JP2018116929A - Non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a non-aqueous electrolyte secondary battery provided with a non-aqueous electrolyte solution having a composition able to achieve high battery performance even in an extremely low temperature region (for example, -30°C or lower).SOLUTION: The non-aqueous electrolyte solution disclosed herein contains, as non-aqueous solvents, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC) and ethyl propionate (EP), and when the total volume of the non-aqueous solvents is 100 vol.%, the content of EC is 20 to 30 vol.%, the content of PC is 5 to 10 vol.%, the content of EP is 5 to 10 vol.%, and the content of DMC+EMC is 50 to 70 vol.%.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池等の非水電解液二次電池に関する。詳しくは、非水電解液二次電池の電解液組成に関する。   The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery such as a lithium ion secondary battery. In detail, it is related with the electrolyte solution composition of a nonaqueous electrolyte secondary battery.

パソコンや携帯端末等のいわゆるポータブル電源あるいは車両駆動用電源として、非水電解液二次電池の需要が近年ますます高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両の駆動用高出力電源として好ましく用いられている。   In recent years, demand for non-aqueous electrolyte secondary batteries has been increasing as so-called portable power sources for personal computers and portable terminals, or power sources for driving vehicles. In particular, a lithium ion secondary battery that is lightweight and obtains a high energy density is preferably used as a high-output power source for driving vehicles such as electric vehicles and hybrid vehicles.

この種の二次電池に備えられる非水電解液は、電池の性能や耐久性を向上させる等の観点から溶媒および支持塩(電解質)の種類が選択され、使用されている。例えば、特許文献1には、粘度上昇を抑制することによって低温域における非水電解液のイオン伝導度を向上させることを目的として提供された、溶媒全体の10重量%〜90重量%がエステル系溶媒であり10重量%〜90重量%がカーボネート系溶媒であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用非水電解液が記載されている。   A non-aqueous electrolyte provided in this type of secondary battery is selected and used as a solvent and a supporting salt (electrolyte) from the viewpoint of improving battery performance and durability. For example, Patent Document 1 is provided for the purpose of improving the ionic conductivity of a non-aqueous electrolyte in a low temperature region by suppressing an increase in viscosity. A non-aqueous electrolyte for a lithium ion secondary battery is described which is a solvent and 10 wt% to 90 wt% is a carbonate solvent.

特表2015−528640号公報Special table 2015-528640 gazette

しかしながら、特許文献1に開示される技術は、−30℃以下(例えば−40℃〜−30℃)のような極低温域で電池を使用する場合を想定しておらず、かかる極低温域における非水電解液の挙動を検討したデータも存在しない。したがって、特許文献1に記載されるような単なるエステル系溶媒とカーボネート系溶媒とを混合するだけの着想では、かかる極低温域においても安定して良好な電池性能を実現するための非水電解液を提供することは困難である。
そこで本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、−30℃以下(例えば−40℃〜−30℃)のような極低温域であっても安定して良好な電池性能を発揮し得る組成の二次電池用非水電解液を提供することを目的とする。さらに本発明は、かかる非水電解液を備えた低温特性に優れる非水電解液二次電池を提供することを目的とする。
However, the technique disclosed in Patent Document 1 does not assume a case where the battery is used in an extremely low temperature range of −30 ° C. or lower (for example, −40 ° C. to −30 ° C.). There are no data on the behavior of non-aqueous electrolytes. Therefore, with the idea of simply mixing an ester solvent and a carbonate solvent as described in Patent Document 1, a non-aqueous electrolyte for realizing stable battery performance even in such an extremely low temperature range It is difficult to provide.
Therefore, the present invention has been made in view of such circumstances, and stably exhibits good battery performance even in an extremely low temperature range of −30 ° C. or lower (eg, −40 ° C. to −30 ° C.). It aims at providing the non-aqueous electrolyte for secondary batteries of the composition obtained. Furthermore, an object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having such a non-aqueous electrolyte and excellent in low temperature characteristics.

本発明者らは、リチウムイオン二次電池等の非水電解液二次電池において非水溶媒として使用され得るカーボネート系溶媒およびエステル系溶媒を種々検討した。そして、極低温域(例えば−30℃以下)においても高い電池性能を実現し得る組成の非水電解液を創出し、本発明を完成するに至った。
即ち、ここで開示される発明は、非水溶媒と電解質とを含む非水電解液を備えた非水電解液二次電池に関しており、その非水溶媒が環状カーボネート系溶媒と、鎖状カーボネート系溶媒と、さらにエステル系溶媒とを主体として調製されたものであることを特徴とする。
The present inventors have studied various carbonate solvents and ester solvents that can be used as nonaqueous solvents in nonaqueous electrolyte secondary batteries such as lithium ion secondary batteries. And the non-aqueous electrolyte of the composition which can implement | achieve a high battery performance also in a cryogenic region (for example, -30 degrees C or less) was created, and it came to complete this invention.
That is, the invention disclosed herein relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery including a non-aqueous electrolyte containing a non-aqueous solvent and an electrolyte, and the non-aqueous solvent includes a cyclic carbonate solvent and a chain carbonate solvent. It is prepared mainly with a solvent and further an ester solvent.

ここで開示される非水電解液二次電池の好ましい一態様では、上記非水溶媒は、環状カーボネート系溶媒として少なくともエチレンカーボネート(EC)およびプロピレンカーボネート(PC)を含み、鎖状カーボネート系溶媒として少なくともジメチルカーボネート(DMC)およびエチルメチルカーボネート(EMC)を含み、さらにエステル系溶媒として少なくともエチルプロピオネート(EP)を含むことを特徴とする。
これら5種の溶媒を配合してなる非水電解液二次電池によると、極低温域における電池性能の向上を図ることができる。
In a preferred embodiment of the non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed herein, the non-aqueous solvent includes at least ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC) as a cyclic carbonate solvent, and as a chain carbonate solvent. It contains at least dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC), and further contains at least ethyl propionate (EP) as an ester solvent.
According to the non-aqueous electrolyte secondary battery in which these five solvents are blended, the battery performance in the cryogenic temperature region can be improved.

ここで開示される非水電解液二次電池の特に好ましい一態様は、上記非水溶媒全体を100vol%としたときのそれぞれの含有率が、
エチレンカーボネート(EC) 20〜30vol%;
プロピレンカーボネート(PC) 5〜10vol% ;
エチルプロピオネート(EP) 5〜10vol% ;
ジメチルカーボネート(DMC)およびエチルメチルカーボネート(EMC)の合計、即ちDMC+EMC 50〜70vol%;
であることを特徴とする。
かかる配合比で上記各溶媒を配合して形成された非水電解液を採用することによって、当該電解液の引火点を21℃以上に維持させつつ、極低温域での良好な電池性能を実現した非水電解液二次電池を提供することができる。
One particularly preferred embodiment of the non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed herein is that each content rate when the entire non-aqueous solvent is 100 vol%,
Ethylene carbonate (EC) 20-30 vol%;
Propylene carbonate (PC) 5-10 vol%;
Ethyl propionate (EP) 5-10 vol%;
Sum of dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC), ie DMC + EMC 50-70 vol%;
It is characterized by being.
By adopting a non-aqueous electrolyte formed by blending each of the above solvents at such a blending ratio, good battery performance in a cryogenic temperature region is achieved while maintaining the flash point of the electrolyte at 21 ° C. or higher. The non-aqueous electrolyte secondary battery can be provided.

ここで開示される非水電解液二次電池のさらに好ましい一態様では、上記ジメチルカーボネート(DMC)の含有率および上記エチルメチルカーボネート(EMC)の含有率がいずれも25〜35vol%であることを特徴とする。
かかる含有率(好ましくはほぼ均等)でDMCおよびEMCをともに配合することにより、安定した電池性能(例えば安定したハイレート充放電)を実現する。
In a further preferred embodiment of the non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed herein, the dimethyl carbonate (DMC) content and the ethyl methyl carbonate (EMC) content are both 25 to 35 vol%. Features.
By blending DMC and EMC together at such a content (preferably substantially equal), stable battery performance (for example, stable high-rate charge / discharge) is realized.

また、ここで開示される非水電解液二次電池の特に好ましい一態様では、上記非水電解液の凝固点が−40℃未満であることを特徴とする。
大気圧下における凝固点が−40℃未満(より好ましくは−45℃未満、例えば−60℃以上−45℃未満)となるように非水電解液を調製することにより、−30℃以下(例えば−30℃〜−40℃)のような極低温域における電池特性をより向上させることができる。
In a particularly preferred embodiment of the non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed herein, the solidification point of the non-aqueous electrolyte is less than −40 ° C.
By preparing the nonaqueous electrolyte so that the freezing point under atmospheric pressure is less than −40 ° C. (more preferably less than −45 ° C., for example, −60 ° C. or more and less than −45 ° C.), −30 ° C. or less (for example, − The battery characteristics in an extremely low temperature region such as 30 ° C. to −40 ° C. can be further improved.

