JP2018200838A - Cathode active material layer and lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、正極活物質層、およびリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material layer and a lithium ion secondary battery.
近年、各種電子機器の小型化および軽量化に伴い、これらの電子機器の電源としてリチウムイオン二次電池が使用されている。このようなリチウムイオン二次電池では、さらなる高エネルギー密度化が求められている。リチウムイオン二次電池の高エネルギー密度化のためには、例えば、リチウムイオン二次電池の充電電圧を高めることが検討されている。 In recent years, with the reduction in size and weight of various electronic devices, lithium ion secondary batteries have been used as power sources for these electronic devices. Such lithium ion secondary batteries are required to have higher energy density. In order to increase the energy density of a lithium ion secondary battery, for example, increasing the charging voltage of the lithium ion secondary battery has been studied.
一方で、高電位下のリチウムイオン二次電池では、正極活物質の酸化力が強くなる。そのため、正極活物質の表面において、電解液の分解、および正極活物質の構造破壊を引き起こす副反応が加速度的に進行してしまう。その結果、リチウムイオン二次電池のサイクル特性、および保存特性が著しく低下してしまう。 On the other hand, in the lithium ion secondary battery under a high potential, the oxidizing power of the positive electrode active material becomes strong. Therefore, on the surface of the positive electrode active material, side reactions that cause decomposition of the electrolyte and structural destruction of the positive electrode active material are accelerated. As a result, the cycle characteristics and storage characteristics of the lithium ion secondary battery are significantly deteriorated.
そこで、リチウムイオン二次電池の特性を向上させるために、正極活物質層に含まれるバインダ樹脂に対して、種々の提案が行われている。 In order to improve the characteristics of the lithium ion secondary battery, various proposals have been made for the binder resin contained in the positive electrode active material layer.
例えば、下記の特許文献1では、正極活物質層に含まれるバインダ樹脂にフッ化ビニリデンおよびテトラフルオロエチレンの共重合体を用いている。これにより、特許文献1では、正極活物質層を高密度化しつつ、正極活物質層の柔軟性を確保している。 For example, in the following Patent Document 1, a copolymer of vinylidene fluoride and tetrafluoroethylene is used for the binder resin contained in the positive electrode active material layer. Thereby, in patent document 1, the softness | flexibility of a positive electrode active material layer is ensured, densifying a positive electrode active material layer.
また、下記の特許文献2および3では、カルボキシル基、スルホン酸基またはリン酸基などの極性官能基を有する高分子をバインダ樹脂に用いている。これにより、下記の特許文献2および3では、高電圧下におけるリチウムイオン二次電池のサイクル特性を向上させている。 In Patent Documents 2 and 3 below, a polymer having a polar functional group such as a carboxyl group, a sulfonic acid group, or a phosphoric acid group is used for the binder resin. Thereby, in the following patent documents 2 and 3, the cycle characteristics of the lithium ion secondary battery under a high voltage are improved.
しかし、上記の特許文献1〜3に開示された技術では、特に酸化力が強い正極活物質で生じる正極活物質の構造破壊については十分検討されていない。したがって、特許文献1〜3に開示された技術では、リチウムイオン二次電池のサイクル特性、および高温保存後の容量特性を十分に向上させることは困難であった。 However, in the techniques disclosed in Patent Documents 1 to 3 described above, structural destruction of the positive electrode active material that occurs particularly in the positive electrode active material having strong oxidizing power is not sufficiently studied. Therefore, with the techniques disclosed in Patent Documents 1 to 3, it has been difficult to sufficiently improve the cycle characteristics of the lithium ion secondary battery and the capacity characteristics after high-temperature storage.
そこで、本発明は、上記問題等に鑑みてなされた。本発明の目的とするところは、サイクル特性、および高温保存後の容量特性を向上させることが可能な正極活物質層、およびリチウムイオン二次電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems. An object of the present invention is to provide a positive electrode active material layer and a lithium ion secondary battery capable of improving cycle characteristics and capacity characteristics after high-temperature storage.
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、リチウム複合酸化物を含有する正極活物質と、下記化学式1を少なくとも含む第1の共重合体と、下記化学式2または3を少なくとも含む第2の共重合体とを25:75〜75:25の質量比で含有するバインダ樹脂と、を含む、正極活物質層が提供される。
この構成によれば、リチウムイオン二次電池は、サイクル特性、および高温保存後の容量特性を向上させることが可能である。 According to this configuration, the lithium ion secondary battery can improve cycle characteristics and capacity characteristics after high-temperature storage.
前記第1の共重合体は、フッ化ビニリデンをモノマーとする単位構造をポリマー主鎖中に50モル%以上含んでもよい。 The first copolymer may contain 50 mol% or more of a unit structure containing vinylidene fluoride as a monomer in the polymer main chain.
この構成によれば、第1の共重合体の有機溶媒への溶解性を向上させることで、正極スラリー作製を容易にすることが可能である。 According to this configuration, it is possible to facilitate the production of the positive electrode slurry by improving the solubility of the first copolymer in the organic solvent.
前記第1の共重合体は、テトラフルオロエチレンをモノマーとする単位構造をポリマー主鎖中に10モル%以上40モル%以下含んでもよい。 The first copolymer may include a unit structure having tetrafluoroethylene as a monomer in a polymer main chain of 10 mol% or more and 40 mol% or less.
この構成によれば、第1の共重合体において、酸化に対する耐性と、有機溶媒への溶解性と、正極活物質の分散性とを両立させることが可能である。 According to this configuration, in the first copolymer, it is possible to achieve both resistance to oxidation, solubility in an organic solvent, and dispersibility of the positive electrode active material.
前記第2の共重合体は、アクリロニトリルまたはメタクリロニトリルをモノマーとする単位構造をポリマー主鎖中に90モル%以上含んでもよい。 The second copolymer may contain 90 mol% or more of a unit structure having acrylonitrile or methacrylonitrile as a monomer in the polymer main chain.
この構成によれば、第2の共重合体は、酸化に対する耐性を向上させることにより、正極活物質の表面での副反応を抑制することが可能である。 According to this structure, the 2nd copolymer can suppress the side reaction in the surface of a positive electrode active material by improving the tolerance with respect to oxidation.
前記化学式2を少なくとも含む第2の共重合体は、アクリル酸またはアクリル酸エステルをモノマーとする単位構造をポリマー主鎖中に0.1モル%以上10モル%未満含んでもよい。 The second copolymer containing at least the chemical formula 2 may contain a unit structure having acrylic acid or an acrylate ester as a monomer in the polymer main chain of 0.1 mol% or more and less than 10 mol%.
この構成によれば、化学式2を少なくとも含む第2の共重合体は、酸化に対する耐性と、正極スラリー作製の容易性とを両立させることが可能である。 According to this configuration, the second copolymer containing at least Chemical Formula 2 can achieve both resistance to oxidation and ease of production of the positive electrode slurry.
前記化学式3を少なくとも含む第2の共重合体は、アクリルアミドをモノマーとする単位構造をポリマー主鎖中に0.1モル%以上10モル%未満で含んでもよい。 The second copolymer containing at least Chemical Formula 3 may contain a unit structure having acrylamide as a monomer in the polymer main chain in an amount of 0.1 mol% or more and less than 10 mol%.
この構成によれば、化学式3を少なくとも含む第2の共重合体は、酸化に対する耐性と、正極スラリー作製の容易性とを両立させることが可能である。 According to this configuration, the second copolymer containing at least Chemical Formula 3 can achieve both resistance to oxidation and ease of production of the positive electrode slurry.
前記第1の共重合体、および前記第2の共重合体の重量平均分子量は、それぞれ300,000以上であってもよい。 The weight average molecular weights of the first copolymer and the second copolymer may be 300,000 or more, respectively.
この構成によれば、リチウムイオン二次電池において、正極活物質からの遷移金属の溶出をさらに抑制することが可能である。 According to this configuration, in the lithium ion secondary battery, it is possible to further suppress the elution of the transition metal from the positive electrode active material.
前記リチウム複合酸化物は、下記化学式4で表される化合物であってもよい。
LiaCoxMyO2 ・・化学式4
上記化学式4において、Mは、アルミニウム、ニッケル、マンガン、クロム、鉄、バナジウム、マグネシウム、チタン、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、タングステン、銅、亜鉛、ガリウム、インジウム、スズ、ランタン、およびセリウムからなる群から選択される1種または2種以上の金属元素であり、
0.20≦a≦1.20、0.95≦x<1.00、0<y≦0.05であり、x+y=1である。
The lithium composite oxide may be a compound represented by the following chemical formula 4.
Li a Co x M y O 2 ·· Formula 4
In the above chemical formula 4, M is selected from the group consisting of aluminum, nickel, manganese, chromium, iron, vanadium, magnesium, titanium, zirconium, niobium, molybdenum, tungsten, copper, zinc, gallium, indium, tin, lanthanum, and cerium. One or more metal elements selected,
0.20 ≦ a ≦ 1.20, 0.95 ≦ x <1.00, 0 <y ≦ 0.05, and x + y = 1.
この構成によれば、リチウムイオン二次電池は、さらに高エネルギー密度化することが可能である。 According to this configuration, the lithium ion secondary battery can be further increased in energy density.
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、請求項1〜8のいずれかに記載の正極活物質層を含む正極と、負極と、非水電解質と、を備える、リチウムイオン二次電池が提供される。 Moreover, in order to solve the said subject, according to another viewpoint of this invention, the positive electrode containing the positive electrode active material layer in any one of Claims 1-8, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte are provided. A lithium ion secondary battery is provided.
この構成によれば、サイクル特性、および高温保存後の容量特性が向上したリチウムイオン二次電池を得ることが可能である。 According to this configuration, it is possible to obtain a lithium ion secondary battery with improved cycle characteristics and capacity characteristics after high-temperature storage.
リチウムイオン二次電池の充電終止電圧は、グラファイト基準で4.45V超であってもよい。 The end-of-charge voltage of the lithium ion secondary battery may be greater than 4.45V on a graphite basis.
この構成によれば、リチウムイオン二次電池をさらに高密度エネルギー化することで、電池容量を拡大することが可能である。 According to this configuration, the battery capacity can be increased by increasing the density of the lithium ion secondary battery.
