群に所定の集電板を溶接した。さらに巻回電極群を所定の電池ケースに挿入した。
3. Assembly A separator composed of a polyolefin material was prepared. A positive electrode and a negative electrode were laminated with a separator interposed therebetween, and further wound to form a wound electrode group. A predetermined current collector plate was welded to the wound electrode group. Further, the wound electrode group was inserted into a predetermined battery case.

電池ケースに電解液[EC:DMC:EMC=3:4:3(体積比),LiPF6=1mоl/l]を注入し、その後電池ケースを密閉した。以上より、実施例1に係るリチウムイオン電池(定格容量=500mAh)を製造した。 An electrolytic solution [EC: DMC: EMC = 3: 4: 3 (volume ratio), LiPF 6 = 1 mol / l] was injected into the battery case, and then the battery case was sealed. From the above, the lithium ion battery (rated capacity = 500 mAh) according to Example 1 was manufactured.

《実施例2〜5》
表1に示すように、オスミウム・プラズマコーターにおける放電時間を変更することにより、Os被膜の膜厚を変更することを除いては、実施例1と同様にして、実施例2〜5に係るリチウムイオン電池を製造した。
<< Examples 2 to 5 >>
As shown in Table 1, the lithium according to Examples 2 to 5 is the same as Example 1 except that the film thickness of the Os film is changed by changing the discharge time in the osmium plasma coater. An ion battery was manufactured.

Figure 2017117579
Figure 2017117579

《比較例1》
正極合材層における炭素微粒子(AB)の含有量を8質量%に増量し、さらにOs被膜を形成しないことを除いては、実施例1と同様にして、比較例1に係るリチウムイオン電池を製造した。
<< Comparative Example 1 >>
A lithium ion battery according to Comparative Example 1 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the content of carbon fine particles (AB) in the positive electrode mixture layer was increased to 8% by mass and no Os film was formed. Manufactured.

《比較例2》
比較例2では、Os被膜に代えて、導電性ポリマーの被膜を形成した。まず、ピロールをアセトニトリル(MeCN)に溶解させることにより、ポリマー溶液を調製した。かかるポリマー溶液に、正極を所定時間に亘って浸漬することにより、導電性ポリマー(ポリピロール)の被膜を形成した。
<< Comparative Example 2 >>
In Comparative Example 2, a conductive polymer film was formed instead of the Os film. First, a polymer solution was prepared by dissolving pyrrole in acetonitrile (MeCN). A film of a conductive polymer (polypyrrole) was formed by immersing the positive electrode in the polymer solution for a predetermined time.

《比較例3》
比較例3では、オスミウム・プラズマコーターによるOs被膜の形成に代えて、スパッタコーターによる金(Au)被膜の形成を行った。成膜時間は5秒間とした。
<< Comparative Example 3 >>
In Comparative Example 3, a gold (Au) film was formed by a sputter coater instead of the Os film formed by an osmium plasma coater. The film formation time was 5 seconds.

<電池性能の評価>
以下のようにして、リチウムイオン電池を評価した。以下の説明において、電流の単位「C」は、電池の定格容量を1時間で放電しきる電流を示すものとする。
<Evaluation of battery performance>
The lithium ion battery was evaluated as follows. In the following description, the unit of current “C” indicates a current that can discharge the rated capacity of the battery in one hour.

1.初期放電容量の測定
1Cの電流により、4.1Vまで電池を充電した。その後、1/3Cの電流により、3.0Vまで電池を放電した。このときの放電容量(初期放電容量)を、リチウムイオン電池に含まれるLiMeO粒子の全質量で除することにより、正極活物質の単位質量あたりの初期放電容量を求めた。結果を表1に示す。
1. Measurement of initial discharge capacity The battery was charged to 4.1 V with a current of 1C. Thereafter, the battery was discharged to 3.0 V with a current of 1/3 C. The initial discharge capacity per unit mass of the positive electrode active material was determined by dividing the discharge capacity (initial discharge capacity) at this time by the total mass of LiMeO particles contained in the lithium ion battery. The results are shown in Table 1.

2.IV抵抗の測定
電池のIV抵抗を測定した。結果を表1に示す。IV抵抗が低いほど、電子伝導性が良好である。
2. Measurement of IV resistance The IV resistance of the battery was measured. The results are shown in Table 1. The lower the IV resistance, the better the electron conductivity.

3.高温保存後の容量維持率の測定
電池のSOCを90%に調整した。60℃に設定された恒温槽内に電池を配置し、同環境で60日間保管した。60日経過後、上記「1.初期放電容量の測定」と同様にして、保存後放電容量を測定した。保存後放電容量を初期放電容量で除することにより、高温保存後容量維持率(百分率)を求めた。結果を表1に示す。
3. Measurement of capacity retention rate after storage at high temperature The SOC of the battery was adjusted to 90%. The battery was placed in a thermostat set at 60 ° C. and stored in the same environment for 60 days. After 60 days, the discharge capacity after storage was measured in the same manner as in “1. Measurement of initial discharge capacity”. The capacity retention rate (percentage) after high-temperature storage was determined by dividing the discharge capacity after storage by the initial discharge capacity. The results are shown in Table 1.