また、ここで開示される非水電解液二次電池の特に好ましい他の一態様では、上記非水電解液の−40℃におけるイオン伝導度(mS/cm)が1.0以上であることを特徴とする。ここでイオン伝導度の測定は、ACインピーダンス法に基づく。
極低温域でのイオン伝導度を高く維持することにより、極低温域での出力特性を良好に保つことができる。
Further, in another particularly preferable embodiment of the non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed herein, the ionic conductivity (mS / cm) at −40 ° C. of the non-aqueous electrolyte is 1.0 or more. Features. Here, the measurement of ion conductivity is based on the AC impedance method.
By maintaining high ionic conductivity in the cryogenic temperature region, it is possible to maintain good output characteristics in the cryogenic temperature region.

ここで開示される非水電解液二次電池(例えばリチウムイオン二次電池)は、極低温域(例えば−40℃〜−30℃)で良好な電池性能を発揮し得る。したがって、例えば極低温域においてモーター駆動のための電力を供給し、高い性能が要求される寒冷地での車両駆動用電源として好適に使用することができる。   The non-aqueous electrolyte secondary battery (for example, lithium ion secondary battery) disclosed here can exhibit good battery performance in a very low temperature range (for example, −40 ° C. to −30 ° C.). Therefore, for example, electric power for driving a motor can be supplied in a cryogenic temperature region, and the power can be suitably used as a vehicle driving power source in a cold region where high performance is required.

ここで開示される非水電解液二次電池の一実施形態(リチウムイオン二次電池)における電池外形を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the battery external shape in one Embodiment (lithium ion secondary battery) of the non-aqueous-electrolyte secondary battery disclosed here. 図1中のII−II線に沿う縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which follows the II-II line | wire in FIG. 一実施形態に係る捲回電極体の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the wound electrode body which concerns on one Embodiment.

以下、ここで開示される非水電解液二次電池の好適な一実施形態として、密閉構造の角型リチウムイオン二次電池の構成について、図面を参照しつつ詳細に説明する。本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって実施に必要な事柄は、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。
なお、本明細書および特許請求の範囲において数値範囲をA〜B(ここでA,Bは任意の数値)と記載している場合は、一般的な解釈と同様であり、A以上B以下を意味するものである。
Hereinafter, as a preferred embodiment of the non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed herein, the configuration of a sealed prismatic lithium ion secondary battery will be described in detail with reference to the drawings. Matters necessary for implementation other than matters specifically mentioned in the present specification can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in the present specification and common general technical knowledge in the field.
In addition, when the numerical range is described as A to B (here, A and B are arbitrary numerical values) in the present specification and claims, it is the same as a general interpretation. That means.

本明細書において「非水電解液二次電池」とは、電解液を構成する溶媒が非水系溶媒(即ち有機溶媒)を主として構成された二次電池をいう。ここで「二次電池」は、充放電可能で所定の電気エネルギーを繰り返し取り出し得る蓄電装置をいう。例えば、非水電解液中のアルカリ金属イオンが電荷の移動を担うリチウムイオン二次電池、ナトリウムイオン二次電池等は、ここでいう非水電解液二次電池に包含される典型例である。
「電極体」とは、正極、負極、および正負極間にセパレータとして機能し得る多孔質絶縁層を含む電池の主体を成す構造体をいう。「正極活物質」または「負極活物質」(これらを総称して「電極活物質」という場合がある。)は、電荷担体となる化学種(例えば、リチウムイオン二次電池においてはリチウムイオン、ナトリウムイオン二次電池においてはナトリウムイオン)を可逆的に吸蔵および放出可能な化合物(正極活物質または負極活物質)をいう。
In the present specification, the “non-aqueous electrolyte secondary battery” refers to a secondary battery in which a solvent constituting the electrolyte mainly includes a non-aqueous solvent (that is, an organic solvent). Here, the “secondary battery” refers to a power storage device that can be charged and discharged and can repeatedly extract predetermined electric energy. For example, a lithium ion secondary battery, a sodium ion secondary battery, and the like, in which alkali metal ions in the non-aqueous electrolyte are responsible for charge transfer, are typical examples included in the non-aqueous electrolyte secondary battery herein.
The “electrode body” refers to a structure constituting the main body of a battery including a porous insulating layer that can function as a separator between a positive electrode, a negative electrode, and positive and negative electrodes. “Positive electrode active material” or “negative electrode active material” (these may be collectively referred to as “electrode active material”) are chemical species that serve as charge carriers (for example, lithium ion, sodium in a lithium ion secondary battery). A compound (positive electrode active material or negative electrode active material) capable of reversibly occluding and releasing (sodium ion in an ion secondary battery).

以下、非水電解液二次電池の典型例として、捲回電極体および非水電解液を角型形状の電池ケースに収容した構成のリチウムイオン二次電池に対して本発明を適用する場合を主として本発明の実施形態を具体的に説明するが、本発明をかかる実施形態に限定することを意図したものではない。
例えば、捲回電極体は一例であり、本発明の技術思想は、その他の形状(例えば積層型の電極体)にも適用される。また、非水電解液二次電池の形状(外形やサイズ)には特に制限はない。
Hereinafter, as a typical example of a nonaqueous electrolyte secondary battery, a case where the present invention is applied to a lithium ion secondary battery having a configuration in which a wound electrode body and a nonaqueous electrolyte are housed in a rectangular battery case is described. Although an embodiment of the present invention will be specifically described mainly, it is not intended to limit the present invention to such an embodiment.
For example, the wound electrode body is an example, and the technical idea of the present invention can be applied to other shapes (for example, stacked electrode bodies). Moreover, there is no restriction | limiting in particular in the shape (outer shape and size) of a nonaqueous electrolyte secondary battery.

図1および図2に示すように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池100は、扁平に捲回された形態の電極体(捲回電極体)20が、非水電解液とともに扁平な角型(箱形)形状の電池ケース30に収容された構成を有する。
電池ケース30は、上端が開放された扁平な直方体形状の電池ケース本体32と、その開口部を塞ぐ蓋体34とを備える。電池ケース30の上面(すなわち蓋体34)には、捲回電極体20の正極と電気的に接続する外部接続用の正極端子42、および捲回電極体20の負極と電気的に接続する負極端子44が設けられている。蓋体34にはまた、従来のリチウムイオン二次電池の電池ケースと同様に、電池ケース30の内部で発生したガスを電池ケース30の外部に排出するための安全弁36が備えられている。
電池ケース30の材質としては、アルミニウム、スチール等の金属材料;ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリイミド樹脂等の樹脂材料;が例示される。ケースの形状(容器の外形)は、例えば円形(円筒形、コイン形、ボタン形)、六面体形(直方体形、立方体形)、袋体形、およびそれらを加工し変形させた形状等であってもよい。
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the lithium ion secondary battery 100 according to the present embodiment has an electrode body (winding electrode body) 20 that is wound flatly and has a flat corner together with a non-aqueous electrolyte. It has a configuration housed in a battery case 30 having a shape (box shape).
The battery case 30 includes a flat rectangular parallelepiped battery case main body 32 having an open upper end, and a lid 34 that closes the opening. On the upper surface (that is, the lid 34) of the battery case 30, a positive terminal 42 for external connection that is electrically connected to the positive electrode of the wound electrode body 20, and a negative electrode that is electrically connected to the negative electrode of the wound electrode body 20. A terminal 44 is provided. The lid 34 is also provided with a safety valve 36 for discharging the gas generated inside the battery case 30 to the outside of the battery case 30 as in the case of the battery case of the conventional lithium ion secondary battery.
Examples of the material of the battery case 30 include metal materials such as aluminum and steel; resin materials such as polyphenylene sulfide resin and polyimide resin. The shape of the case (outer shape of the container) may be, for example, a circular shape (cylindrical shape, coin shape, button shape), hexahedron shape (rectangular shape, cubic shape), bag shape, and a shape obtained by processing and deforming them. Good.

