JP2018120824A - Positive electrode material - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a positive electrode material which can suppress the capacity deterioration of a secondary battery.SOLUTION: A positive electrode material herein disclosed comprises: a positive electrode active material; and a fluorine resin coating the positive electrode active material. The coverage of the fluorine resin to the positive electrode active material is 96% or more. The fluorine resin is a polytetrafluoroethylene, a tetrafluoroethylene-perfluoro alkyl vinyl ether copolymer, or a polyvinylidene fluoride. If the fluorine resin is the polytetrafluoroethylene, its coating thickness is 0.009 μm or more and 0.199 μm or less. If the fluorine resin is the tetrafluoroethylene-perfluoro alkyl vinyl ether copolymer, the coating thickness is 0.011 μm or more and 0.165 μm or less. If the fluorine resin is the polyvinylidene fluoride, the coating thickness is 0.01 μm or more and 0.098 μm or less.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、正極材料に関する。   The present invention relates to a positive electrode material.

リチウムイオン二次電池などの二次電池は、既存の電池に比べて軽量かつエネルギー密度が高いことから、近年、パソコンや携帯端末等のいわゆるポータブル電源や車両駆動用電源として用いられている。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(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)等の車両の駆動用高出力電源として今後ますます普及していくことが期待されている。   Secondary batteries such as lithium ion secondary batteries are lighter and have higher energy density than existing batteries, and have recently been used as so-called portable power sources for vehicles and personal computers and power sources for driving vehicles. In particular, lithium-ion secondary batteries that are lightweight and provide high energy density will become increasingly popular as high-output power sources for driving vehicles such as electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HV), and plug-in hybrid vehicles (PHV). It is expected to do.

二次電池、特にリチウムイオン二次電池は、その普及に伴いさらなる長寿命化(すなわち、長期にわたって容量劣化が抑制されていること)が望まれている。そのため、二次電池の長寿命化を図るための様々な技術が開発されている。例えば、特許文献1では、非水電解質二次電池において、セパレータに対向する正極板の表面に、正極板からの炭酸ガスの発生を抑制する含フッ素系樹脂層を設ける技術が提案されている。特許文献1に記載の技術によれば、高温下で長時間保存した場合や高温下で充放電サイクルを繰り返した場合の炭酸ガスの発生を抑制することができ、これにより非水電解液二次電池の容量劣化を抑制することができる。   Secondary batteries, in particular lithium ion secondary batteries, are expected to have a longer life (that is, capacity degradation is suppressed over a long period of time) as they become popular. For this reason, various techniques for extending the life of secondary batteries have been developed. For example, Patent Document 1 proposes a technique in which in a nonaqueous electrolyte secondary battery, a fluorine-containing resin layer that suppresses the generation of carbon dioxide from the positive electrode plate is provided on the surface of the positive electrode plate facing the separator. According to the technique described in Patent Document 1, it is possible to suppress the generation of carbon dioxide gas when stored for a long time at a high temperature or when a charge / discharge cycle is repeated at a high temperature. Battery capacity deterioration can be suppressed.

特開2008−218268号公報JP 2008-218268 A

しかしながら、非水電解液二次電池の容量劣化は、正極活物質と非水電解液とが酸化反応して非水電解液が分解することによっても起こり得るものである。本発明者らの検討によれば、特許文献1に記載の技術によれば、正極板の正極活物質層の表面では含フッ素系樹脂層の存在によって正極活物質と非水電解液との接触が妨げられて、これらの間で起こる酸化反応をある程度抑制することができるものの、正極活物質層の内部では正極活物質と非水電解液とが接触して、これらが酸化反応し得ることを見出した。すなわち、正極活物質と非水電解液との酸化反応による非水電解液の分解によって引き起こされる電池容量の低下を十分に抑制できていないことを見出した。   However, the capacity deterioration of the non-aqueous electrolyte secondary battery can also occur when the positive electrode active material and the non-aqueous electrolyte are oxidized to decompose the non-aqueous electrolyte. According to the study by the present inventors, according to the technique described in Patent Document 1, contact between the positive electrode active material and the non-aqueous electrolyte solution is caused by the presence of the fluorine-containing resin layer on the surface of the positive electrode active material layer of the positive electrode plate. Although the oxidation reaction occurring between them can be suppressed to some extent, the positive electrode active material and the non-aqueous electrolyte are in contact with each other inside the positive electrode active material layer, so that they can undergo an oxidation reaction. I found it. That is, it has been found that the decrease in battery capacity caused by the decomposition of the non-aqueous electrolyte due to the oxidation reaction between the positive electrode active material and the non-aqueous electrolyte cannot be sufficiently suppressed.

そこで本発明は、二次電池の容量劣化を抑制することができる正極材料を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the positive electrode material which can suppress the capacity deterioration of a secondary battery.