以上説明したように本発明によれば、リチウムイオン二次電池のサイクル特性、および高温保存後の容量特性を向上させることが可能である。 As described above, according to the present invention, it is possible to improve the cycle characteristics of the lithium ion secondary battery and the capacity characteristics after high-temperature storage.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Exemplary embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in this specification and drawing, about the component which has the substantially same function structure, duplication description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol.
<1.リチウムイオン二次電池の概要>
まず、本発明の一実施形態に係る正極活物質層、および該正極活物質層を備えるリチウムイオン(lithium ion)二次電池の概要について説明する。
<1. Overview of lithium-ion secondary battery>
First, an outline of a positive electrode active material layer according to an embodiment of the present invention and a lithium ion secondary battery including the positive electrode active material layer will be described.
近年、リチウムイオン二次電池をより高エネルギー(energy)密度化することが検討されている。そこで、リチウムイオン二次電池の充電終止電圧をグラファイト(graphite)基準で4.45V超に高めることが検討されている。 In recent years, it has been studied to increase the energy density of lithium ion secondary batteries. Therefore, it has been studied to increase the end-of-charge voltage of the lithium ion secondary battery to more than 4.45 V on the basis of graphite.
しかしながら、本発明者らは、上述したような高い充電終止電圧の環境下では、正極活物質の酸化力が強くなることを見出した。本発明者らは、強くなった酸化力により、電解液の分解反応および正極活物質の構造破壊が進行し、正極活物質中の遷移金属が電解液中に溶出してしまうことを見出した。このような場合、リチウムイオン二次電池は、サイクル(cycle)特性、および高温保存時の容量特性が急激に低下してしまう。 However, the present inventors have found that the oxidizing power of the positive electrode active material becomes strong under the environment of the high end-of-charge voltage as described above. The present inventors have found that due to the strong oxidizing power, the decomposition reaction of the electrolytic solution and the structural destruction of the positive electrode active material proceed, and the transition metal in the positive electrode active material is eluted into the electrolytic solution. In such a case, in the lithium ion secondary battery, cycle characteristics and capacity characteristics during high-temperature storage are rapidly deteriorated.
本発明者らは、上記問題等を鋭意検討した結果、正極に含まれるバインダ(binder)樹脂として、特定の2種の共重合体を用いることを見出した。本発明者らは、特定の2種の共重合体を用いることで、正極活物質の構造破壊を引き起こす副反応を抑制し、正極活物質からの遷移金属の溶出を抑制できることを見出した。したがって、本発明者らは、高い充電終止電圧の環境下でも、正極活物質の表面での副反応を抑制できることを見出した。これによれば、リチウムイオン二次電池は、サイクル特性、および高温保存時の容量特性を向上させることが可能である。 As a result of intensive studies on the above-described problems and the like, the present inventors have found that two specific types of copolymers are used as the binder resin contained in the positive electrode. The present inventors have found that by using two specific types of copolymers, side reactions that cause structural destruction of the positive electrode active material can be suppressed, and elution of transition metals from the positive electrode active material can be suppressed. Therefore, the present inventors have found that side reactions on the surface of the positive electrode active material can be suppressed even in an environment with a high end-of-charge voltage. According to this, the lithium ion secondary battery can improve the cycle characteristics and the capacity characteristics during high-temperature storage.
すなわち、本実施形態に係る正極活物質層は、リチウム複合酸化物を含有する正極活物質粒子と、バインダ樹脂とを含む。バインダ樹脂は、下記化学式1を少なくとも含む第1の共重合体と、下記化学式2または3を少なくとも含む第2の共重合体とを25:75〜75:25の質量比で含有する。 That is, the positive electrode active material layer according to this embodiment includes positive electrode active material particles containing a lithium composite oxide and a binder resin. The binder resin contains a first copolymer containing at least the following chemical formula 1 and a second copolymer containing at least the following chemical formula 2 or 3 in a mass ratio of 25:75 to 75:25.
なお、上記化学式2および3において、R1およびR2は、互いに独立して、水素、またはメチル(methyl)基である。R3は、水素、または炭素数1〜6の直鎖もしくは分枝アルキル(alkyl)基である。 In the above chemical formulas 2 and 3, R 1 and R 2 are independently of each other hydrogen or a methyl group. R 3 is hydrogen or a linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms.
また、本実施形態に係る正極活物質層は、コバルト(Co)を含むリチウム複合酸化物を正極活物質に用いた場合により効果的である。具体的には、本実施形態に係る正極活物質層は、リチウム複合酸化物からの遷移金属(すなわち、コバルト)の溶出を抑制することが可能である。 In addition, the positive electrode active material layer according to this embodiment is more effective when a lithium composite oxide containing cobalt (Co) is used as the positive electrode active material. Specifically, the positive electrode active material layer according to the present embodiment can suppress the elution of transition metal (ie, cobalt) from the lithium composite oxide.
コバルト(Co)を含むリチウム複合酸化物は、具体的には、下記化学式4で表される化合物であってもよい。
LiaCoxMyO2 ・・・化学式4
上記化学式4において、Mは、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、バナジウム(V)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ランタン(La)、およびセリウム(Ce)からなる群から選択される1種または2種以上の金属元素であり、0.20≦a≦1.20、0.95≦x<1.00、0<y≦0.05であり、x+y=1である。
Specifically, the lithium composite oxide containing cobalt (Co) may be a compound represented by the following chemical formula 4.
Li a Co x M y O 2 ··· Formula 4
In the above chemical formula 4, M is aluminum (Al), nickel (Ni), manganese (Mn), chromium (Cr), iron (Fe), vanadium (V), magnesium (Mg), titanium (Ti), zirconium ( Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), tungsten (W), copper (Cu), zinc (Zn), gallium (Ga), indium (In), tin (Sn), lanthanum (La), and cerium One or more metal elements selected from the group consisting of (Ce), 0.20 ≦ a ≦ 1.20, 0.95 ≦ x <1.00, 0 <y ≦ 0.05 Yes, x + y = 1.
さらに、本実施形態に係る正極活物質層を備えるリチウムイオン二次電池は、充電終止電圧がグラファイト基準で4.45V超である場合により効果的である。具体的には、本実施形態に係る正極活物質層を備えるリチウムイオン二次電池は、正極活物質からの遷移金属の溶出を抑制することが可能である。これによれば、本実施形態に係る正極活物質層を備えるリチウムイオン二次電池は、サイクル特性、および高温保存時の容量特性を向上させることが可能である。 Furthermore, the lithium ion secondary battery including the positive electrode active material layer according to the present embodiment is more effective when the end-of-charge voltage is more than 4.45 V on the basis of graphite. Specifically, the lithium ion secondary battery including the positive electrode active material layer according to the present embodiment can suppress elution of transition metal from the positive electrode active material. According to this, the lithium ion secondary battery provided with the positive electrode active material layer according to the present embodiment can improve cycle characteristics and capacity characteristics during high-temperature storage.
<2.リチウムイオン二次電池の構成>
以下では、図1を参照して、上記で概略を説明した本実施形態に係るリチウムイオン二次電池10の構成について、より詳細に説明する。
<2. Configuration of lithium ion secondary battery>
Below, with reference to FIG. 1, the structure of the lithium ion
図1に示すように、リチウムイオン二次電池10は、正極20と、負極30と、電解液が含浸したセパレータ(separator)層40とを備える。リチウムイオン二次電池10の形態は、特に限定されない。リチウムイオン二次電池10の形態は、例えば、円筒型、角型、ラミネート(laminate)型、またはボタン(button)型等のいずれであってもよい。
As shown in FIG. 1, the lithium ion
正極20は、集電体21と、正極活物質層22とを含む。集電体21は、導電体であればどのようなものでも良い。集電体21は、例えば、アルミニウム(aluminium)、ステンレス鋼(stainless steel)、またはニッケルメッキ鋼(nickel‐plated steel)等であってもよい。
The
正極活物質層22は、正極活物質およびバインダ樹脂を少なくとも含み、さらに導電助剤を含んでもよい。なお、正極活物質、導電助剤、およびバインダ樹脂の含有量の比率は、特に制限されない。これらの構成の含有量の比率は、一般的なリチウムイオン二次電池において適用される含有量の比率を使用することが可能である。
The positive electrode
正極活物質は、リチウム複合酸化物を含有する。正極活物質が含有するリチウム複合酸化物は、コバルトを含むリチウム複合酸化物であってもよく、具体的には、下記化学式4で表される化合物であってもよい。
LiaCoxMyO2 ・・・化学式4
上記化学式4において、Mは、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、バナジウム(V)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ランタン(La)、およびセリウム(Ce)からなる群から選択される1種または2種以上の金属元素であり、0.20≦a≦1.20、0.95≦x<1.00、0<y≦0.05であり、x+y=1である。なお、好ましくは、Mは、Al、Mg、Ti、およびZrからなる群から選択される1種または2種以上の金属元素であってもよい。
The positive electrode active material contains a lithium composite oxide. The lithium composite oxide contained in the positive electrode active material may be a lithium composite oxide containing cobalt, and specifically, a compound represented by the following chemical formula 4.
Li a Co x M y O 2 ··· Formula 4
In the above chemical formula 4, M is aluminum (Al), nickel (Ni), manganese (Mn), chromium (Cr), iron (Fe), vanadium (V), magnesium (Mg), titanium (Ti), zirconium ( Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), tungsten (W), copper (Cu), zinc (Zn), gallium (Ga), indium (In), tin (Sn), lanthanum (La), and cerium One or more metal elements selected from the group consisting of (Ce), 0.20 ≦ a ≦ 1.20, 0.95 ≦ x <1.00, 0 <y ≦ 0.05 Yes, x + y = 1. Preferably, M may be one or more metal elements selected from the group consisting of Al, Mg, Ti, and Zr.
正極活物質が上記化学式4で表されるリチウム複合酸化物を含む場合、リチウムイオン二次電池は、グラファイト基準で4.45V超の充電終止電圧で使用されてもよい。これにより、リチウムイオン二次電池は、より高エネルギー密度化することができるため、電池容量を増加させることができる。 When the positive electrode active material includes the lithium composite oxide represented by the above Chemical Formula 4, the lithium ion secondary battery may be used with a charge end voltage exceeding 4.45 V based on graphite. Thereby, since a lithium ion secondary battery can make higher energy density, it can increase battery capacity.