図3に示すように、本実施形態に係る捲回電極体20は、組み立てる前段階において長尺状のシート構造(シート状電極体)を有している。かかる捲回電極体20は、長尺状のアルミニウム等の金属製の正極集電体52の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って正極活物質層54が形成された正極シート50と、長尺状の銅等の金属製の負極集電体62の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って負極活物質層64が形成された負極シート60とを、長尺状のセパレータシート70を介して重ね合わせて長尺方向に捲回し扁平形状に成形されている。
捲回電極体20の捲回軸方向における中央部分には、捲回コア部分(すなわち、正極シート50の正極活物質層54と、負極シート60の負極活物質層64と、セパレータシート70とが密に積層された部分)が形成されている。また、捲回電極体20の捲回軸方向の両端部では、正極シート50における正極活物質層非形成部52aおよび負極シート60における負極活物質層非形成部62aが、それぞれ捲回コア部分から外方にはみ出ている。かかる正極活物質層非形成部52aおよび負極活物質層非形成部62aには、正極集電板42aおよび負極集電板44aがそれぞれ付設され、正極端子42(図2)および負極端子44(図2)とそれぞれ電気的に接続されている。
As shown in FIG. 3, the wound electrode body 20 according to the present embodiment has a long sheet structure (sheet-like electrode body) in a stage before assembly. The wound electrode body 20 has a positive electrode sheet 50 in which a positive electrode active material layer 54 is formed along the longitudinal direction on one or both surfaces (here, both surfaces) of a metal positive electrode current collector 52 such as long aluminum. A negative electrode sheet 60 in which a negative electrode active material layer 64 is formed along the longitudinal direction on one or both surfaces (here, both surfaces) of a long metal negative electrode current collector 62 such as copper. The sheet is overlapped via the separator sheet 70, wound in the longitudinal direction, and formed into a flat shape.
In the central portion of the wound electrode body 20 in the winding axis direction, there is a wound core portion (that is, the positive electrode active material layer 54 of the positive electrode sheet 50, the negative electrode active material layer 64 of the negative electrode sheet 60, and the separator sheet 70). A densely stacked portion) is formed. Further, at both ends of the wound electrode body 20 in the winding axis direction, the positive electrode active material layer non-formation part 52a in the positive electrode sheet 50 and the negative electrode active material layer non-formation part 62a in the negative electrode sheet 60 are respectively from the wound core part. It protrudes outward. The positive electrode active material layer non-formation part 52a and the negative electrode active material layer non-formation part 62a are respectively provided with a positive electrode current collector plate 42a and a negative electrode current collector plate 44a, and a positive electrode terminal 42 (FIG. 2) and a negative electrode terminal 44 (FIG. 2) are electrically connected to each other.

正極活物質層54は、少なくとも正極活物質を含んでいる。正極活物質としては、リチウムイオン二次電池の正極活物質として使用し得る各種の材料の1種または2種以上を、特に限定なく採用し得る。好適例として、層状系、スピネル系等のリチウム複合金属酸化物(LiNiO、LiCoO、LiFeO、LiMn、LiNi0.5Mn1.5,LiCrMnO、LiFePO等)が挙げられる。例えば、構成元素として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(例えば、LiNi1/3Co1/3Mn1/3)は、熱安定性に優れ、且つ理論エネルギー密度が高い好適例である。 The positive electrode active material layer 54 includes at least a positive electrode active material. As a positive electrode active material, 1 type, or 2 or more types of various materials which can be used as a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery can be employ | adopted without limitation. Preferred examples include lithium composite metal oxides such as layered and spinel (LiNiO 2 , LiCoO 2 , LiFeO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , LiCrMnO 4 , LiFePO 4, etc.). Can be mentioned. For example, a lithium nickel cobalt manganese composite oxide (for example, LiNi 1/3 Co 1/2 ) having a layered structure (typically a layered rock salt structure belonging to a hexagonal system) containing Li, Ni, Co and Mn as constituent elements. 3 Mn 1/3 O 2) is excellent in thermal stability, and the theoretical energy density is high the preferred embodiment.

正極活物質の性状は特に限定されないが、例えば粒子状や粉末状であり得る。かかる粒子状正極活物質の平均粒径は、20μm以下(典型的には1μm〜20μm、例えば5μm〜15μm)であり得る。また、比表面積は0.1m/g以上(典型的には0.7m/g以上、例えば0.8m/g以上)であって、5m/g以下(典型的には1.3m/g以下、例えば1.2m/g以下)であり得る。なお、本明細書において「平均粒径」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おいて、微粒子側からの累積50%に相当する粒径(D50粒径、メジアン径ともいう。)をいう。 Although the property of a positive electrode active material is not specifically limited, For example, it may be a particle form or a powder form. The average particle diameter of the particulate positive electrode active material may be 20 μm or less (typically 1 μm to 20 μm, for example, 5 μm to 15 μm). The specific surface area is 0.1 m 2 / g or more (typically 0.7 m 2 / g or more, for example, 0.8 m 2 / g or more), and 5 m 2 / g or less (typically 1.m 2 / g or more). 3 m 2 / g or less, for example 1.2 m 2 / g or less). In the present specification, the “average particle size” means a particle size distribution corresponding to 50% cumulative from the fine particle side in a volume-based particle size distribution measured by a particle size distribution measurement based on a general laser diffraction / light scattering method. (D 50 particle diameter, also called median diameter).

正極活物質層54には、上記正極活物質に加え、一般的なリチウムイオン二次電池において正極活物質層54の構成成分として使用され得る1種または2種以上の材料を必要に応じて含有し得る。そのような材料の例として、導電材やバインダが挙げられる。導電材としては、例えば、種々のカーボンブラック(典型的にはアセチレンブラック、ケッチェンブラック)、コークス、活性炭、黒鉛、炭素繊維、カーボンナノチューブ等の炭素材料を好適に用いることができる。また、バインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等のハロゲン化ビニル樹脂;ポリエチレンオキサイド(PEO)等のポリアルキレンオキサイド;等を好適に用いることができる。   The positive electrode active material layer 54 contains, in addition to the positive electrode active material, one or more materials that can be used as a constituent component of the positive electrode active material layer 54 in a general lithium ion secondary battery as necessary. Can do. Examples of such a material include a conductive material and a binder. As the conductive material, for example, carbon materials such as various carbon blacks (typically acetylene black and ketjen black), coke, activated carbon, graphite, carbon fiber, and carbon nanotube can be suitably used. As the binder, for example, a vinyl halide resin such as polyvinylidene fluoride (PVdF); a polyalkylene oxide such as polyethylene oxide (PEO); and the like can be preferably used.

正極活物質層54全体に占める正極活物質の割合は、凡そ60質量%以上(典型的には60質量%〜99質量%)とすることが適当であり、通常は凡そ70質量%〜95質量%であることが好ましい。導電材を使用する場合、正極活物質層54全体に占める導電材の割合は、例えば凡そ2質量%〜20質量%とすることができ、通常は凡そ3質量%〜10質量%とすることが好ましい。バインダを使用する場合、正極活物質層54全体に占めるバインダの割合は、例えば凡そ0.5質量%〜10質量%とすることができ、通常は凡そ1質量%〜5質量%とすることが好ましい。
正極活物質層54の片面当たりの平均厚みは、例えば20μm以上(典型的には40μm以上、好ましくは50μm以上)であって、100μm以下(典型的には80μm以下)であり得る。また、正極活物質層54の密度は、例えば1g/cm〜4g/cm(例えば1.5g/cm〜3.5g/cm)であり得る。また、正極活物質層54の空隙率(空孔率)は、例えば10〜50vol%(典型的には20〜40vol%)であり得る。このような性状を満たすことにより、正極活物質層54内に適度な空隙を保つことができ、非水電解液を十分に浸潤させることができる。このため、電荷担体との反応場を広く確保することができ、極低温域であっても高い入出力特性を発揮することができる。なお、本明細書において「空隙率」とは、水銀ポロシメータの測定によって得られた全細孔容積(cm)を活物質層の見かけの体積(cm)で除して100を掛けた値をいう。
The proportion of the positive electrode active material in the entire positive electrode active material layer 54 is suitably about 60% by mass or more (typically 60% by mass to 99% by mass), and usually about 70% by mass to 95% by mass. % Is preferred. In the case of using a conductive material, the ratio of the conductive material to the entire positive electrode active material layer 54 can be, for example, about 2% by mass to 20% by mass, and usually about 3% by mass to 10% by mass. preferable. When using a binder, the ratio of the binder to the whole positive electrode active material layer 54 can be, for example, about 0.5 mass% to 10 mass%, and usually about 1 mass% to 5 mass%. preferable.
The average thickness per one side of the positive electrode active material layer 54 is, for example, 20 μm or more (typically 40 μm or more, preferably 50 μm or more), and may be 100 μm or less (typically 80 μm or less). The density of the positive electrode active material layer 54 can be, for example, 1 g / cm 3 to 4 g / cm 3 (eg, 1.5 g / cm 3 to 3.5 g / cm 3 ). Moreover, the porosity (porosity) of the positive electrode active material layer 54 can be, for example, 10 to 50 vol% (typically 20 to 40 vol%). By satisfying such properties, an appropriate gap can be maintained in the positive electrode active material layer 54, and the nonaqueous electrolyte can be sufficiently infiltrated. For this reason, a wide reaction field with the charge carrier can be secured, and high input / output characteristics can be exhibited even in an extremely low temperature region. Incidentally, the "porosity" in the present specification, multiplied by 100 and dividing the total pore volume obtained by the measurement of the mercury porosimeter a (cm 3) in the apparent volume of the active material layer (cm 3) value Say.