ここに開示される正極材料は、正極活物質と、前記正極活物質を被覆するフッ素樹脂とを含む。前記正極活物質に対する前記フッ素樹脂の被覆率は96%以上である。前記フッ素樹脂は、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、またはポリフッ化ビニリデンである。前記フッ素樹脂がポリテトラフルオロエチレンである場合には、その被覆厚さが0.009μm以上0.199μm以下であり、前記フッ素樹脂がテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体である場合には、その被覆厚さが0.011μm以上0.165μm以下であり、前記フッ素樹脂がポリフッ化ビニリデンである場合には、その被覆厚さが0.01μm以上0.098μm以下である。
このような構成によれば、二次電池において、正極活物質と非水電解液の直接接触を効果的に抑制することができ、これにより正極活物質と非水電解液との間の酸化反応を抑制することができる。その結果、二次電池の容量劣化を抑制することができる。すなわち、このような構成によれば、二次電池の容量劣化を抑制することができる正極材料を提供することができる。
The positive electrode material disclosed herein includes a positive electrode active material and a fluororesin that covers the positive electrode active material. The coverage of the fluororesin with respect to the positive electrode active material is 96% or more. The fluororesin is polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, or polyvinylidene fluoride. When the fluororesin is polytetrafluoroethylene, the coating thickness is 0.009 μm or more and 0.199 μm or less, and when the fluororesin is a tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer The coating thickness is 0.011 μm or more and 0.165 μm or less, and when the fluororesin is polyvinylidene fluoride, the coating thickness is 0.01 μm or more and 0.098 μm or less.
According to such a configuration, in the secondary battery, direct contact between the positive electrode active material and the non-aqueous electrolyte can be effectively suppressed, and thereby the oxidation reaction between the positive electrode active material and the non-aqueous electrolyte. Can be suppressed. As a result, the capacity deterioration of the secondary battery can be suppressed. That is, according to such a configuration, it is possible to provide a positive electrode material that can suppress the capacity deterioration of the secondary battery.

本発明の一実施形態に係る正極材料を用いて構築されるリチウムイオン二次電池の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the lithium ion secondary battery constructed | assembled using the positive electrode material which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る正極材料を用いて構築されるリチウムイオン二次電池の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 winding electrode body of the lithium ion secondary battery constructed | assembled using the positive electrode material which concerns on one Embodiment of this invention.

以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、本発明を特徴付けない正極材料の一般的な構成)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。   Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that matters other than the matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention (for example, a general configuration of a positive electrode material that does not characterize the present invention) are known in the art. It can be grasped as a design matter of those skilled in the art based on the above. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field. Moreover, in the following drawings, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated to the member and site | part which show | plays the same effect | action. In addition, the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each drawing do not reflect actual dimensional relationships.

本実施形態に係る正極材料は、正極活物質と、正極活物質を被覆するフッ素樹脂とを含む。
正極材料に用いられる正極活物質には、二次電池、特にリチウムイオン二次電池に用いられる正極活物質を好適に用いることができる。リチウムイオン二次電池に用いられる正極活物質の例としては、スピネル系リチウムニッケルマンガン複合酸化物、層状リチウム複合酸化物等が挙げられる。正極上限電位が高い方が非水電解液の分解を抑制して二次電池の容量劣化を抑制する効果がより高くなることから、正極活物質として好ましくは、スピネル系リチウムニッケルマンガン複合酸化物である。スピネル系リチウムニッケルマンガン複合酸化物とは、スピネル型結晶構造を有し、構成元素として、リチウム、ニッケル、マンガン、および酸素を少なくとも含有する酸化物のことをいう。スピネル系リチウムニッケルマンガン複合酸化物は、典型的には、LiNiMn(式中、1≦a≦1.3、0.40≦b≦0.56、1.44≦c≦1.60)で表されるスピネル系複合酸化物であり、当該スピネル系複合酸化物において、Ni、Mn、およびOの一部が他の元素で置換されていてもよい。スピネル系リチウムニッケルマンガン複合酸化物として好ましくは、LiNi0.5Mn1.5で表されるスピネル系複合酸化物である。
The positive electrode material according to the present embodiment includes a positive electrode active material and a fluororesin that covers the positive electrode active material.
As the positive electrode active material used for the positive electrode material, a positive electrode active material used for a secondary battery, particularly a lithium ion secondary battery, can be suitably used. Examples of the positive electrode active material used for the lithium ion secondary battery include spinel lithium nickel manganese composite oxide, layered lithium composite oxide, and the like. The higher the positive electrode upper limit potential is, the higher the effect of suppressing the degradation of the non-aqueous electrolyte and suppressing the capacity deterioration of the secondary battery. is there. The spinel-based lithium nickel manganese composite oxide refers to an oxide having a spinel crystal structure and containing at least lithium, nickel, manganese, and oxygen as constituent elements. The spinel-based lithium nickel manganese composite oxide is typically Li a Ni b Mn c O 4 (wherein 1 ≦ a ≦ 1.3, 0.40 ≦ b ≦ 0.56, 1.44 ≦ c ≦ 1.60), and in the spinel composite oxide, a part of Ni, Mn, and O may be substituted with other elements. The spinel-based lithium nickel manganese composite oxide is preferably a spinel-based composite oxide represented by LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 .