ただし、正極活物質が上記化学式4で表されるリチウム複合酸化物を含む場合、高電位下での駆動によってリチウム複合酸化物の構造が破壊される可能性がある。このような場合、リチウム複合酸化物からコバルトが溶出する可能性がある。本実施形態に係る正極活物質層22では、特定の2種の共重合体を含有するバインダ樹脂を用いる。これにより、リチウム複合酸化物からのコバルトの溶出を抑制することが可能である。これによれば、本実施形態に係る正極活物質層22は、リチウムイオン二次電池10のサイクル特性、および高温保存時の容量特性を向上させることが可能である。
However, when the positive electrode active material includes the lithium composite oxide represented by the above chemical formula 4, there is a possibility that the structure of the lithium composite oxide is destroyed by driving at a high potential. In such a case, cobalt may be eluted from the lithium composite oxide. In the positive electrode
なお、正極活物質は、上記化学式4で表されるリチウム複合酸化物以外に、1種または2種以上の他の正極活物質を含有してもよいことは言うまでもない。 Needless to say, the positive electrode active material may contain one or more other positive electrode active materials in addition to the lithium composite oxide represented by the above chemical formula 4.
他の正極活物質としては、具体的には、リチウムを含む遷移金属酸化物または固溶体酸化物などを例示することができる。例えば、リチウムを含む遷移金属酸化物としては、LiNixCoyMnzO2等のLi/Ni/Co/Mn系複合酸化物、LiNiO2等のLi/Ni系複合酸化物、またはLiMn2O4等のLi/Mn系複合酸化物等を例示することができる。また、リチウムを含む固溶体酸化物としては、LiaMnxCoyNizO2(1.150≦a≦1.430、0.45≦x≦0.6、0.10≦y≦0.15、0.20≦z≦0.28)、LiMnxCoyNizO2(0.3≦x≦0.85、0.10≦y≦0.3、0.10≦z≦0.3)、LiMn1.5Ni0.5O4等を例示することができる。 Specific examples of the other positive electrode active material include a transition metal oxide or a solid solution oxide containing lithium. For example, as the transition metal oxide containing lithium, Li / Ni / Co / Mn based composite oxide such as LiNi x Co y Mn z O 2 , Li / Ni based composite oxide such as LiNiO 2 , or LiMn 2 O Examples include Li / Mn composite oxides such as 4 . In addition, as a solid solution oxide containing lithium, Li a Mn x Co y Ni z O 2 (1.150 ≦ a ≦ 1.430, 0.45 ≦ x ≦ 0.6, 0.10 ≦ y ≦ 0. 15, 0.20 ≦ z ≦ 0.28), LiMn x Co y Ni z O 2 (0.3 ≦ x ≦ 0.85, 0.10 ≦ y ≦ 0.3, 0.10 ≦ z ≦ 0. 3), LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 and the like can be exemplified.
バインダ樹脂は、下記化学式1を少なくとも含む第1の共重合体と、下記化学式2または3を少なくとも含む第2の共重合体とを含有する。 The binder resin contains a first copolymer containing at least the following chemical formula 1 and a second copolymer containing at least the following chemical formula 2 or 3.
なお、上記化学式2および3において、R1およびR2は、互いに独立して、水素、またはメチル基である。R3は、水素、または炭素数1〜6の直鎖もしくは分枝アルキル基である。 In the above chemical formulas 2 and 3, R 1 and R 2 are independently of each other hydrogen or a methyl group. R 3 is hydrogen or a linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms.
本実施形態において、バインダ樹脂は、主鎖中のフッ素含有量が高く、酸化に対する耐性が高い化学式1を少なくとも含むフッ素系共重合体を第1の共重合体として含有する。これにより、バインダ樹脂は、高電位下の正極活物質の表面で生じる電解液の分解反応を抑制することができる。 In the present embodiment, the binder resin contains, as the first copolymer, a fluorine-based copolymer containing at least chemical formula 1 having a high fluorine content in the main chain and high resistance to oxidation. Thereby, binder resin can suppress the decomposition reaction of the electrolyte solution which arises on the surface of the positive electrode active material under high potential.
ただし、バインダ樹脂が化学式1を少なくとも含むフッ素系共重合体のみを含有する場合、スラリー(slurry)形成時の正極活物質の分散性が低くなる。加えて、正極活物質同士の結着性が低下する。これにより、リチウムイオン二次電池10のサイクル特性が低下してしまう。
However, when the binder resin contains only the fluorine-based copolymer containing at least Chemical Formula 1, the dispersibility of the positive electrode active material at the time of slurry formation is low. In addition, the binding property between the positive electrode active materials decreases. Thereby, the cycling characteristics of the lithium ion
そこで、バインダ樹脂は、化学式2または3を少なくとも含むアクリロニトリル(acrylonitrile)系共重合体を第2の共重合体としてさらに含有する。アクリロニトリル系共重合体は、正極活物質の分散性および結着性が高い。これにより、本実施形態に係る正極活物質層22は、化学式1を少なくとも含むフッ素系共重合体のみをバインダ樹脂が含有する場合に生じる懸念点を改善することができる。したがって、リチウムイオン二次電池10は、高電位下でのサイクル特性、および高温保存時の容量特性を向上させることができる。
Therefore, the binder resin further contains an acrylonitrile-based copolymer containing at least chemical formula 2 or 3 as the second copolymer. The acrylonitrile-based copolymer has high dispersibility and binding property of the positive electrode active material. Thereby, the positive electrode
また、バインダ樹脂は、フッ素系共重合体である第1の共重合体と、アクリロニトリル系共重合体である第2の共重合体とを含有する。これにより、バインダ樹脂は、正極活物質からの遷移金属(具体的には、コバルト)の溶出を抑制することができる。なお、正極活物質からの遷移金属の溶出を抑制する機構については明らかでない。ただし、フッ素系共重合体である第1の共重合体と、アクリロニトリル系共重合体である第2の共重合体とが正極活物質の構造破壊を効果的に抑制するためであると考えられる。 Moreover, binder resin contains the 1st copolymer which is a fluorine-type copolymer, and the 2nd copolymer which is an acrylonitrile-type copolymer. Thereby, binder resin can suppress elution of the transition metal (specifically cobalt) from a positive electrode active material. In addition, it is not clear about the mechanism which suppresses the elution of the transition metal from a positive electrode active material. However, it is considered that the first copolymer that is a fluorine-based copolymer and the second copolymer that is an acrylonitrile-based copolymer effectively suppress the structural destruction of the positive electrode active material. .
化学式1を少なくとも含む第1の共重合体と、化学式2または3を少なくとも含む第2の共重合体との含有割合は、質量比で、25:75〜75:25である。化学式2または3を少なくとも含む第2の共重合体との含有割合は、質量比で、好ましくは、質量比で、35:65〜65:35である。化学式1を少なくとも含む第1の共重合体の含有割合が上記範囲を下回った場合、バインダ樹脂の酸化に対する耐性が低くなる。これにより、正極活物質の表面での電解液の分解等の副反応を抑制することが困難になるため好ましくない。また、化学式2または3を少なくとも含む第2の共重合体の含有割合が上記範囲を下回った場合、スラリー作製時の正極活物質の分散性、および正極活物質の結着性が低下する。これにより、リチウムイオン二次電池10のサイクル特性が低下するため好ましくない。
The content ratio of the first copolymer containing at least Chemical Formula 1 and the second copolymer containing at least Chemical Formula 2 or 3 is 25:75 to 75:25 in mass ratio. The content ratio of the second copolymer containing at least chemical formula 2 or 3 is 35:65 to 65:35 in mass ratio, preferably in mass ratio. When the content ratio of the first copolymer including at least Chemical Formula 1 is less than the above range, the resistance of the binder resin to oxidation becomes low. This is not preferable because it becomes difficult to suppress side reactions such as decomposition of the electrolyte solution on the surface of the positive electrode active material. Moreover, when the content rate of the 2nd copolymer containing at least Chemical formula 2 or 3 is less than the said range, the dispersibility of the positive electrode active material at the time of slurry preparation and the binding property of a positive electrode active material will fall. This is not preferable because the cycle characteristics of the lithium ion
ここで、第1の共重合体は、フッ化ビニリデンをモノマーとする単位構造をポリマー主鎖中に50モル%以上含むことが好ましい。第1の共重合体は、フッ化ビニリデンをモノマーとする単位構造をポリマー主鎖中に60モル%以上含むことがより好ましい。なお、フッ化ビニリデン(vinylidene fluoride)をモノマー(monomer)とする単位構造は、化学式1において左側の単位構造である。フッ化ビニリデンをモノマーとする単位構造の含有量が50モル%未満である場合、第1の共重合体は、有機溶媒への溶解性が著しく低下する。これにより、スラリー作製が困難になるため好ましくない。フッ化ビニリデンをモノマーとする単位構造の含有量の上限は、特に限定されないが、例えば、80モル%であってもよい。なお、有機溶媒は、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(N−methyl−2−pyrrolidone:NMP)などである。 Here, the first copolymer preferably contains 50 mol% or more of a unit structure containing vinylidene fluoride as a monomer in the polymer main chain. More preferably, the first copolymer contains 60 mol% or more of a unit structure containing vinylidene fluoride as a monomer in the polymer main chain. Note that the unit structure using vinylidene fluoride as a monomer is the unit structure on the left side in Chemical Formula 1. When the content of the unit structure containing vinylidene fluoride as a monomer is less than 50 mol%, the solubility of the first copolymer in an organic solvent is significantly reduced. This makes it difficult to produce a slurry, which is not preferable. Although the upper limit of content of the unit structure which uses vinylidene fluoride as a monomer is not specifically limited, For example, 80 mol% may be sufficient. The organic solvent is, for example, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP).