正極シート50を作製する方法は特に限定されない。例えば、正極活物質と必要に応じて用いられる材料とを適当な溶媒(例えばN−メチル−2−ピロリドン)に分散させ、スラリー状またはペースト状の組成物(以下「正極活物質層形成用スラリー」という。)を調製する。かかる正極活物質層形成用スラリーを長尺状の正極集電体52に付与し、該スラリーに含まれる溶媒を除去、乾燥し、必要に応じてプレスすることにより、正極集電体52上に所望の性状の正極活物質層54を備えた正極シート50を作製することができる。   The method for producing the positive electrode sheet 50 is not particularly limited. For example, a positive electrode active material and a material used as necessary are dispersed in a suitable solvent (for example, N-methyl-2-pyrrolidone), and a slurry-like or paste-like composition (hereinafter referred to as “positive electrode active material layer forming slurry”). "). The positive electrode active material layer forming slurry is applied to the elongate positive electrode current collector 52, the solvent contained in the slurry is removed, dried, and pressed as necessary. The positive electrode sheet 50 provided with the positive electrode active material layer 54 having desired properties can be produced.

一方、負極活物質層64は、少なくとも負極活物質を含んでいる。負極活物質としては、リチウムイオン二次電池の負極活物質として使用し得る各種の材料の1種または2種以上を、特に限定なく使用することができる。好適例として、黒鉛(グラファイト)、難黒鉛化炭素(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素(ソフトカーボン)、カーボンナノチューブ、これらを組み合わせた構造を有するもの等の少なくとも一部にグラファイト構造(層状構造)を含む炭素材料が挙げられる。高エネルギー密度が得られることから、天然黒鉛(石墨)や人造黒鉛等の黒鉛系材料を好ましく用いることができる。
負極活物質として、特に黒鉛の表面に非晶質炭素(アモルファスカーボン)を備えた非晶質コート黒鉛系材料の使用が好ましい。かかる非晶質コートの形成方法としては、例えば、核材(黒鉛粒子)表面に気相のコート原料を、不活性ガス雰囲気下において蒸着させるCVD法のような気相法、コート原料を適当な溶媒で希釈してなる溶液を核材に混ぜ合わせた後、不活性ガス雰囲気下において、該コート原料を焼成・炭化させる液相法、核材およびコート原料を、溶媒を用いずに混練した後、不活性ガス雰囲気下において焼成・炭化させる固相法、等の従来公知の方法を適宜採用することができる。
On the other hand, the negative electrode active material layer 64 contains at least a negative electrode active material. As the negative electrode active material, one or more of various materials that can be used as the negative electrode active material of the lithium ion secondary battery can be used without particular limitation. Preferable examples include graphite (graphite), non-graphitizable carbon (hard carbon), graphitizable carbon (soft carbon), carbon nanotubes, at least part of those having a combination of these, etc. The carbon material containing is mentioned. Since high energy density is obtained, graphite-based materials such as natural graphite (graphite) and artificial graphite can be preferably used.
As the negative electrode active material, it is particularly preferable to use an amorphous coated graphite material having amorphous carbon on the surface of graphite. As a method for forming such an amorphous coat, for example, a vapor phase method such as a CVD method in which a vapor phase coating material is deposited on the surface of the core material (graphite particles) in an inert gas atmosphere, a coating material is suitable. After the solution diluted with the solvent is mixed with the core material, the liquid phase method of firing and carbonizing the coating material in an inert gas atmosphere, after kneading the core material and the coating material without using a solvent A conventionally known method such as a solid phase method of firing and carbonizing in an inert gas atmosphere can be appropriately employed.

負極活物質の性状は特に限定されないが、例えば粒子状や粉末状であり得る。かかる粒子状負極活物質の平均粒径は、例えば50μm以下(典型的には20μm以下、例えば1μm〜20μm、好ましくは5μm〜15μm)であり得る。また、比表面積は1m/g以上(典型的には2.5m/g以上、例えば2.8m/g以上)であって、10m/g以下(典型的には3.5m/g以下、例えば3.4m/g以下)であり得る。 Although the property of a negative electrode active material is not specifically limited, For example, it may be a particle form or a powder form. The average particle diameter of the particulate negative electrode active material can be, for example, 50 μm or less (typically 20 μm or less, for example, 1 μm to 20 μm, preferably 5 μm to 15 μm). The specific surface area is 1 m 2 / g or more (typically 2.5 m 2 / g or more, for example, 2.8 m 2 / g or more), and 10 m 2 / g or less (typically 3.5 m 2 / G or less, for example 3.4 m 2 / g or less).

負極活物質層64には、上記負極活物質に加え、一般的なリチウムイオン二次電池において負極活物質層の構成成分として使用され得る1種または2種以上の材料を必要に応じて含有し得る。そのような材料の例として、バインダや各種添加剤が挙げられる。バインダとしては、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)等のポリマー材料を好適に用いることができる。その他、増粘剤、分散剤、導電材等の各種添加剤を適宜使用することもでき、例えば増粘剤としてはカルボキシメチルセルロース(CMC)やメチルセルロース(MC)を好適に用いることができる。   The negative electrode active material layer 64 contains, in addition to the above negative electrode active material, one or more materials as necessary that can be used as a constituent component of the negative electrode active material layer in a general lithium ion secondary battery. obtain. Examples of such materials include binders and various additives. As the binder, for example, a polymer material such as styrene butadiene rubber (SBR), polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), or the like can be suitably used. In addition, various additives such as a thickener, a dispersant, and a conductive material can be used as appropriate. For example, carboxymethylcellulose (CMC) or methylcellulose (MC) can be suitably used as the thickener.

負極活物質層64全体に占める負極活物質の割合は、凡そ50質量%以上とすることが適当であり、通常は90質量%〜99質量%(例えば95質量%〜99質量%)とすることが好ましい。バインダを使用する場合には、負極活物質層64全体に占めるバインダの割合は例えば凡そ1質量%〜10質量%とすることができ、通常は凡そ1質量%〜5質量%とすることが好ましい。
負極活物質層64の片面当たりの平均厚みは、例えば40μm以上(典型的には50μm以上)であって、100μm以下(典型的には80μm以下)とすることができる。また、負極活物質層64の密度は、例えば0.5g/cm〜2g/cm(典型的には1g/cm〜1.5g/cm)程度とすることができる。また、負極活物質層64の空隙率は、例えば5〜50vol%(好ましくは35〜50vol%)程度であり得る。また、このような性状を満たすことにより、負極活物質層64内に適度な空隙を保つことができ、非水電解液を十分に浸潤させることができる。このため、電荷担体との反応場を広く確保することができ、極低温域であっても高い入出力特性を発揮することができる。
The proportion of the negative electrode active material in the entire negative electrode active material layer 64 is suitably about 50% by mass or more, and is usually 90% by mass to 99% by mass (eg, 95% by mass to 99% by mass). Is preferred. When using a binder, the ratio of the binder to the whole negative electrode active material layer 64 can be, for example, about 1% by mass to 10% by mass, and usually about 1% by mass to 5% by mass is preferable. .
The average thickness per one side of the negative electrode active material layer 64 is, for example, 40 μm or more (typically 50 μm or more), and can be 100 μm or less (typically 80 μm or less). Moreover, the density of the negative electrode active material layer 64 can be set to, for example, about 0.5 g / cm 3 to 2 g / cm 3 (typically 1 g / cm 3 to 1.5 g / cm 3 ). Moreover, the porosity of the negative electrode active material layer 64 can be about 5-50 vol% (preferably 35-50 vol%), for example. Moreover, by satisfy | filling such a property, a moderate space | gap can be maintained in the negative electrode active material layer 64, and a non-aqueous electrolyte can fully be infiltrated. For this reason, a wide reaction field with the charge carrier can be secured, and high input / output characteristics can be exhibited even in an extremely low temperature region.