正極材料に用いられるフッ素樹脂は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、またはポリフッ化ビニリデン(PVDF)である。
本実施形態において、正極活物質に対するフッ素樹脂の被覆率は96%以上である。フッ素樹脂は撥液性を有し、リチウムイオン二次電池に用いられる非水電解液に対しても大きな接触角を示す。すなわち、フッ素樹脂は、撥電解液性を有する。このような撥電解液性を有するフッ素樹脂が正極活物質の96%以上を被覆することにより、正極活物質と非水電解液の直接接触を抑制することができ、これにより正極活物質と非水電解液との間の酸化反応を抑制することができる。その結果、二次電池の容量劣化を抑制することができる。なお、正極活物質に対するフッ素樹脂の被覆率は、X線光電子分光分析法(XPS)による元素分析により、求めることができる。分析の際には、フッ素樹脂に含まれるフッ素と、正極活物質に含まれる金属元素とを利用するとよい。例えば、正極活物質がLiNi0.5Mn1.5であった場合には、正極活物質由来のMnおよびNiとフッ素樹脂由来のFとの検出比から、被覆率(%)=「F」/(「F」+「Mn」+「Ni」)×100として算出することができる。
The fluororesin used for the positive electrode material is polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), or polyvinylidene fluoride (PVDF).
In this embodiment, the coverage of the fluororesin with respect to the positive electrode active material is 96% or more. The fluororesin has liquid repellency and exhibits a large contact angle with respect to a non-aqueous electrolyte used in a lithium ion secondary battery. That is, the fluororesin has an electrolyte repellent property. By coating 96% or more of the positive electrode active material with such a fluororesin having an electrolyte repellent property, direct contact between the positive electrode active material and the non-aqueous electrolyte can be suppressed, and thus the positive electrode active material and the non-aqueous electrolyte can be prevented from contacting each other. Oxidation reaction with the water electrolyte can be suppressed. As a result, the capacity deterioration of the secondary battery can be suppressed. In addition, the coverage of the fluororesin with respect to a positive electrode active material can be calculated | required by the elemental analysis by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). In the analysis, it is preferable to use fluorine contained in the fluororesin and a metal element contained in the positive electrode active material. For example, when the positive electrode active material is LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , from the detection ratio of Mn and Ni derived from the positive electrode active material and F derived from the fluororesin, the coverage ratio (%) = “ F ”/ (“ F ”+“ Mn ”+“ Ni ”) × 100.

フッ素樹脂がポリテトラフルオロエチレンである場合には、その被覆厚さが0.009μm以上0.199μm以下である。この場合、被覆厚さは好ましくは、0.009μm以上0.151μm以下である。
フッ素樹脂がテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体である場合には、その被覆厚さが0.011μm以上0.165μm以下である。この場合、被覆厚さは好ましくは、0.025μm以上0.11μm以下である。
フッ素樹脂がポリフッ化ビニリデンである場合には、その被覆厚さが0.01μm以上0.098μm以下である。この場合、被覆厚さは好ましくは、0.01μm以上0.057μm以下である。
いずれの場合においても、被覆厚さが小さ過ぎると、フッ素樹脂による撥電解液性を十分に発揮することができず、正極活物質と非水電解液との間の酸化反応を十分に抑制することができない。なお、このような被覆厚さでは、例えば、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)との体積比50:50の混合溶媒に1mol/Lの濃度でLiPFを溶解させた非水電解液について、2/θ法で測定する接触角が39°以上となる。一方、被覆厚さが大き過ぎると、電荷担体となるイオン(特にリチウムイオン)を正極活物質に脱挿入することが困難になり、電池特性が悪化する。したがって、フッ素樹脂の被覆厚さが上記範囲内にあることにより、正極活物質と非水電解液の直接接触を効果的に抑制することができ、これにより正極活物質と非水電解液との間の酸化反応を効果的に抑制することができる。その結果、二次電池の容量劣化を効果的に抑制することができる。
なお、本明細書において、「フッ素樹脂の被覆厚さ」とは、正極材料を深さ方向にXPS測定した場合に、フッ素樹脂のフッ素(F)の元素比が、最表面に対して50%になる深さ(深さ方向の寸法)のことをいう。
When the fluororesin is polytetrafluoroethylene, the coating thickness is 0.009 μm or more and 0.199 μm or less. In this case, the coating thickness is preferably 0.009 μm or more and 0.151 μm or less.
When the fluororesin is a tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, the coating thickness is 0.011 μm or more and 0.165 μm or less. In this case, the coating thickness is preferably 0.025 μm or more and 0.11 μm or less.
When the fluororesin is polyvinylidene fluoride, the coating thickness is 0.01 μm or more and 0.098 μm or less. In this case, the coating thickness is preferably 0.01 μm or more and 0.057 μm or less.
In any case, if the coating thickness is too small, the electrolyte resin repellency due to the fluororesin cannot be sufficiently exhibited, and the oxidation reaction between the positive electrode active material and the non-aqueous electrolyte is sufficiently suppressed. I can't. In such a coating thickness, for example, a nonaqueous electrolytic solution in which LiPF 6 is dissolved at a concentration of 1 mol / L in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) in a volume ratio of 50:50. The contact angle measured by the 2 / θ method is 39 ° or more. On the other hand, if the coating thickness is too large, it becomes difficult to insert and remove ions (particularly lithium ions) serving as charge carriers into the positive electrode active material, and battery characteristics deteriorate. Therefore, when the coating thickness of the fluororesin is within the above range, direct contact between the positive electrode active material and the non-aqueous electrolyte can be effectively suppressed. In the meantime, the oxidation reaction can be effectively suppressed. As a result, the capacity deterioration of the secondary battery can be effectively suppressed.
In this specification, “the coating thickness of the fluororesin” means that when the positive electrode material is subjected to XPS measurement in the depth direction, the fluorine (F) element ratio of the fluororesin is 50% with respect to the outermost surface. The depth (dimension in the depth direction).