また、第1の共重合体は、テトラフルオロエチレンをモノマーとする単位構造をポリマー主鎖中に10モル%以上40モル%以下含むことが好ましい。第1の共重合体は、テトラフルオロエチレンをモノマーとする単位構造をポリマー主鎖中に15モル%以上35モル%以下含むことがより好ましい。なお、テトラフルオロエチレン(tetrafluoroethylene)をモノマーとする単位構造は、化学式1において右側の単位構造である。テトラフルオロエチレンをモノマーとする単位構造の含有量が10モル%未満である場合、第1の共重合体は、酸化に対する耐性が低くなる。これにより、正極活物質の表面での副反応を抑制することが困難になるため好ましくない。一方、テトラフルオロエチレンをモノマーとする単位構造の含有量が40モル%超である場合、有機溶媒への溶解性が著しく低下する。また、スラリー作製時の正極活物質の分散性が低下する。なお、有機溶媒は、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(N−methyl−2−pyrrolidone:NMP)などである。 Moreover, it is preferable that a 1st copolymer contains 10 mol% or more and 40 mol% or less of unit structures which use tetrafluoroethylene as a monomer in a polymer principal chain. More preferably, the first copolymer contains a unit structure containing tetrafluoroethylene as a monomer in the polymer main chain in an amount of 15 mol% to 35 mol%. In addition, the unit structure using tetrafluoroethylene as a monomer is the right side unit structure in Chemical Formula 1. When the content of the unit structure containing tetrafluoroethylene as a monomer is less than 10 mol%, the first copolymer has low resistance to oxidation. Thereby, it is difficult to suppress side reactions on the surface of the positive electrode active material, which is not preferable. On the other hand, when the content of the unit structure containing tetrafluoroethylene as a monomer is more than 40 mol%, the solubility in an organic solvent is remarkably lowered. Moreover, the dispersibility of the positive electrode active material at the time of slurry preparation falls. The organic solvent is, for example, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP).
化学式2を含む第2の共重合体は、アクリロニトリルまたはメタクリロニトリルをモノマーとする単位構造をポリマー主鎖中に90モル%以上含むことが好ましい。第2の共重合体は、アクリロニトリルまたはメタクリロニトリルをモノマーとする単位構造をポリマー主鎖中に95モル%以上含むことがより好ましい。なお、アクリロニトリルまたはメタクリロニトリル(methacrylonitrile)をモノマーとする単位構造は、化学式2または3において左側の単位構造である。アクリロニトリルまたはメタクリロニトリルをモノマーとする単位構造の含有量が90モル%未満である場合、第2の共重合体は、酸化に対する耐性が低くなる。これにより、正極活物質の表面での副反応を抑制することが困難になるため好ましくない。アクリロニトリルまたはメタクリロニトリルをモノマーとする単位構造の含有量の上限は、特に限定されない。ただし、アクリロニトリルまたはメタクリロニトリルをモノマーとする単位構造の含有量の上限は、例えば、97.5モル%であってもよい。 The second copolymer containing Chemical Formula 2 preferably contains 90 mol% or more of a unit structure having acrylonitrile or methacrylonitrile as a monomer in the polymer main chain. More preferably, the second copolymer contains 95 mol% or more of a unit structure containing acrylonitrile or methacrylonitrile as a monomer in the polymer main chain. Note that the unit structure using acrylonitrile or methacrylonitrile as a monomer is the unit structure on the left side in Chemical Formula 2 or 3. When the content of the unit structure containing acrylonitrile or methacrylonitrile as a monomer is less than 90 mol%, the second copolymer has low resistance to oxidation. Thereby, it is difficult to suppress side reactions on the surface of the positive electrode active material, which is not preferable. The upper limit of the content of the unit structure having acrylonitrile or methacrylonitrile as a monomer is not particularly limited. However, the upper limit of the content of the unit structure having acrylonitrile or methacrylonitrile as a monomer may be, for example, 97.5 mol%.
また、化学式2を含む第2の共重合体は、アクリル酸またはアクリル酸エステルをモノマーとする単位構造をポリマー主鎖中に0.1モル%以上10モル%未満含むことが好ましい。第2の共重合体は、アクリル酸またはアクリル酸エステルをモノマーとする単位構造をポリマー主鎖中に1.0モル%以上5.0モル%以下含むことがより好ましい。なお、アクリル酸(acrylic acid)またはアクリル酸エステル(acrylic ester)をモノマーとする単位構造は、化学式2において右側の単位構造である。アクリル酸またはアクリル酸エステルをモノマーとする単位構造の含有量が0.1%未満である場合、第2の共重合体は、有機溶媒(例えば、NMPなど)への溶解性が低下する。これにより、スラリー作製が困難になり、かつ正極活物質同士の結着性が低下するため好ましくない。一方、アクリル酸またはアクリル酸エステルをモノマーとする単位構造の含有量が10モル%以上である場合、第2の共重合体は、酸化に対する耐性が低くなる。これにより、正極活物質の表面での副反応を抑制することが困難になるため好ましくない。 Moreover, it is preferable that the 2nd copolymer containing Chemical formula 2 contains 0.1 mol% or more and less than 10 mol% of unit structures which use acrylic acid or acrylic ester as a monomer in a polymer principal chain. The second copolymer more preferably contains 1.0 mol% or more and 5.0 mol% or less in the polymer main chain of a unit structure having acrylic acid or an acrylate ester as a monomer. Note that the unit structure using acrylic acid or acrylic ester as a monomer is the unit structure on the right side in Chemical Formula 2. When the content of the unit structure having acrylic acid or acrylic acid ester as a monomer is less than 0.1%, the solubility of the second copolymer in an organic solvent (for example, NMP) decreases. This makes it difficult to produce a slurry and lowers the binding property between the positive electrode active materials, which is not preferable. On the other hand, when the content of the unit structure having acrylic acid or acrylic acid ester as a monomer is 10 mol% or more, the second copolymer has low resistance to oxidation. Thereby, it is difficult to suppress side reactions on the surface of the positive electrode active material, which is not preferable.
一方、化学式3を含む第2の共重合体は、アクリルアミドをモノマーとする単位構造をポリマー主鎖中に0.1モル%以上10モル%未満含むことが好ましい。化学式3を含む第2の共重合体は、アクリルアミドをモノマーとする単位構造をポリマー主鎖中に1.0モル%以上5.0モル%以下含むことがより好ましい。なお、アクリルアミド(acrylamide)をモノマーとする単位構造は、化学式3において右側の単位構造である。アクリルアミドをモノマーとする単位構造の含有量が0.1%未満である場合、第2の共重合体は、有機溶媒(例えば、NMPなど)への溶解性が低下する。これにより、スラリー作製が困難になるため好ましくない。一方、アクリルアミドをモノマーとする単位構造の含有量が10モル%以上である場合、第2の共重合体は、酸化に対する耐性が低くなる。これにより、正極活物質の表面での副反応を抑制することが困難になるため好ましくない。 On the other hand, it is preferable that the 2nd copolymer containing Chemical formula 3 contains 0.1 mol% or more and less than 10 mol% of unit structures which use acrylamide as a monomer in a polymer principal chain. As for the 2nd copolymer containing Chemical formula 3, it is more preferable that the unit structure which uses acrylamide as a monomer contains 1.0 mol% or more and 5.0 mol% or less in a polymer principal chain. The unit structure using acrylamide as a monomer is the right side unit structure in Chemical Formula 3. When the content of the unit structure containing acrylamide as a monomer is less than 0.1%, the solubility of the second copolymer in an organic solvent (for example, NMP) is reduced. This makes it difficult to produce a slurry, which is not preferable. On the other hand, when the content of the unit structure containing acrylamide as a monomer is 10 mol% or more, the second copolymer has low resistance to oxidation. Thereby, it is difficult to suppress side reactions on the surface of the positive electrode active material, which is not preferable.
さらに、第1の共重合体、および第2の共重合体の重量平均分子量は、それぞれ300,000以上であることが好ましい。第1の共重合体、および第2の共重合体の重量平均分子量は、それぞれ400,000以上であることがより好ましい。第1の共重合体、および第2の共重合体の重量平均分子量が300,000未満である場合、正極活物質同士の結着性、および正極活物質層22の集電体への密着性が低下する。これにより、リチウムイオン二次電池10のサイクル特性が低下するため好ましくない。第1の共重合体、および第2の共重合体の重量平均分子量の上限は、特に限定されない。ただし、第1の共重合体、および第2の共重合体の重量平均分子量の上限は、例えば、2,000,000であってもよい。なお、第1の共重合体、および第2の共重合体の重量平均分子量は、例えば、ゲル浸透クロマトグラフィ(Gel Permeation Chromatography:GPC)によって計測することが可能である。
Furthermore, it is preferable that the weight average molecular weights of the first copolymer and the second copolymer are 300,000 or more, respectively. The weight average molecular weights of the first copolymer and the second copolymer are more preferably 400,000 or more, respectively. When the weight average molecular weight of the first copolymer and the second copolymer is less than 300,000, the binding property between the positive electrode active materials and the adhesion of the positive electrode
本実施形態では、化学式1を少なくとも含む第1の共重合体と、化学式2または3を少なくとも含む第2の共重合体とを25:75〜75:25の質量比でバインダ樹脂に用いる。これにより、バインダ樹脂は、正極活物質の表面での副反応を抑制することが可能である。これによれば、リチウムイオン二次電池10は、高電位下での正極活物質からの金属の溶出を抑制し、サイクル特性および高温保存時の容量特性を向上させることができる。
In this embodiment, the first copolymer containing at least Chemical Formula 1 and the second copolymer containing at least Chemical Formula 2 or 3 are used in the binder resin in a mass ratio of 25:75 to 75:25. Thereby, binder resin can suppress the side reaction in the surface of a positive electrode active material. According to this, the lithium ion
導電助剤は、例えば、ケッチェンブラック(ketjen black)およびアセチレンブラック(acetylene black)等のカーボンブラック(carbon black)と、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンナノチューブ(carbon nanotubes)、グラフェン(graphene)およびカーボンナノファイバ(carbon nanofibers)等の繊維状炭素と、またはこれら繊維状炭素とカーボンブラック(carbon black)との複合体等と、を用いることができる。ただし、導電助剤は、正極の導電性を高めることができれば、上記の物質に限定されず用いることが可能である。 Examples of the conductive assistant include carbon black such as ketjen black and acetylene black, natural graphite, artificial graphite, carbon nanotubes, graphene, and carbon. Fibrous carbon such as carbon nanofibres, or a composite of these fibrous carbon and carbon black can be used. However, the conductive auxiliary agent can be used without being limited to the above substances as long as the conductivity of the positive electrode can be increased.