負極シート60を作製する方法は特に限定されない。例えば、負極活物質と必要に応じて用いられる材料とを適当な溶媒(例えば蒸留水)に分散させ、スラリー状またはペースト状の組成物(以下「負極活物質層形成用スラリー」という。)を調製する。かかる負極活物質層形成用スラリーを長尺状の負極集電体62に付与し、該スラリーに含まれる溶媒を除去、乾燥し、必要に応じてプレスすることにより、負極集電体62上に負極活物質層64を備えた負極シート60を作製することができる。   The method for producing the negative electrode sheet 60 is not particularly limited. For example, a negative electrode active material and a material used as needed are dispersed in a suitable solvent (for example, distilled water), and a slurry-like or paste-like composition (hereinafter referred to as “a slurry for forming a negative electrode active material layer”). Prepare. The slurry for forming the negative electrode active material layer is applied to the long negative electrode current collector 62, the solvent contained in the slurry is removed, dried, and pressed as necessary. The negative electrode sheet 60 provided with the negative electrode active material layer 64 can be produced.

正負極シート50、60間に介在されるセパレータシート70としては、正極活物質層54と負極活物質層64とを絶縁するとともに非水電解液の保持機能やシャットダウン機能を有するものであればよい。好適例として、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成る多孔質樹脂シート(フィルム)が挙げられる。
セパレータシート70の性状は特に限定されない。例えば、平均厚みは、通常、10μm以上(典型的には15μm以上、例えば17μm以上)であって、40μm以下(典型的には30μm以下、例えば25μm以下)であることが好ましい。
The separator sheet 70 interposed between the positive and negative electrode sheets 50 and 60 may be any sheet as long as it insulates the positive electrode active material layer 54 and the negative electrode active material layer 64 and has a nonaqueous electrolyte holding function and a shutdown function. . Preferable examples include porous resin sheets (films) made of a resin such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyester, cellulose, and polyamide.
The property of the separator sheet 70 is not particularly limited. For example, the average thickness is usually 10 μm or more (typically 15 μm or more, for example, 17 μm or more), and preferably 40 μm or less (typically 30 μm or less, for example, 25 μm or less).

次に、本実施形態に係る非水電解液について詳細に説明する。
非水電解液は、非水溶媒と、電解質(即ち支持塩)とから構成され、かかる非水溶媒は、環状カーボネート系溶媒と、鎖状カーボネート系溶媒と、さらにエステル系溶媒とを主体として調製される。
環状カーボネート系溶媒と、鎖状カーボネート系溶媒とを共存させることにより、好適な高誘電率と低粘度とを両立させることができる。また、さらにエステル系溶媒を共存させることにより、凝固点(および融点)を低下させ、低温域での好適な電池使用を図ることができる。
Next, the nonaqueous electrolytic solution according to this embodiment will be described in detail.
The non-aqueous electrolyte is composed of a non-aqueous solvent and an electrolyte (that is, a supporting salt), and the non-aqueous solvent is mainly composed of a cyclic carbonate solvent, a chain carbonate solvent, and an ester solvent. Is done.
By allowing the cyclic carbonate solvent and the chain carbonate solvent to coexist, a suitable high dielectric constant and low viscosity can be achieved. Furthermore, by further coexisting an ester solvent, the freezing point (and melting point) can be lowered, and the battery can be suitably used in a low temperature range.

好ましくは、環状カーボネート系溶媒として少なくともエチレンカーボネート(EC)およびプロピレンカーボネート(PC)を含む。比誘電率の高いECと凝固点(および融点)の低いPCの組合せは、極低温域における電池性能の向上に寄与する。さらに、PCの添加は、耐久性(例えば保存特性やサイクル特性)を向上させるという観点からも好ましい。
また、好ましくは、鎖状カーボネートとして少なくともジメチルカーボネート(DMC)およびエチルメチルカーボネート(EMC)を含む。酸化電位が高い(電位窓の広い)DMCとEMCの組合せは、電池性能を向上させるという観点からも好ましい。
また、好ましくは、エステル系溶媒として少なくともエチルプロピオネート(EP)を含む。EPの添加により、非水電解液の凝固点(および融点)と低温域における粘度の低下を好適に図ることができる。さらに、PCと組み合わせてEPを添加することによって、耐久性(例えば保存特性やサイクル特性)を良好に向上させることができる。
これら5種の溶媒を共存させた非水電解液によると、極低温域(例えば−40℃〜−30℃)のような極低温域であっても安定して良好な性能(例えば良好な出力維持)を実現することができる。さらに、耐久特性(例えばサイクル特性、保存特性)を向上させることができる。
Preferably, at least ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC) are included as the cyclic carbonate solvent. The combination of EC having a high dielectric constant and PC having a low freezing point (and melting point) contributes to improvement of battery performance in a cryogenic temperature range. Furthermore, the addition of PC is preferable from the viewpoint of improving durability (for example, storage characteristics and cycle characteristics).
Preferably, the chain carbonate contains at least dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC). A combination of DMC and EMC having a high oxidation potential (wide potential window) is also preferable from the viewpoint of improving battery performance.
Preferably, at least ethyl propionate (EP) is included as an ester solvent. By adding EP, the freezing point (and melting point) of the nonaqueous electrolytic solution and the viscosity in the low temperature region can be suitably reduced. Furthermore, durability (for example, storage characteristics and cycle characteristics) can be improved satisfactorily by adding EP in combination with PC.
According to the non-aqueous electrolyte in which these five types of solvents coexist, excellent performance (for example, good output) can be obtained even in an extremely low temperature range (for example, −40 ° C. to −30 ° C.). Maintenance) can be realized. Furthermore, durability characteristics (for example, cycle characteristics and storage characteristics) can be improved.

さらに好ましくは、非水溶媒全体を100vol%としたときの上記5種の溶媒それぞれの含有率が、
EC 20〜30vol%、
PC 5〜15vol%(例えば5〜10vol%または10〜15vol%)、
EP 5〜15vol%(例えば5〜10vol%または10〜15vol%)および
DMCとEMCの合計 50〜70vol%、
となるように非水電解液を調製する。
このような組成の非水電解液によると、当該電解液の引火点を21℃以上に維持させつつ、極低温域での良好な電池性能を実現することができる。PCとEPの含有率がそれぞれ5〜10vol%であることが特に好ましい。さらに、良好な耐久性(例えば保存特性、サイクル特性)を実現することができる。
More preferably, the content of each of the above five solvents when the total amount of the non-aqueous solvent is 100 vol% is
EC 20-30 vol%,
PC 5-15 vol% (eg 5-10 vol% or 10-15 vol%),
EP 5-15 vol% (e.g. 5-10 vol% or 10-15 vol%) and the sum of DMC and EMC 50-70 vol%,
A non-aqueous electrolyte is prepared so that
According to the non-aqueous electrolyte solution having such a composition, it is possible to achieve good battery performance in a cryogenic temperature region while maintaining the flash point of the electrolyte solution at 21 ° C. or higher. It is particularly preferable that the PC and EP contents are 5 to 10 vol%, respectively. Furthermore, good durability (for example, storage characteristics and cycle characteristics) can be realized.

上記5種の溶媒を主として非水電解液が調製される限りにおいて、その他の有機溶媒成分を含有させてもよい。
そのような添加可能な任意成分としては、例えば、環状カーボネート系溶媒である1,2−ブチレンカーボネート、2,3−ブチレンカーボネート、1,2−ペンチレンカーボネート、2,3−ペンチレンカーボネート、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、トランス又はシス−4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、4−エチニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、等が挙げられる。
また、添加可能な他の種類の任意成分として、鎖状カーボネート系溶媒であるジエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネート、ジブチルカーボネート、等が挙げられる。
また、添加可能な他の種類の任意成分として、エステル系溶媒であるメチルアセテート、エチルアセテート、プロピルアセテート、メチルプロピオネート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、γ−カプロラクトン、δ−バレロラクトン、ε−カプロラクトン、等が挙げられる。
As long as the non-aqueous electrolyte is mainly prepared from the above five solvents, other organic solvent components may be contained.
Examples of such optional components that can be added include 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate, 2,3-pentylene carbonate, which are cyclic carbonate solvents. -Fluoro-1,3-dioxolan-2-one, trans or cis-4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one, vinylene carbonate, vinylethylene carbonate, 4-ethynyl-1,3-dioxolane- 2-one etc. are mentioned.
Other optional components that can be added include chain carbonate solvents such as diethyl carbonate, dipropyl carbonate, methyl propyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, ethyl propyl carbonate, methyl butyl carbonate, and dibutyl carbonate. .
Other optional components that can be added include ester solvents such as methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, γ-caprolactone, δ-valerolactone, ε-caprolactone and the like.