正極材料は、フッ素樹脂の粉末を分散媒中に分散させた分散液に正極活物質を浸漬して正極活物質表面にフッ素樹脂の粉末を付着させ、フッ素樹脂の融点(ポリテトラフルオロエチレン:327℃、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体:310℃、ポリフッ化ビニリデン:177℃)よりもやや低い温度で熱処理することにより、作製することができる。なお、フッ素樹脂の被膜厚さは、分散液中のフッ素樹脂の粉末の分散量を調整するなどして正極活物質表面に付着させるフッ素樹脂の粉末の量を調節することによって、制御することができる。   The positive electrode material is prepared by immersing a positive electrode active material in a dispersion in which a fluororesin powder is dispersed in a dispersion medium to adhere the fluororesin powder to the surface of the positive electrode active material, and melting the fluororesin (polytetrafluoroethylene: 327 And tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer: 310 ° C., polyvinylidene fluoride: 177 ° C.). The film thickness of the fluororesin can be controlled by adjusting the amount of the fluororesin powder adhered to the surface of the positive electrode active material, for example, by adjusting the dispersion amount of the fluororesin powder in the dispersion. it can.

本実施形態の正極材料は、二次電池の正極材料として好適に用いることができる。
そこで、以下、本実施形態に係る正極材料を用いた二次電池(非水電解液二次電池)の具体例としてのリチウムイオン二次電池100の構成を、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、いわゆる蓄電池ならびに電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。
本明細書において「リチウムイオン二次電池」とは、電荷担体としてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。
The positive electrode material of this embodiment can be used suitably as a positive electrode material of a secondary battery.
Therefore, the configuration of a lithium ion secondary battery 100 as a specific example of a secondary battery (nonaqueous electrolyte secondary battery) using the positive electrode material according to the present embodiment will be described below with reference to the drawings. In the present specification, the “secondary battery” refers to a general power storage device that can be repeatedly charged and discharged, and is a term including a power storage element such as a so-called storage battery and an electric double layer capacitor.
In the present specification, the “lithium ion secondary battery” refers to a secondary battery that uses lithium ions as a charge carrier and is charged and discharged by movement of charges accompanying the lithium ions between the positive and negative electrodes.

図1に示すリチウムイオン二次電池100は、扁平形状の捲回電極体20と非水電解質(図示せず)とが扁平な角形の電池ケース(即ち外装容器)30に収容されることにより構築される密閉型のリチウムイオン二次電池100である。電池ケース30には、外部接続用の正極端子42および負極端子44と、電池ケース30の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように設定された薄肉の安全弁36とが設けられている。正負極端子42,44はそれぞれ正負極集電板42a,44aと電気的に接続されている。電池ケース30の材質には、例えば、アルミニウム等の軽量で熱伝導性の良い金属材料が用いられる。   A lithium ion secondary battery 100 shown in FIG. 1 is constructed by accommodating a flat wound electrode body 20 and a nonaqueous electrolyte (not shown) in a flat rectangular battery case (ie, an outer container) 30. This is a sealed lithium ion secondary battery 100. The battery case 30 is provided with a positive terminal 42 and a negative terminal 44 for external connection, and a thin safety valve 36 set to release the internal pressure when the internal pressure of the battery case 30 rises to a predetermined level or more. It has been. The positive and negative terminals 42 and 44 are electrically connected to the positive and negative current collectors 42a and 44a, respectively. As the material of the battery case 30, for example, a light metal material having good thermal conductivity such as aluminum is used.

捲回電極体20は、図1および図2に示すように、長尺状の正極集電体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とが、2枚の長尺状のセパレータシート70を介して重ね合わされて長手方向に捲回されている。なお、捲回電極体20の捲回軸方向(上記長手方向に直交するシート幅方向をいう。)の両端から外方にはみ出すように形成された正極活物質層非形成部分52a(即ち、正極活物質層54が形成されずに正極集電体52が露出した部分)と負極活物質層非形成部分62a(即ち、負極活物質層64が形成されずに負極集電体62が露出した部分)には、それぞれ正極集電板42aおよび負極集電板44aが接合されている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the wound electrode body 20 has a positive electrode active material layer 54 formed along the longitudinal direction on one side or both sides (here, both sides) of an elongated positive electrode current collector 52. The positive electrode sheet 50 and the negative electrode sheet 60 in which the negative electrode active material layer 64 is formed along the longitudinal direction on one side or both sides (here, both sides) of the long negative electrode current collector 62 are two long shapes. The separator sheet 70 is overlapped and wound in the longitudinal direction. The positive electrode active material layer non-forming portion 52a (that is, the positive electrode) formed so as to protrude outward from both ends in the winding axis direction of the wound electrode body 20 (referred to as the sheet width direction orthogonal to the longitudinal direction). The portion where the active material layer 54 is not formed and the positive electrode current collector 52 is exposed) and the negative electrode active material layer non-formed portion 62a (that is, the portion where the negative electrode active material layer 64 is not formed and the negative electrode current collector 62 is exposed). ) Are joined with a positive current collector 42a and a negative current collector 44a, respectively.