正極活物質層22は、例えば、正極スラリー(slurry)を作製し、該正極スラリーを集電体21上に塗工した後、乾燥および圧延することで作製することができる。正極スラリー(slurry)は、上記の正極活物質、導電助剤、およびバインダ樹脂を適当な有機溶媒に分散させることで作製することができる。適当な有機溶媒は、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(N−methyl−2−pyrrolidone)などである。なお、圧延後の正極活物質層22の密度は、特に制限されず、一般的なリチウムイオン二次電池の正極活物質層に適用可能な密度であればよい。
The positive electrode
負極30は、集電体31と、負極活物質層32とを含む。集電体31は、導電体であればどのようなものでも良く、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、ステンレス鋼、またはニッケルメッキ鋼等であってもよい。
The
負極活物質層32は、少なくとも負極活物質を含み、導電助剤およびバインダ樹脂をさらに含んでもよい。なお、負極活物質、導電助剤、およびバインダの含有量の比率は、特に制限されない。負極活物質、導電助剤、およびバインダの含有量の比率は、一般的なリチウムイオン二次電池において適用される含有量の比率を使用することが可能である。
The negative electrode
負極活物質は、例えば、人造黒鉛、天然黒鉛、人造黒鉛と天然黒鉛との混合物もしくは人造黒鉛で被覆した天然黒鉛などの黒鉛活物質と、ケイ素(Si)もしくはスズ(Sn)の微粒子と、ケイ素(Si)もしくはスズ(Sn)の酸化物の微粒子と、ケイ素もしくはスズの合金と、またはLi4Ti5O12等の酸化チタン(TiOx)系化合物となどを使用することができる。また、これらの混合物も使用可能である。さらに、負極活物質としては、これらの他に、例えば金属リチウム(lithium)等を使用することも可能である。 Examples of the negative electrode active material include graphite active material such as artificial graphite, natural graphite, a mixture of artificial graphite and natural graphite, or natural graphite coated with artificial graphite, fine particles of silicon (Si) or tin (Sn), silicon Fine particles of an oxide of (Si) or tin (Sn), an alloy of silicon or tin, or a titanium oxide (TiO x ) -based compound such as Li 4 Ti 5 O 12 can be used. Mixtures of these can also be used. Furthermore, as the negative electrode active material, for example, metallic lithium or the like can be used in addition to these.
導電助剤は、正極活物質層22で用いた導電助剤と同様のものが使用可能である。また、バインダ樹脂は、例えば、スチレンブタジエンゴム(Styrene−Butadiene Rubber:SBR)などを用いることができる。
As the conductive aid, the same conductive aid as that used in the positive electrode
負極活物質層32は、例えば、負極スラリーを作製し、該負極スラリーを集電体31上に塗工した後、乾燥および圧延することで作製することができる。負極スラリーは、上記の負極活物質、導電助剤、およびバインダ樹脂を適当な溶媒(例えば、水など)に分散させることで作製することができる。なお、圧延後の負極活物質層32の密度は、特に制限されず、一般的なリチウムイオン二次電池の負極活物質層に適用可能な密度であればよい。
The negative electrode
セパレータ層40は、セパレータと、電解液とを含む。
セパレータは、リチウムイオン二次電池のセパレータとして使用されるものであれば、特に制限されず、どのようなものも使用可能である。セパレータとしては、例えば、優れた高率放電性能を示す多孔膜または不織布等が単独使用または併用されることが好ましい。また、セパレータの少なくともいずれかの面は、コーティング(coating)されていてもよい。コーティングは、Al2O3、SiO2等の無機物、またはポリフッ化ビニリデンなどのポリマー(polymer)によって行うことができる。また、セパレータは、フィラー(filler)として、Al2O3またはSiO2等の無機物を含んでいてもよい。 The separator is not particularly limited as long as it is used as a separator for a lithium ion secondary battery, and any separator can be used. As the separator, for example, a porous film or a nonwoven fabric exhibiting excellent high rate discharge performance is preferably used alone or in combination. In addition, at least one surface of the separator may be coated. The coating can be performed with an inorganic material such as Al 2 O 3 or SiO 2 or a polymer such as polyvinylidene fluoride. The separator may contain an inorganic material such as Al 2 O 3 or SiO 2 as a filler.
セパレータを構成する材料としては、例えば、ポリエチレン(polyethylene)またはポリプロピレン(polypropylene)等に代表されるポリオレフィン(polyolefin)系樹脂、ポリエチレンテレフタレート(polyethylene terephthalate)またはポリブチレンテレフタレート(polybuthylene terephthalate)等に代表されるポリエステル(polyester)系樹脂、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene difluoride)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン(vinylidene difluoride−hexafluoropropylene)共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロビニルエーテル(vinylidene difluoride−perfluorovinylether)共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン(vinylidene difluoride−tetrafluoroethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン(vinylidene difluoride−trifluoroethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−フルオロエチレン(vinylidene difluoride−fluoroethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロアセトン(vinylidene difluoride−hexafluoroacetone)共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン(vinylidene difluoride−ethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−プロピレン(vinylidene difluoride−propylene)共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロプロピレン(vinylidene difluoride−trifluoropropylene)共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン(vinylidene difluoride−tetrafluoroethylene−hexafluoropropylene)共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン−テトラフルオロエチレン(vinylidene difluoride−ethylene−tetrafluoroethylene)共重合体等を使用することができる。なお、セパレータの気孔率は、特に制限されず、一般的なリチウムイオン二次電池のセパレータが有する気孔率を適用することができる。 As a material constituting the separator, for example, a polyolefin resin represented by polyethylene, polypropylene, or the like, a polyethylene terephthalate, or a polybutylene terephthalate, or the like is typical. Polyester resin, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluorovinyl Ether (vinylidene difluoride-perfluorovinylethylene) copolymer, vinylidene difluoride-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene difluoride-trifluoroethylene copolymer Ethylene (vinylidene difluoride-fluoroethylene) copolymer, vinylidene difluoride-hexafluoroacetone copolymer, vinylidene fluoride-ethylene (vinylidene fluoride) difluoride-ethylene copolymer, vinylidene difluoride-propylene copolymer, vinylidene fluoride-trifluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene hexafluoroethylene fluoride-tetrafluoroethylene Propylene (vinylidene difluoride-tetrafluoroethylene) copolymer, copolymer using vinylidene difluoride-ethylene-tetrafluoroethylene, etc. Can. In addition, the porosity in particular of a separator is not restrict | limited, The porosity which the separator of a general lithium ion secondary battery has can be applied.
電解液は、電解質塩と、非水電解質とを含む。 The electrolytic solution includes an electrolyte salt and a non-aqueous electrolyte.
電解質塩としては、例えば、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiPF6、LiSCN、LiBr、LiI、Li2SO4、Li2B10Cl10、NaClO4、NaI、NaSCN、NaBr、KClO4、KSCN等のリチウム(Li)、ナトリウム(Na)またはカリウム(K)の1種を含む無機イオン塩を使用することができる。また、電解質塩として、例えば、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3、(CH3)4NBF4、(CH3)4NBr、(C2H5)4NClO4、(C2H5)4NI、(C3H7)4NBr、(n−C4H9)4NClO4、(n−C4H9)4NI、(C2H5)4N−maleate、(C2H5)4N−benzoate、(C2H5)4N−phtalate、ステアリルスルホン酸リチウム(lithium stearyl sulfate)、オクチルスルホン酸リチウム(lithium octyl sulfate)、ドデシルベンゼンスルホン酸リチウム(lithium dodecylbenzene sulphonate)等の有機イオン塩も使用することができる。なお、これらの電解質塩は、単独、あるいは2種類以上混合して使用することも可能である。また、電解質塩の濃度は、一般的なリチウム二次電池に適用可能な濃度であればよく、特に制限はない。例えば、電解質塩の濃度は、0.5mol/L〜2.0mol/Lであってもよい。 Examples of the electrolyte salt include LiClO 4 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiPF 6 , LiSCN, LiBr, LiI, Li 2 SO 4 , Li 2 B 10 Cl 10 , NaClO 4 , NaI, NaSCN, NaBr, KClO 4 , KSCN Inorganic ion salts containing one of lithium (Li), sodium (Na) or potassium (K), such as, can be used. Examples of the electrolyte salt include LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ), LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiC (C 2 F 5 SO 2 ) 3 , (CH 3 ) 4 NBF 4 , (CH 3 ) 4 NBr, (C 2 H 5 ) 4 NClO 4 , (C 2 H 5 ) 4 NI, (C 3 H 7 ) 4 NBr, (n-C 4 H 9 ) 4 NClO 4 , (n-C 4 H 9 ) 4 NI, (C 2 H 5 ) 4 N-maleate, (C 2 H 5) 4 N-benzoate, ( C 2 H 5) 4 N-phtalate, lithium stearyl sulfonate (lithium stearyl sulfate), lithium octyl sulfonate (lithium octy sulfate), organic ion salts such as lithium dodecyl benzene sulfonate (lithium dodecylbenzene sulphonate) can be used. These electrolyte salts may be used alone or in combination of two or more. Further, the concentration of the electrolyte salt is not particularly limited as long as it is a concentration applicable to a general lithium secondary battery. For example, the concentration of the electrolyte salt may be 0.5 mol / L to 2.0 mol / L.
非水電解質としては、例えば、プロピレンカーボネート(propylene carbonate)、エチレンカーボネート(ethylene carbonate)、ブチレンカーボネート(buthylene carbonate)、クロロエチレンカーボネート(chloroethylene carbonate)またはビニレンカーボネート(vinylene carbonate)等の環状炭酸エステル(ester)類、γ−ブチロラクトン(butyrolactone)またはγ−バレロラクトン(valerolactone)等の環状エステル類、ジメチルカーボネート(dimethyl carbonate)、ジエチルカーボネート(diethyl carbonate)またはエチルメチルカーボネート(ethylmethyl carbonate)等の鎖状カーボネート(carbonate)類、ギ酸メチル(methyl formate)、酢酸メチル(methyl acetate)または酪酸メチル(methyl butyrate)等の鎖状エステル類、テトラヒドロフラン(tetrahydrofuran)またはその誘導体、1,3−ジオキサン(1,3−dioxane)、1,4−ジオキサン(1,4−dioxane)、1,2−ジメトキシエタン(1,2−dimethoxyethane)、1,4−ジブトキシエタン(1,4−dibutoxyethane)またはメチルジグライム(methyldiglyme)等のエーテル(ether)類、アセトニトリル(acetonitrile)またはベンゾニトリル(benzonitrile)等のニトリル(nitrile)類、ジオキソラン(dioxolane)またはその誘導体、エチレンスルフィド(ethylene sulfide)、スルホラン(sulfolane)、スルトン(sultone)またはこれらの誘導体等を、単独で、またはそれら2種以上を混合して使用することができる。ただし、非水電解質は、これらに限定されるものではない。 Examples of the non-aqueous electrolyte include propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, chloroethylene carbonate, vinylene carbonate, and the like. ), Cyclic esters such as γ-butyrolactone or γ-valerolactone, dimethyl carbonate, diethyl carbonate or ethyl methyl carbonate Chain carbonates such as (ethylmethyl carbonate), chain esters such as methyl formate, methyl acetate or methyl butyrate, tetrahydrofuran or derivatives thereof , 3-dioxane (1,3-dioxane), 1,4-dioxane (1,4-dioxane), 1,2-dimethoxyethane (1,2-dioxyethane), 1,4-dibutoxyethane (1,4 -Ethers such as dibutyloxyne) or methyldiglyme, acetonitrile. Or nitriles such as benzonitrile, dioxolane or derivatives thereof, ethylene sulfide, sulfolane, sultone, or derivatives thereof alone, or Two or more of these can be mixed and used. However, the non-aqueous electrolyte is not limited to these.