電解質(即ち支持塩)としては、例えばLiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiCFSO、LiCSO、LiN(CFSO、LiC(CFSO、LiI等のリチウム化合物(リチウム塩)の1種または2種以上を用いることができる。特に好ましい電解質としてLiPFが挙げられる。なお、電解質の濃度は特に限定されないが、凡そ0.1〜5mol/L(例えば0.5〜3mol/L、典型的には0.8〜1.5mol/L)の濃度とすることができる。
なお、非水電解液二次電池がナトリウムイオン二次電池の場合は、NaPF等のNaを含む電解質(支持塩)を採用するとよい。
Examples of the electrolyte (that is, the supporting salt) include LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ). 3 , 1 type or 2 types or more of lithium compounds (lithium salt), such as LiI, can be used. LiPF 6 may be mentioned as particularly preferred electrolyte. The concentration of the electrolyte is not particularly limited, but can be about 0.1 to 5 mol / L (for example, 0.5 to 3 mol / L, typically 0.8 to 1.5 mol / L). .
When the non-aqueous electrolyte secondary battery is a sodium ion secondary battery, an electrolyte (supporting salt) containing Na such as NaPF 6 may be used.

また、非水電解液は、本発明の目的を実現し得る限りにおいて、必要に応じて任意の添加成分を含んでもよい。例えば、電池の出力性能の向上、保存性の向上(保存中における容量低下の抑制等)、サイクル特性の向上、初期充放電効率の向上等の目的で種々の添加剤を含有させることができる。かかる添加剤として、ガス発生剤、皮膜形成剤、分散剤、増粘剤等が挙げられる。そして、上述した各種の非水溶媒および電解質ならびに必要に応じて添加される各種の添加剤を混合することにより、目的とする組成の非水電解液を調製することができる。   In addition, the nonaqueous electrolytic solution may contain an optional additive component as necessary as long as the object of the present invention can be realized. For example, various additives can be incorporated for the purpose of improving the output performance of the battery, improving the storage stability (suppressing the capacity decrease during storage, etc.), improving the cycle characteristics, and improving the initial charge / discharge efficiency. Examples of such additives include gas generating agents, film forming agents, dispersing agents, thickeners and the like. And the non-aqueous electrolyte of the target composition can be prepared by mixing the various non-aqueous solvent and electrolyte mentioned above, and the various additives added as needed.

上述した各種の材料、部材を用いて図示されるようなリチウムイオン二次電池を製造する。かかる製造方法(即ち、リチウムイオン二次電池を構築する方法)自体は、従来から用いられている手法を適宜採用して行うことができ、本発明を特徴付けるものではないので、ここで詳細な説明は省略する。   A lithium ion secondary battery as illustrated is manufactured using the various materials and members described above. Such a manufacturing method (that is, a method of constructing a lithium ion secondary battery) itself can be carried out by appropriately adopting a conventionally used method and does not characterize the present invention. Is omitted.

ここで開示されるリチウムイオン二次電池は、各種用途に利用可能であるが、極低温域(特に−30℃以下、例えば−40℃〜−30℃)における電池性能に優れるため、かかる極低温域における車両駆動用電源等として好適に用いることができる。車両の種類は特に限定されないが、例えばプラグインハイブリッド自動車(PHV)、ハイブリッド自動車(HV)、電気自動車(EV)、電動アシスト自転車、電動車いす、電気鉄道等が挙げられる。車両に備えられるリチウムイオン二次電池は、通常、複数個が接続された組電池の形態で用いられることは従来と同様であり、組電池の構造等の図示は省略する。   Although the lithium ion secondary battery disclosed here can be used for various applications, it has excellent battery performance in an extremely low temperature range (particularly −30 ° C. or less, for example, −40 ° C. to −30 ° C.). It can be suitably used as a power source for driving a vehicle in the area. Although the kind of vehicle is not specifically limited, For example, a plug-in hybrid vehicle (PHV), a hybrid vehicle (HV), an electric vehicle (EV), an electrically assisted bicycle, an electric wheelchair, an electric railway etc. are mentioned. A lithium ion secondary battery provided in a vehicle is normally used in the form of a battery pack in which a plurality of battery packs are connected, and the structure of the battery pack is not shown.

以下、本発明に関するいくつかの試験例を説明するが、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, some test examples relating to the present invention will be described, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the specific examples.

<非水電解液の調製>
先ず、電解質としてLiPFを使用し、非水溶媒としてエチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、およびエチルプロピオネート(EP)を使用し、表1に示す配合比(容積比)で混合することによって計14種類のリチウムイオン二次電池用非水電解液(例1〜例14)を調製した。LiPFの濃度はいずれも1.1Mとした。各例の非水電解液の大気圧下における凝固点(℃)および引火点温度域(21℃以上は○、21℃未満は×で示す)は、表1の該当欄に示すとおりである。
<Preparation of non-aqueous electrolyte>
First, LiPF 6 is used as an electrolyte, and ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), and ethyl propionate (EP) are used as non-aqueous solvents. A total of 14 types of non-aqueous electrolytes for lithium ion secondary batteries (Examples 1 to 14) were prepared by mixing at a blending ratio (volume ratio) shown in Table 1. The concentration of LiPF 6 was 1.1M in all cases. The freezing point (° C.) and the flash point temperature range of the non-aqueous electrolyte of each example under atmospheric pressure (21 ° C. or higher is indicated by ◯, and less than 21 ° C. is indicated by ×) are as shown in the corresponding columns of Table 1.

Figure 2018116929
Figure 2018116929

表1に示すように、融点の低いEPあるいはEMCの配合比率を高めることにより、非水電解液全体の凝固点を下げることができる。しかしながら、引火点温度域が21℃未満となってしまい(例7、13、14)、安全性の観点から好ましくない配合といえる。
一方、PCおよびEPをともに10vol%配合した例1ならびにPCおよびEPをともに5vol%配合した例11では、引火点温度域を21℃未満に低下させることなく凝固点を−49℃(例1)または−44℃(例11)まで低下させることができ、望ましい配合であることがわかる。
また、詳細なデータは示していないが、0℃以下の低温域においても良好な粘度を示す低粘性の非水電解液として好適である。
As shown in Table 1, the freezing point of the entire non-aqueous electrolyte can be lowered by increasing the blending ratio of EP or EMC having a low melting point. However, the flash point temperature range is less than 21 ° C. (Examples 7, 13, and 14), which can be said to be an unfavorable blend from the viewpoint of safety.
On the other hand, in Example 1 where both PC and EP were blended at 10 vol% and Example 11 where both PC and EP were blended at 5 vol%, the freezing point was −49 ° C. (Example 1) or without lowering the flash point temperature range to less than 21 ° C. It can be lowered to −44 ° C. (Example 11), and it can be seen that this is a desirable blend.
Moreover, although detailed data are not shown, it is suitable as a low-viscosity non-aqueous electrolyte exhibiting good viscosity even in a low temperature range of 0 ° C. or lower.

<イオン伝導性の評価>
上記調製した例1〜14の非水電解液のイオン伝導度[mS/cm]を測定した。測定は、東洋システム製の密閉二電極セルを使用して、交流インピーダンス法により行った。供試する非水電解液は、ポリテトラフルオロエチレン製のスペーサによって一定の大きさおよび厚さに制御し、これを一対のステンレススチール電極で挟んだ。このセルに10mVの電圧を印加し、周波数を1MHzから10mVへと変化させたときに得られたCole−Coleプロットについて、等価回路を用いてカーブフィットすることによりバルク抵抗を求め、イオン伝導度を算出した。
測定温度は、−40℃、−30℃および25℃の3段階とし、各測定温度においてイオン伝導度を測定した。得られた結果を表2に示す。
<Ion conductivity evaluation>
The ionic conductivity [mS / cm] of the non-aqueous electrolytes of Examples 1 to 14 prepared above was measured. The measurement was performed by an AC impedance method using a sealed two-electrode cell manufactured by Toyo System. The non-aqueous electrolyte to be tested was controlled to a certain size and thickness by a polytetrafluoroethylene spacer, and was sandwiched between a pair of stainless steel electrodes. For the Cole-Cole plot obtained by applying a voltage of 10 mV to this cell and changing the frequency from 1 MHz to 10 mV, the bulk resistance is obtained by curve fitting using an equivalent circuit, and the ionic conductivity is determined. Calculated.
The measurement temperature was in three stages of −40 ° C., −30 ° C., and 25 ° C., and the ion conductivity was measured at each measurement temperature. The obtained results are shown in Table 2.