正極シート50を構成する正極集電体52としては、例えばアルミニウム箔等が挙げられる。正極活物質層54は、正極活物質を含む材料である上述の本実施形態に係る正極材料を含む。また正極活物質層54は、導電材、バインダ等をさらに含み得る。導電材としては、例えばアセチレンブラック(AB)等のカーボンブラックやその他(グラファイト等)の炭素材料を好適に使用し得る。バインダとしては、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)等を使用し得る。   Examples of the positive electrode current collector 52 constituting the positive electrode sheet 50 include aluminum foil. The positive electrode active material layer 54 includes the positive electrode material according to the above-described embodiment, which is a material including a positive electrode active material. The positive electrode active material layer 54 can further include a conductive material, a binder, and the like. As the conductive material, for example, carbon black such as acetylene black (AB) and other (such as graphite) carbon materials can be suitably used. As the binder, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF) can be used.

負極シート60を構成する負極集電体62としては、例えば銅箔等が挙げられる。負極活物質層64は、負極活物質を含む。負極活物質としては、例えば黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン等の炭素材料を使用し得る。負極活物質層64は、バインダ、増粘剤等をさらに含み得る。バインダとしては、例えばスチレンブタジエンラバー(SBR)等を使用し得る。増粘剤としては、例えばカルボキシメチルセルロース(CMC)等を使用し得る。   Examples of the negative electrode current collector 62 constituting the negative electrode sheet 60 include copper foil. The negative electrode active material layer 64 includes a negative electrode active material. As the negative electrode active material, for example, a carbon material such as graphite, hard carbon, or soft carbon can be used. The negative electrode active material layer 64 can further include a binder, a thickener, and the like. As the binder, for example, styrene butadiene rubber (SBR) can be used. As the thickener, for example, carboxymethyl cellulose (CMC) can be used.

セパレータ70としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられるものと同様の各種微多孔質シートを用いることができ、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等の樹脂から成る微多孔質樹脂シートが挙げられる。かかる微多孔質樹脂シートは、単層構造であってもよく、二層以上の複層構造(例えば、PE層の両面にPP層が積層された三層構造)であってもよい。セパレータ70は、耐熱層(HRL)を備えていてもよい。   As the separator 70, various microporous sheets similar to those conventionally used in lithium ion secondary batteries can be used. For example, a microporous resin made of a resin such as polyethylene (PE) or polypropylene (PP). Sheet. Such a microporous resin sheet may have a single-layer structure or a multilayer structure of two or more layers (for example, a three-layer structure in which PP layers are laminated on both sides of a PE layer). The separator 70 may include a heat resistant layer (HRL).

非水電解質は従来のリチウムイオン二次電池と同様のものを使用可能であり、典型的には有機溶媒(非水溶媒)中に、支持塩を含有させたものを用いることができる。非水溶媒としては、カーボネート類、エステル類、エーテル類等の非プロトン性溶媒を用いることができる。なかでも、カーボネート類、例えば、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等を好適に採用し得る。或いは、モノフルオロエチレンカーボネート(MFEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)、モノフルオロメチルジフルオロメチルカーボネート(F−DMC)、トリフルオロジメチルカーボネート(TFDMC)のようなフッ素化カーボネート等のフッ素系溶媒を好ましく用いることができる。このような非水溶媒は、1種を単独で、あるいは2種以上を適宜組み合わせて用いることができる。支持塩としては、例えば、LiPF、LiBF、LiClO等のリチウム塩を好適に用いることができる。支持塩の濃度は、0.7mol/L以上1.3mol/L以下が好ましい。
なお、上記非水電解質は、本発明の効果を著しく損なわない限りにおいて、上述した非水溶媒、支持塩以外の成分、例えば、ガス発生剤、被膜形成剤、分散剤、増粘剤等の各種添加剤を含み得る。
The non-aqueous electrolyte can be the same as that of a conventional lithium ion secondary battery, and typically, an organic solvent (non-aqueous solvent) containing a supporting salt can be used. As the non-aqueous solvent, aprotic solvents such as carbonates, esters and ethers can be used. Of these, carbonates such as ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) can be preferably used. Alternatively, a fluorine-based solvent such as fluorinated carbonate such as monofluoroethylene carbonate (MFEC), difluoroethylene carbonate (DFEC), monofluoromethyl difluoromethyl carbonate (F-DMC), or trifluorodimethyl carbonate (TFDMC) is preferably used. be able to. Such a non-aqueous solvent can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types as appropriate. As the supporting salt, for example, a lithium salt such as LiPF 6 , LiBF 4 , or LiClO 4 can be suitably used. The concentration of the supporting salt is preferably 0.7 mol / L or more and 1.3 mol / L or less.
The non-aqueous electrolyte is a component other than the above-described non-aqueous solvent and supporting salt, such as a gas generating agent, a film forming agent, a dispersing agent, and a thickening agent, as long as the effects of the present invention are not significantly impaired. Additives can be included.

リチウムイオン二次電池100は、各種用途に利用可能である。好適な用途としては、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)等の車両に搭載される駆動用電源が挙げられる。リチウムイオン二次電池100は、複数個が電気的に接続された組電池の形態で使用することもできる。   The lithium ion secondary battery 100 can be used for various applications. Suitable applications include drive power sources mounted on vehicles such as plug-in hybrid vehicles (PHV), hybrid vehicles (HV), and electric vehicles (EV). The lithium ion secondary battery 100 can also be used in the form of an assembled battery in which a plurality of lithium ion secondary batteries are electrically connected.