さらに、電解液は、負極SEI(Solid Electrolyte Interface)形成剤、または界面活性剤等の各種添加剤を含んでいてもよい。 Furthermore, the electrolytic solution may contain various additives such as a negative electrode SEI (Solid Electrolyte Interface) forming agent or a surfactant.
各種添加剤としては、例えば、コハク酸無水物(succinic anhydride)、リチウムビスオキサラートボレート(lithium bis(oxalate)borate)、テトラフルオロホウ酸リチウム(lithium tetrafluoroborate)、プロパンスルトン(propane sultone)、ブタンスルトン(butane sultone)、プロペンスルトン(propene sultone)、3−スルフォレン(3−sulfolene)、フッ素化アリルエーテル(fluorinated arylether)、フッ素化アクリレート(fluorinated methacrylate)等を例示することができる。なお、これら各種添加剤の含有量は、一般的なリチウムイオン二次電池における添加剤の含有量を適用することが可能である。 Examples of the various additives include succinic anhydride, lithium bisoxalate borate, lithium tetrafluoroborate, propane sultone, and propane sultone. Examples include butane sultone, propene sultone, 3-sulfolene, fluorinated allyl ether, and fluorinated acrylate. In addition, it is possible to apply content of the additive in a general lithium ion secondary battery as content of these various additives.
<3.リチウムイオン二次電池の製造方法>
続いて、リチウムイオン二次電池10の製造方法について説明する。ただし、リチウムイオン二次電池10の製造方法は、以下の方法に制限されず、公知の他の製造方法を用いることも可能である。
<3. Manufacturing method of lithium ion secondary battery>
Then, the manufacturing method of the lithium ion
正極20は、以下のように製造される。まず、正極活物質層22を構成する材料(例えば、正極活物質、導電助剤、およびバインダ樹脂)を所望の割合で混合する。続いて、混合物を有機溶媒(例えば、N−メチル−2−ピロリドン)に分散させることで、正極スラリーを作製する。次に、正極スラリーを集電体21上に塗工し、乾燥させることで、正極活物質層22を作製する。なお、塗工の方法は、特に限定されないが、例えば、ナイフコーター(knife coater)法、グラビアコーター(gravure coater)法等を用いることができる。
The
さらに、ロールプレス機にて正極活物質層22を所望の密度または厚さとなるように圧縮する。これにより、正極20を製造することができる。ここで、正極活物質層22の密度または厚さは特に制限されず、一般的なリチウムイオン二次電池の正極活物質層が有する密度または厚さであればよい。
Further, the positive electrode
負極30も、正極20と同様の方法で製造される。まず、負極活物質層32を構成する材料(例えば、負極活物質、導電助剤、およびバインダ樹脂)を所望の割合で混合する。続いて、混合物を溶媒(例えば、水)に分散させることで、負極スラリーを作製する。次に、負極スラリーを集電体31上に塗工し、乾燥させることで、負極活物質層32を作製する。なお、塗工の方法は、特に限定されないが、例えば、ナイフコーター(knife coater)法、グラビアコーター(gravure coater)法等を用いることができる。
The
さらに、ロールプレス機にて負極活物質層32を所望の密度または厚さとなるように圧縮する。これにより、負極30を製造することができる。ここで、負極活物質層32の密度または厚さは特に制限されず、一般的なリチウムイオン二次電池の負極活物質層が有する密度または厚さであればよい。なお、負極活物質層32として金属リチウムを用いる場合、集電体31に金属リチウム箔を貼り合せることで、負極30を製造することができる。
Further, the negative electrode
続いて、セパレータを正極20および負極30にて挟み込むことで、電極構造体を製造する。製造した電極構造体を所望の形態(例えば、円筒型、角型、ラミネート型、ボタン型等)に適した形状に加工した後、該形態の容器に挿入する。さらに、上述した電解質塩および非水電解質を含む電解液を該容器内に注入することで、セパレータ内に電解液を含浸させる。その後、電極構造体、および電解液を注入した容器を封止する。これにより、リチウムイオン二次電池10を製造することができる。
Subsequently, an electrode structure is manufactured by sandwiching the separator between the
以下では、実施例および比較例を参照しながら、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池について具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、あくまでも一例であって、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池が下記の例に限定されるものではない。 Hereinafter, the lithium ion secondary battery according to the present embodiment will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples. In addition, the Example shown below is an example to the last, and the lithium ion secondary battery which concerns on this embodiment is not limited to the following example.
<実施例1>
以下の方法にて、第1の共重合体、および第2の共重合体を用意し、実施例1に係るリチウムイオン二次電池を製造した。
<Example 1>
A first copolymer and a second copolymer were prepared by the following method, and a lithium ion secondary battery according to Example 1 was manufactured.
(第1の共重合体:フッ素系重合体Aの合成)
第1の共重合体として、フッ化ビニリデンと、テトラフルオロエチレンとのモル比が70モル%:30モル%である共重合体(フッ素系重合体Aとも称する)を合成した。具体的には、4Lの反応容器に純水1kgを入れて窒素置換を行った後、反応容器にオクタフルオロシクロブタン800gを入れて、系内を45℃に昇温した。次に、反応容器にフッ化ビニリデン118g、およびテトラフルオロエチレン40gを加えた。その後、ジ−n−プロピルパーオキシジカーボネートの50質量%メタノール溶液0.9gを反応容器に投入した。さらに、混合ガスを反応容器に連続して供給しつつ、系内圧力を一定に保った状態で、8時間撹拌を継続した。混合ガスは、フッ化ビニリデン/テトラフルオロエチレン=70モル%/30モル%を用いた。加熱を止めた後、反応容器を大気圧に達するまで放圧し、反応生成物を水洗、および乾燥させることで、化学式1を少なくとも含むフッ素系重合体Aを合成した。合成したフッ素系重合体Aの重量平均分子量をGPCによって計測したところ、900,000(ポリメタクリル酸メチル換算)であった。
(First copolymer: Synthesis of fluoropolymer A)
As the first copolymer, a copolymer (also referred to as fluorine-based polymer A) in which the molar ratio of vinylidene fluoride and tetrafluoroethylene was 70 mol%: 30 mol% was synthesized. Specifically, after putting 1 kg of pure water into a 4 L reaction vessel and performing nitrogen substitution, 800 g of octafluorocyclobutane was put into the reaction vessel, and the system was heated to 45 ° C. Next, 118 g of vinylidene fluoride and 40 g of tetrafluoroethylene were added to the reaction vessel. Thereafter, 0.9 g of a 50 mass% methanol solution of di-n-propyl peroxydicarbonate was charged into the reaction vessel. Further, stirring was continued for 8 hours while the internal pressure was kept constant while continuously supplying the mixed gas to the reaction vessel. As the mixed gas, vinylidene fluoride / tetrafluoroethylene = 70 mol% / 30 mol% was used. After stopping the heating, the reaction vessel was released until atmospheric pressure was reached, and the reaction product was washed with water and dried to synthesize a fluorinated polymer A containing at least Chemical Formula 1. When the weight average molecular weight of the synthesized fluoropolymer A was measured by GPC, it was 900,000 (in terms of polymethyl methacrylate).
(第2の共重合体:アクリロニトリル系重合体Aの合成)
第2の共重合体として、アクリルニトリルと、アクリル酸とのモル比が97.5モル%:2.5モル%である共重合体(アクリロニトリル系重合体Aとも称する)を合成した。具体的には、アクリロニトリル9.65g、およびアクリル酸0.35g(アクリルニトリルと、アクリル酸とのモル比は、97.5:2.5)をイオン交換水90gに投入した。その後、窒素雰囲気下で60℃に昇温した後、混合物に過硫酸アンモニウム1.065gを加えることで、重合体を沈殿重合させた。これにより、化学式2を少なくとも含むアクリロニトリル系重合体Aを合成した。合成したアクリロニトリル系重合体Aの重量平均分子量をGPCによって計測したところ、500,000(ポリエチレンオキシド換算)であった。
(Second copolymer: Synthesis of acrylonitrile polymer A)
As the second copolymer, a copolymer (also referred to as acrylonitrile polymer A) in which the molar ratio of acrylonitrile to acrylic acid was 97.5 mol%: 2.5 mol% was synthesized. Specifically, 9.65 g of acrylonitrile and 0.35 g of acrylic acid (molar ratio of acrylonitrile to acrylic acid was 97.5: 2.5) were added to 90 g of ion-exchanged water. Thereafter, the temperature was raised to 60 ° C. in a nitrogen atmosphere, and then 1.065 g of ammonium persulfate was added to the mixture to cause precipitation polymerization of the polymer. As a result, an acrylonitrile-based polymer A containing at least Chemical Formula 2 was synthesized. When the weight average molecular weight of the synthesized acrylonitrile-based polymer A was measured by GPC, it was 500,000 (in terms of polyethylene oxide).
(正極の作製)
LiCoO2と、カーボンブラックと、第1の共重合体および第2の共重合体を含むバインダ樹脂とをN−メチル−2−ピロリドンに溶解分散させ、正極スラリーを形成した。混合割合は、固形分質量比で、97.6:1.2:1.2とした。なお、バインダ樹脂における第1の共重合体と、第2の共重合体との混合割合は、質量比で50:50とした。
(Preparation of positive electrode)
LiCoO 2 , carbon black, and a binder resin containing the first copolymer and the second copolymer were dissolved and dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone to form a positive electrode slurry. The mixing ratio was 97.6: 1.2: 1.2 in terms of solid content mass ratio. The mixing ratio of the first copolymer and the second copolymer in the binder resin was 50:50 by mass ratio.