Figure 2018116929
Figure 2018116929

表2に示すように、PCおよびEPをそれぞれ10vol%の配合比率で含有する例1の非水電解液は、−30℃および−40℃におけるイオン伝導度が相対的に良好であった。同様に、PCおよびEPをそれぞれ5vol%の配合比率で含有する例11の非水電解液もまた−30℃および−40℃におけるイオン伝導度が相対的に良好であった。
これに対し、例3、例7および例13の非水電解液についても−30℃および−40℃におけるイオン伝導度が良好であるが、例3については、凝固点が例1と比較して相対的に高めであり、極低温域(例えば−40℃〜−30℃)の使用において良好とはいえず、例7および例13については上述のとおり、引火点温度域が21℃未満であるため好ましくない。
As shown in Table 2, the nonaqueous electrolytic solution of Example 1 containing PC and EP at a mixing ratio of 10 vol% each had relatively good ionic conductivity at −30 ° C. and −40 ° C. Similarly, the non-aqueous electrolyte of Example 11 containing PC and EP at a mixing ratio of 5 vol% each also had relatively good ionic conductivity at −30 ° C. and −40 ° C.
In contrast, the non-aqueous electrolytes of Example 3, Example 7 and Example 13 also have good ionic conductivity at −30 ° C. and −40 ° C., but in Example 3, the freezing point is relative to that of Example 1. Since it is not so good in use in a cryogenic temperature range (for example, −40 ° C. to −30 ° C.), and for Example 7 and Example 13, the flash point temperature range is less than 21 ° C. as described above. It is not preferable.

<リチウムイオン二次電池の構築>
正極活物質粉末として、LiNi1/3Co1/3Mn1/3(LNCM)を用意した。かかるLNCM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、LNCM:AB:PVdF=94:3.5:2.5の質量比となるように混練機に投入し、N−メチルピロリドン(NMP)で粘度を調整しながら混練して、正極活物質層形成用スラリーを調製した。このスラリーを、厚み12μmのアルミニウム箔(正極集電体)の両面に塗布し、乾燥後にプレスすることによって、正極集電体上に、密度が約2.9g/cmである正極活物質層を有する正極シートを作製した。
<Construction of lithium ion secondary battery>
LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (LNCM) was prepared as a positive electrode active material powder. Such LNCM, acetylene black (AB) as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder are kneaded so as to have a mass ratio of LNCM: AB: PVdF = 94: 3.5: 2.5. The slurry was put into a machine and kneaded while adjusting the viscosity with N-methylpyrrolidone (NMP) to prepare a positive electrode active material layer forming slurry. A positive electrode active material layer having a density of about 2.9 g / cm 3 is formed on the positive electrode current collector by applying the slurry to both surfaces of an aluminum foil (positive electrode current collector) having a thickness of 12 μm and pressing the slurry after drying. The positive electrode sheet which has this was produced.

負極活物質粉末として非晶質炭素で表面がコートされた球形化天然黒鉛(C)を用意した。かかる黒鉛(C)と、バインダとしてのスタジエンブタジエンゴム(SBR)と、増粘剤としてのCMCとを、C:SBR:CMC=99:0.5:0.5の質量比となるように混練機に投入し、イオン交換水で粘度を調整しながら混練して、負極活物質層形成用スラリーを調製した。このスラリーを、厚み8μmの銅箔(負極集電体)の両面に塗布し、乾燥後にプレスすることによって、負極集電体上に、密度が約1.4g/cmである負極活物質層を有する負極シートを作製した。 Spherical natural graphite (C) whose surface was coated with amorphous carbon was prepared as a negative electrode active material powder. The graphite (C), the stadiene butadiene rubber (SBR) as the binder, and the CMC as the thickener are set to a mass ratio of C: SBR: CMC = 99: 0.5: 0.5. The slurry was put into a kneader and kneaded while adjusting the viscosity with ion exchange water to prepare a negative electrode active material layer forming slurry. A negative electrode active material layer having a density of about 1.4 g / cm 3 is formed on the negative electrode current collector by applying the slurry to both surfaces of a copper foil (negative electrode current collector) having a thickness of 8 μm and pressing the slurry after drying. The negative electrode sheet which has this was produced.

上記で作製した正極シートと負極シートとを、ポリエチレン(PE)およびポリプロピレン(PP)からなる3層構造(PP/PE/PP)で厚み20μmのセパレータシート2枚とともに捲回し、扁平形状に成形して電極体を作製した。
次に、アルミニウム製の電池ケース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、アルミニウム製の電池ケース本体の開口部からその内部に収容し、開口部と蓋体を溶接した。
そして、上記蓋体に設けられた電解液注入孔から、表1に示す例1〜例14のうちの何れかの非水電解液を注入し、当該電解液注入孔を気密に封止した。このようにして、例1〜例14の非水電解液それぞれに対応する例1〜例14の電池組立体を構築した。
The positive electrode sheet and the negative electrode sheet prepared above are wound together with two separator sheets having a thickness of 3 μm (PP / PE / PP) made of polyethylene (PE) and polypropylene (PP), and formed into a flat shape. Thus, an electrode body was produced.
Next, the positive electrode terminal and the negative electrode terminal were attached to the battery case lid made of aluminum, 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 inside of the aluminum battery case body through the opening, and the opening and the lid were welded.
And from the electrolyte solution injection hole provided in the said cover body, the nonaqueous electrolyte solution in any one of Example 1- Example 14 shown in Table 1 was inject | poured, and the said electrolyte solution injection hole was sealed airtightly. Thus, the battery assemblies of Examples 1 to 14 corresponding to the non-aqueous electrolytes of Examples 1 to 14 were constructed.

上記作製した例1〜例14に係る電池組立体に対して、コンディショニング処理として、25℃の温度環境下において、1/3C(1Cは1時間で満充放電可能な電流値)のレートで3時間の定電流(CC)充電を行い、次いで、1/3Cのレートで4.1Vまで充電する操作と、1/3Cのレートで3.0Vまで放電させる操作とを3回繰り返した。
そして、エージング処理として、上記充電処理後の各電池を60℃の温度環境下(典型的には60℃に調温した恒温槽内)に24時間放置した。このようにして、例1〜例14に係る評価試験用リチウムイオン二次電池を構築した。
For the battery assemblies according to Examples 1 to 14, the conditioning process was performed at a rate of 1/3 C (1 C is a current value that can be fully charged and discharged in 1 hour) under a temperature environment of 25 ° C. A constant current (CC) charge of time was performed, and then an operation of charging to 4.1 V at a rate of 1/3 C and an operation of discharging to 3.0 V at a rate of 1/3 C were repeated three times.
And as an aging process, each battery after the said charge process was left to stand for 24 hours in a 60 degreeC temperature environment (typically in the thermostat adjusted to 60 degreeC). In this way, lithium ion secondary batteries for evaluation tests according to Examples 1 to 14 were constructed.

<初期電池容量の測定>
例1〜例14に係る評価試験用リチウムイオン二次電池について、上記コンディショニング処理後、25℃の温度環境下において、3.0Vから4.1Vの電圧範囲で、以下の手順1〜3に従って初期容量を測定した。
(手順1)1/3Cの定電流放電によって3.0Vに到達後、定電圧放電にて2時間放電し、その後、10分間休止する。
(手順2)1/3Cの定電流充電によって4.1Vに到達後、電流が1/100Cとなるまで定電圧充電し、その後、10分間休止する。
(手順3)1/3Cの定電流放電によって、3.0Vに到達後、電流が1/100Cとなるまで定電圧放電し、その後、10分間停止する。
そして、手順3における定電流放電から定電圧放電に至る放電における放電容量(CCCV放電容量)を初期電池容量とした。
<Measurement of initial battery capacity>
For the lithium ion secondary batteries for evaluation tests according to Examples 1 to 14, after the conditioning treatment, in the temperature environment of 25 ° C., in the voltage range of 3.0 V to 4.1 V, the initial steps were performed according to the following procedures 1 to 3. The capacity was measured.
(Procedure 1) After reaching 3.0 V by 1/3 C constant current discharge, discharge by constant voltage discharge for 2 hours and then rest for 10 minutes.
(Procedure 2) After reaching 4.1 V by 1/3 C constant current charging, constant voltage charging is performed until the current reaches 1/100 C, and then resting for 10 minutes.
(Procedure 3) After reaching 3.0 V by 1/3 C constant current discharge, constant voltage discharge is performed until the current becomes 1/100 C, and then stopped for 10 minutes.
And the discharge capacity (CCCV discharge capacity) in the discharge from the constant current discharge in the procedure 3 to the constant voltage discharge was made into the initial stage battery capacity.