4.サイクル後の容量維持率の測定
60℃に設定された恒温槽内に電池を配置した。2Cの電流で、0〜100%のSOC範囲で充放電を500サイクル繰り返した。500サイクル後、上記「1.初期容量の測定」と同様にして、サイクル後放電容量を測定した。サイクル後放電容量を初期放電容量で除することにより、サイクル後容量維持率(百分率)を求めた。結果を表1に示す。
4). Measurement of capacity retention rate after cycle A battery was placed in a thermostat set at 60 ° C. Charging / discharging was repeated 500 cycles in an SOC range of 0 to 100% at a current of 2C. After 500 cycles, the post-cycle discharge capacity was measured in the same manner as in “1. Measurement of initial capacity”. By dividing the post-cycle discharge capacity by the initial discharge capacity, the post-cycle capacity retention rate (percentage) was determined. The results are shown in Table 1.

<結果と考察>
表1に示されるように、LiMeO粒子と、LiMeO粒子の表面の少なくとも一部を被覆するOs被膜とを含む正極を備える、実施例に係るリチウムイオン電池は、IV抵抗が低い。Os被膜により、LiMeO粒子の表面に広範囲に亘る電子伝導パスが形成されていると考えられる。
<Results and discussion>
As shown in Table 1, the lithium ion battery according to the example including the positive electrode including the LiMeO particle and the Os film that covers at least a part of the surface of the LiMeO particle has low IV resistance. It is considered that an electron conduction path covering a wide range is formed on the surface of the LiMeO particle by the Os coating.

実施例5は、実施例1〜4に比し、保存後およびサイクル後の容量維持率がやや低い。Os被膜の膜厚が厚いため(45nm)、電子伝導性が過度に高くなり、高温環境下でガス発生反応が起こり易くなっていると考えられる。よって、高温保存特性の観点から、Os被膜の膜厚は、好ましくは9.5nm以下である。   Example 5 is slightly lower in capacity retention after storage and after cycling than Examples 1-4. Since the thickness of the Os film is thick (45 nm), the electron conductivity is excessively high, and it is considered that the gas generation reaction is likely to occur in a high temperature environment. Therefore, from the viewpoint of high-temperature storage characteristics, the thickness of the Os film is preferably 9.5 nm or less.

炭素微粒子を増量した比較例1は、いずれの性能も十分でない。炭素微粒子では、電子伝導パスが途切れやすいためと考えられる。   In Comparative Example 1 in which the amount of carbon fine particles is increased, neither performance is sufficient. This is considered to be because the electron conduction path is easily interrupted with carbon fine particles.

導電性ポリマーによる被膜を形成した比較例2は、IV抵抗が高い。導電性ポリマーは、一次粒子の粒界および二次粒子の内部まで、入り込まないと考えられる。また高温保存特性およびサイクル特性が低い理由は、LiMeO粒子が割れた際に、電子伝導パスが途切れるためと考えられる。   Comparative Example 2 in which a film made of a conductive polymer is formed has a high IV resistance. It is considered that the conductive polymer does not enter the grain boundaries of the primary particles and the inside of the secondary particles. The reason why the high-temperature storage characteristics and the cycle characteristics are low is considered to be that the electron conduction path is interrupted when the LiMeO particles are cracked.

イオンスパッタによりAu被膜を形成した比較例3も、IV抵抗が高い。スパッタリングでは、正極合材層の表面に集中して被膜が形成され、正極合材層の内部に存在するLiMeO粒子の表面にまで被膜を形成できないと考えられる。   Comparative Example 3 in which the Au coating is formed by ion sputtering also has a high IV resistance. In sputtering, it is considered that a film is formed on the surface of the positive electrode mixture layer, and the film cannot be formed even on the surface of the LiMeO particles existing inside the positive electrode mixture layer.

今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiments and examples disclosed herein are illustrative in all aspects and should not be construed as being restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

5 一次粒子(LiMeO粒子)、10 二次粒子(LiMeO粒子)、20 炭素微粒子、30 被膜。   5 Primary particles (LiMeO particles), 10 Secondary particles (LiMeO particles), 20 Carbon fine particles, 30 Coatings.

Claims (1)

リチウム含有金属酸化物粒子と、前記リチウム含有金属酸化物粒子の表面の少なくとも一部を被覆するオスミウム被膜と、を含む、正極を備え、
前記オスミウム被膜の膜厚は、0.02nm以上45nm以下である、リチウムイオン電池。
Including a lithium-containing metal oxide particle, and an osmium coating that covers at least a portion of the surface of the lithium-containing metal oxide particle,
The lithium-ion battery has a thickness of the osmium film of 0.02 nm to 45 nm.
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