以上、例として扁平形状の捲回電極体を備える角型のリチウムイオン二次電池について説明した。しかしながら、本実施形態に係る正極材料は、公知方法に従い、他の種類のリチウムイオン二次電池にも使用可能である。例えば、本実施形態に係る正極材料はを用いて、積層型電極体を備えるリチウムイオン二次電池を構築することもできる。また、本実施形態に係る正極材料はを用いて、円筒型リチウムイオン二次電池、ラミネート型リチウムイオン二次電池等を構築することもできる。また、本実施形態に係る正極材料はは、公知方法に従い、リチウムイオン二次電池以外の非水電解液二次電池にも使用可能である。   As described above, a rectangular lithium ion secondary battery including a flat wound electrode body has been described as an example. However, the positive electrode material according to the present embodiment can be used for other types of lithium ion secondary batteries according to a known method. For example, the positive electrode material according to the present embodiment can be used to construct a lithium ion secondary battery including a stacked electrode body. Moreover, the positive electrode material according to the present embodiment can be used to construct a cylindrical lithium ion secondary battery, a laminated lithium ion secondary battery, or the like. Further, the positive electrode material according to the present embodiment can be used for non-aqueous electrolyte secondary batteries other than lithium ion secondary batteries according to a known method.

以下、本発明に関する実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。   EXAMPLES Examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the examples.

<正極材料の作製>
[PTFE被覆正極材料]
正極活物質として、スピネル型のLiNi0.5Mn1.5を用意した。これを、PTFE粉末をNMP中に分散させた分散液に浸漬し、正極活物質にPTFEを付着させた。これを、320℃で熱処理することにより、正極活物質がPTFEで被覆された正極材料(PTFE被覆正極材料)を得た。なお、分散液中のPTFE粉末の分散量を調節することにより、種々の被覆厚さのPTFE被覆正極材料を得た。
<Preparation of positive electrode material>
[PTFE coated cathode material]
Spinel type LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 was prepared as a positive electrode active material. This was immersed in a dispersion liquid in which PTFE powder was dispersed in NMP, and PTFE was adhered to the positive electrode active material. This was heat-treated at 320 ° C. to obtain a positive electrode material (PTFE-coated positive electrode material) in which the positive electrode active material was coated with PTFE. In addition, PTFE-coated positive electrode materials having various coating thicknesses were obtained by adjusting the amount of PTFE powder dispersed in the dispersion.

[PFA被覆正極材料]
正極活物質として、スピネル型のLiNi0.5Mn1.5を用意した。これを、PFA粉末をNMP中に分散させた分散液に浸漬し、正極活物質にPFAを付着させた。これを、300℃で熱処理することにより、正極活物質がPFAで被覆された正極材料(PFA被覆正極材料)を得た。なお、分散液中のPFA粉末の分散量を調節することにより、種々の被覆厚さのPFA被覆正極材料を得た。
[PFA-coated positive electrode material]
Spinel type LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 was prepared as a positive electrode active material. This was immersed in a dispersion in which PFA powder was dispersed in NMP, and PFA was adhered to the positive electrode active material. This was heat-treated at 300 ° C. to obtain a positive electrode material (PFA-coated positive electrode material) in which the positive electrode active material was coated with PFA. It should be noted that PFA-coated positive electrode materials having various coating thicknesses were obtained by adjusting the amount of PFA powder dispersed in the dispersion.

[PVDF被覆正極材料]
正極活物質として、スピネル型のLiNi0.5Mn1.5を用意した。これを、PVDF粉末をNMP中に分散させた分散液に浸漬し、正極活物質にPVDFを付着させた。これを、170℃で熱処理することにより、正極活物質がPVDFで被覆された正極材料(PVDF被覆正極材料)を得た。なお、分散液中のPVDF粉末の分散量を調節することにより、種々の被覆厚さのPVDF被覆正極材料を得た。
[PVDF coated cathode material]
Spinel type LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 was prepared as a positive electrode active material. This was immersed in a dispersion liquid in which PVDF powder was dispersed in NMP, and PVDF was adhered to the positive electrode active material. This was heat-treated at 170 ° C. to obtain a positive electrode material (PVDF-coated positive electrode material) in which the positive electrode active material was coated with PVDF. In addition, PVDF-coated positive electrode materials having various coating thicknesses were obtained by adjusting the amount of PVDF powder dispersed in the dispersion.

[比較用正極材料]
スピネル型のLiNi0.5Mn1.5をフッ素樹脂で被覆することなく、そのまま正極材料として使用した。
[Comparative cathode material]
Spinel-type LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 was used as a positive electrode material without being coated with a fluororesin.

<被覆率測定>
上記作製した正極材料について、XPS測定を行なった。正極活物質由来のMnおよびNiとフッ素樹脂由来のFの検出比から、被覆率(%)=「F」/(「F」+「Mn」+「Ni」)×100として被覆率を算出した。結果を表1に示す。
<Measurement of coverage>
XPS measurement was performed on the prepared positive electrode material. From the detection ratio of Mn and Ni derived from the positive electrode active material and F derived from the fluororesin, the coverage was calculated as coverage (%) = “F” / (“F” + “Mn” + “Ni”) × 100. . The results are shown in Table 1.

<被覆厚さ測定>
上記作製した正極材料について、XPS測定を行なった。深さ方向のXPS測定結果から、最表面に対してFの元素比が50%まで減少するところまでの深さ(最表面からFの元素比が50%まで減少するところまでの深さ方向の寸法)を求め、これを被覆厚さとした。結果を表1に「被覆厚」として示す。
<Measurement of coating thickness>
XPS measurement was performed on the prepared positive electrode material. From the XPS measurement result in the depth direction, the depth until the element ratio of F decreases to 50% with respect to the outermost surface (the depth direction from the outermost surface to where the element ratio of F decreases to 50% Dimension) was determined and this was taken as the coating thickness. The results are shown in Table 1 as “Coating Thickness”.