続いて、乾燥後のスラリー塗布量が20.0mg/cm2となるように、アルミニウム箔からなる集電体の片面に正極スラリーを塗工し、乾燥させた。乾燥後、正極スラリーを塗工した集電体を正極活物質層の密度が4.1g/cm3となるようにロールプレス機で圧延することで、正極を作製した。 Subsequently, the positive electrode slurry was applied to one side of a current collector made of an aluminum foil and dried so that the slurry application amount after drying was 20.0 mg / cm 2 . After drying, the current collector coated with the positive electrode slurry was rolled with a roll press so that the density of the positive electrode active material layer was 4.1 g / cm 3 , thereby producing a positive electrode.
(負極の作製)
人造黒鉛と、スチレンブタジエン共重合体微粒子の水分散体と、カルボキシメチルセルロースのナトリウム塩とを純水に溶解分散させることで、負極スラリーを形成した。混合割合は、固形分質量比で、97.5:1.5:1.0とした。
(Preparation of negative electrode)
A negative electrode slurry was formed by dissolving and dispersing artificial graphite, an aqueous dispersion of styrene-butadiene copolymer fine particles, and a sodium salt of carboxymethyl cellulose in pure water. The mixing ratio was 97.5: 1.5: 1.0 in terms of solid content mass ratio.
続いて、乾燥後のスラリー塗布量が12.5mg/cm2となるように、銅箔からなる集電体の片面に負極スラリーを塗工し、乾燥させた。乾燥後、負極スラリーを塗工した集電体を負極活物質層の密度が1.6g/cm3となるようにロールプレス機で圧延することで、負極を作製した。 Subsequently, the negative electrode slurry was applied to one side of a current collector made of copper foil and dried so that the slurry coating amount after drying was 12.5 mg / cm 2 . After drying, the current collector coated with the negative electrode slurry was rolled with a roll press so that the negative electrode active material layer had a density of 1.6 g / cm 3 , thereby producing a negative electrode.
(リチウムイオン二次電池セルの作製)
上記で作製した正極にアルミニウムリード線を溶接し、上記で作製した負極にニッケルリード線を溶接した。その後、ポリエチレン製多孔質セパレータを介して、正極および負極を互いに対向させて捲回し、圧縮することで扁平型の電極構造体を作製した。作製した電極構造体は、アルミニウムラミネートフィルムで形成された電池容器にリード線を外部に引き出した状態で収納した。さらに、1mol/LのLiPF6をカーボネート溶媒に溶解させた電解液を電池容器に注液した。その後、電池容器を減圧封止することで、実施例1に係るリチウムイオン二次電池を作製した。
(Production of lithium ion secondary battery cells)
An aluminum lead wire was welded to the positive electrode produced above, and a nickel lead wire was welded to the negative electrode produced above. Thereafter, the positive electrode and the negative electrode were wound with each other through a polyethylene porous separator, and compressed to produce a flat electrode structure. The produced electrode structure was stored in a battery container formed of an aluminum laminate film in a state in which the lead wire was pulled out. Furthermore, an electrolytic solution in which 1 mol / L LiPF 6 was dissolved in a carbonate solvent was poured into the battery container. Then, the lithium ion secondary battery which concerns on Example 1 was produced by sealing a battery container under reduced pressure.
<実施例2および3>
正極のバインダ樹脂における第1の共重合体(フッ素系重合体A)と、第2の共重合体(アクリロニトリル系重合体A)との混合割合を表1のように変更した。それ以外は、実施例1と同様の方法で、実施例2および3に係るリチウムイオン二次電池を作製した。
<Examples 2 and 3>
The mixing ratio of the first copolymer (fluorine polymer A) and the second copolymer (acrylonitrile polymer A) in the binder resin of the positive electrode was changed as shown in Table 1. Other than that, the lithium ion secondary battery which concerns on Example 2 and 3 was produced by the method similar to Example 1. FIG.
<実施例4〜6>
第2の共重合体として、以下で合成方法を示すアクリロニトリル系重合体Bを用いた。また、正極のバインダ樹脂における第1の共重合体(フッ素系重合体A)と、第2の共重合体(アクリロニトリル系重合体B)との混合割合を表1のように変更した。それ以外は、実施例1と同様の方法で、実施例4〜6に係るリチウムイオン二次電池を作製した。
<Examples 4 to 6>
As the second copolymer, acrylonitrile-based polymer B, which shows a synthesis method below, was used. Further, the mixing ratio of the first copolymer (fluorine polymer A) and the second copolymer (acrylonitrile polymer B) in the binder resin of the positive electrode was changed as shown in Table 1. Other than that was the method similar to Example 1, and produced the lithium ion secondary battery which concerns on Examples 4-6.
(第2の共重合体:アクリロニトリル系重合体Bの合成)
第2の共重合体として、アクリルニトリルと、アクリルアミドとのモル比が95モル%:5モル%である共重合体(アクリロニトリル系重合体Bとも称する)を合成した。具体的には、アクリロニトリル9.34g、およびアクリルアミド0.66gをイオン交換水90gに投入した。窒素雰囲気下で60℃に昇温した後、混合物に過硫酸アンモニウム1.065gを加えることで、共重合体を沈殿重合させた。これにより、化学式3を少なくとも含むアクリロニトリル系重合体Bを合成した。合成したアクリロニトリル系重合体Bの重量平均分子量をGPCによって計測したところ、500,000(ポリエチレンオキシド換算)であった。
(Second copolymer: synthesis of acrylonitrile polymer B)
As the second copolymer, a copolymer (also referred to as acrylonitrile polymer B) having a molar ratio of acrylonitrile to acrylamide of 95 mol%: 5 mol% was synthesized. Specifically, 9.34 g of acrylonitrile and 0.66 g of acrylamide were added to 90 g of ion-exchanged water. After raising the temperature to 60 ° C. under a nitrogen atmosphere, 1.065 g of ammonium persulfate was added to the mixture to cause precipitation polymerization of the copolymer. Thereby, an acrylonitrile-based polymer B containing at least Chemical Formula 3 was synthesized. When the weight average molecular weight of the synthesized acrylonitrile-based polymer B was measured by GPC, it was 500,000 (in terms of polyethylene oxide).
<比較例1>
正極のバインダ樹脂として、第1の共重合体(フッ素系重合体A)のみを用いた。それ以外は、実施例1と同様の方法で、比較例1に係るリチウムイオン二次電池を作製した。
<Comparative Example 1>
Only the first copolymer (fluorinated polymer A) was used as the binder resin for the positive electrode. Other than that was the same method as Example 1, and produced the lithium ion secondary battery which concerns on the comparative example 1. FIG.
<比較例2>
正極のバインダ樹脂として、第2の共重合体(アクリルニトリル系重合体A)のみを用いた。それ以外は、実施例1と同様の方法で、比較例2に係るリチウムイオン二次電池を作製した。
<Comparative Example 2>
Only the second copolymer (acrylonitrile polymer A) was used as the binder resin for the positive electrode. Other than that was the same method as Example 1, and produced the lithium ion secondary battery which concerns on the comparative example 2. FIG.
<比較例3>
正極のバインダ樹脂として、フッ化ビリニデン単独重合体(クレハバッテリーマテリアルズ社製KF7200、フッ素系重合体Bとも称する)のみを用いた。それ以外は、実施例1と同様の方法で、比較例3に係るリチウムイオン二次電池を作製した。
<Comparative Example 3>
As the binder resin for the positive electrode, only a vinylidene fluoride homopolymer (KF7200 manufactured by Kureha Battery Materials Co., Ltd., also referred to as fluorinated polymer B) was used. Other than that was the same method as Example 1, and produced the lithium ion secondary battery which concerns on the comparative example 3. FIG.
<比較例4>
正極のバインダ樹脂として、フッ素系重合体Bと、アクリロニトリル系重合体Aとを50:50の質量比で混合したものを用いた。それ以外は、実施例1と同様の方法で、比較例4に係るリチウムイオン二次電池を作製した。
<Comparative example 4>
As the binder resin for the positive electrode, a mixture of fluorine polymer B and acrylonitrile polymer A at a mass ratio of 50:50 was used. Other than that was the same method as Example 1, and produced the lithium ion secondary battery which concerns on the comparative example 4. FIG.
<比較例5>
正極のバインダ樹脂として、フッ素系重合体Aと、フッ素系重合体Bとを50:50の質量比で混合したものを用いた。それ以外は、実施例1と同様の方法で、比較例5に係るリチウムイオン二次電池を作製した。
<Comparative Example 5>
As the binder resin for the positive electrode, a mixture of fluorine polymer A and fluorine polymer B at a mass ratio of 50:50 was used. Otherwise, a lithium ion secondary battery according to Comparative Example 5 was produced in the same manner as in Example 1.
<比較例6〜9>
正極のバインダ樹脂における第1の共重合体(フッ素系重合体A)と、第2の共重合体(アクリロニトリル系重合体A)との混合割合を表1のように変更した。それ以外は、実施例1と同様の方法で、比較例6〜9に係るリチウムイオン二次電池を作製した。
<Comparative Examples 6-9>
The mixing ratio of the first copolymer (fluorine polymer A) and the second copolymer (acrylonitrile polymer A) in the binder resin of the positive electrode was changed as shown in Table 1. Other than that was produced by the method similar to Example 1, and the lithium ion secondary battery which concerns on Comparative Examples 6-9.
<リチウムイオン二次電池の評価>
まず、45℃の恒温槽内で、実施例1〜6、および比較例1〜9に係るリチウムイオン二次電池を設計容量の1/5CAで4.5Vになるまで定電流充電を行った。続いて、4.5Vで1/20CAになるまで定電圧充電を行った。その後、1/5CAで3.0Vになるまで定電流放電を行った。この工程によって、リチウムイオン二次電池の初期充電を行った。なお、このときの初期放電の放電容量を初期放電容量とした。なお、CAは、1時間放電率を表す。
<Evaluation of lithium ion secondary battery>
First, the constant current charge was performed until the lithium ion secondary battery which concerns on Examples 1-6 and Comparative Examples 1-9 became 4.5V by 1 / 5CA of a design capacity within a 45 degreeC thermostat. Then, constant voltage charge was performed until it became 1/20 CA at 4.5V. Then, constant current discharge was performed until it became 3.0V at 1/5 CA. Through this step, the lithium ion secondary battery was initially charged. In addition, the discharge capacity of the initial discharge at this time was defined as the initial discharge capacity. CA represents a one hour discharge rate.