<IV抵抗の測定>
例1〜例14に係るリチウムイオン二次電池のIV抵抗(反応抵抗)を測定した。即ち、各電池を3.0Vから1Cの定電流で充電し、SOC(State of Charge)60%の充電状態に調整した後、−40℃、−30℃又は25℃の温度環境下において、10C(ハイレート放電)で2秒間の定電流(CC)放電を行い、このときの電流(I)−電圧(V)プロット値の一次近似直線の傾きからIV抵抗(mΩ)を求めた。結果を表3に示す。
<Measurement of IV resistance>
The IV resistance (reaction resistance) of the lithium ion secondary batteries according to Examples 1 to 14 was measured. That is, each battery is charged at a constant current of 3.0V to 1C, adjusted to a SOC (State of Charge) 60% charge state, and then at a temperature environment of −40 ° C., −30 ° C., or 25 ° C. A constant current (CC) discharge was performed for 2 seconds at (high rate discharge), and the IV resistance (mΩ) was determined from the slope of the linear approximation line of the current (I) -voltage (V) plot value at this time. The results are shown in Table 3.

<保存特性の評価>
上記初期容量を測定した例1〜例14に係るリチウムイオン二次電池について、CCCV方式でSOCが80%の充電状態に調整した。次いで、各電池を60℃の恒温槽中に120日間保存した後、上記初期電池容量の測定と同様の手法により、各電池の上記保存後の電池容量(保存後電池容量)を測定した。ここで、(保存後電池容量/初期電池容量)×100の式から120日保存後の容量維持率(%)を求め、これを各電池の保存特性の指標として表3に示す。
<Evaluation of storage characteristics>
About the lithium ion secondary battery which concerns on Examples 1-14 which measured the said initial stage capacity | capacitance, it adjusted to the charge state of SOC 80% by the CCCV system. Next, after each battery was stored in a constant temperature bath at 60 ° C. for 120 days, the battery capacity after storage (battery capacity after storage) of each battery was measured by the same method as the measurement of the initial battery capacity. Here, the capacity retention rate (%) after 120 days storage was determined from the formula of (battery capacity after storage / initial battery capacity) × 100, and this is shown in Table 3 as an index of storage characteristics of each battery.

<サイクル特性の評価>
例1〜例14に係るリチウムイオン二次電池について、さらに、サイクル容量維持率(サイクル特性)を測定した。具体的には、25℃の温度環境下において上記初期電池容量を測定した後、2CのCCサイクル充放電を1000サイクル繰り返し、1000サイクル後の放電容量を測定した。ここで、1000サイクル後の(放電電池容量/初期電池容量)×100の式から当該サイクル試験後の容量維持率(%)を求め、これを各電池のサイクル特性の指標として表3に示す。
<Evaluation of cycle characteristics>
For the lithium ion secondary batteries according to Examples 1 to 14, the cycle capacity retention rate (cycle characteristics) was further measured. Specifically, after measuring the initial battery capacity in a temperature environment of 25 ° C., 2C CC cycle charge / discharge was repeated 1000 cycles, and the discharge capacity after 1000 cycles was measured. Here, the capacity retention rate (%) after the cycle test is obtained from the formula of (discharge battery capacity / initial battery capacity) after 100 cycles × 100, and this is shown in Table 3 as an index of the cycle characteristics of each battery.

Figure 2018116929
Figure 2018116929

表3に示すように、PCおよびEPをそれぞれ10vol%の配合比率で含有する例1の非水電解液を備えるリチウムイオン二次電池ならびにPCおよびEPをそれぞれ5vol%の配合比率で含有する例11の非水電解液を備えるリチウムイオン二次電池では、−30℃および−40℃におけるIV抵抗値が相対的に低く良好であった。また、60℃保存特性およびサイクル特性も比較的良好であり、極低温域における電池性能、ならびに耐久性を両立し得る非水電解液二次電池であるといえる。
一方、例3、例7、例9または例12の非水電解液を備える各リチウムイオン二次電池についても−30℃および−40℃におけるIV抵抗値が相対的に低く良好であった。しかし、例3および例12については、上述のとおり、凝固点が例1や例11と比較して相対的に高めであり極低温域の使用において良好とはいえない。また、例7については、上述のとおり、引火点温度域が21℃未満であるため好ましくなく、例9については、凝固点が例1と比較して相対的に高めであることに加えて耐久特性も低く、例1の非水電解液を備えるリチウムイオン二次電池と比べて良好とはいえない。なお、環状カーボネート系溶媒としてPCのみを含む例5については、黒鉛表層の剥離を発生させるとともに充放電が困難であり、使用不可であった。
As shown in Table 3, the lithium ion secondary battery provided with the non-aqueous electrolyte of Example 1 containing PC and EP at a mixing ratio of 10 vol%, respectively, and Example 11 containing PC and EP at a mixing ratio of 5 vol%, respectively In the lithium ion secondary battery including the nonaqueous electrolyte solution, the IV resistance values at −30 ° C. and −40 ° C. were relatively low and good. Moreover, it can be said that it is a non-aqueous electrolyte secondary battery that has relatively good 60 ° C. storage characteristics and cycle characteristics, and can achieve both battery performance and durability in a cryogenic temperature range.
On the other hand, the IV resistance values at −30 ° C. and −40 ° C. were relatively low and good for the lithium ion secondary batteries including the non-aqueous electrolyte of Example 3, Example 7, Example 9 or Example 12. However, in Examples 3 and 12, as described above, the freezing point is relatively higher than those in Examples 1 and 11, and it cannot be said that it is good in use in the cryogenic temperature region. In addition, as described above, Example 7 is not preferable because the flash point temperature range is less than 21 ° C. As for Example 9, in addition to the fact that the freezing point is relatively high compared to Example 1, durability characteristics are also provided. It is not good compared with the lithium ion secondary battery provided with the nonaqueous electrolyte solution of Example 1. In Example 5 containing only PC as the cyclic carbonate solvent, peeling of the graphite surface layer was caused and charging / discharging was difficult, and it was not usable.

20 捲回電極体
30 電池ケース
32 電池ケース本体
34 蓋体
36 安全弁
42 正極端子
42a 正極集電板
44 負極端子
44a 負極集電板
50 正極(正極シート)
52 正極集電体
52a 正極活物質層非形成部
54 正極活物質層
60 負極(負極シート)
62 負極集電体
62a 負極活物質層非形成部
64 負極活物質層
70 セパレータ
100 リチウムイオン二次電池
20 Winding electrode body 30 Battery case 32 Battery case main body 34 Cover body 36 Safety valve 42 Positive electrode terminal 42a Positive electrode current collector plate 44 Negative electrode terminal 44a Negative electrode current collector plate 50 Positive electrode (positive electrode sheet)
52 Positive Current Collector 52a Positive Electrode Active Material Layer Non-Forming Portion 54 Positive Electrode Active Material Layer 60 Negative Electrode (Negative Electrode Sheet)
62 Negative electrode current collector 62a Negative electrode active material layer non-forming portion 64 Negative electrode active material layer 70 Separator 100 Lithium ion secondary battery

Claims (4)

非水溶媒と電解質とを含む非水電解液を備えた非水電解液二次電池であって、
前記非水溶媒は、
環状カーボネート系溶媒として少なくともエチレンカーボネート(EC)およびプロピレンカーボネート(PC)を含み、
鎖状カーボネート系溶媒として少なくともジメチルカーボネート(DMC)およびエチルメチルカーボネート(EMC)を含み、
さらにエステル系溶媒として少なくともエチルプロピオネート(EP)を含み、
ここで前記非水溶媒全体を100vol%としたときのそれぞれの含有率が
EC 20〜30vol%;
PC 5〜10vol% ;
EP 5〜10vol% ;
DMC+EMC 50〜70vol%;
である、非水電解液二次電池。
A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a non-aqueous electrolyte containing a non-aqueous solvent and an electrolyte,
The non-aqueous solvent is
Including at least ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC) as the cyclic carbonate solvent,
Including at least dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC) as a chain carbonate solvent,
Further, at least ethyl propionate (EP) as an ester solvent,
Here, the content when each of the non-aqueous solvent is 100 vol% is EC 20-30 vol%;
PC 5-10 vol%;
EP 5-10 vol%;
DMC + EMC 50-70 vol%;
A non-aqueous electrolyte secondary battery.
前記ジメチルカーボネート(DMC)の含有率および前記エチルメチルカーボネート(EMC)の含有率は、いずれも25〜35vol%である、請求項1に記載の非水電解液二次電池。   2. The nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein a content ratio of the dimethyl carbonate (DMC) and a content ratio of the ethyl methyl carbonate (EMC) are both 25 to 35 vol%. 前記非水電解液の凝固点が−40℃未満である、請求項1または2に記載の非水電解液二次電池。   The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the non-aqueous electrolyte has a freezing point of less than -40 ° C. 前記非水電解液の−40℃におけるイオン伝導度(mS/cm)が1.0以上である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の非水電解液二次電池。   The nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein an ionic conductivity (mS / cm) at -40 ° C of the nonaqueous electrolyte is 1.0 or more.
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