<評価用リチウムイオン二次電池の作製>
正極材料と、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、正極材料:AB:PVDF=90:5:5の質量比でN−メチルピロリドン(NMP)と混合し、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、アルミニウム箔の片面に塗布し、乾燥した後、プレスすることにより正極シートを作製した。
また、負極活物質としての平均粒子径20μmの天然黒鉛系炭素材料(C)と、バインダとしてのスチレンブタジエンラバー(SBR)と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とを、C:SBR:CMC=98:1:1の質量比でイオン交換水と混合して、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、銅箔の片面に塗布し、乾燥した後、プレスすることにより負極シートを作製した。
また、セパレータシート(多孔性ポリオレフィンシート)を用意した。
作製した正極シートと負極シートとを、セパレータシートを介して対向させて電極体を作製した。
作製した電極体に集電体を取り付け、非水電解液と共にラミネートケースに収容して、評価用のリチウムイオン二次電池を得た。非水電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)との体積比50:50の混合溶媒に1mol/Lの濃度でLiPFを溶解させたものを使用した。
<Production of evaluation lithium-ion secondary battery>
A positive electrode material, acetylene black (AB) as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder are mixed in a mass ratio of positive electrode material: AB: PVDF = 90: 5: 5. N-methylpyrrolidone (NMP) And a slurry for forming a positive electrode active material layer was prepared. This slurry was applied to one side of an aluminum foil, dried, and then pressed to prepare a positive electrode sheet.
Further, a natural graphite carbon material (C) having an average particle diameter of 20 μm as a negative electrode active material, styrene butadiene rubber (SBR) as a binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) as a thickener, C: SBR: Mixing with ion-exchanged water at a mass ratio of CMC = 98: 1: 1 to prepare a slurry for forming a negative electrode active material layer. This slurry was applied to one side of a copper foil, dried, and then pressed to prepare a negative electrode sheet.
In addition, a separator sheet (porous polyolefin sheet) was prepared.
The produced positive electrode sheet and negative electrode sheet were opposed to each other with a separator sheet interposed therebetween to produce an electrode body.
A current collector was attached to the produced electrode body and housed in a laminate case together with a non-aqueous electrolyte solution to obtain a lithium ion secondary battery for evaluation. As the non-aqueous electrolyte, a solution obtained by dissolving LiPF 6 at a concentration of 1 mol / L in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) in a volume ratio of 50:50 was used.

<活性化および初期容量測定>
上記作製した各リチウムイオン二次電池を25℃の環境下に置いた。初回充電は、定電流−定電圧方式とし、1/3Cの電流値で4.9Vまで定電流充電を行った後、電流値が1/50Cになるまで定電圧充電を行い、満充電状態にした。その後1/3Cの電流値で定電流放電し、このときの放電容量を測定して、初期容量を求めた。
<Activation and initial capacity measurement>
Each of the produced lithium ion secondary batteries was placed in a 25 ° C. environment. The initial charge is a constant current-constant voltage method, and after charging at a current value of 1/3 C to 4.9 V, it is charged at a constant voltage until the current value reaches 1/50 C. did. Thereafter, constant current discharge was performed at a current value of 1/3 C, and the discharge capacity at this time was measured to obtain the initial capacity.

<高温サイクル特性評価>
各リチウムイオン二次電池を60℃の環境下に置き、2Cでの定電流充電および2Cでの定電流放電を1サイクルとする充放電を200サイクル繰り返した。
200サイクル充放電後の電池容量を、初期容量と同じ方法で求めた。
高温サイクル特性の指標として、(充放電200サイクル後の電池容量/初期容量)×100より、容量維持率(%)を求めた。
そして、フッ素樹脂で被覆しなかった比較用正極材料を用いたリチウムイオン二次電池の容量維持率を1とした場合の、その他のリチウムイオン二次電池(PTFE被覆正極材料、PFA被覆正極材料、およびPVDF被覆正極材料をそれぞれ用いたリチウムイオン二次電池)の容量維持率の比を求めた。結果を表1に示す。
<High temperature cycle characteristics evaluation>
Each lithium ion secondary battery was placed in an environment of 60 ° C., and charging / discharging with one cycle of constant current charging at 2C and constant current discharging at 2C was repeated 200 cycles.
The battery capacity after 200 cycles of charge / discharge was determined by the same method as the initial capacity.
As an index of the high-temperature cycle characteristics, the capacity retention rate (%) was obtained from (battery capacity after 200 cycles of charge / discharge / initial capacity) × 100.
And when the capacity maintenance rate of the lithium ion secondary battery using the comparative positive electrode material not coated with the fluororesin is set to 1, other lithium ion secondary batteries (PTFE-coated positive electrode material, PFA-coated positive electrode material, And the ratio of capacity retention ratios of lithium ion secondary batteries using PVDF-coated positive electrode materials, respectively. The results are shown in Table 1.