(サイクル特性の評価方法)
初期充放電後の各リチウムイオン二次電池に対して、45℃の温度下で、充電終止電圧4.5Vおよび放電終止電圧3.0Vにて、1CAで定電流充電した。その後、1/20CAで定電圧充電し、さらに1CAで定電流放電するサイクルを50サイクル繰り返した。50サイクル後、各リチウムイオン二次電池を1/5CAで定電流充電し、さらに1/20CAで定電圧充電した後、1/5CAで定電流放電することで、放電容量を計測した。計測した50サイクル後の放電容量を初期放電容量で除算することで、容量維持率を算出した。
(Evaluation method of cycle characteristics)
Each lithium ion secondary battery after initial charge / discharge was charged at a constant current of 1 CA at a charge end voltage of 4.5 V and a discharge end voltage of 3.0 V at a temperature of 45 ° C. Thereafter, a cycle of charging at a constant voltage of 1/20 CA and discharging at a constant current of 1 CA was repeated 50 cycles. After 50 cycles, each lithium ion secondary battery was charged with a constant current at 1/5 CA, further charged with a constant voltage at 1/20 CA, and then discharged with a constant current at 1/5 CA to measure the discharge capacity. The capacity retention rate was calculated by dividing the measured discharge capacity after 50 cycles by the initial discharge capacity.
(コバルト溶出量の評価方法)
上記のサイクル特性評価後(すなわち、50サイクル後)の各リチウムイオン二次電池を解体した。負極に析出したコバルトを溶解した溶液を誘導結合プラズマ質量分析装置(ICP−MS)によって分析することで、負極に析出したコバルト量を測定した。
(Evaluation method of cobalt elution amount)
Each lithium ion secondary battery after the above cycle characteristic evaluation (that is, after 50 cycles) was disassembled. The amount of cobalt deposited on the negative electrode was measured by analyzing the solution in which the cobalt deposited on the negative electrode was dissolved by an inductively coupled plasma mass spectrometer (ICP-MS).
(高温保存後の容量特性の評価方法)
初期充電後の各リチウムイオン二次電池に対して、25℃の温度下で、充電終止電圧4.5Vおよび放電終止電圧3.0Vにて、1/2CAで定電流充電した。その後、1/20CAで定電圧充電し、さらに1/2CAで定電流放電するサイクルを2サイクル繰り返した。その後、25℃の温度下で、各リチウムイオン二次電池を充電終止電圧4.5Vまで1/2CAで定電流充電した。続いて、1/20CAで定電圧充電した後、60℃の恒温槽内で1週間、高温保存した。このときの充電容量を高温保存前の充電容量とした。
(Evaluation method of capacity characteristics after high temperature storage)
Each lithium ion secondary battery after the initial charge was charged at a constant current of 1/2 CA at a charge end voltage of 4.5 V and a discharge end voltage of 3.0 V at a temperature of 25 ° C. Thereafter, a cycle of charging at a constant voltage of 1/20 CA and discharging at a constant current of 1/2 CA was repeated two cycles. Thereafter, each lithium ion secondary battery was charged at a constant current of 1/2 CA to a charge end voltage of 4.5 V at a temperature of 25 ° C. Subsequently, after charging at a constant voltage of 1/20 CA, it was stored at a high temperature in a constant temperature bath at 60 ° C. for 1 week. The charge capacity at this time was defined as the charge capacity before high-temperature storage.
高温保存後、25℃の温度下で、各リチウムイオン二次電池を1/2CAで3.0Vになるまで定電流放電した。その後、充電終止電圧4.5Vまで1/2CAで定電流充電し、続いて、1/20CAで定電圧充電することで、高温保存後の充電容量を測定した。測定された高温保存後の充電容量を、高温保存前の充電容量で除算することで、高温保存後の容量回復率を算出した。 After storage at a high temperature, each lithium ion secondary battery was discharged at a constant current of 1/2 CA to 3.0 V at a temperature of 25 ° C. Then, the charge capacity after high-temperature storage was measured by charging at a constant current of 1/2 CA until the end-of-charge voltage of 4.5 V, and then charging at a constant voltage of 1/20 CA. The capacity recovery rate after high temperature storage was calculated by dividing the measured charge capacity after high temperature storage by the charge capacity before high temperature storage.
(密着性の評価方法)
ステンレス板上に、各リチウムイオン二次電池に用いられている正極極板を固定した。固定した正極極板の正極活物質層側の面に幅1.5cmの粘着テープ(ニチバン社製セロテープNo.405)を貼り付けた。貼り付けた粘着テープを、剥離試験機(島津製作所社製SHIMAZU EZ−S)を用いて180°方向に引き剥がすことで、正極活物質層の密着性を評価した。
(Adhesion evaluation method)
A positive electrode plate used for each lithium ion secondary battery was fixed on a stainless steel plate. An adhesive tape (cello tape No. 405 manufactured by Nichiban Co., Ltd.) having a width of 1.5 cm was attached to the surface of the fixed positive electrode plate on the positive electrode active material layer side. The adhesion of the positive electrode active material layer was evaluated by peeling off the attached adhesive tape in a 180 ° direction using a peel tester (SHIMAZU EZ-S, manufactured by Shimadzu Corporation).
(評価結果)
上記の実施例1〜6、および比較例1〜9に係るリチウムイオン二次電池の評価結果を表1にまとめて示す。
(Evaluation results)
The evaluation results of the lithium ion secondary batteries according to Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 9 are summarized in Table 1.
表1の結果を参照すると、実施例1〜6は、比較例1〜9に対して、高温での容量維持率、および容量回復率が高いことがわかる。これは、実施例1〜6は、特定の2種の共重合体を特定の質量比で含有するバインダ樹脂を用いているためと考えられる。また、実施例1〜6では、正極活物質層と集電体との密着性が5mN/mm以上であるため、バインダ樹脂として実用上問題ない密着性が得られていることがわかる。 Referring to the results in Table 1, it can be seen that Examples 1 to 6 have a higher capacity retention rate and higher capacity recovery rate than Comparative Examples 1 to 9. This is considered because Examples 1-6 use the binder resin which contains specific 2 types of copolymers by specific mass ratio. Moreover, in Examples 1-6, since the adhesiveness of a positive electrode active material layer and a collector is 5 mN / mm or more, it turns out that the adhesiveness which is practically satisfactory as binder resin is obtained.
さらに、実施例1〜6では、比較例1〜3と比較して、50サイクル後に負極に析出したコバルト量が1000ppm以下に抑制されていることがわかる。このような正極活物質からのコバルト溶出を抑制する効果は、フッ素系重合体A、フッ素系重合体B、またはアクリロニトリル系重合体Aを単独で用いた場合には得られない。したがって、この効果は、本実施形態で規定されるように特定の2種の共重合体を特定の質量比で含有するバインダ樹脂を用いた場合でのみ得られることがわかる。 Furthermore, in Examples 1-6, compared with Comparative Examples 1-3, it turns out that the amount of cobalt deposited on the negative electrode after 50 cycles is suppressed to 1000 ppm or less. Such an effect of suppressing elution of cobalt from the positive electrode active material cannot be obtained when the fluorine-based polymer A, the fluorine-based polymer B, or the acrylonitrile-based polymer A is used alone. Therefore, it is understood that this effect can be obtained only when a binder resin containing two specific types of copolymers at a specific mass ratio is used as defined in the present embodiment.
以上にて説明したように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、充電終止電圧がグラファイト基準で4.45V超である高電位下で好適に用いられる。具体的には、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、サイクル特性、および高温保存時の容量特性を向上させることが可能である。 As described above, the lithium ion secondary battery according to the present embodiment is suitably used under a high potential where the end-of-charge voltage is over 4.45 V on the basis of graphite. Specifically, the lithium ion secondary battery according to the present embodiment can improve cycle characteristics and capacity characteristics during high-temperature storage.
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかである。これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It is obvious that a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs can come up with various changes or modifications within the scope of the technical idea described in the claims. . Of course, it is understood that these also belong to the technical scope of the present invention.
10 リチウムイオン二次電池
20 正極
21 集電体
22 正極活物質層
30 負極
31 集電体
32 負極活物質層
40 セパレータ層
DESCRIPTION OF
Claims (10)
下記化学式1を少なくとも含む第1の共重合体と、下記化学式2または3を少なくとも含む第2の共重合体とを25:75〜75:25の質量比で含有するバインダ樹脂と、
を含む、正極活物質層。
A binder resin containing a first copolymer containing at least the following chemical formula 1 and a second copolymer containing at least the following chemical formula 2 or 3 in a mass ratio of 25:75 to 75:25;
A positive electrode active material layer.
LiaCoxMyO2 ・・化学式4
上記化学式4において、Mは、アルミニウム、ニッケル、マンガン、クロム、鉄、バナジウム、マグネシウム、チタン、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、タングステン、銅、亜鉛、ガリウム、インジウム、スズ、ランタン、およびセリウムからなる群から選択される1種または2種以上の金属元素であり、
0.20≦a≦1.20、0.95≦x<1.00、0<y≦0.05であり、x+y=1である。 The positive electrode active material layer according to claim 1, wherein the lithium composite oxide is a compound represented by the following chemical formula 4.
Li a Co x M y O 2 ·· Formula 4
In the above chemical formula 4, M is selected from the group consisting of aluminum, nickel, manganese, chromium, iron, vanadium, magnesium, titanium, zirconium, niobium, molybdenum, tungsten, copper, zinc, gallium, indium, tin, lanthanum, and cerium. One or more metal elements selected,
0.20 ≦ a ≦ 1.20, 0.95 ≦ x <1.00, 0 <y ≦ 0.05, and x + y = 1.
負極と、
非水電解質と、
を備える、リチウムイオン二次電池。 A positive electrode comprising the positive electrode active material layer according to claim 1;
A negative electrode,
A non-aqueous electrolyte,
A lithium ion secondary battery comprising:
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