Figure 2018120824
Figure 2018120824

表1の結果によれば、正極活物質をフッ素樹脂で被覆し、その被覆率が96%以上であり、フッ素樹脂がポリテトラフルオロエチレンである場合には、その被覆厚さが0.009μm以上0.199μm以下であり、フッ素樹脂がテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体である場合には、その被覆厚さが0.011μm以上0.165μm以下であり、フッ素樹脂がポリフッ化ビニリデンである場合には、その被覆厚さが0.01μm以上0.098μm以下である場合には、容量維持率比が1を超えた。すなわち容量維持率の向上が見られた。   According to the results in Table 1, when the positive electrode active material is coated with a fluororesin and the coverage is 96% or more, and the fluororesin is polytetrafluoroethylene, the coating thickness is 0.009 μm or more. When the fluororesin is a tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, the coating thickness is 0.011 μm or more and 0.165 μm or less, and the fluororesin is polyvinylidene fluoride. In some cases, the capacity retention ratio exceeded 1 when the coating thickness was 0.01 μm or more and 0.098 μm or less. That is, the capacity retention rate was improved.

また、Si基板上にスピネル型のLiNi0.5Mn1.5をスパッタし、650℃で焼成して形成したLiNi0.5Mn1.5膜上に、正極材料の作製においてフッ素樹脂の被膜を作製したのと同様の方法により、フッ素樹脂膜を形成した。そして、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)との体積比50:50の混合溶媒に1mol/Lの濃度でLiPFを溶解させた非水電解液との接触角を2/θ法により求めた。 In the production of a positive electrode material on a LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 film formed by sputtering spinel-type LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 on a Si substrate and firing at 650 ° C. A fluororesin film was formed by the same method as that for producing a fluororesin film. Then, the contact angle with a non-aqueous electrolyte in which LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1 mol / L in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) in a volume ratio of 50:50 was determined by the 2 / θ method. Asked.

Figure 2018120824
Figure 2018120824

表2が示すように、膜厚の小さい領域では、膜厚が大きくなるにつれ接触角が大きくなっていることがわかる。よって、フッ素樹脂が特定の被膜厚さ以上になることにより、非水電解液と正極活物質との接触を効果的に防止できることわかる。ただし、表1および表2の結果を総括すると、容量劣化の抑制にもっとも寄与しているのはフッ素樹脂の種類と特定の被膜厚さの範囲との組み合わせであることがわかる。
したがって、本実施形態に係る正極材料を用いることにより、正極活物質と非水電解液の直接接触を効果的に抑制することができ、これにより正極活物質と非水電解液との間の酸化反応を抑制することができ、その結果、二次電池の容量劣化を抑制することができることがわかる。
As shown in Table 2, it can be seen that the contact angle increases as the film thickness increases in the region where the film thickness is small. Therefore, it turns out that contact with a non-aqueous electrolyte and a positive electrode active material can be prevented effectively when a fluororesin becomes more than a specific film thickness. However, when the results in Table 1 and Table 2 are summarized, it is understood that the combination of the type of fluororesin and the specific film thickness range contributes most to the suppression of capacity deterioration.
Therefore, by using the positive electrode material according to the present embodiment, the direct contact between the positive electrode active material and the non-aqueous electrolyte can be effectively suppressed, whereby the oxidation between the positive electrode active material and the non-aqueous electrolyte is performed. It can be seen that the reaction can be suppressed, and as a result, the capacity deterioration of the secondary battery can be suppressed.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。   As mentioned above, although the specific example of this invention was demonstrated in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.

20 捲回電極体
30 電池ケース
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 正極シート(正極)
52 正極集電体
52a 正極活物質層非形成部分
54 正極活物質層
60 負極シート(負極)
62 負極集電体
62a 負極活物質層非形成部分
64 負極活物質層
70 セパレータシート(セパレータ)
100 リチウムイオン二次電池
20 wound electrode body 30 battery case 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 sheet (positive electrode)
52 Positive Current Collector 52a Positive Electrode Active Material Layer Non-Forming Portion 54 Positive Electrode Active Material Layer 60 Negative Electrode Sheet (Negative Electrode)
62 Negative electrode current collector 62a Negative electrode active material layer non-formed portion 64 Negative electrode active material layer 70 Separator sheet (separator)
100 Lithium ion secondary battery

Claims (1)

正極活物質と、
前記正極活物質を被覆するフッ素樹脂とを含み、
前記正極活物質に対する前記フッ素樹脂の被覆率は96%以上であり、
前記フッ素樹脂は、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、またはポリフッ化ビニリデンであり、
前記フッ素樹脂がポリテトラフルオロエチレンである場合には、その被覆厚さが0.009μm以上0.199μm以下であり、
前記フッ素樹脂がテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体である場合には、その被覆厚さが0.011μm以上0.165μm以下であり、
前記フッ素樹脂がポリフッ化ビニリデンである場合には、その被覆厚さが0.01μm以上0.098μm以下である、
ことを特徴とする正極材料。
A positive electrode active material;
A fluororesin that coats the positive electrode active material,
The coverage of the fluororesin with respect to the positive electrode active material is 96% or more,
The fluororesin is polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, or polyvinylidene fluoride,
When the fluororesin is polytetrafluoroethylene, the coating thickness is 0.009 μm or more and 0.199 μm or less,
When the fluororesin is a tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, the coating thickness is 0.011 μm or more and 0.165 μm or less,
When the fluororesin is polyvinylidene fluoride, the coating thickness is 0.01 μm or more and 0.098 μm or less.
A positive electrode material characterized by the above.
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